基于QuickBird卫星影像的平地矿区1∶2 000比例尺地形图快速更新方法

刘昶

(合肥市测绘设计研究院，安徽 合肥 230000)

1 引 言

大比例尺地形图是基础地理信息系统最重要的数据源之一，因此如何快速、经济且有效地对大比例尺地形图进行更新工作，保持地理信息数据的现势性是测绘工作者所面临的重要课题[1]。目前，大比例尺地形图更新工作的主要方式还是通过野外数据采集和航空摄影测量的方法，人工全野外数据采集耗时耗力，且现势性差，航空摄影测量方法比全野外数据采集的效率得到了极大的提高，但前期投资成本高，周期相对较长，因此都很难满足快速发展的大比例尺地形图更新工作。高分辨率遥感技术的应用，对大比例尺地形图的快速、准确和经济的更新带来了新的手段[2]。近年来，国内关于高分辨率遥感影像应用于地形图更新工作已经展开很多[3～7]。

本文基于矿区1∶2 000地形图的更新进行实验研究，矿区地形现势性变化很快，所以快速的地形图更新工作是满足矿山设计、生产、管理以及开采后的影响评估、土地复垦和地面设施重建等的有效手段[8]。本文结合鲍店某矿区进行 1∶2 000地形图更新，利用QuickBird影像(全色的分辨率为 0.61 m，多光谱的分辨率为 2.4 m)获取地物变化信息，对现有地形图进行修补测，并对更新地形图的点位精度进行了分析，结果表明可以满足 1∶2 000地形图的更新精度，且快速、准确、高效，能满足矿区生产导致地图变化的现势性更新工作。

2 矿区地形图更新技术

2.1 地形图更新流程

通过纠正影像的不稳定、大气干扰及图像传输过程中信息损失和畸变等干扰因素，来改善和增强图像的识别效果，通过图像融合和变化检测，在提高目视判读、解释效果以及目标提取的准确性上，进行矿区 1∶2 000地形图的更新工作，地形图的更新过程如图1所示。

图1 QuickBird影像更新地形图流程图

2.2 更新技术方法

针对2.1节的技术路线图，阐述本文更新过程中的相关技术方法。主要讨论QuickBird遥感影像处理工作，包括影像的预处理，全色影像与多光谱影像的融合以及时相数据的变化检测等工作，通过信息融合，来增强图像质量、突出所需要的图像信息，提高图像的视觉效果，能够更容易地识别图像变化内容，从图像中提取更有用的信息。通过变化检测，获得显著变化的区域，对影像进行分类，识别出地物变化信息，根据地形图更新规范，从而辅助完成地形图的快速更新。

2.2.1 影像几何纠正

几何纠正就是消除或改正几何误差的过程，遥感图像的几何纠正主要由地面控制点(GCP)的选取、纠正模型多项式的建立及影像重采样三个部分组成，生成几何纠正后的影像。

(1)地面控制点(GCP)的选取

一般地质条件下地面控制点的选取：

①地面控制点(GCP)分布要均匀，不能过于集中；

②图像边缘也应该选取地面控制点，以避免外推；

③在山地复杂的情况下，根据实际情况一般多选取控制点；

④选择影像上容易分辨和定位的特征点，如地形地物的交叉点、河流弯曲或分叉处、建筑物的边界、农田的边界，铁路、水坝和交叉路口房屋的拐角处和厂房的边缘等能准确定位的特征点。

矿区地表地面控制点选取：

除采用一般地质条件选取原则外，在矿区地区，切记避开在塌陷区选取地面控制点，避免在塌陷区形成的水面边缘选取地面控制点，避免在地形变化大的地区选取地面控制点。

然后利用旧地形图进行相应地面控制点坐标采集，或者采用GPS或RTK技术进行地面点坐标实测，以获取控制点实地点位坐标数据。

(2)纠正模型的建立

同名相点确定后，即影像上像元坐标(x，y)和对应的地面坐标(X，Y)，采用二次或三次多项式建立数字纠正模型。多项式如下：

x=a0+a1X+a2Y+a3X2+a4XY+a5Y2+…

y=b0+b1X+b2Y+b3X2+b4XY+b5Y2+…

(1)

用选取的两套坐标，按最小二乘回归求取多项式的系数，可以获取每个控制点的RMS误差(影像纠正的内部误差)，如果RMS误差不大于0.5，即符合精度要求。

(3)重采样

根据输出影像上的各像元在输出影像中的位置，对原始图像按一定规则重新采样，进行亮度值的重新计算，建立新的图像矩阵。

(4)几何精度分析。

2.2.2 图像融合

图像融合是指将同一地区的多源遥感图像按照一定的算法，在规定的坐标系内进行处理，生成新的图像的过程，通过遥感图像融合，可以克服单一传感器获取图像信息不足的缺点，从而增强图像信息。

全色图像一般具有较高的空间分辨率(如本次实验所用的QuickBird全色影像的空间分辨率为 0.5 m)，但多光谱图像分辨率较低(QuickBird多光谱影像分辨率为 2.0 m)，而多光谱图像较全色影像信息丰富(QuickBird有4个波段)，为提高多光谱图像的空间分辨率，可以通过多光谱图像与全色图像的融合方法实现。通过图像融合既可以提高多光谱图像的空间分辨率，又可以保留其多光谱信息。

2.2.3 时相影像的变化检测

变化检测是利用同域两时相遥感影像瞬时获取的地物信息，根据灰度值、纹理信息、边缘特征等差异，采用图像识别和信息提取的手段，识别、检测、提取和分析地物的变化情况，即通过对比，得到变化区域从地物A变为地物B，进而辅助地形图的更新。

变化检测的方法存在很多，如基于代数运算的变化检测、基于变换的变化检测、基于影像纹理特征的变化检测等，本文通过常用的基于代数运算中的差值法对HSV融合图像进行变化检测，通过非监督分类实验分析。

3 实验分析与地图更新

对选取的试验区进行相关实验处理及分析，利用处理的图像进行地形图快速更新。

3.1 矿区概括与影像数据

3.1.1 矿区概况

该矿区属平原，地势平坦，地面标高为+40 m～+46 m，其地形总的趋势是东北高、西南低，地形坡度特别平缓。因此，本文地形图更新工作主要以地物为主，地物主要包括居民地垣栅、交通及其附属设施、植被、水系等。

3.1.2 影像数据

本次实验所用的是QuickBird的全色影像和多光谱影像，矿区局部的全色影像与多光谱影像分别如图2和图3所示。

图2 全色影像

图3 多光谱影像

3.2 几何精度分析

以QuickBird影像作为地形图更新数据源，其影像质量的好坏直接影响更新质量的好坏，所以要对其纠正精度进行评定。因此本次在试验区选取18个均匀分布地面控制点(GCP)，对其进行几何纠正，其几何纠正精度如表1所示。

几何精度分析 表1

在表1中：∑RMS=0.299 5<0.5，满足纠正精度的要求。

3.3 影像融合分析

本文通过三种融合算法进行融合实验，即HSV变换、Brovey变换、PCA变换融合方法，分别如图4～图7所示。

图4 融合前的真彩色图像

图5 PCA融合图

图6 Brovey融合图

图7 HSV融合图

对QuickBird的多光谱影像与全色影像进行融合实验，通过图4、图5、图6、图7直接目视判别可得：HSV变换后的融合图较为清晰，且有效提高了影像的分辨率及光谱特性，而Brovey变换与PCA变换后的融合图质量较差。因此在后面的更新地形图过程中采用HSV变换后的融合图像。

3.4 变化检测分析

对QuickBird的标准假彩色影像的两个时相影像进行变化检测实验，两次影像采集间隔(即地形图更新对应的影像)为5个月，如表2所示。

两时相数据表 表2

根据QuickBird的两时相光学遥感影像的地物分类结果，分析两时相影像的地物类别变化。分类后的两时相影像如图8所示，图9为变化检测结果及地物分类。

图9(a)中，黑色表示变化的地物信息，白色表示未变化的地物，通过地物分类，得到图9(b)，可清晰判别变化的地物类别：绿色表示地物类别由建筑变为农田，紫色表示水体变为农田，棕绿色表示由农田变为植被，棕黄色表示地物类别由水体变为植被。

图8QuickBird两时相影像地物分类结果

图9 插值法检测结果与地物类别

3.5 地形图更新

选取实验区域更新前的1∶2 000地形图，对纠正和融合图像进行剪裁，得到需要更新区的融合影像图，在CASS软件中将更新前的地形图与影像图进行配准、叠加。得到图10的影像与地形图的叠加图，此处地区地势较为平坦，有大量农田、道路、房屋和一些沉陷区，在图10上进行地形图更新工作。图11为属性更新图。

全色影像与多光谱影像融合后，其融合图像极大地提高了图像的信息量，在对水塘、农田、道路和建筑物的识别及边界判定过程中有很大的帮助，且通过变化检测，可快速地识别变化地物位置信息，从而进行地形图的快速更新，极大地降低了误判率，且提高了工作效率。

图10 地形图更新

图11房屋、道路、水体变化图

对更新后的点位精度进行评价，本次实验采用点位中误差对更新的地形图进行精度分析，选取18个同名点均匀分布在更新区域，点位精度如表3所示。

点位精度分析表 表3

根据表3的数据进一步计算得到：

由计算可知，该矿区利用多光谱影像与全色影像融合后图像更新的地形图的点位精度为 0.288 3 m，根据《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形图数字化测图规范》的要求可知点状要素中误差要小于 2.5 m的限差，该数据满足规范要求，可以进行 1∶2 000地形图的更新工作。

4 结 语

本文以QuickBird 的全色影像与多光谱影像来更新 1∶2 000的矿区地形图，研究了高分辨遥感影像更新大比例尺地形图的方法。主要进行遥感影像融合、变化检测等方面的研究，来增强影像的目视判别和快速提取变化信息，从而实现利用高分辨率的影像快速、准确、经济地更新大比例地形图。通过精度分析，此更新方法具有可行性。

与传统地形图更新方法相比较，表现出很好的现势性，针对矿区的变化现状，采用此种方法更新对矿区的村庄搬迁规划、生产接续和合理留设保护煤柱，恰当处理地企关系具有重要的理论和实际意义。