1.1 应用需求
1:2000地形图是北京市基础测绘重要内容，作为北京市基本比例尺地形图，每年更新一次。仅2019年向3000多家国家和北京市政府部门、科研院所、企事业单位提供了各类基础地理信息数据服务（CAD和GIS数据），提供1:2000地形图纸图13260幅，数据29350幅，使用单位涵盖政府机关、部队、学校、企事业单位和社会团体。为北京市基础测绘、城市精细化管理、数字城市建设、地理国情普查等工作提供了有力的数据支撑和技术保障。多年来，航空影像一直是1:2000地形图的原始数据，具有分辨率高的优势，然而，受空域、天气等因素影响，其来源不是很稳定，造成了数据获取的滞后甚至空洞。1:2000地形图现势性是困扰北京市基础测绘成果的主要问题之一。以北京市1:2000 DLG基础测绘为例，由于采用航空摄影的手段，数据源为上一年10-12月航飞获取，第二年4月左右拿到做完保密处理的航片，空三加密、内业测图再到外业调绘，要到6月以后才能制作一批DLG数据成果，更新的地形图时相有至少一年的延迟。与此同时，北京市五环范围内连续多年无法获得批准开展航飞，导致航飞数据根本无法获取。1.2 测绘卫星应用现状
测绘卫星相较于传统航片测图，具备原始数据获取速度快、响应及时，像幅大需要的控制信息少，处理工序像对简单等优点。利用测绘卫星数据获取基础地理信息数据在众多研究、项目中取得成功应用。2008年，云南省航测遥感信息院在进行边远地区、少数民族地区基础测绘专项项目时，在进行德宏傣族景颇族自治州潞西、瑞丽、陇川地区1:5000测图中，针对云南边境地区航空摄影无法实施的现状，采用 WorldView-1，0.5m分辨率立体卫星影像数据测绘1:5000比例尺地形图的技术方案。除了国外成熟高分遥感卫星数据在测绘领域中的成功应用，国产资源3号卫星数据自成功发射以来也在各个领域发挥重要作用。资源3号立体数据已经为1：50000比例尺地形图更新提供了大量的影像服务，将原来三到五年的更新速度提高到一年。在全国第一次地理国情普查项目中，资源3号影像覆盖率达到99%，作为制造全国普查底图的数据源。新型基础测绘提出采用新技术手段，可以考虑利用高分辨率遥感卫星立体影像作为DLG更新的数据源，可以定制最新时相的遥感数据，并且由于卫星影像的幅宽大，测区需要的原始数据景数较少，进行定向处理所需要的控制点个数远小于航空影像定向所需控制点，可进一步减少外业布控的时间。使用高分辨率立体卫星影像进行1:2000地形图修测从数据源、处理效率上都缩短了工期，提高地形图成果的现势性。此外，随着国外亚米级卫星影像越来越普遍，国内高分卫星发射计划越来越多，因此探讨利用最新的亚米级高分辨率遥感卫星影像进行大比例尺测绘产品数据更新技术，与传统的航空影像制作4D产品的工艺流程、成本、投入进行比较，具有实际应用价值，还可在应急项目、偏远困难地区测绘项目等应用中发挥作用。1.3 WorldView-3情况分析
1.3.1 WorldView-3性能介绍
WorldView-3卫星轨道高度617公里，全色波段0.31m、8个1.24m多光谱波段、8个3.7m短波红外。摆扫式成像，成像能力方面侧摆大于20度，星下点幅宽13.1公里，每天可成像面积68万平方公里，重访周期4.5天。传感器通过在沿轨方向上前视和后视获取同轨立体像对，从而使基于WorldView-3卫星影像进行立体测图、获取DEM地形数据成为可能。WorldView-3被许多国外网站誉为“最敏捷和精细的商业对地观测卫星”，不仅因为它0.3m分辨率的全色波段影像对应的美国国家图像解析度分级标准（NIIRS）是5.7级，能够识别出地面井盖、建筑物通风孔、消防栓等物体。这一分辨率等级的图像能提供更清晰、更丰富的数据信息，提高在政府决策、民用、安全情报、环境保护等多个部门的遥感数据应用能力。而且WorldView-3的无控定位精度可达到3.5米。(Image Copyright © DigitalGlobe)随着遥感传感器的发展、卫星技术的发展，航天遥感卫星数据质量，无论从几何定位精度方面还是光谱解译度方面都取得长足进步。加拿大PhotoSat公司利用WorldView-3提供的立体像对制作的0.5m分辨率DEM，与加利福尼亚东南部的0.5m高精度激光雷达(LiDAR)高程网格进行对比，测试结果显示，前者比后者的精度还高5cm。测试区域的面积为88平方公里利用一个单一的地面参考点，标准误差（RMSE）高程精度可以达到15cm，目前WorldView-3卫星的精度误差研究已经公布在PhotoSat网站上。
1.3.2 WorldView-3及HD产品可行性分析
WorldView-3是目前可以获得的分辨率最高的具有立体像对的商业卫星影像。然而，受卫星应用数据获取能力的限制，在一些情况下无法提供及时的大范围数据。HD技术是MAXAR拥有的专有算法，可以智能地增加像素以提供独特的30cm像素产品。通过减少像素化来提高图像的视觉清晰度；使影像美观精致，边缘精确，细节重现细腻。可以说，HD产品可以与WorldView-3数据的精细程度相媲美，但是获取能力在算法的支撑下大大提升。2.1 区域概况
所选区域为北京市通州区，数据范围为25平方公里。覆盖通州区核心区，包含北京市城市副中心行政中心，是北京市市委政府所在地。测区地物丰富，包括道路、建筑、裸地、河道、公园等多类型要素。
2.2 数据说明
本次精度检测的影像为HD全色立体卫星影像，分辨率为0.3米，位于北京市通州区，主要地形为平原，面积为25平方公里。数据由航天世景公司提供，该产品利用WorldView-1 数据经过HD技术生产，数据编号为1020010085C60500、10200100870D1600。
表1 原始立体影像基本信息
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作业依据（1：2000制图过程所依据的测绘规范）
2.《卫星定位城市测量规范》 CJJ/T 73-20103.《基础测绘技术规程》 DB11/T 407-20174.《测绘成果质量检查与验收》GB/T 24356-2009本次精度检测采用前后视卫星影像进行RPC空三，创建立体模型，在立体模型上测量一定数量的检测点，外业利用GPS或全站仪等实地测量检测点坐标进行精度检测。对HD产品立体卫星影像进行1:2000制图精度检测的技术流程图如下所示。
4.1 影像预处理
在对影像进行各项处理运算之前，需对原始影像进行预处理，包括影像质量检查、影像拼接、影像调色、影像位数转换等。检查影像质量，主要是查看影像上是否存在云、云影、雪、反光、影像缺失等问题，以及影像之间的重叠度是否满足空三要求。影像拼接则是将同一景全色影像拼接成一幅完整的影像。影像调色主要是对影像进行直方图调整、明暗度调整、对比度调整以及云光匀色等操作。拼接后的影像是16位影像，为方便后续处理操作，需要将其降为8位影像。4.2 像控点布设
按照传统航片区域网布点的原则，像控点应尽量布设于航区范围内的边缘处及航带间重叠区域。HD立体像对两个视角的影像重叠范围几近100%，本次精度检测一共量测了17个像控点，平高控制点位的分布如下图所示。
像控点选在了影像清晰、明显的地物折角顶点处，选在高程变化较小的地方；采用GNSS测定时，像控点均在超高压输电线和大型微波无线电传送通道等50m以外。像控点首先在室内按照布设要求进行初选，在影像上标出具体位置，打印索引图及点位细部放大图，当做野外刺点片，实地辨认误差应小于图上0.1mm。4.3 像控点联测
为满足HD遥感影像航外控制点测量和精度检测的需要，在进行像控点联测和平面高程精度检测时，充分利用北京市建立的CORS网和高精度似大地水准精化成果，运用网络RTK技术，准确、高效地获得了25平方公里航外控制点和精度检测点的坐标和高程。4.3.1 联测方法
（1）本次试验基于北京市GNSS测绘服务系统，充分利用北京市的CORS网和高精度似大地水准精化成果，运用网络RTK技术，直接测绘并准确、高效地获得了航外控制点和精度检测点的坐标和高程。（2）我院已有多年地形图测绘经验。北京市GNSS测绘服务系统基于GNSS连续运行基准站网和网络通讯技术，兼容GPS系统、欧洲的伽利略系统和俄罗斯GLONASS系统，采用先进的基准站系统软件，构建了覆盖全市的GNSS测绘服务系统，可以提供实时网络GPS差分定位服务和后处理精密定位服务。其快速定位能够为图根控制点和航外控制点联测提供实时数据。利用北京市高精度似大地水准精化成果计算正常高。
（3）采用网络RTK联测图根控制点和像控点以及部分地形点测量速度和精度大大提高。本次任务所测的航外控制点和精度检测点的坐标和高程分布于北京市通州区，测量区域大，测量点数多，按照相关测量规范要求，像控点平面精度要达到三级导线精度，高程要达到图根水准精度。若本次项目试验成果，后续大范围开展HD影像应用，控制点采集可采用网络RTK技术联测图根控制点和像控点平面坐标和高程，只需要北京市建立的CORS网15个基准站，不需要其他控制点。相比各种控制测量传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何，采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用网络RTK来进行像控点测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个像控点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。与以往常规方法比较，采用网络RTK技术联测图根控制点和像控点效率提高至少10倍。精度优于常规方法，并且联测精度均匀。采用网络RTK技术，在做图根控制点和像控点刺点工作的同时，直接联测图根控制点和像控点以及地形点的平面坐标和高程。减少了中间工作环节，同时所有的图根控制点和像控点（不论平高点还是高程点）均联测了高程，极大的减少了图根水准测量的工作。同时还可以减少像控点检查点的数量，同时有助于航内空三加密工作提高工作效率与质量。同时进行了网络RTK技术直接测绘地形图技术研究和生产。4.3.2 联测技术指标
像控点联测主要采用网络RTK技术，像控点均提供三维坐标，各项技术要求符合《城市测量规范》CJJ/T8-2011和《卫星定位城市测量规范》CJJ/T73-2010的要求的有关规定。像控点选测在高于地面的建（构）筑物上时，其成果提供顶部高程，并量出其与地面的比高及女儿墙高度，注至厘米。像控点成果包括像控点刺点像片和像控点计算手簿（作业说明、成果表、点位联测略图、原始观测数据手簿和精度统计表）等。外业像控点成果经两级检查合格后，提供卫星影像空三使用。4.4 卫星影像空三
本次精度检测采用MapMatrix软件进行空三，以单景立体像对测区为空三基本单元，使用基于像方仿射变换的RPC空三模型进行卫星影像空中三角测量。工作内容包括：资料准备（预处理后的卫星影像、原始RPC参数、像控数据）、创建测区、设置投影参数、导入控制点文件、量测控制点、RPC空三、平差结果分析、建立测图工程、定向成果检查和成果输出等。为了检测HD测绘地形图的精度，从三个方面进行了验证，包括平面点位绝对精度检测、平面相对精度检测、高程精度检测。由于影像东南角处于施工状态，没有明显地物点，所以所有检测避开了该区域。5.1 平面点位精度检测
在立体影像上采集比较清晰且无遮挡的低矮房屋角点以及斑马线角点等明显特征点坐标，通过外业实地测量特征点真实坐标进行精度检测。本次精度检测一共测量了125个特征点，点位分布如下图所示。
5.2 边长相对精度检测
在立体影像上采集比较清晰且无遮挡的低矮房屋以及斑马线等线状要素，计算各线状要素的边长，通过外业实地测量各线状要素的真实边长进行精度检测。本次精度检测一共测量了75个特征线。5.3 高程精度检测
在立体影像上选择硬化路表面测量高程点，通过外业实地测量同一位置的真实高程值进行精度检测。本次精度检测一共测量了112个高程点，高程精度检测点分布如下图所示。
6.1 精度结果
本次平面精度检测一共测量了125个特征点，点位中误差（RMSE）为0.357米，各特征点具体误差统计见下表所示。
表2 平面误差统计表
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| 依据《基础测绘技术规程》DB11/T 407-2017，允许中误差M=1米,共检测125个，统计分布个数N为： |
本次平面相对精度检测一共测量了75条边，中误差（RMSE）为0.266米，各边具体误差统计见下表所示。
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| 依据《基础测绘技术规程》DB11/T 407-2017，允许中误差M=0.8米,共检测75个，统计分布个数N为： |
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本次精度检测一共测量了112个高程点，高程点中误差为（RMSE）0.133米，各高程点的具体误差见下表。
表4 高程误差统计表
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| 依据《基础测绘技术规程》DB11/T 407-2017，允许中误差M=0.35米,共检测112个点，统计分布个数N为： |
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注：因篇幅有限，具体每个点的数值在此不一一列出。
6.2 误差分布统计图
依据误差点分布情况，绘制误差直方图及其概率密度函数，结果如下图所示，边长相对精度检测、高程精度检测分布呈正态。
6.3 影像质量分析
选区典型地物不同分辨率的影像进行对比，可以看出，HD影像分辨率与WorldView3相差无几，在房屋、操场等大地物上表达能力类似。但在斑马线方面，HD影像表现力略逊
7.1 经济效益
HD在数据获取成本、重访周期等方面较传统航飞数据有着较明显的优势，尤其是在空域管制严苛的首都北京。与传统的航空摄影测量生产相比较，卫星立体遥感影像覆盖面积大，使用较少的控制点可满足测图精度要求，在一定程度上减少了外业控制的工作量。通过综合利用多个遥感与摄影测量专业软件，对HD立体像对进行基于RPC通用模型空三、影像匹配、正射纠正实验，在此基础上提出了一套具备生产实施性的、规范的获取基础地理信息数据工艺流程。试验成果表明HD优秀的成像性能和精准的定位能力，在控制点满足的情况下可以达到1:2000的地形图定向精度。相较于以往高分辨率测绘卫星，如IKONOS、SPOT系列卫星、资源3号测绘卫星，应用该工作流程，将会大大提高工作效率，降低劳动强度，效率显著提高，从而大大减少生产过程中的人力、物力。7.2 社会效益
能够有效解决北京市因航飞受限，从而导致1:2000地形图更新数据源滞后问题，从而解决北京市1:2000地形图现势性差难题。卫星遥感影像资料，可以补充航空摄影资料的不足。完成应用航测方法不便于完成的工程。如：各类紧急任务、边境地区的测图生产任务以及人迹罕至无法有效布设控制点的地区。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》专门指出要做大做强卫星及应用产业。随着计算机技术、通讯技术、传感器技术的发展，卫星遥感技术正朝高精度、高空间分辨率、高光谱分辨率等方向不断发展，更高分辨率、更多类型的遥感卫星数据将会不断推出，遥感卫星影像在测绘方面必将得到越来越广泛的应用。立体卫星测图是现代摄影测量发展的热门方向之一基于立体卫星开展大比例尺3D数据生产完全符合当前的发展趋势。测绘部门应紧跟国家空间信息技术发展，始终站在科技前沿，将测绘行业与航天领域紧密联系，真正推进“新型基础测绘体系”的建立。本次试验利用通州测区的HD立体像对，通过上述流程实现了1:2000地形图测绘，依据北京市《基础测绘技术规程》DB11/T 407-2017，具体结论如下：（1）基于HD影像进行点位平面精度、点位高程精度、边长相对精度检测，结果表明各项精度指标符合1:2000地形图对平面、高程、相对精度的指标要求。（2）从精度、效率、经济效益等各方面考虑， HD立体影像的数据源更加丰富，数据获取可控性更大，性价比更高。（3）与利用航片进行立体采集的传统方式相比，利用HD影像进行立体采集的主要弊端在于空间分辨率、影像解析力的限制，相较于WorldView3的影像，HD的卫星影像对内业作业员的要求更高。联系Maxar了解更多关于1:2000制图的详细信息：网址：https://www.maxar.com/
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