利用卫星影像提取小比例尺海图信息的精度分析以及系统的开发

汪连贺，柯 灏

（1.天津海事测绘中心 天津市 300222；2.武汉大学中国南极测绘研究中心 武汉市 430079）

海图地形信息修测是海洋测绘的常规任务，采用常规测量方法实现海图测量存在很多问题，比如效率低、人力物力投入大、现势性无法保证等。特别是针对那些船只无法到达或者有争议的海域，无法实现现场测量，严重影响了海图的现势性。卫星遥感技术不受地域限制，快速、高效、复测频率高，可以比较及时地获取地形信息。本文提出一个自动下载拼接生成卫星影像图，并且基于该卫星影像图，进行海图地形和DEM等高线数据数字化提取，提取结果导出到其他GIS系统中的技术。

1 系统设计

1.1 设计思想

系统软件功能的主要设计思想为：影像图下载、拼接和输出，数字化，数字化结果以不同的格式导出，供其他GIS软件使用。

影像图下载、拼接和输出：下载过程中对区域中各部分不同图像分辨率的情况，先进行统一图像分辨率的处理，然后再进行图像的拼接，最后，对拼接后的图像以GeoTIFF的文件格式输出，便于其他GIS系统使用。

道路自动拼接算法：对于被截断的孤立局部道路要素，自动拼接到一起，成为一个要素，减少导出时道路要素的数量。图1为影像图生成与矢量化流程图。

图1 影像图生成与矢量化流程图

1.2 功能设计

（1）影像图下载：根据图纸精度要求，下载相应级别的影像图；（2）影图像处理：将下载的影像图进行拼接和几何配准。（3） 图像图形叠加显示：将影像图数据和现有的矢量成果数据叠加显示，作为数字化的基础背景资料。（4） 图像数字化：提供人工道路描绘等数字化软件功能，得到矢量化新图层数据。（5）图形与属性编辑：可对数字化的图层数据进行图形编辑和属性编辑输入。（6）特征码匹配：根据提供的规则，对要素特征码进行匹配。（7） 图形数据导出：将制作好的矢量数据，按照规定的格式进行输出。（8）DEM影像图下载与拼接校正处理：DEM影像图下载与拼接校正处理。（9）DEM等高线自动提取：DEM等高线自动提取。（10）等高线修正编辑：等高线矢量数据的修正编辑。（11）特征码匹配和文件导出：将制作好的等高线数据，按照规定的格式进行输出。（12）投影转换：经纬度坐标与墨卡托投影的正算、反算，经纬度坐标与高斯投影的正算、反算。

2 影像图生成与数字化

影像图生成与数字化主要分以下步骤实现：区域划分、影像图自动日期判断、影像图下载、新旧影像图对比、图像纠偏、图像合成，矢量数据提取、人工校验、编辑与导出。

2.1 影像图生成

2.1.1 区域划分

以北方海区为例，把近海范围划分成若干个小的区域，小区域的范围和一定级别的影像图的范围一致。划分区域主要是为了计算和比较影像图是否更新（图2）。

图2 选择影像图下载区域与精度

2.1.2 影像图日期判断

利用软件来判断北方海区各小区域影像图的日期，如果日期发生了变更，就利用下载工具把图片重新下载。

2.1.3 图像对比

利用图像处理程序对每个小区域的新下载的图片和原来此区域的图片进行对比，如果发现某个区域新图像和老的图片不一致，把新下载的图片作为待矢量化的数据来源。

2.1.4 图像配准校正

例如，于干燥、低温或者风沙较大的环境下，没牛羊患疥癣类寄生虫病的可能性会大幅度提升，这时由于此类气候环境有利于疥癣病原体的生长和传播，牛羊在感染此类寄生虫以后，会出现全身奇痒、皮肤变厚且逐渐粗糙化、机体消瘦及脱毛情况严重等症状。同时，此类寄生虫会长时间的存在于牛羊的体外表层，吸取牛羊机体的营养，致使患病机体日益虚弱化，最终因免疫力极具降低而死亡。想要提升牛羊寄生虫病的预防及控制质量，我们需要注重对影响各种牛羊寄生虫的生长及繁殖条件的因素及其与寄主间存在的关系加以充分的了解和分析，同时，也需要对寄生虫的生长及传播条件等进行有效掌握和科学控制。

根据控制点利用MapInfo对所下载范围内的影像图进行配准和校正，其中控制点的数据来源为海测大队所提供的实地测量数据。选取控制点时，应保证数个控制点平均分布在每个小区域中，若出于配准精度的需要，则根据现有技术资料，寻找其他若干控制点，对影像图进行进一步校正，以达到最佳效果。

2.1.5 生成影像图

利用图像处理软件，生成高精度的影像图，保存为GeoTIF文件格式，便于导入到Caris等GIS系统中。

2.2 影像图矢量化

2.2.1 要素数字化

利用软件人工对影像图进行矢量化，对点、线、面等数据进行矢量数据提取。提取过程中除了已经制作好的影像图，同时还需要其他相关地名库数据和接边的基础海图底图的支持（如图3所示）。

图3 影像图矢量化界面

2.2.2 人工校验

2.2.3 矢量要素编辑与合成

对提取无误的矢量数据利用本系统软件进行要素编辑和合成工作，要素编辑主要是进行属性关联，对一级道路、二级道路等要素进行特征码赋值并命名。

各个图层的要素编辑完成后，利用软件对矢量数据进行合成处理。

2.2.4 矢量文件导出

从基础数据和影像图数字化的数据中将线状数据和点状要素数据导出，支持多种GIS格式，如：shp、kml、tab、dxf和ASCⅡ等其他文件类型。

2.2.5 投影转换

经纬度坐标与墨卡托投影的正算、反算，可输入基准纬度等参数，包括单点计算和文件导入批量计算，经纬度坐标与高斯投影的正算、反算，可输入中央经线和大地基准面等参数，包括单点计算和文件导入批量计算。

3 精度测试

3.1 测试数据

（1）区域选取：选取天津塘沽地区从东疆港到临港的近海和离岸10多公里的开发区街道范围，另外也选取大连普兰店局部地区，作为小的区域测试用例。

（2）影像图日期判断及下载，影像图的拍摄日期为2011年底。

（3）岸线对比：将下载的遥感影像图与现有的实测岸线矢量信息进行比对，发现二者道路信息基本相重，相差1 m。（图4）

（4）街道对比：将利用高精度测量仪在天津开发区街道实测的90个点坐标数据与遥感影像图叠加比较（图5），精度误差为1 m（部分点偏差较大，经核实是因为测量点没有紧邻路边），如表1；

图4 实测岸线数据与影像图的叠加

图5 天津港实测数据与遥感影像图叠加比较

表1 天津港遥感影像数字化坐标与实测坐标误差统计

（5）使用普兰店地区大队实测码头、岸线数据和影像图数字化得到的成果数据进行比较，整体重合度较高。从岸线拐点中均匀分布地选取15个点进行数据比较（图6），结果发现误差在2 m以内，精度较高，如表2。

图6 普兰店实测数据与遥感影像图叠加比较

表2 普兰店遥感影像数字化坐标与实测坐标误差统计

3.2 测试结论

下载的卫星影像图经配准校正后，与大队实测矢量数据叠加效果很好，基本误差精度在0～1.5 m之间，个别点误差精度在1.5～2 m之间。

4 结论

（1）系统提供了一种利用遥感影像获取矢量数据的方法，根据规范精度要求，该方法可以达到制作小比例尺海图的要求。海事局海图的岸线、码头等关键要素需要进行实测，该方法可以用于采集海图内陆地形数据；

（2）对于空白海图资料地区或者现场实测有难度的地区尤其是人无法到达区域提供了一种快速取得矢量数据的途径，对于加速海图的更新周期具有一定的促进作用；

（3）该系统可以为测量港口前进行地理调查提供参考；

（4）本系统成果在判别堤岸线类别和零米线时较为困难。

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