高分七号卫星影像在铁路工程1∶1万地形图制作中的应用
时间：2023-02-08 15:20:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
翟 旭
(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)
1∶1万地形图是铁路勘察设计过程中的重要资料，在预可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段，对方案比选、方案优化均起着至关重要的作用。目前，1∶1万地形图基础资料的主要来源包括资料收集和航空摄影测量。其中，资料收集手续繁杂、时效性差；
航空摄影测量易受到成本高、投入大、周期长等因素限制。卫星影像为铁路工程地形图的快速制作提供了新的平台，很多学者也进行了相关研究。史园莉等讨论了影响制图效果的几个关键因素，包括自然真彩色波段合成方式、人眼分辨率与打印分辨率(DPI)的关系、卫星影像空间分辨率与制图比例的关系[1]；
王国昌基于不同分辨率的卫星影像，开展了铁路勘测制图试验，证明了卫星影像制图的可行性[2]。目前常用的国外高分辨率商业卫星主要有WorldView、Pleiades、GeoEye等，对此，王义等使用WorldView和GeoEye卫星影像在高寒无人山区开展了地形图制图工作，其精度满足铁路勘察设计要求，但受限于国外卫星中国境内存档数据量和成本高问题，仅能作为航摄方法的补充手段[3]；
邓继伟采取综合使用卫星立体像对、SRTM、谷歌注记和老旧地形图的方法进行地形图制作[4]；
周云提出针对目前最新对地观测技术发展态势，铁路勘测设计人员一方面要继续挖掘既有对地观测技术和资料的应用潜力，也要对数码航空摄影、机载激光雷达、高分辨率卫星影像数据等最新的对地观测技术和成果加大研究、应用力度[5]。随着国产立体测绘卫星的发射，这一问题将从数据源上得到改善，资源三号是我国第一颗立体测图卫星，在测绘地理信息行业得到广泛应用[6]。针对铁路勘测，代强玲等开展了资源三号卫星1∶1万图制作的试验工作，认为其可以作为影像源困难地区的补充数据使用[7]。但资源三号影像分辨率仅为2.5 m，主要用于1∶5万地形图制作。高分七号是我国第一颗亚米级立体测图卫星，已有学者对高分七号卫星的数据处理进行了研究工作，并提出了空三加密的优化方案[8]。但针对铁路带状成图特点，相关研究工作较少，尚无完善的技术方案。因此，有必要针对高分七号卫星影像的铁路工程1∶1万地形图制作开展研究，进一步拓展铁路1∶1万地形图制作手段。
高分七号卫星于2019年11月3日在太原发射成功[9-10]；
2020年8月20日，高分七号卫星完成在轨测试并正式投入使用[11]。高分七号卫星搭载双线阵相机和激光测高仪，其中前视相机倾角为+26°，全色地面分辨率为0.8 m，后视相机倾角为-5°，全色地面分辨率为0.65 m，多光谱地面分辨率为2.6 m，摄影测量基高比为0.62，可以用于1∶1万地形图测绘[12]。高分七号卫星具有以下技术特点[13]。
(1)主被动复合的全新测绘体制
采用了国内首台双线阵1∶1万立体测绘相机与国内首套全波形星载对地激光测高仪相复合的测绘体制，既发挥了双线阵成像效率高的优势，又可充分利用激光测距精度高的能力。
(2)内外方位元素的高精度和高稳定性
实现了单次在轨工作期间相机畸变稳定性优于0.3像素，主点稳定性优于0.3像素；
采用双频接收机和超高姿态确定、控制技术，保证了外方位元素的高稳定性。
(3)高速率数据传输系统
采用X频段自适应传输系统，保证了星地链路的可靠性，并提高了传输效率，最高传输速率可达到2.4GB/s，使卫星成像能力得到了充分发挥。
利用高分七号卫星影像的铁路工程1∶1万地形图制作主要工序包括：数据预处理、外业像控点的测量、空三平差、立体采集等，工序方案流程见图1。
图1 工序方案流程
2.1 数据预处理
原始的高分七号卫星影像以16位存储，而铁路工程呈带状特点，需要的影像景数较多，从而导致数据存储量大，并影响数据处理速度。因此，需要进行灰度拉伸和降位等预处理。预处理可以使用遥感处理软件，也可以使用Photoshop软件，但需要注意的是，为保证影像灰度不失真，应先进行灰度拉伸，再进行16位转8位的降位处理。
2.2 外业像控点测量
针对高分七号卫星影像的外业像控点布设，首先需要考虑影像范围和成图范围。在勘察设计前期，线路方案较多，在这种情况下，推荐整景布点的方式(见图2)，即像控点可以控制住整景影像，按每景影像9个点，像对间重叠区域像控点共用。线路方案稳定时，可以按控制带状成图范围布点(见图3)。按成图范围布点的优势是可以减少控制点数量，提高工作效率，若方案调整，则需要补测像控点。
端横梁锚固块及负弯矩齿板锚固块尺寸分别如图 1所示。其中，端横梁厚度为1.5 m，锚固钢束为6束φs15.2-27、2束φs15.2-31，张拉控制力为1 302MPa，锚垫板尺寸分别为342 mm×475 mm、367 mm×465 mm；
齿板锚固区锚固钢束为2束φs15.2-19，张拉控制应力为1 302 MPa，锚垫板尺寸为287 mm×375 mm。
图2 整景布点示意
图3 成图范围布点示意
按带状成图范围布设像控点时应满足以下原则。
(1)像控点连接成的多边形包围住成图范围。
(2)尽量布设在像对间重叠区域。
(3)每个像对内可用点不少于5个。
(4)像控点距影像边缘大于500 m。
为保证像控点在卫星影像上清晰易辨，选取了几种标志地物来分析其可用性，见图4～图6。
图4 独立大房屋高分七号影像
图5 连片小房屋高分七号影像
图6 车道线和斑马线外围高分七号影像
由图4～图6可知，大的车道线箭头、斑马线的外围可以从高分七号影像上分辨出来，并且这些位置多在平坦的马路上，高程没有突变，是比较理想的布点位置。但是需要注意的是，应避免这些位置周围有高楼等的遮挡，以及避免在车辆多的道路上。对于边长大于5 m且独立的房屋，密集连片、形状不规则、边长小于5 m的房屋，从图像上可以分辨出来的，而连片的小房屋难以分辨。
高山林区地物特征较少，在这种情况下，宜选择小路的路心交点作为像控点(见图7)。需要注意的是，现场测量时要尽量准确找到路心交点，并保证交点周围尽量平坦。
图7 以路心交点为像控点
表1 点位可用性分析
2.3 空三平差
空三平差是数据处理中的重要工序，卫星影像一般以RPC模型建立地面点坐标与像点坐标的关联关系。空三加密通过匹配影像间的连接点，构成区域网，再加以外业控制点对区域网进行约束，之后基于RPC模型对区域网进行平差得到精确的RPC参数，有
(1)
式中，Num(u，v，w)=a1+a2v+a3u+a4w+a5vu+a6vw+a7uw+a8v2+a9u2+a10w2+a11uvw+a12v3+a13vu2+a14vw2+a14v2u+a16u3+a17uw2+a18v2w+a19u2w+a20w3Denl(u，v，w)=b1+b2v+…+b19u2w+b20w3；
Nums(u，v，w)=c1+c2v+…+c19u2w+c20w3；
Dens(u，v，w)=d1+d2v+…+d19u2w+d20w3；
ai、bi、ci、di(i=1，2，…，20)为有理多项式系数；
u、v、w与x、y分别为物方和像方坐标。
可以使用Inpho软件或Photomatrix软件导入影像和初始RPC参数并建立工程，基于影像匹配算法软件进行连接点的自动匹配，再对连接点进行检查并剔除错误连接点，通过对像控点的人工量测并平差解算，得到精确的RPC参数，其中Inpho可以进行像控点的立体量测，photomatrix在单片上进行像控点的量测。平差后像点坐标单位权中误差应小于0.5像素，精度满足要求后，再导出成果RPC参数。
2.4 立体采集
基于航天远景MapMatrix或JX5摄影测量工作站，导入前后视高分七号卫星影像和平差后的RPC参数，建立工程并恢复立体。需要注意的是，立体视觉来源于左右视差，而卫星影像为前后视影像构成立体像对，故应在立体采集软件中设置影像旋转90°。1∶1万地形图按照规范要求进行采集，并编辑成图[14-15]。
渝万高铁自重庆东站引出，沿长江向东至万州，线路长252 km，设计速度350 km/h。测区全部为山区，高差超过900 m，以下利用前述技术方案进行铁路工程1∶1万图制作应用分析。
3.1 方案实施
本项目共使用9个高分七号立体像对(见图8)，影像小部分区域存在云遮挡，但成图范围基本不受影响。
图8 高分七号全色影像及像控点布设
项目中外业像控点采用整景布设方式，并尽量布设在像对间重叠区域；
外业基于“CORS+RTK”方式进行像控点测量，并拍摄近、远景照片，制作点之记(见图9)，提交成果坐标系统为CGCS2000-108(85高程)。
图9 像控点点之记
空三加密使用Photomatrix软件，立体采集使用了MapMatrix Grid2.0和JX5，采编生产1∶1万地形图，见图10。
图10 高分七号卫星影像制作1∶1万地形图
3.2 精度检查
精度检查采用外业实测点与立体采集点对比的方式进行，共统计了68个高程检查点，37个平面检查点，计算高程中误差为1.27 m，平面点位中误差为1.53 m。
为进一步验证不同地形下的精度情况，对两段线路进行了统计分析。Ⅰ段所处地形为Ⅱ级地形，共使用12个高分七号立体像对，完成1∶1万地形图882 km2，统计了33个高程检查点，42个平面检查点，计算高程中误差为0.81 m，平面点位中误差为1.05 m。Ⅱ段所处地形为I级地形，共使用5个高分七号立体像对，完成1∶1万地形图296 km2，统计了27个高程检查点，22个平面检查点，计算高程中误差为0.48 m，平面点位中误差为1.32 m。
中误差统计情况和规范要求见表2。
表2 中误差统计情况和规范要求 m
由表2可知，不同级别地形下平面检查点的平面点位中误差均小于规范要求限值，高程检查点的高程中误差均小于规范要求限值，精度满足规范要求。
3.3 优势分析
该项目共完成1∶1万地形图535 km2，数据查询、申请高分专线推送时间为4 d，期间同步开展外业像控点测量，3 d完成53个像控点测量工作，拿到数据和像控点后，2 d时间内完成高分七号卫星的数据处理，即6 d的时间可具备地形图采编条件。
若采用常规航空摄影测量，需要空域申请、设备进场、航飞作业，期间还受到天气、飞行计划的影响，加上数据处理的时间，一般要30 d以上才具备地形图采编条件。国外商业卫星一般在国内存档数据有限，需要编程拍摄，时间周期也在30 d左右。
对比国外商业卫星价格，以WorldView为例，高分七号数据成本约为其1/20；
相较于航空摄影，大幅减少了成本投入，具有较好的经济性。
通过以上分析，基于高分七号卫星影像的铁路工程1∶1万地形图制作节省了成本、提高了制图效率。
以高分七号卫星影像进行铁路工程1∶1万地形图制作为目标，提出了数据预处理、外业像控点测量、空三加密、立体采集工序的技术方案，以典型项目为例，对平面点位中误差和高程中误差进行了统计，其中Ⅳ级地形平面点位中误差和高程中误差最大，分别为1.53 m和1.27 m，精度满足规范要求，方案有效拓展了铁路工程1∶1万地形图制作的技术手段，提高了铁路工程1∶1万地形图制作效率，具有较强的工程适用性。
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