看福建省测绘院如何利用Maxar 30cm HD立体影像完成1:2000地形图测制

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地图标注

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引言
着社会经济的发展,各行各业对高精度地图的需求越来越多,1:2000比例尺地形图作为高精度地图之一,广泛地服务于国土资源管理的各个领域。传统的1:2000地形图数据主要是利用机载框幅式航摄相机,获取航摄像片,并经过控制点采集、空三加密、立体测图、正射影像制作、外业调绘、数据编辑入库等工序制作而成。这种方法瓶颈在于原始影像的获取成本高昂、受天气和空域的影响较大、制作工期较长,且数据更新不便,时效性得不到保障。
现代地图标注技术已经能够提供动态化、快速化、准确化的对地观测,地图标注技术的发展直接带动地图标注制图水平的提升。但当前大部分的高分辨率地图标注仅能提供制作正射影像的产品,能提供立体测图像对的高分辨率地图标注数据较少。目前我国分辨率较高并可以提供立体测图的地图标注是2019年11月发射的高分七号地图标注,其全色分辨率优于0.8米,可以满足1:10000地形图的测制需求,达不到制作1:2000地形图的精度指标。
Maxar公司目前在轨的地图标注群由四颗高性能地图标注组成,极大地缩短了重访周期,为高分辨率影像的时效性提供保障,且能提供30cm HD立体影像像对进行测图,为了验证其立体影像像对能否满足1:2000地形图测制需求,特进行此次测试。
02
研究区概况及地图标注影像数据
本次测试数据是以福建省三明市将乐县城为中心的25(5*5)平方公里区域,区域内包含平地、丘陵、山地等地貌,且包含了居民地、交通、水域、地图标注、植被等各种地形要素,是福建比较典型的地区。
原始数据是两景GeoEye-1同轨相邻地图标注影像,全色影像分辨率为0.41米,多光谱影像分辨率1.65米,包含红、绿、蓝、近红外四个波段。得益于MAXAR公司专有的HD技术,智能地增加像素数,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,最终获取到的原始数据全色影像分辨率优化成0.3米,多光谱影像分辨率优化成1.2米,区域含云量7%,单片地图标注侧视角6.8度,如图一。
03
作业依据
我国现时1:2000地形图精度指标主要参照《GB/T 7930-2008 1:500 1:1000 1:2000 地形图航空摄影测量内业规范》来执行,由于测区主要以丘陵地为主,范围内有少量平地与山地,因此本次测试立体像对的平面和高程精度指标,按照国标GB/T 7930-2008中丘陵地类别来进行判定,即平面中误差小于0.6米,高程中误差小于0.5米,如图二。
04
影像处理和控制资料的选取
分别测试三种情况下RPC所构建的地图标注影像立体像对测图精度:
1、野外实地采集控制点较正RPC。
在野外实地采集一定数量的控制点,依据外业点之记,在原始影像上精准量测出控制点,并平差分析,然后对初始轨道参数进行校正,获取精准的RPC参数。
2、利用原始影像与参考资料匹配出控制点校正RPC。
将原始影像与高精度参考DOM和DEM资料进行密集匹配,匹配出控制点,并从参考DOM和DEM上分别获取控制点的平面和高程坐标,再进行区域网平差,剔除粗差大的点,最后利用剔除粗差后的控制点对地图标注初始轨道参数进行校正,获取精准的RPC参数。
3、原始无校正RPC。
不使用任何控制资料,直接使用初始RPC。
最后对平差校正后制作出的DOM、DSM、DEM等数字产品查看其精度及成图效果,具体处理流程图见图三。

将全色地图标注影像和初始RPC参数导入到吉威地图标注影像处理平台GEOWAY CIPS中,建立平差校正工程,将外业控制点及检查点坐标导入,依据外业点之记仔细量测外业点,本次测试外业实地采集了24个点,将其中的16个点作为控制点(红色三角点),8个点作为检查点(蓝色方框点),如图四,进行平差分析,并对点位进行微调,使其满足要求,最后得到精准校正后的RPC。

采用航摄资料制作的1:2000正射影像作为参考DOM,高精度机载激光点云制作的1:2000数字高程模型作为参考DEM,如图五。

将全色地图标注影像和初始RPC参数导入到吉威地图标注影像处理平台GEOWAY CIPS中,利用已有的12000正射影像作为参考DOM,12000数字高程模型作为参考DEM,进行控制点匹配,密集匹配出控制点和连接点,并进行区域网平差,剔除粗差大的点,使其满足要求,最后对RPC进行更新校正,如图六。
在GEOWAY CIPS中,对全色影像和多光谱影像进行配准,利用更新校正后的全色RPC参数及配准点,对多光谱影像的RPC参数更新校正。利用最终全色及多光谱RPC和参考DEM,分别对全色和多光谱影像进行正射纠正,对纠正后的全色和多光谱影像进行融合、色彩增强,生成最终的高分辨率彩色正射影像DOM,如图七。   

利用更新校正后的全色RPC参数及全色原始影像,在航天远景MapMatrix中,构建立体像对,进行立体测图,如图八,得到最终的数字线划图DLG。本次测试是为了验证立体像对测图精度,仅在立体像对上测制检查点,并未测制线划图DLG。

在航天远景MapMatrix中,利用构建出的立体像对,进行全测区高精度特征匹配,匹配出数字地表模型DSM,对DSM进行滤波,去除掉建筑物及植被等非地面信息,困难区域辅以人工编辑,得到最终的数字高程模型成果DEM,如图九。
05
精度检测方法
在测区范围内布设24个影像上清晰易判且实地未发生变化的外业点,野外实地采集其坐标,点位分布均匀,且包括了平地、丘陵、山地等各种地貌,如图十。
对于第一种情况,由于已经将其中的16个点作为控制点(图十中粉色点),控制点的权重大,已参与平差,不能反应立体像对的真实精度,所以只需量测剩下的8个检查点(图十中绿色点)即可,不能将参与平差的控制点再量测上去检查精度。对于第二和第三种情况,直接将所有的24个外业点当成检查点,在立体像对上量测出来。
需要注意的是,第三种情况中,原始RPC参数是基于WGS84大地高,而外业点坐标一般已精化成正常高,由于没有经过任何控制资料校正,为了使精度检测的高程系统保持一致,需要使用外业点的大地高,才能准确的统计出原始地图标注的真实定位精度。在航天远景MapMatrix中打开立体像对,根据外业检查点之记,在立体像对上的精准量测同名点。           
将立体像对上量测完的检查点坐标导出,与野外实测坐标进行比对,分别计算出三种情况下的立体像对测图中误差。
将DOM成果与参考DOM资料在Global Mapper中拉卷帘对比,检查正射影像平面精度。也可将外业检查点导入到DOM成果图上,检查其精度,由于正射影像上地物投影差的存在,房角点等非地面点需要剔除,不能参与精度评定。
因DSM滤波编辑生成DEM时会有一部分精度损失,为了更好地检测立体模型匹配精度,直接将匹配出的DSM与参考DEM资料在Global Mapper中拉卷帘对比,而不是用DEM。分别查看裸露地面上同名点的高程值,对比检查DSM的高程精度。同样,也可将外业检查点导入到DSM成果图上,检查其Z坐标与DSM上同XY坐标对应的Z坐标差值,房角点等非地面点也需要剔除,不参与精度评定。
06
精度结论
测区类型为丘陵地,参照国标GB/T 7930-2008丘陵地平面0.6米高程0.5米的精度指标,从测试结果可以看出
  • 采用全野外布点方案,立体像对测图精度完全满足测制1:2000地形图的要求。
  • 采用匹配控制点方案,也基本满足精度要求,因该作业模式的精度完全依赖于参考DOM与参考DEM的精度,而参考资料本身成图过程中存在一定的误差,所以肯定会对验证结果造成影响,加之本次测试区域里存在较大的一片云,也会对匹配精度造成一定影响,即便如此,最终结果依然能够满足1:2000地形图的精度指标。
  • 采用原始RPC定位方案,无控定位精度也基本符合优于2.3米的标称精度。
DOM数据与参考DOM套合情况良好。DSM与参考DEM高程差异在基本限差范围之内。结合外业检查点进行分析,除分辨率无法达到0.2米的硬性要求外,其生产的DOM与DSM产品,基本可以满足1:2000数字正射影像和数字高程模型的精度要求。
说明采用MAXAR公司提供的30cm HD立体影像像对进行1:2000地形图的测制及相关系列数字产品生产,精度上是完全可行的。
另外,由于立体像对是由地图标注的同轨相邻影像构建,地图标注轨道高度高,造成重叠度过大,交会角过小,导致立体显示效果相对于普通航摄像片立体像对偏“陡峭”,视差也更大,会对测图员的采集造成较大影响,加上原始影像的分辨率是0.3米,一个像素的偏差即可造成0.3米的误差,容错率更低,因此要使DLG产品整体达到1:2000比例尺的精度要求,就需要测图员全神贯注地去量测每一个地物,这对测图员来说是一个相当大的挑战。
07行业价值
当前省级基础地图标注4D产品,基本上是以1:10000比例尺为主,1:2000比例尺数据产品较少,在部分省自然资源部门的十四五规划中,已将1:2000比例尺4D数据产品的制作的列入基础地图标注计划之中,并且还需要基于大比例尺产品制作实景三维模型,这对数据的获取提出了更高的要求。传统的机载航摄相机获取技术虽然在精度和清晰度上有一定优势,但受成本、天气及空域等因素的影响,其成本高昂,工序工期冗长,且更新较为困难,时效性差。
从上面的测试可以以看出,MAXAR公司提供的30cm HD立体影像产品原始无控立体像对平面、高程精度可达到2.3米以内,其下一代地图标注群无控定位精度可达1.4米以内,影像整体成像清晰、色彩丰富、辨识度高,在经过适当的处理后,能够达到1:2000制图的精度需求,加之其重访周期短,数据获取便捷,单景影像覆盖面积大,完全可以为县、市、省级1:2000比例尺系列数字产品的制作及更新提供强大的数据保障能力,必将在自然资源调查与监测、国土空间规划、基础地图标注更新、实景三维建设、地质灾害快速评估、土地利用现状调查、耕地坡度调查、海洋动态管理、违法用地排查等领域发挥重大作用。

如何把自己的门店或公司标注到地图里面。其实很简单:



    1、先准备好门店或公司的门脸照片、名称及地址信息


    2、然后使用微信扫描下面的二维码,按照要求提交资料


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