基于多源数据的1∶10 000地形图制作方法在境外铁路项目中的应用

邓继伟

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

一直以来，地形资料获取困难是境外铁路勘察设计的一大瓶颈，严重制约着境外项目的前期进展[1]。在境外铁路项目中，存在技术规范不统一、沟通不畅、技术发展不均衡、设备及人员部署困难等问题，制约了第一手地形图资料获取的效率。随着全球定位系统、数字摄影测量、遥感等技术的发展，可用于地形图生产的数据资料越来越多，如数字化地图、航空影像、卫星遥感影像、GPS测量数据等；编制地形图的方式也由以纸质地图扫描矢量化逐渐向多源数据综合利用的模式改变[2]。多源基础数据种类的增多和数据综合利用模式的改变，使地图学产生了深刻的技术革命，境外铁路项目地形图制作的思路也将随之转变，即从传统的低效率人工测量为主的劳动密集型方式向非接触式的技术密集型方式转变。

目前，国内外商业化卫星影像种类越来越多，在此背景下，国家测绘地理信息部门已经广泛开展了利用多源基础数据进行地形图更新的技术研究。基于卫星影像的地形图更新方法具有更新周期短、效率高等优势，能够较好地解决中、小比例地形图等空间地理信息数据的更新问题，扩大了基础地理信息的应用领域[3]。利用摄影测量与遥感的方法进行境外项目无图区域的地形图制作，既可以弥补现有作业资源的不足，保证地形图的成图质量，又能够提高地形图的生产效率。

多源基础资料大多存在比例不统一、坐标系不统一以及时效性不同等诸多问题，给地形图的生产带来极大的困难。如何在境外项目中高效利用多源基础数据进行中小比例地形图的制作，是摄影测量与遥感的一个重要课题。近年来，国内许多单位对遥感卫星影像制图的可行性及技术方法进行了研究，基于RPC的卫星影像数据处理方法也已日趋成熟。在借鉴已有理论和经验的基础上，对以卫星遥感数据、既有地形数据及免费共享数据等为主的多源数据综合制图方法进行了系统的研究和总结，验证了该方案的可行性，并在境外某铁路初测项目中进行了生产应用。

该铁路工程线路全长约430 km，沿线除城市区域较为平坦外，80%以上线路区域属于山地，地形起伏较大、沟谷纵横，且70%以上区域植被非常茂密，采用传统地形图制作方式难度非常大。在该铁路工程项目初测阶段，考虑到工期紧、境外航飞困难等因素，采用高分辨率卫星立体像对、全球共享数字高程模型数据SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)及既有1∶5 000图等多源基础数据，制作了全线的1∶10 000地形图。本项目总体解决方案见图1。

图1 总体解决方案

1 缩编制作1∶10 000地形图

在该铁路项目的预可研阶段，收集有全线的既有老旧1∶5 000地形图，采用地形图缩编的方法，通过制图综合，完成了既有1∶5 000地形图的缩小比例制图。

制图综合是地形图缩编时的二次抽象，是一种主观性及地域性都很强的制图技术。为了到达制图综合的目的，通常需要对地形图进行两种基础处理-选取和概括[9]。

本项目中，在进行缩编工作之前，通过分析测区的资料情况，结合制图部门的生产技术能力，选择适合的缩编方法，制定了合理的缩编作业流程。缩编技术路线如图2所示。

图2 1∶5 000地形图缩编技术路线

2 基于RPC的高分辨率卫星数据处理

2.1 卫星数据的获取及介绍

为了完成线路方案范围的1∶10 000地形图制作，采用基于RPC的高分辨率卫星影像获取变化区域的地形图地物特征数据，利用立体像对采集变化区域的等高线和高程点等地形数据。该铁路项目地处热带，常年被云雾覆盖。因此，分别采购了美国的WorldView-2和法国的Pleiades高分辨率卫星立体像对，确保成图区域没有被云遮盖。数字高程模型数据由全球SRTM数据中获取。

WorldView-2卫星是Digitalglobe公司的商业成像卫星系统，影像数据分辨率高，其全色波段分辨率达到0.41 m，并能同时提供8个多光谱波段，影像细节丰富[6]。Pleiades的空间分辨率也高达0.5 m，其卫星星座由Pleiades1和Pleiades2两颗完全相同的卫星组成，通过双星配合可实现全球任意地区的每日重访，能够快速获取任何区域的高分辨率数据。WorldView-2和Pleiades高分辨率卫星影像二者共同的特点是:提供与每景影像对应的高精度轨道参数，即有理函数模型(Rational Function Model-RFM)所使用的有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficients-RPC)。基于RPC参数，可以精确描述卫星影像像点坐标与其对应的地面点坐标之间的变换关系[4]。

2.2 像控点布设与选刺

在Google Earth中布设像控点，要求沿线位成图区域均匀分布；基于Google Earth上卫星影像平面精度的先验知识考虑，平面误差一般能控制在50 m以内。因此，像控点距航线设计边缘应不小于100 m，以避免布设的像控点落在测区以外[11]。

1∶10 000地形图像控点的布设间距较大。因此，可采用快速静态测量的方式，在已知起算点和像控点上分别架设仪器，获取像控点三维坐标。本项目共布设外业控制点99个。

(2)基于RPC的高分辨率卫星影像空三加密

首先，选取全色影像和多光谱影像的一个波段，进行基于RPC参数的联合自由网匹配；然后，引入外业像控点进行区域网平差。经过RPC参数和像控点改正后的数据定向精度会得到较大的提升[13]。

(3)正射纠正和镶嵌

空三加密完成后，其空三结果应用于测区工程中卫星数据的每一个波段；然后利用全球共享的STRM数据对卫星影像的各波段逐一进行数字微分纠正；最后对全色影像和多光谱影像分别进行正射镶嵌。

(4)正射影像融合

影像融合的目的是将配准后的多光谱正射影像与全色正射影像进行融合，使融合后的影像同时具备全色正射影像的高空间分辨率特征和多光谱正射影像的光谱信息，从而大幅增强遥感影像数据的分辨能力和解译能力。本项目采用的原始全色影像和多光谱影像已经过高精度自动配准，可以直接进行影像融合。选用多光谱正射数据中的XS3、XS2及XS1三个波段与全色影像融合，并按该顺序组合输出[8]。

具体技术流程如图3所示。

图3 基于RPC的高分辨率卫星正射影像制作流程

2.3 卫星影像空三加密及正射影像制作

目前，国内处理卫星立体像对的软件系统主要有MapMatrix、LPS、PixGrid及像素工厂(PixelFactory)等，本项目采用像素工厂摄影测量与遥感数据处理系统。

(1)卫星数据预处理

为了方便后续处理，在将数据导入软件系统之前，先对原始的卫星影像数据进行格式转换和图像增强[7]。

3 修测更新

3.1 利用卫星正射影像进行平面要素更新

高分辨率卫星正射影像具有时效性强、准确度高等特点，可以提供综合性的定位、定量信息，而通过1∶5 000地形图缩编制作的1∶10 000地形图几何精度高，但存在时间上的滞后。基于这两者的整合可以很好地互补。

首先，将卫星正射影像沿线位所需成图区域进行分幅处理；其次，将1∶10 000地形图中所需更新的要素与卫星正射影像叠加套合；最后，由内业制图人员对变化区域进行人工判读，并进行平面地物要素数据(现状、面状要素)的更新。

3.2 利用立体像对进行高程要素更新

平面要素更新完毕后，对于变化面积大的区域，将变化的矢量范围导入卫片立体采集系统，进行等高线和高程点的采集，从而实现1∶10 000的高程要素更新。

3.3 注记要素更新

1∶10 000地形图的注记要素主要包含道路、河流及行政区划名称等。先利用Google Earth结合既有1∶5 000地形图进行全线变化注记要素的补充采集；然后利用踏勘收集的资料进行二次更新；最终实现注记要素的全部更新整合。

3.4 地形图整合

在完成全线地形图的平面、高程及注记等要素的更新工作后，制图人员利用CAD对1∶10 000地形图进行编辑整饰，得到满足图式规范要求的最终成果，从而实现对缩编后1∶10 000地形图的修测整合。

综合上述，1∶10 000地形图修测更新技术流程如图4所示。

图4 1∶10 000地形图修测更新技术流程

4 精度分析

综合考虑线位走向和每景卫星影像范围，将全线分成8个测区，分别进行数据处理。从正射影像和立体采集过程来看，数据总体质量良好，一是影像清晰可见，能够区分较小的地物和相连的房屋；二是每景影像覆盖的面积较航片大，数据处理和矢量采集过程更加简单便捷。

为了验证上述方法的可行性，在该项目的1∶10 000地形图更新制作过程中，在每个测区选定地形地貌变化大的区域，提供给外业安排质检；外业测量人员在各区域范围内实测多处平面和高程检查点，平面和高程精度统计如表1所示。

上述8个测区的质检点在各测区中都均匀分布且涉及多种地形等级。从精度统计可以看出，利用基于RPC的卫星影像(或立体像对)，在量测足够数量的外业控制点并完成空三加密后，其平面精度(或高程精度)均能达到较高且稳定的精度水平。

表1 各测区平面和高程精度质检 m

依据铁路工程航空摄影测量规范的精度指标可以看出，该项目中基于多源基础数据更新制作的1∶10 000地形图，其平面精度和高程精度(无论是在Ⅱ级地形，还是Ⅲ、Ⅳ级地形)均满足1∶10 000地形图精度要求[14-15]。