奚 歌，郭建春，吴正鹏，谢津平
(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；
2.天津城市建设管理职业技术学院，天津 300134)
随着卫星传感器技术以及星座轨道技术的不断发展，卫星影像数据的空间分辨率和时间分辨率也越来越高，例如WorldView- 3的空间分辨率达到0.31m，这使得高分辨卫星遥感数据在水利工程项目大比例尺地形图生产中的应用成为可能。按照水利工程测量规范要求，一般水利工程项目在可研设计阶段坝址区及其上下游附近要求1∶1000～1∶2000地形图，引调水工程输水线路初设阶段、料场、弃渣场要求1∶2000地形图。通常情况下，采用航空摄影测量辅助机载激光雷达设备方式，进行数据采集和处理，生产1∶2000地形图。航空摄影的方式受天气和空域的影响较大，采集数据的周期变长，成本升高，最关键的问题在于难以满足工期要求。卫星数据可以调取部分存档数据或者编程数据，来解决数据获取困难的问题，尤其对于偏远人迹罕至地区、国外项目、空域协调困难的项目，卫星立体影像都得到了成功的应用。
在利用卫星立体像对生产大比例尺地形图的技术可行性方面，国内有很多技术学者都进行了尝试和分析。叶江[1]开展了高原山区WorldView- 2和GeoEye- 1立体像对定位精度的研究，分析不同数量的控制点布设对定位精度的影响；
宋杨[2]、孙畅[3]开展了立体卫星像对在1∶5000及1∶10000地形图生产的应用研究；
王玉训[4]、王洪艳[5]、许康[6]等又进一步通过方案研究和实验分析，推导出高分辨率卫星数据生产1∶2000地形图的可行性。2020年8月我国首颗亚米级高分七号立体卫星也圆满完成在轨测试，顺利投入使用。随着我国国产卫星以及国内外低轨卫星星座的持续发射，卫星数据资源会越来越丰富，时间和空间分辨率不断提高，在大比例尺地形图测图、数字孪生流域及工程[7]、河湖监管[8]、流域土地利用变化分析[9]等方面的应用也将越来越广泛。本文仅对WorldView- 3卫星立体像对在水利工程领域的应用做初步尝试。
此次实验选取西藏某水利工程项目，地形类别为山区，测区地物较少，存在部分散落居民地，大部分为草地与灌木，测区面积为40.2km2。该水利工程项目坝址位于某河上游的“V”型河谷内，正常蓄水位为4195m，死水位为4162m。南部地区属拉萨河支流某流域，平均海拔3860m，地势起伏较大，项目区最高处海拔约5070m，最低处海拔约3820m。
2.1 卫星立体像对数据情况
实验前期收集选取了四景WorldView- 3影像组成2个立体像对，立体像对获取日期分别为2017年11月19日(入射角分别为25.0°、-26.4°)，2018年10月11日(入射角分别为18.3°、-13.7°)。影像数据包括：全色卫星影像，地面分辨率0.31m；
多光谱影像，地面分辨率1.24m。影像整体色调均匀、纹理清晰、反差适中、层次丰富，测区范围内无云雪覆盖。
2.2 像控点采集
像控点测量精度按照1∶2000地形图成图要求执行，像控点类型统一为平高控制点；
像控点选择在影像和野外现场均能清晰判读的位置，如道路路口、房屋角点、其他独立地物等；
影像刺点在野外现场进行，刺点精度控制在0.5个像素之内。用于评价区域网空中三角测量精度的检查点，采用与像控点同样的技术要求施测，即保证其为同精度观测数据；
受实地条件限制，将检查点的类型规定为平高检查点和高程检查点2类。
由于现场交通条件限制，剔除某些无法正确转刺的像控点后，本次实验共获取能够在影像上清晰判读的像控点14个。像控点均采用省级GNSS连续运行参考站进行GNSS网络RTK测量。数据经平差处理后，像控点平面及高程精度均优于5cm，像控点现场照片及刺点示例如图1所示。
图1 像控点位置及实地照片示意图
区域网中像控点(白色高亮三角)、公共点(红圈高亮三角)、平高检查点(蓝色三角)及高程检查点(蓝色圆圈)具体分布情况如图2所示。
2.3 数据处理
一般来说，采用卫星立体像对数据生产数字线划图(DLG)、数字正射影像图(DOM)、数字高程模型(DEM)等成果所涉及的主要技术环节包括：区域网空中三角测量(外参数解算)、匹配数字表面模型(DSM)、DEM滤波及编辑、全色波段影像正射纠正、多光谱影像与全色影像配准纠正、影像融合处理、图像增强处理、影像镶嵌与裁切、立体测图及编辑、数据接边处理及元数据填写等。具体数据处理流程如图3所示。实际操作过程中，空中三角测量软件采用INPHO摄影测量系统卫星模块，主要数据处理流程包括：航天/航空遥感数据空中三角测量、DTM地形自动提取与建模、正射影像纠正拼接匀色处理等。数据采集软件采用易绘eFeature软件，直接调用INPHO软件的卫星影像空中三角测量成果进行立体测图，完成卫星立体影像的地形图测图工作。
图3 数据处理基本流程图
本文重点关注立体卫星遥感影像空中三角测量、数据采编和影像数据预处理3个方面的内容。其中：
(1)立体卫星遥感影像空中三角测量：根据卫星遥感影像提供的RPC参数，结合实测的像控点，采用区域网平差的方法解算准确的外方位参数。
(2)数据采编：利用空中三角测量成果与卫星遥感影像构建立体像对，进行DEM、DOM、DLG等数据生产。
(3)影像数据预处理：为提高影像判读及立体采集精度，采用匀光匀色软件，在立体测图前期对卫星影像进行影像融合(配准纠正的控制点残差中误差原则上不超过1个像素)、像素位降位、匀光匀色处理，保证立体采集所用影像色调均匀、纹理清晰、层次丰富。
3.1 区域网空中三角测量精度统计
利用高分辨率卫星立体像对进行地面目标量测所能达到的精度是立体卫星实用化的关键技术指标之一，直接影响到卫星立体像对的应用推广。此次采用外业测量的像控点和检查点(与像控点同精度测量)进行区域网空中三角测量精度统计，见表1。
表1 区域网空中三角测量精度统计表 单位：m
按照GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》和SL 197—2013《水利水电工程测量规范》规定，当地形类别为山地时，基本定向点和检查点(多余控制点)平面位置限差分别为0.4、0.7m，高程限差分别为0.6、1.0m。从表1区域网空中三角测量精度统计情况来看，该实验中，基本定向点和检查点(多余控制点)的平面位置和高程精度均满足规范要求。
3.2 位置精度分析
在区域网空中三角测量精度满足相关规范要求的前提下，进一步测试1∶2000地形图成图过程中立体采集的精度情况。实验前期，采用省级GNSS连续运行参考站进行GNSS网络RTK测量，获取地形图成图检查点位置信息，共测量57个平面检查点、91个高程检查点，其中平面检查点主要位于桥头、道路交叉口、水泥角、斑马线等位置；
因坝址区区域对地形图高程精度要求较高，故额外采集了部分高程检查点。本实验中，立体采集位置精度统计分析全部使用外业实测的检查点与内业采集结果进行较差，平面位置和高程精度情况统计见表2—3：
表2 精度统计表 单位：m
表3 平面及高程误差分布情况统计表
整体看来，检查点的平面位置中误差和高程中误差均满足GB/T 7930—2008和SL 197—2013所规定的成图精度要求。从平面及高程误差分布统计情况来看，平面及高程误差均呈现正态分布状态，不存在粗差点，其中小于2倍中误差的平面检查点占比高达96.5%、高程检查点占比约91%。即便是大于2倍中误差的检查点(平面位置最大较差0.539m，高程最大较差0.860m)的精度也是远低于GB/T 7930—2008中“1∶2000地形图上地物点的平面位置中误差不应大于1.6m，高程注记点的高程中误差不应大于1.2m”(地形类别为山地)的要求。
3.3 测图精度影响因素分析
影响摄影测量与遥感成图精度的因素有很多，如：原始影像的地面分辨率、基高比及影像质量，像控点测量精度、布设方式及刺点片的可靠性，区域网空中三角测量精度(RPC参数的精度，连接点分布合理性、可靠性，区域网像控点刺点准确度)等。一般来说，摄影测量与遥感立体采集的成图精度为原始影像地面分辨率的2～3倍，这是业界技术人员通用的经验值；
还有一个普遍的认识和结论，即相对于高程精度，平面精度则更容易控制并达标。因此，这里重点分析高程采集精度的影响因素。从内业数据采集的角度讲，人为判读的准确性是影响摄影测量与遥感成图高程精度的主要因素，结合以下2个主要方面进行分析并归纳总结，提出合理建议。
(1)由于卫星影像的传感器距离地面较远，造成摄影基线B与相对航高H的比值(基高比)较小，会影响测图的高程精度。同时此次使用的卫星立体像对前视、后视影像间侧视角差值分别为51.4测和32.0测，侧视角差值较大，立体测图时会存在高差明显夸大现象，测图时要注意设置好调整高程的步距。
(2)由于WorldView- 3卫星影像分辨率为0.31m，与1∶2000比例尺成图要求的航摄影像地面分辨率(一般情况下，要求航摄影像的地面分辨率优于0.2m)相比较低，将影响数据采集精度。在前述位置精度分析评价的基础上，进一步探究卫星影像地面分辨率对高程采集精度的影响，验证WorldView- 3立体卫星影像采集精度。本次实验实测了部分较为明显的房屋与围墙角点，并测量了21处房屋与围墙的比高，与WorldView- 3立体像对作业员从模型上量测的比高相比较，得出针对WorldView- 3卫星立体影像作业员成图时的采集精度误差，经统计采集的高程误差约0.2～0.3m，后期测图时要注意测标要严格切准待测地物表面，需要选择有经验的作业员进行测图。
经统计，西藏某水利工程高原山区地物点对野外实测检查点平面位置中误差为±0.270m，小于GB/T 7930—2008和SL 197—2013中1∶2000比例尺实地±1.60m的平面位置精度要求；
高程注记点高程与野外实测检查点高程相比较，高程中误差为±0.120m，小于GB/T 7930—2008和SL 197—2013中1∶2000比例尺山地±1.2m的高程精度要求。
综上所述，WorldView- 3卫星立体影像数据可用于制作1∶2000比例尺地形图，其精度能够满足国标及水利行业规范要求。该方法的优点在于卫星影像的幅宽大，所需要的控制点少，可进一步减少高原外业布控的时间和难度；
难点在于卫星立体像对的基高比小，空间分辨率低，地物判读相对困难，对作业员的数据采集影响较大。本文实验区覆盖范围较小、地势变化较大但地物类型相对简单，采用0.31m空间分辨率卫星立体像对进行1∶2000地形图的生产是可行的，但由于分辨率限制，影像上仍有一些地物无法清晰判读，需要外业实地补测。随着我国卫星遥感影像的空间分辨率的不断提高，在大比例尺地形图生产方面的应用，仍有待进一步的研究。