基于EROS-B影像更新矿区大比例尺地形图的方法与精度评价

陈国良，汪云甲，田 丰

(中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221116)

基于EROS-B影像更新矿区大比例尺地形图的方法与精度评价

陈国良，汪云甲，田 丰

(中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州221116)

基于以色列0.7 m分辨率的EROS-B全色影像，经过多项式变换正射几何纠正后，将得到的正射影像DOM与原有数字线划图DLG叠加，经判读识别矿区地物的变化，实现对原有地形图的快速更新。通过对地面控制点和检查点纠正的精度分析，验证利用高分辨率影像更新矿区1∶2 000大比例尺地形图的可行性。

大比例尺地形图;更新;EROS-B遥感影像

一、引 言

矿区地形图是矿区重要的基础地理信息之一，贯穿矿山运营的整个过程，其现势性、精确性直接关系到矿山的设计、生产、管理，以及煤矿开采后的影响评估、土地复垦、地面设施重建等。随着煤矿开采，矿区地表及其附属物变化的日新月异，传统的矿区地形图更新方法如全站仪测图和航空相片数据采集等由于耗时费力、成本高、更新周期长等局限性，难以满足矿山生产的要求［1-2］。高空间分辨率遥感技术的应用，为快速、准确、经济地更新大比例尺地形图提供了有效手段［3］。

本文结合皖北钱营孜煤矿1∶2 000地形图更新需求，利用0.7 m全色波段EROS-B影像获取地物变化信息，对已有的地形图进行修测，并对更新地形图的点位精度进行了试验论证，结果表明该方法能够满足1∶2 000比例尺地形图的精度。

二、研究区域概况

钱营孜煤矿位于宿州市西南，地理坐标在东经116°51'00″～117°00'00″和北纬33°27'00″～33°32'30″之间，面积74.15 km2，整个区域地势平坦，最大和最小高程相差仅8 m。矿区有大量居民点，区域内水系发育，浍河横贯其中。2009年该矿投入生产后造成地面地形变化比较大，因此本次地形图更新主要以地物为主。目前搜集到2009年规划设计时所测的1∶2 000地形图(DWG格式)及工业广场建成之后的部分补测图，为满足矿区现势1∶2 000地形图修测精度，选择2011年6月拍摄的EROS-B加急编程数据。

EROS-B卫星与EROS-A卫星构成了高分辨率卫星星座，由于两颗卫星影像获取时间不同(EROSA:10:30±15 min;EROS-B:14:00—15:00)，EROSB的发射提高了目标影像的获取能力、获取频率以及获取质量。EROS-B卫星能在500 km左右的高度获取0.7 m分辨率的地表影像，可以根据需要在同一轨道上对不同区域成像并具有单轨立体成像的能力。EROS-B卫星遥感影像具有高空间分辨率(0.7 m)、重放周期短(5 d)等特点，并且扩展了紧急需求下的数据获取可能性，因此被广泛应用于现势的快速制图、土地利用动态监测、国家安全、基础设施规划、灾害评估、环境监测等方面。EROS-B技术参数和主要应用范围如表1所示。

表1 EROS-B技术参数和主要应用范围

三、地形图更新技术

1.高分辨率影像解译判读

利用高分辨率遥感影像识别地物的性质、类型或状况，主要从色、形、位3个方面体现，最后通过基础地理数据来加以佐证。

(1)色

色是指地物电磁辐射能量在影像上的模拟，记录在黑白像片上表现为灰阶，在彩色像片上表现为色别与色阶。采矿活动会使植被和土壤被剥离，岩石直接裸露，并且形成塌陷地，与周围地物反差比较大。在遥感影像上，通过色调就能较准确地识别该地类类别的区域。

(2)形

形是指目标地物在遥感影像上的形状、纹理和大小。影像的形状指物体的一般形式或轮廓在影像上的反映。各种物体都具有一定的形状和特有的辐射特征，同种物体在影像上具有相同的灰度特征，这些灰度的像元在影像上的分布就构成与物体相似的形状。矿区各种地物类型可根据纹理加以区分，另外，还可借助Google Earth上的高分辨率影像和地面小比例尺的地形图来判读解译。

(3)位

位是指目标地物在遥感影像上的空间位置，即地物所处的环境部位。各种地物都有特定的环境部位，因而它是判别遥感影像上地物属性的重要标志。

(4)地形图数据

用于解译的地形图数据主要是居民点。由于居民点在影像上的色调和矿区开采点比较相似，在低分辨率影像中难以区分居民点和开采点，所以需要在高分辨率影像上叠加已有数字线划图中的居民点数据信息，从而增强解译能力。

根据钱营孜矿区高分辨率影像的具体特点(如图1所示)，从各地物的形状、大小、纹理、位置和相关布局等方面综合考虑，总结出各地类解译标志特点如表2所示。

图1 钱营孜矿区建筑物影像图

表2 钱营孜矿区遥感影像各地类解译标志特征表

2.地形图更新方法

地形图更新是利用现势高分辨率遥感影像EROS-B对原有数字线划图配准后，判读各种地物的变化位置，根据地物的变化以屏幕数字化方法采集地物特征点，对地物进行修测和补测，采用人机交互的方式完成内业地物更新。内业更新完成后需要进行外业调绘，实地勘察编辑后形成现势的地形图，利用遥感影像更新地形图的技术路线如图2所示。

3.几何校正

几何校正是为了消除由传感器、大气折射、地球曲率、地形起伏等因素引起的影像几何畸变。通常采用多项式纠正模型对遥感影像进行几何校正，包括:选取地面控制点(GCP)、建立多项式纠正模型、重采样［2］。针对具体情况，本文几何纠正的具体操作步骤为:

1)选取地形图中的控制点和道路交叉口等明显标志点作为影像校正的地面控制点。为了使地面控制点均匀分布在整幅影像范围内，将整幅影像划分为3×3个网格，每个网格内选取2～3个地面控制点，以提高影像校正的精度，使误差均匀分布。2)地面控制点确定好后，利用二次或三次多项式建立数学校正模型

图2 地形图更新技术流程图

式中，(x，y)代表图像坐标;(X，Y)代表地面坐标。

利用最小二乘回归求出多项式系数，然后利用式(2)计算每个GCP的均方根误差(RMS)

式中，x'、y'代表多项式计算出的GCP的图像坐标。

RMS需小于0.5像素才能符合精度要求。然后利用纠正模型重新计算图像各像素的校正坐标。

3)常用的重采样方法有最邻近法、双线性内插法和三次卷积法，为了达到较好的采样效果且运算量不是很大，可采用双线性内插法进行影像重采样。

四、精度评价

本文选取20个地面控制点，基本均匀分布于整幅遥感影像，利用ENVI软件采用二次多项式校正模型对影像进行纠正，纠正后各GCP的RMS如表3所示，总体RMS为0.41像素。

表3 各GCP点的RMS统计结果 像素

为了做到精度评定的科学、合理和可靠，在试验区同样选取分布均匀的20个检查点用作1∶2 000地形图更新的外业检核。通过对实地测得的检核点坐标数据与更新后地形图上同名点的坐标数据进行比较，得出评定结果如表4所示。

表4 检查点精度统计结果 m

根据式(3)，可分别计算出所有地物检核点的x方向和y方向中误差mx、my以及点位中误差m地物检核点的坐标误差由在更新地形图上的误差m1和实地测得的同名点坐标误差m2两部分组成，则

这两部分误差认为是等精度的，则有

根据航测内业成图规范，1∶2 000地形图图上单点定位绝对精度的要求为±1.0 m，此项精度指标表明基于EROS-B高分辨率影像提取地物已经达到了1∶2 000地形图的更新要求。

五、结束语

本文利用高分辨率现势遥感影像与原有数字线划图配准，通过两图的叠加、判读，获取地物的变化信息。试验表明，采用0.7 m分辨率的EROS-B影像可以实现矿区1∶2 000大比例尺地形图的更新精度，该方法具有快速、准确、经济等优点，是大比例尺地形图更新的发展方向之一。

［1］ 王行风，邓喀中，汪云甲.利用DGPS和高空间分辨率影像进行煤矿区地形图更新研究［J］.中国矿业，2008(5):103-105.

［2］ 李世平，武文波，康停军，等.基于遥感影像的矿区地形图更新方法与精度分析［J］.辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2008(2):198-201.

［3］ 杨泽运，康家银，赵广东.利用QuickBird全色遥感影像更新城市大比例尺地形图［J］.测绘工程，2005(14):29-31.

Method and Accuracy Analysis of Updating Large-scale Topographic Maps for Mining District Based on EROS-B Image

CHEN Guoliang，WANG Yunjia，TIAN Feng

0494-0911(2011)12-0009-03

P284

B

2011-09-26

国土资源部公益性行业专项基金资助项目(201211011);国家自然科学基金资助项目(50774080);江苏省资源环境信息工程重点实验室基金资助项目(JS201107)

陈国良(1977—)，男，山东肥城人，讲师，主要从事遥感影像信息处理、数字国土方面的研究工作。