全球4D数据产品研制

田海波，陈利军，张宏伟，杜 晓

(国家基础地理信息中心，北京 100830)

全球基础地理信息资源是描述全球范围地形地貌、地理环境和相关自然与人文现象的数据，主要包括数字正射影像(DOM)、数字地表模型(DSM)、数字高程模型(DEM)、核心矢量要素(DLG)等，是工程规划与建设、突发事件应对与救援、国家安全与军事行动保障、生态环境评估与监测、商贸活动与社会人文交流、全球变化研究与可持续发展规划等不可或缺的基础信息和知识资源。高分辨率卫星遥感技术的快速发展极大地推动了全球地理空间信息及服务的发展，其中最具代表性的产品是Google Earth/Map，可提供矢量地图、不同分辨率的卫星影像、地形视图、街景视图等服务。

地形数据方面，早期全球DEM主要利用已有的地图资料重新编译和数据融合，空间分辨率较为粗糙，如ETOP05、GTOP030等，但在众多领域仍然发挥了重要作用。目前，得益于全球卫星遥感、卫星测高、船载测深等技术发展，高分辨率全球DEM数据层出不穷，如SRTM、ASTER GDEM、AW3D30、WorldDEM等[1]。

依靠互联网技术及应用的快速发展，网络信息呈现出爆炸式增长，地名地址、网络标注、行政区划等地理信息不断积累，相继出现以OSM、GADM、GeoNames为代表的专题地理信息网站，为全球基础地理信息建设提供了大量的数据来源。OSM是一个网上地图协作计划，由用户根据手持GPS设备、航空摄影照片、其他自由内容甚至单靠本地知识绘制。GADM是一个全球行政区划数据库，包含了全球所有国家和地区的国界、省界、市界、区界等多个级别的行政区划边界数据。GeoNames是一个免费的全球地理数据库，允许用户纠正数据和添加新的地名，地名辞典包含了650万个地点、将近200种语言的850万个地名和200万种别名，地理信息详细到坐标、行政区划、邮编、人口、海拔和时区。

近年来，我国卫星测绘技术实现了重大突破，资源三号(ZY-3)三线阵卫星和天绘一号(TH-1)三线阵卫星具备了获取全球尺度地理信息的能力。自主研发的“天地图”是我国推出的国家地理信息公共服务平台，资源包括全球范围的1∶100万矢量数据和250 m影像，全国范围的1∶25万电子地图、15 m和2.5 m影像，全国319个地级以上城市和10个县级市的0.6 m影像等[2-3]，但是还比较缺乏国外的数据，尚没有提供自主的数据产品服务。

随着经济全球化进程的加快和我国“一带一路”倡议、“走出去”战略的实施，我国经济日益融入国际经济体系，政府、企业、公民越来越多地参与境外的工程建设、商贸活动、旅游与社会人文交流等，迫切需要全球范围、全要素、多尺度、自主可控的全球基础地理信息资源[4-5]。本文利用我国自主高分辨率立体测图卫星，依托高精度无控测图技术和智能采编技术，研制全球4D数据产品，以提供自主、统一、高精度的全球基础地理信息及服务。

1 数据源及研制方法

1.1 数据源

全球4D数据产品研制主要以ZY-3和TH-1数据为主，其主要参数见表1。

表1 ZY-3和TH-1影像主要参数

1.2 研制方法

本文采用高精度几何定位和大范围影像密集匹配技术、智能滤波和泊松编辑方法、基于众源地理数据属性挖掘技术等，研制全球陆域范围的DSM、DEM、DOM和DLG等4D数据产品，提供面向全球的地理信息服务。

(1)区域网平差：通过合理分区，开展无控制区域网平差和几何协同处理。区域网平差的相对定向中误差一般不大于0.35像素,最大残差不超过1.5像素，残差在1～1.5像素的个数比例应小于5%。经计算，检查点和模型间连接点的误差应符合表2规定。

表2 区域网平差成果几何质量要求 m

(2)DSM研制：基于平差与协同处理后的立体卫星影像，通过多模型、多基线算法进行DSM自动匹配，生成DSM数据，经人机交互编辑、接边、镶嵌、裁切、元数据制作等处理后，最后生成DSM的分幅成果。

(3)DEM研制：基于DSM数据，参考DOM、立体模型及其他相关资料，对人工建筑、桥梁、林地等非地表地物进行滤波编辑，将对应地物的高程降至地面，经图幅接边、投影转换、制作元数据、质量检查等处理后，最后输出DEM分幅成果。

(4)DOM研制：利用DSM数据、卫星影像(立体影像采用下视影像)与区域网平差后的RPC参数，对全色影像与多光谱影像分别进行正射纠正，得到整景DOM。对包含全色和多光谱波段的卫星影像，需对整景的全色与多光谱影像进行影像融合、图像增强、镶嵌与裁切等处理，最后得到分幅的DOM。

(5)DLG研制：基于众源数据，以DOM数据为基准进行几何配准，对行政区划、交通和水系数据进行编辑和补采，对地名数据进行结构规范化、分类和标准化处理，并与矢量要素中的水系、道路、行政区划及数字正射影像进行空间关系协调处理，形成核心矢量要素数据成果和元数据成果。

2 关键技术

2.1 卫星影像无地面控制几何定位技术

高分辨率全球测图最基本的目标是要解决全球数据的获取、几何定位和高效数据处理等问题。传统的区域网平差都是基于地面控制点进行的，完全无地面控制条件下进行卫星影像区域网平差处理面临快速构网难、质量控制难和参数解算难等技术难题。由于全球测图受限于外业调绘工作，因此必然会采用卫星影像无控制测图技术。该技术是指不利用地面控制点，而采用卫星影像获取时同步获取的高精度成像时间、轨道测量参数、姿态测量参数及地面定标场的成像系统参数，通过无控制区域网平差的手段，构建大区域内部几何精度均匀的刚性区域网，精化单景影像直接定位模型参数，满足4D数据产品研制的要求[6-9]。

本文采用无地面控制几何定位技术[10-11]，即在天星地一体化全链路误差建模分析的基础上，利用在轨几何定标模型与方法、稳态重成像几何处理模型与方法及大规模无地面控制区域网平差方法等，实现国产高分辨率光学卫星遥感影像高精度的几何处理。试验表明[10]，该方法可以有效补偿ZY-3卫星数据中存在的系统误差和偶然误差，在轨几何定标后单景无地面控制精度提高到15 m，内部精度优于1像素。经过无地面控制大区域空三处理后，影像的平面和高程精度进一步提高到5 m以内，能够满足全球1∶5万测图精度要求[12-13]。

2.2 智能滤波与DEM泊松编辑方法

DSM数据中存在大范围建筑、植被、水域等，导致自动滤波算法效率较低，交互式的DEM编辑必不可少。由于全球地形地表结构的多样性和复杂性，现有依靠单一滤波模型或有限滤波规则的点云滤波方法的可靠性和效率难以保证。相比传统的滤波方法，本文采用顾及弯曲能量的点云自适应滤波方法[19]，针对DSM点云数据，依据局部邻域最低点为地面点与地表平滑的条件，采用金字塔的滤波策略，逐级加密非地面点，从而逼近真实地表。在金字塔滤波的过程中，通过带有抗噪性，顾及弯曲能量正则化约束的DEM内插算法与自适应的参数优选算法，以弯曲能量定量显式表达地形地貌特征，使滤波参数在局部范围内根据地形特征进行自适应优选，提高自动滤波算法对噪声与参数选择的稳健性。

在滤波基础上采用多边界约束的泊松地形编辑方法[14]，通过优化域中的一个已知导向信息，给定边界条件，引入分类、地形地貌特征线等边界信息。一方面，给定的边界条件保留了DEM中的地形结构特征信息，如山脊线、山谷线、河岸线、河流区域等；另一方面，通过调整优化域中的导向信息的定义方式，实现不同类型的滤波效果，如平滑、恢复梯度信息等，从而达到建筑区、森林和水域等区域的定向智能精准编辑。经过大量不同类型、不同地区的生产性试验，在DEM生产困难的建筑区、森林和水域等区域，精度和效率优势明显，相比传统生产方式生产效率提高至少2～3倍，为DEM大规模生产提供了有力的技术支撑[15]。基于DSM的智能滤波与DEM泊松编辑效果如图1所示。

图1 基于DSM的智能滤波与DEM泊松编辑效果

2.3 基于众源地理数据属性挖掘技术

开源地理数据提供了丰富的地理信息，如Google Map提供含有全球城市政区和交通及商业信息的矢量地图，包含丰富的POI信息；各国房地产信息网站包含丰富的房屋POI信息，从网页源代码中可以解析出经纬度信息和详细的地址信息；GeoNames把各种来源的免费数据进行集成并制作成一个数据库。通过解析POI信息中的路名，并挖掘其与路网的空间模式，运用多种方法可将POI与路网的属性进行融合，如图2所示。研究表明[20]，OSM数据作为主要的境外矢量数据来源，具有丰富的几何信息，但属性信息的完整度较低，且区域性差异较大。通过对多源POI和Google Map数据等多种来源的地理数据进行挖掘，使用POI聚类、路网匹配等算法，实现境外属性数据的自动提取与融合。

图2 基于众源地理数据属性挖掘技术路线

本文采用基于众源地理数据的属性挖掘方法，通过解析多源数据中地址信息，获取路名。按照字符串之间的Levenshtein Distance对地址信息聚类，提取公共字符串作为类中心，即该部分POI对应的路名，解决地址中门牌号与路名无法拆分的问题。采用最邻近策略将POI与道路匹配，并赋属性。通过挖掘POI的线性特征，拟合路网，与OSM路网进行匹配，将POI属性与路网进行整合。

3 成果及技术指标

全球4D数据产品包括10 m格网的DSM、10 m格网DEM、2 m的DOM和DLG(包括二级及以上行政区划与境界、交通要素、水系要素、地名等)，其成果规格及指标见表3。部分成果如图3所示。

表3 全球4D数据产品规格及指标

图3 DSM、DOM成果示例

4 结 论

全球4D数据产品研制是以我国自主的高分辨率遥感立体测图卫星为主要数据源，利用高精度无控测图技术和智能采编技术，研制全球陆域范围统一框架下的多尺度、多类型的基础地理信息产品，发挥测绘地理信息在全球治理和可持续发展方面的重要作用，为“一带一路”倡议、国家经济社会发展、全球战略实施、智慧社会建设提供科技支撑。