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卫星遥感影像在海岛(礁)测图中的应用研究

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第35卷第1期 2015年1月 海洋测绘 Vo1.35.No.1 Jan.,2015 HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING DOI:10.3969/j.issn.1671—3044.2015.01.019 卫星遥感影像在海岛(礁)测图中的应用研究 卢汉明,胡东平,刘继东 (61363,陕西西安710054) 摘要:利用卫星遥感影像进行大比例尺海岛(礁)测绘过程中,为解决无控岛屿立体测图和海岸线内业测 量精度低以及海岸带不接边等技术问题,对在实际生产中应用的稀少控制区域网平差、海岸线潮位推算法和要素 接边原则等关键技术进行了论述,并通过数据分析得出了技术应用的正确性,为今后利用高分辨率卫星遥感影像 进行海洋测绘提供借鉴。 关键词:遥感影像;稀少控制;海岸线内业测量;海岸带接边 中图分类号:P236 文献标志码:B 文章编号:1671.3044(2015)01—0070—03 1 引 言 卫星在运动过程中存在轨道漂移和倾斜摄影等因 素,因此会影响影像质量和定位精度,再加上无控制 海岛(礁)测图是我国一项重要基础性测绘工 点,若采用无控平差技术,其恢复的立体模型精度一 般无法满足大比例尺1:10 000成图的规范标准。 因此充分利用卫星影像范围广、幅面大的成像特点, 程,主要是利用航空摄影测量方法完成我国海岸线 80海里范围内的所有岛礁的大比例尺测绘。但是一 些岛屿由于其地理位置的特殊性,无法用航空摄影测 采用多轨、多模型区域网联合平差作业的方式,按照 先组区,再进行模型连接和轨道连接,然后进行自由 网计算,最后加入控制点进行区域网平差 计算的 流程来完成空中三角测量可以解决以上问题。 2.1布点要求 量的方法来获取影像。而随着高分辨率卫星影像定 轨、定姿和授时测量系统等关键技术的重大突破[11, 利用高分辨卫星遥感影像对特定岛屿进行大比例尺 立体测图成为可行的替代的测绘手段。然而在利用 卫星影像进行困难岛屿立体测图时也存在着一些困 难。一是卫星影像的精确定位一直依赖于地面控制 点,控制点的数量与分布直接影响遥感影像对地目标 在大区域网模型连接和轨道连接过程中,要求 连接点的选取(以模型为单位)应根据像对内海岛 (礁)的地形特点均匀分布,且长边不少于7个,短 定位的精度 j,但由于特殊岛屿无法布设控制点,若 采用无控平差技术,其定位精度将得不到保证;二是 在海岛(礁)测图中,海岸线的测量要求进行野外GPS 实地测点,由于无法登岛,再加上高分辨率卫星遥感 影像的分辨率不足以识别海岸线细小的痕迹,因此利 用卫星影像通过内业的方式进行海岸线测量,精确度 边不少于5个点,若连接后模型内部分区域上下视 差仍超限,可增加连接点,直至视差符合要求。然后 再按照特定的数学模型进行自由网平差。通过自由 网平差不仅能较好地解决模型和轨道拼接差问题, 实现大区域网的刚性构建,而且能有效改善和提高 误差较大的影像(景)的定位精度。 稀少控制是指像控点的数量少于同等比例尺成 图航空摄影资料标准布点所需控制点四分之一的 量。但是通过大量的实际作业和精度分析,像控点 将会降低;三是我国海岸线弯曲狭长,同轨摄取的海 岸带影像不长,而异轨受摄影时间间隔较长和潮汐 的变化,造成相邻海岸带图像差异较大_3 J,影响海岸 带要素的接边。因此解决以上问题,确保大比例尺测 图精度,是海岛(礁)工程完成的关键。 2稀少控制区域网平差技术 的数量也不能少于5个点,同时像控点的分布应清 晰、明显、易读,并按照尽可能控制最大影像覆盖范 围的原则,即像控点应尽可能分布在影像的四周和 中部,在条件不满足时,像控点的位置可以根据影像 的具体情况进行调整 J。 利用卫星影像对无控岛屿进行测图,由于 收稿日期:2014—04—22;修回日期:2014—09 29 作者简介:卢汉明(1972一),男,广西横县人,高级工程师,硕士研究生,主要从事遥感数字影像的处理与应用研究。 第1期 卢汉明,等:卫星遥感影像在海岛(礁)测图中的应用研究 7l 2.2 实际生产及精度分析 在海岛(礁)测图中,测量岛屿位于东南沿海, 面积约2km ,地形类别属于山地,我们采用 WorldView高分辨率卫星影像,影像分辨率到达 0.5m,通过模型连接把困难岛屿包含在大区域网中 进行自由网平差,同时在困难岛屿周边,区域网连接 范围内均匀分布5个控制点进行平差计算,最后利 用海岸线上量取的一定数量高程控制点进行模型置 平。区域范围及控制点分布见图1。区域网平差后 控制点余差计算结果见表1。 A控制点 测量岛(礁) 图1作业范围及控制点分布图 表1 5个控制点计算结果余差统计单位:m 由结果可以看出,无控岛屿采用稀少控制 区域网平差计算后,成果精度较好,5个定向点的精 度满足国标1:10000比例尺平面4m、高程2.2m 的精度要求。因此利用航天摄影测量技术采用稀少 控制的区域网平差方法,即使在测量岛屿上无控制 点,也能解决该岛屿的大比例尺测图问题。 3海岸线内业测量 在海图测量过程中,作为海陆分界线的海岸 线 J,其测量精度是一项重要的成图指标,目前精 度较高的测量方法有:采用经纬仪、全站仪等光学仪 器测量法¨7 和集成GMS无线电数据链,利用摩托 车携带DGPS进行海岸线快速实时动态测量等 J。 以上方法都是采用外业测量的方式,因此点位精度 高、海岸线准确 。而海岛(礁)测图中,对于那些 无法登岛的岛屿无法实测海岸线,如果利用水文站 提供的海岸线(1985国家高程基准)参考值测图,由 于测图时高程基准定位的差异,容易引起海岸线与 周边地物关系矛盾。因此我们在实际生产中采用的 是潮位推算法来内业测量海岸线。 3.1潮位推算法 该方法要求在每幅图立体模型上采集一定数量 的瞬时水涯线和大潮痕迹线,并将该模型的摄影时 间、曝光时刻和采集的1985国家高程基准值一并交 给潮位推算单位,潮位推算单位根据沿海水文站多 年积累的水文数据,给出瞬时水涯线与海岸线在该 曝光时刻相互之间的高差Ah。内业测图时按公式 (1)计算海岸线1985国家高程基准测量值。 H海岸线= 水涯线+△ (1) 式中, 水涯线为瞬时水涯线的高程值;Ah为该曝光时 刻瞬时水涯线与海岸线的高差。 每条瞬时水涯线按此算法计算出海岸线的高程 后,依据海岸线质量检查标准检查合限后,再对每条 海岸线的高程值取平均,作为该图幅的海岸线高程 值。然后在立体环境下,按照该高程值依据岸滩地 形特征跟踪出海岛海岸线。 3.2采集要求 在用潮位推算法计算海岸线时,为保证测量精 度,应注意以下情况: (1)提取的瞬时水涯线和大潮高潮线不少于3 段,且每段线不少于10个点。瞬时水涯线的提取应 在浪花比较小的位置,也就是海港内部或海岛的背 风面且纹理较为清晰的地方。 (2)影像的曝光时间应提供北京时间,精确到 秒。worldView影像自身提供的摄影时间是英国的 格林威治时间。 (3)量测的瞬时水涯线平均高程值应小于大潮 痕迹线平均高程,即瞬时水涯线一般在大潮痕迹线 下方,不能倒置。 (4)方圆20km范围内,曝光时刻相差在10min 内的不同影像,其测量的瞬时水涯线的互差应不大 于0.4m。 (5)当有多个作业队伍承担不同水涯线和大潮 痕迹线的影像提取工作时,作业前统一认识,统一 标准。 3.3 实际生产及精度分析 本次作业的区域为东南沿海,采用内业测量的 方法采集海岸线,其高程值(1985国家高程基准)见 表2,其中海岸线内业测量值为潮位推算法计算而 来,海岸线参考值为水位站提供的海岸线实际量 测值。 经检查核算,利用潮位推算法提取的海岸线 与水文量测的海岸线高差均小于0.6m,满足工程 技术要求,同时也解决了海岸线与周围地物的关 72 海洋系处理。 表2海岸线内业测量统计 单位:m 4海岸带要素接边 在海岸带接边要素中主要有以下三个基本单 元:①岸上,平均大潮高潮线(海岸线)以上的沿岸 陆地部分地貌性质;②岸线,平均大潮高潮线所处 的地貌性质;③潮间带,介于平均大潮高潮线与低潮 线之问的狭长地带滩涂性质。 4.1要素特点 在这三个单元中,图幅之间的接边有以下特点: 第一是岸上要素受摄影时间的变化影响较小,接边 容易;第二是海岸线的提取与瞬时水涯线位置密切 相关,受瞬时水涯线测量精度和海浪的影响,不同模 型提取的海岸线的高程会存在厘米级的差距,接边 较难;第三是在项目工程设计时考虑到利用摄影测 量技术只能获取摄影瞬间水涯线以上的海部要素信 息。由于摄影时间不可能都在大潮低潮时刻,所以 对潮浸地带无法全覆盖测量¨…,因此规定海岛礁测 量中仅表示瞬时水涯线以上的干出滩。但是由于瞬 时水涯线是时刻变化的,它会随摄影时间的不同而 处在不同的位置,因此当卫星影像相邻模型摄影时 间不同时,瞬时水涯线高程差距较大,甚至达到米 级,接边非常困难。 4.2接边原则 针对以上在存在的接边问题,为保持地形图 表示的美观性以及入库拓扑关系建立的完整性, 依据地形图接边原则,对地物要素之间的接边做 了如下规定:一是海岸线以上地物要素严格按照 接边限差进行接边,超限地物要查明原因;二是海 岸线接边限差适当放宽,可在海岸线高程计算值 上下20em范围内进行接边,接边海岸线高程差值 若超过40era的,要检查瞬时水涯线的量取值是否 准确;三是瞬时水涯线,根据项目工程规定可不进 行接边,而干出滩则为了满足地形图出版要求,则 规定无论接边处干出线差值的大小,均按照渐变 性原则进行干出滩的接边和拓扑构面,以确保滩 测 绘 第35卷 涂的完整性。 5结束语 利用卫星影像对无控岛屿进行大比例测图 时,针对特定技术困难采取关键技术进行内业实际生 产,经过数据检测和精度对比,成图精度满足 1:10000限差要求,图面表示也符合海岛(礁)工程 的技术标准。归纳如下: (1)对于无法布设控制点的岛屿,通过模 型连接、组区、周边控制点布设的方法,采用稀少控 制区域网平差技术可以提高无控岛屿的空间定 位精度。 (2)在海事部门水文数据的支持下,以立体测 量的瞬时水涯线为基础,采取潮位推算的方法,解决 了海岸线内业测量的成图精度。 (3)针对由于异轨影像拍摄时间问隔较长造成 的地形图海岸带要素出现接边问题,我们按照地物 类型的不同,制定了不同的接边原则,给出了量化的 标准,解决了地形图海岸带要素的接边。 参考文献: [1]元建胜.稀少控制点异轨立体卫星影像区域网平差应 用研究[J].海洋测绘,2012,32(1):45—48. [2]李德仁,张过,江万寿,等.缺少控制点的SPOT一5 HRS影像RPC模型区域网平差[J].武汉大学学报:信 息科学版,2006,31(5):377—380. [3] 申家双,翟京生,翟国君,等.海岸带地形图及其测量方 法的研究[J].测绘通报,2007(8):29—32. [4] 袁修孝,张过,吴春华.缺少控制点的卫星遥感影像 外推定位[J].武汉大学学报:信息科学版,2005,30 (7):575—579. [5] 张 力,张继贤,陈向阳,等.基于有理多项式模型 RFM的稀少控制SPOT5卫星影像区域网平差[J].测 绘学报,2009,38(4):302—310. [6]余景,陈丕茂,贾晓平,等.基于遥感和GIS技术的 水边线提取方法研究进展[J].安徽农业科学,2012,40 (32):15989—15991. [7] 李静,张鹰.基于遥感测量的海岸线变化与分析 [J].河海大学学报,2012,40(2):224—228. [8] 周立,王继刚.海岸线GPS实时动态测量技术及误 差分析[J].测绘科学,2008,33(3):9-12. [9] 申家双,张晓森,冯伍法,等.海岸带地区陆海图的差异 分析[J].测绘科学技术学报,2006,23(6):400—403. [10]韩凌云.海岸带地形测绘技术改进[J].海洋测绘, 2002,22(2):42—44. (下转第75页) 第1期 王晖,等:靶场测量装备中GPS换装北斗卫星导航系统方案设计 75 靠性的思想,提出一种集定位、测姿与授时为一体的 [2] 谭述森.卫星导航定位工程[M].北京:国防工业出版 信息采集与分发系统,该系统的主要优势体现在: 社,2007. (1)可尽可能减少对现有装备硬件与软件的改 [3] 党亚民,秘金钟,成英燕.全球导航卫星系统原理与应 造,节约经费、不降低装备改造后的可靠性; 用[M].北京:测绘出版社,2007. (2)系统同时具备定位、测姿与授时功能,可应 [4] 唐金元,于潞.北斗卫星导航定位系统应用现状分析 用在多个领域; [J].全球定位系统,2008(2):26—28. (3)系统具备多种数据传输接口,可同时满足 [5] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测 绘学报,2010,39(1):1—6. 多套装备、多种用途的需求; [6] 杨元喜,李金龙,徐君毅,等.中国北斗卫星系统对全球 (4)系统可利用参数设置笔记本实现多种编码 PNT用户的贡献[J].科学通报,2011,56(21): 方式的便捷转换,进而可适应多型装备的多种数据 1734—1740. 编码方式的需求; [7] 杨元喜,李金龙,王爱兵,等.北斗区域卫星导航系统基 (5)系统自带通信能力,可将测量信息回传至 本导航定位性能初步评估[J].中国科学:地球科学, 指控中心,不受距离,并具备良好的保密特性。 2014,44(1):72_81. [8] 王磊,宋蕾.利用北斗短信功能实现海上测量信息 的回传[J].海洋测绘,2011,31(3):25—27. 参考文献: [9] 王磊,张荣文,张超.基于北斗系统的VRS技术在 定位中的应用[J].海洋测绘,2009,29(1):46—48. [1] 刘传润.北斗卫星导航定位系统的功能原理与前景展 [10] 王磊,翟国君,黄谟涛,等.利用北斗多频观测进行舰 望[J].中国水运,2008(1):165-166. 船姿态测量[J].海洋测绘,2007,27(2):11-14. Design for Replacing GPS with BDS in Range Measurement Equipment WANG Hui。TIAN Ao (Navy Press,Tianjin 300450,China) Abstract:At present,according to the requirement of the weapon test,the GPS used in range measurement equipment should be overlal replaced by BeiDou Navigation Satellite System(BDS).The direct replacement will be of high costs because the current measurement system should be retested.For this purpose.combined with the actual situation of the range measurement equipment,a kind of portable information collection and distribution system based on BDS is designed,which integrates positioning,attitude determination and timing.The system has many kinds of external data transmission interfaces which help BDS replace GPS without large transformation for the existion equipment. Key words:range measurement;GPS;BDS;information distribution;re-equip ◆1iil◆liil◆Ii l◆1ii1◆…I◆…i 1◆…l◆lIi◆lii1◆_liI◆iil◆Iiq I◆Iiil◆li I◆liiI◆…I◆…}◆川1◆Iiil◆l iI◆…i I◆…1◆川I◆…I◆lli◆fii1◆…I◆lli◆ ◆liiI◆…I◆…◆…◆…I4-…◆lli◆Iiil◆¨iI◆…I◆川I◆…l◆…l◆lli◆…◆liil◆l (上接第72页) Application of Satelilte Remote Sensing Imagery in Island/Reefs Mapping LU Hanming,HU Dongping,LIU Jidong (61363 Troops,Xi an 710054,China) Abstract:In the process of large scale surveying and mapping for islands/reefs using satellite remote sensing imagery,some technical problems frequently arise,such as dififculties in performing three—dimensional mapping of isolated island,low precision of coastline measurement and mismatches among coastal zone edges and so on.In order to solve the above problems,some key techniques associated with actual production ale addressed in the paper,which include the rrae control area net adjustment,the coastline itde level calculation method and the factors of edge principle.The validity of the technology is concluded through the data analysis.The work provides a reference for marine surveying and mapping using high—resolution satellite remote sensing imagery in the future. Key words:remote sensing imagery;rare control;coastline measurement;coastal zone edge 

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