基于GF-7卫星的1:10 000制图要素信息提取技术框架建设

刘建军，张 俊，李 曌，张 刚，杜 维，赵文豪，刘剑炜

（1. 国家基础地理信息中心，北京 100830；2. 北京四维远见信息技术有限公司，北京 100039；3. 北京吉威数源信息技术有限公司，北京 100043）

0 引 言

基础地理信息是国家经济建设、社会发展、国防建设和生态保护中不可或缺的基础性、战略性信息资源[1-4]，更是自然资源调查监测的信息基底和技术支撑。随着“一带一路”、长江经济带、京津冀协同发展等国家重大战略的深入实施，全国各省市将面临重大的发展机遇，急需精度高（尤其是1:10 000比例尺）、现势性好（最好为1年内）地理信息的基础支撑[5-8]。然而，1:10 000测图精度指标要求较高，基于传统的测图更新方式和技术，工作量大、成本高、周期长。因而，目前全国1:10 000数据覆盖范围偏低、现势性也较为陈旧[9]，难以更好地满足应用需要。

高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）计划于2018年发射的“高分七号”（GF-7）卫星，是我国自主研发的第一颗亚米级民用光学立体测绘卫星，星上搭载有0.8 m分辨率的双线阵立体测图相机，以及一颗星载激光雷达，可提供高分辨率、全色立体、多光谱、激光测高等观测数据[10]。基于GF-7卫星数据，研发创新1:10 000测图更新技术方法，有望大幅提高生产效率、大幅缩短更新周期、大幅提升现势性水平。因此，针新对1:10 000快速测图更新的实际应用需要，研究解决基于GF-7卫星数据的典型矢量要素（水体、建筑物、道路、植被、等高线等）快速提取、制图综合与智能出图等关键技术，并研发相应的生产软件系统，显得尤为必要。

1 总体目标与主要研究内容

1.1 总体目标

针对GF-7卫星的成像特点，基于1:10 000比例尺基础地理信息获取的实际需求，研究综合利用GF-7卫星数据的水体、建筑物、道路、植被、等高线等典型矢量要素自动发现与识别、自动/半自动边界矢量与高程信息提取及智能出图等关键技术，实现1:10 000比例尺数字线划图产品快速制作，为提升我国1:10 000基础地理信息资源建设能力提供技术支撑。

1.2 主要研究内容

首先研究解决水体、居民地、道路、植被、等高线等典型矢量要素的快速提取，进而解决提取要素后的制图综合处理，再研究解决制图综合后矢量要素的符号化和智能出图，最后将研发的软件模块进行系统集成和生产验证。主要研究内容如下：

1）典型矢量要素边界识别与快速提取研究

研究水体、居民地、道路、植被等矢量要素的快速提取技术。首先研究建立具有表示能力、可理解性、可操作性和结构性的典型矢量要素知识库，在知识库的支撑下，继而研究基于机器学习的典型矢量要素识别技术和基于数据特征的典型矢量要素边界自动/半自动快速提取技术。

2）高程信息自动快速提取研究

研究高程信息的自动快速提取技术。基于卫星立体像对的特点和相互关系与基于特定函数模型的数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）滤波技术，研究GF-7卫星激光测高数据辅助卫星立体影像的高精度DSM自动提取技术，以及基于特征滤波的典型地物高程信息智能化快速提取技术。

3）典型矢量要素的自动/半自动制图综合研究

基于上述研究提取的典型矢量要素边界和高程信息，结合现有1:10 000数字线划图数据标准要求，研究建立制图综合规则。继而研究制图综合方法及构建自动综合决策模型，实现制图综合自动化，研究同要素类、跨要素类间的实时联动编辑技术，实现典型矢量要素的智能交互式编辑。

4）要素符号化与智能出图研究

在制图综合结果基础上，设计和研制可灵活编辑和配置的1:10 000地形图符号系统，研究面向对象的智能符号化关键技术。继而研究创建面向对象的矢量要素与制图要素一体化数据模型，建立基于矢量数据库驱动制图的系列表达规则，结合基于矢量要素冲突检测与处理方法，创建智能化编辑工具和制图软件。

5）技术集成与生产测试

综合上述技术研究成果、软件插件成果，通过并行和串行耦合模式，将关键技术点集成为GF-7卫星制图要素信息提取技术流程线，并按照“典型、分散、易于验证”的原则，选取地形与地貌特征明显、地物类型丰富的小范围区域，开展生产测试，形成符合1:10 000数字线划图要求的产品。

2 主要技术路线及预期成果

2.1 主要技术路线

针对基于GF-7卫星影像的水体、建筑物、道路、植被、等高线等典型矢量要素自动化信息识别、提取、综合与智能出图的技术难题，开展基于GF-7卫星影像的典型矢量要素自动/半自动边界识别与快速提取、典型矢量要素高程信息快速提取、制图要素自动/半自动制图综合、要素符号化与智能出图等方面的技术研究，开展算法和系统集成研究，研发典型矢量信息提取与智能出图系列软件插件，同时选取典型区域进行生产测试。总体技术方案如图1所示。

图1 总体研究方案Fig.1 Overall technology roadmap

1）典型矢量要素边界识别与快速提取

首先，分析典型地物要素在不同时相、尺度、传感器情况下的光谱、纹理、形状及几何拓扑、空间关系、光谱指数等方面的特征信息，建立数学模型，实现对象特征量化表达。确定分类器模型（机器学习模型），自动逐层进行特征学习，通过多层非线性映射将复杂地物要素简单化，形成水体、植被、道路、建筑物等典型矢量要素的最佳特征表达，建立具有表示能力、可理解性、可操作性和结构性的空间知识模型、特征信息组织与存储模型的知识库。

继而综合利用典型矢量要素水体的光谱均一性、植被纹理一致性、道路线状与拓扑、建筑物结构化等特点，结合自动化典型矢量要素的置信度模型数据特点，研究人-机协同智能系统的反馈-学习机制和方法，自动化地进行人机协同学习、置信度评价，半自动化地进行矢量要素数据的修改与提取，研制形成基于人机协同的智能化典型矢量要素快速修正与提取软件原型系统，服务1:10 000比例尺数字线划图产品制作。

典型矢量要素边界识别与快速提取技术思路如图2所示。

图2 基于GF-7卫星的典型矢量要素边界识别与快速提取技术思路Fig.2 Technology roadmap of typical vector elements identif i cation and extraction based on GF-7 satellite data

2）典型矢量要素高程信息快速提取技术

基于GF-7卫星影像，在激光测高和全色立体影像数据同步观测支持下，分析卫星立体像对及激光测高数据的特点，探索激光测高数据与全色立体像对相结合的方法，研究测高数据高程与匹配数据高程的融合方法，开发利用激光测高数据优化DSM高程精度的方法，研发相应的软件插件，实现高精度DSM数据自动提取。

在DSM数据基础上，分析典型矢量要素的高程分布特点，根据不同地理位置分区特征获取不同地物在高度方面的阈值，研究基于特定函数模型的DSM滤波方法，探讨由DSM生成高精度DEM的技术，实现DSM数据快速生产DEM数据。基于生成的DEM数据，研究基于特定参数的高程信息提取方法，突破利用DEM数据及立体像对生成等高线、高程点的技术，形成基于GF-7卫星数据高程信息提取的技术方法，实现基于GF-7卫星数据高程信息的快速提取。

基于GF-7卫星的高程信息自动快速提取技术方案如图3所示。

图3 基于GF-7卫星的高程信息自动快速提取技术方案Fig.3 Technology roadmap of elevation information extraction based on GF-7 satellite data

3）典型矢量要素的自动/半自动制图综合

首先，结合地图分析、规范分析、经验总结、专家咨询等方法，分别针对几类典型矢量要素优化制图综合规则，探索规则归纳总结、形式化表达、规则库设计等方法，研究基于形态学和多源地理信息融合的制图综合技术，建立制图综合规则库。

继而以制图综合规则库为基础，研究基于数学形态学和制图规则的典型矢量要素边界综合技术，以及基于多源地理信息融合的制图综合技术，设计基于Agent的地图自动综合过程控制与监控模型，形成自动化的制图综合过程，研究制图综合自动化技术。利用基于规范约束的实时联动编辑等手段，实现典型矢量要素自动/半自动制图综合。

典型矢量要素自动/半自动制图综合技术方案如图4所示。

图4 典型矢量要素自动/半自动制图综合技术方案Fig.4 Technology roadmap of automatic/semi-automatic cartographical generalization of typical vector elements

4）要素符号化与智能出图

首先，基于制图综合的数据成果，获得五类典型矢量要素，设计基于数据库为驱动的制图数据模型，建立矢量数据与制图数据的一体化存储机制；进而构建面向对象的制图表达规则，创建基于数据库的智能符号化体系，实现制图符号派生的自动化。

继而在要素符号化基础上，研究基于符号内部设计优化和空间分析关系的规则，实现符号的智能优化。建立制图要素逻辑及等级关系，设计编辑与检核规则，研制自动化及半自动化编辑工具，研发要素编辑与检核提取的原型系统，实现1：10 000数字线划图的快速出图。

数字线划图智能出图技术思路如图5所示。

图5 数字线划图智能出图技术思路Fig.5 Technology roadmap of intelligent map making technology of Digital Line Graphic

5）技术集成与生产测试

在相关标准规范、规程和软硬件装备的支撑下，依托生产测试单位，开展典型矢量要素快速提取与综合智能出图系统生产测试。测试采用先仿真后实测的原则，主要测试典型系统功能、工艺流程以及各种指标的完成情况。继而汇总测试意见，分析系统模块问题，修改系统功能，迭代完善系统，编制生产测试总结报告，制作符合1:10 000数字线划图要求的示范产品。

生产测试流程如图6所示。

图6 生产测试流程图Fig.6 Flowchart of production test

2.2 预期成果

1）发展面向具有不同特征的要素基于GF-7卫星自动识别与提取方法，解决矢量信息提取的智能化、自动化程度不高的困难，完成水体、建筑物、道路、植被等典型矢量要素的自动提取，将典型矢量要素自动化提取的准确率提升至优于80%。

2）研建等高线等高度信息自动提取技术方法，解决在信息不丰富地区从卫星立体影像中获取的DSM数据密度与精度较低，DSM粗差剔除、以及等高线生成及内插需大量人工编辑的困难，实现高程信息的快速获取。

3）构建典型矢量要素的自动/半自动制图综合技术方法与流程，解决图斑破碎、边缘破碎、不规则内部孔洞等数据问题及数据重叠、差异、冗余等问题，提升水系、道路、居民地、植被、地貌等典型矢量要素的自动/半自动制图综合能力。

4）发展智能符号化以及智能出图技术方法，解决矢量要素的复杂符号化问题，以及解决矢量数据向制图数据转换过程中引起的图面冲突和关系矛盾等问题，研制智能编辑工具，提高矢量要素制图的智能化、自动化程度。

3 结束语

本文针对我国1:10 000基础地理信息覆盖范围不全、现势性较为陈旧的现状，通过综合利用GF-7卫星高分辨率全色立体、多光谱及激光测高等数据，研究1:10 000典型制图要素信息提取、制图综合和智能出图等关键技术，可为1:10 000数字线划图快速制作提供技术支撑，也将提升我国基础地理信息资源建设能力，为国家经济建设、社会发展、国防建设和生态保护提供更好的测绘地理信息保障服务。