高分辨率卫星影像GPS像控点数据库建设研究

潘振祥

（河南省国土资源厅信息中心 郑州 450016）

摘 要：通过对 SPOT 5_25 m 高分辨率卫星影像数据校正采用的各类控制资料的分析，阐述了 GPS 像控点数据库建设的必要性，通过对像控点的选取、外业施测、精度评价及 GPS 像控点数据库建设等论述，提出了选用 GPS 控制点作为 SPOT5_25 m 高分辨率卫星影像数据校正控制资料，可保证影像校正精度、节省时间和减少投资。

关键词：卫星遥感 控制点 影像校正 数据库

0 引 言

随着信息技术的快速发展，卫星遥感技术得到了突破性进展，特别是 2002 年 5 月 4 日法国SPOT 5 号地球遥感卫星进入预定轨道，极大地促进了各应用行业的科技进步和管理水平。高分辨率卫星遥感在国土资源调查评价、土地利用动态监测、土地更新调查以及大中比例尺地形图测绘等方面已取得显著成绩。

针对 SPOT 5_25 m 高分辨率卫星影像数据，其几何校正主要采用二维多项式和三维数字微分纠正两种模型，采用的校正控制资料主要有 1∶1 万或更大比例尺数字栅格地形图（DRG）、土地利用数字栅格图（LUDRG）等。笔者通过相关研究，认为高分辨率卫星影像数据的校正控制资料选用像控点更合适。针对这一思路，项目组进行了一系列探讨和研究，并基于 MapGIS 平台建立了河南省部分地区 GPS 像控点数据库，为今后相关工作的开展奠定了基础。

1 现 状

目前，各种分辨率卫星影像校正基本上都是参照“满足”相关精度要求的地形图、数字栅格地形图或土地利用数字栅格图等，针对 SPOT 5_25 m 数字正射影像图的制作，国土资源部地籍司专门制定了《SPOT 5_25 m 数字正射影像图制作技术规定》，明确规定 SPOT 5_25 m 数字正射影像图要“以 1∶1 万（或更大比例尺）数字栅格地形图、土地利用数字栅格图或高精度外业控制点为控制资料”，笔者通过近年相关工作，认为目前采用的校正控制资料，尤其在河南省存在以下问题。

11 河南全省现有 1∶1 万地形图尚未全覆盖，地形图精度存在差异，现势性差

覆盖河南省的 1∶1 万地形图共计 6565 幅，而目前成图仅 5600 余幅，尚有约 15% 未成图。已有地形图大部分是 20 世纪 60～80 年代分别由测绘部门、地矿测绘单位和煤田地质测绘单位施测，成图精度存在差异，且由于纸图变形，经部分抽查，个别地形图公里格网连线与图上公里网十字点的实际偏差达 1～3 mm，极个别超过 3 mm，如果拿这些地形图作为控制资料对 SPOT5_25 m 高分辨率卫星影像进行校正，其校正精度难以满足规范要求；其次，已有地形图距今已三四十年，局部地表要素早已面目全非，寻找同名地物点较困难，即使是更新过的地形图，也仅仅对主要地物如主要道路、建制镇以上居民地等进行更新，其他大部分地物、等高线等均沿用原图。

12 土地利用现状图（数据库）难以满足精度要求

河南省土地利用现状调查于 20 世纪 80 年代末起步，90 年代中期结束，调查方法基本上采用 1∶1 万航空影像平面图或 1∶35 万彩红外航片放大片及 1∶1 万地形图进行外业调绘，然后进行室内转绘及面积量算、平差等，所有过程均人工 *** 作，受各种因素干扰，成图质量差别较大，如果用土地利用现状图（数据库）作为控制资料校正 SPOT 5_25 m 高分辨率卫星影像数据，其校正精度难以满足规范要求。

2 像控点选取

本次试验研究涉及河南省平顶山、许昌、漯河三市的八景 SPOT 5 卫星影像和覆盖试验区的1∶5 万比例尺的 DEM，共选取影像校正控制点 152 个。

像控点选取原则是点位分布相对均匀，特征明显，交通便利，数量足够，尽可能在全色光谱上选取，尽量避开高压线、大面积水域等。

为提高外业测量效率及精度，选取像控点后，将选取的像控点制作成便于携带和保存的“像控点外业测量成果表”，分别记录像控点编号、点位及放大的示意图、WGS84、1954 北京、1980年西安三套坐标和点位说明等，作为建立 GPS 像控点图形图像数据库的基础数据。

3 像控点外业施测

像控点外业测量采用附合路线法，各像控点平均间距约 13 km，顺序号前加“P”的点位表示本次测量的像控点，前面加“C”的为 C 级 GPS 控制网点，像控点与 C 级点共同组成 GPS 控制网（图 1）。

图1 像控点及所参照的 C 级 GPS 控制点分布示意图

本次 GPS 控制测量利用河南省大地控制数据 C 级 GPS 控制网点成果的三套数据（分别为WGS 84、1954 北京和 1980 年西安坐标）作为起算数据，依据《全球定位系统（GPS）测量规范》，采用静态方式同步进行观测，三台套 GPS 接收机为一组，观测时段长度为 45 分钟，卫星高度角≥ 15°，有效观测卫星总数≥ 4 个，作业员现场填写外业测量记录表，并采用数码摄影和点之记的方式详细描述像控点点位情况。测量数据采用南方测绘软件进行基线解算及平差处理并进行高程拟合，分别解算出校正控制点基于三套坐标系统的三套数据和拟合高程，本次 152 个像控点的平面位置最弱点点位中误差为 68 cm，高程拟合内符合精度 0321 m，成果精度符合规范要求。

4 影像数据处理和 DOM 制作

影像数据处理主要包括影像的配准、融合、正射纠正、镶嵌和 1∶1 万正射影像图（DOM）的制作等。由于本次采用 SPOT 5_25 m 卫星影像是单景多光谱数据与全色数据同步接收的，其图形的几何相关性较好，多光谱数据与全色配准难度小、精度高，因此采用相对配准的方法。在影像数据融合时，考虑到获取完整项目区的数据接收时段不同，空中云雾干扰以及地面光线不均匀等因素，造成景与景之间存在差别，在数据融合前对数据进行了线性拉伸、纹理增强等预处理，使整景图像亮度适中、纹理清晰、细节突出，以提高目视解译精度。图像融合处理主要采用了最基本的乘积组合算法直接对两种空间分辨率的遥感数据进行融合，融合后图像则采用直方图调整、USM 锐化、彩色平衡、色度饱和度调整和反差增强手段，以使整景图像色彩真实均匀、明暗程度适中、清晰，增强专题信息，特别是加强纹理信息。

遥感影像正射纠正是采用专业遥感影像处理软件 ERDAS 中的 LPS 正射模块进行的。本次纠正采用 SPOT 5 物理模型，控制点均匀分布于整景影像，每景 25 个控制点，对相邻景影像重叠区有 2 个以上公共控制点。正射纠正以实测 GPS 控制点和 1∶5 万 DEM 为纠正基础 , 以景为单位，对 SPOT 5_25 m 融合数据进行纠正，采样间隔为 25 m。

影像镶嵌采用的是 ERDAS 中的 LPS 正射模块批量处理模块，相邻两幅影像，均采集了两个以上的公共控制点，保证了影像镶嵌精度。

DOM 制作采用 Image Info 工具，按照国家 1∶1 万分幅标准进行裁切，覆盖完整的县级行政辖区，图幅整饰依据《高分辨率影像数据处理及数据库建设技术要求》，采用 MapGIS 软件，投影参数按照高斯－克吕格投影、1954 北京坐标系、1985 年国家高程基准的方式生成 1∶1 万标准分幅图幅整饰。

5 DOM 精度评定

DOM 精度评定采用外业实测检查点作为评定参考，评定方法为检查点选取法：通过选取DOM 影像与外业实地测量检查点的同名特征地物点，计算其校差和中误差。

51 检查点的选取和外业测量

检查点选取：随机抽取一景影像作为评定单元，选取不同于校正控制点的 30 个相对均匀分布的检查点，点位的选取原则与像控点一致，选点时尽量避开高压线、大面积水域等影响因素区域。

检查点测量：检查点的外业实地测量与像控点的测量方法一致，即采用附合路线法形成一个整体的 GPS 控制网，采用静态方式同步、同精度进行测量。

52 校正精度计算

精度评定公式如下：

河南省遥感影像规模化高效率处理技术及数据建库综合研究

式中：rms——点位中误差；

n——检查点个数；

ui——DOM影像上检查点的x、y坐标；

vi——GPS外业检查点的x、y坐标。

按照《SPOT5_25m数字正射影像图制作技术规定》1∶1万DOM的制作精度指标：平原、丘陵区点位中误差不大于±5m；山区不大于±75m；高山区不大于±10m。本次精度评定所选地区主要为平原区，局部为丘陵区，经测算，所取点位中误差为±262m，完全满足1∶1万DOM制作精度要求。校正精度评定计算表见表1。

表1 校正精度评定计算表

续表

6 GPS 像控点数据库的建立

为实现精确地理编码中的几何控制及成果检查的高效率与高精度，建立GPS像控点数据库，以满足影像纠正与配准的要求。

GPS像控点数据库建立，以河南省1∶50万地理底图作为工作底图，输入控制点空间坐标文件，并采集属性与图形文件，建立数学基准的统一像控点文件。

采集的像控点图像信息，除包括一般像控点所具有的地理坐标信息之外，还包含与待纠正影像相关的特征地物的纹理信息、分辨率信息、比例尺信息等。

采集控制点属性信息。采集控制点属性记录每个控制点的分辨率、比例尺、范围、椭球体信息、投影信息、坐标系信息（北京1954年坐标、西安1980年坐标、WGS84坐标）、数据库的生产单位、生产日期等。

图2 像控点图形图像数据库示意图

7 结束语

土地更新调查、土地利用遥感动态监测及土地违法案件执法检查等不仅要考虑遥感影像的校正精度，同时要考虑其现势性、影像处理时间和投入成本等。GPS 像控点数据库的建立，不仅满足 SPOT 5_25 m 卫星影像的校正精度要求，同时为今后同地区、同类工作的开展奠定了基础，极大地降低了投入成本，节省了影像处理时间，起到了“一劳永逸”的作用。

参 考 文 献

党安荣，等2003ERDAS IMAGING 遥感图像处理方法［M］北京：清华大学出版社

王之卓1990摄影测量原理［M］武汉：武汉测绘科技大学出版社

尤淑撑，刘顺喜2002GPS 在土地变更调查中的应用研究［J］测绘通报（5）：1～3

张继贤，等2000图形图像控制点库及应用［J］测绘通报（1）

（原载《国土资源信息化》2007 年第 3 期）

管相荣

（河南省国土资源厅信息中心 郑州 450016）

摘 要：为了满足大区域控制点综合管理时针对多领域的需求，实现数据的共享所面临的坐标系统、属性结构、投影带、行政辖区、影像重叠区等问题，采用省域控制点图形图像数据库建立的案例分析，省域控制点图形图像数据库存储了控制点的属性、空间位置、图形图像等多项信息，叠合了行政辖区、原始影像、接合图表、投影带等信息，为第二次全国土地调查工作的开展提供了宝贵的资料和经验。

关键词：省域 控制点 GPS 控制点图形图像数据库

0 引 言

为确保“2010 年全国耕地面积不少于 18 亿亩（12 亿 hm2）的红线”，国家已经启动第二次全国土地调查，利用先进的技术和方法，力求建立“四级联动、上下互通”、“高保真”的土地利用数据库，实现土地管理的信息化、网络化。河南省作为全国人口和农业大省，土地总面积约167 万 km2，2007 年人均耕地面积 8134 m2，低于全国平均水平，在国家严控耕地面积的严峻形势下，如何摸清土地家底、有效集约管理土地资源尤为重要。近年来，河南省运用先进的“3S”技术和通信技术，已经开展了多项土地资源监测、地籍调查方面的研究。全国高分辨率影像数据处理及数据库建设项目（以下简称“遥感项目”）是第二次全国土地调查的先导，旨在为其提供宝贵的经验。河南省作为项目试点之一，2005 年以 GPS 实测点为控制数据，影像数据均采用SPOT 5 遥感影像，对平顶山、许昌、漯河、安阳四个地市的遥感影像进行处理，精度满足要求。2007 年项目在全省铺开，布设控制点数达上千个，按照《SPOT 5_25 m 数字正射影像图制作技术规定》及《第二次全国土地调查底图生产技术规定》的要求，对影像处理必须精确，影像纠正控制点是土地信息提取的关键所在，如何综合管理这些控制点数据十分必要；同时，就我国 GPS控制网而言，GPS A B C 级点布设达上万个，而以此为基准的下一级 GPS 控制点将更多，对其进行分板机统筹管理也势在必行。

影像纠正控制点的获取途径有两种：一种是 GPS 实测，另一种是从大于等于调查底图比例尺的已有图件上采集。遥感项目河南试点控制数据均为 GPS 实测点，省域控制点管理包括 GPS 实测点和图形图像控制点，涉及跨省域、投影带、属性结构设定、编号、叠加分析、条件查询、图形查询、精度评定、点位分布联测略图等问题，有必要根据实际的工作底图情况，建立控制点图形图像数据库，实现控制点位置信息、属性信息、图形图像信息的统一管理，力图为同类研究提供参考。

1 控制点基础信息获取

11 控制点的布设与测量

项目控制点布设的工作底图是 SPOT 5_25 m 遥感影像，河南省域涉及 80 多景 SPOT 5 影像，受卫星数据获取周期的影响，影像是分批次提供的，为保证项目进度，控制点的布设采用先来先选的原则分批次进行。选取要求有：

（1）选取影像清晰、易于判别、交通便利的明显特征点，如影像特征明显的农村道路交叉路口，并读取概略经纬度；

（2）均匀分布，控制区域大于工作区范围，每景控制点数不少于 25 个，山区适当增加；

（3）边缘选点，相邻影像重叠区不少于 2 个同名公共点；

（4）模糊定位、圈定范围，为便于精确定位点的灵活性，采用 800 像素 ×800 像素的正方形选框，外业测量时可以在此选框内灵活定点，一般要求选框中间点位优先选用；

（5）内业选点难以测量时，可适当在该点附近重新选点，外业要作详细记录。

项目区覆盖多景影像，为的是选点均匀，公共点布局合理，在选取某景影像控制点时应同时参照相邻景，单景保证四角有点，其间三角形布点。控制点编号采用××××××_××××××_××，第一个“_”前为控制点所在景号，第一、第二个“_”之间为控制点所在影像的时相，共 6 位，采用年月日格式，第二个“_”后为控制点所在影像内序号，如 273280_061101_10, 表示景号为 273280、时相为 2006 年 11 月 1 日的影像上的第 10 个控制点，另外在测量成果表中增加测量编号和标准编号，测量编号是控制点布设实时编号，对应外业测量表中的序号，标准编号则按 1∶1 万标准图幅为基准，自上而下、自左而右的编号，如I49G030050, 以求更好地管理和应用控制点基础资料，为此我们设计了控制点测量成果表。

考虑到项目区山区、丘陵、平原均有分布，不同地形都选取检查点，在布点时类同控制点选取，只是在影像正射纠正时根据参与运算与否才设定其是控制点或是检查点。三种地形特征检查点可以从不同地形下分析控制点精度，对于布点较为困难的山区，可以打破单景的局限，采用区域布点检查法。

以国家 C 级 GPS 大地控制点为基准，采用静态方式同步进行观测，3 套 GPS 接收机为一组，观测时段长度为 45 min，卫星高度角≥ 15°，有效卫星总数≥ 4 个，作业员现场填写外业测量记录表，测队队员定时进行业内汇合，整个省域全部控制点测量耗时近 1 年，共完成 1454 个控制点的测量。

项目共布设 13 个测区，外业实地测量均采用环形布点形成一个整体的 GPS 控制网，各测区以不同的颜色表示，控制点间平均距离约 13 km，点位序号是项目区需要测量的纠正控制点测量编号，不足 4 位的前加“P”表示，前面加“C”的点则表示已有的 C 级 GPS 控制点。

12 控制点坐标及投影带的设置

控制点有 4 套坐标系统：西安 1980 坐标、北京 1954 坐标、WGS84 坐标、概略经纬度及高程。

项目采用高斯－克吕格投影 3 度分带、1985 国家高程基准、北京 1954 坐标系。河南省域跨越 37、38、39 带，测量的坐标数据存在 3 套数据，通常构建数据库时坐标系统的中央经线为114°，即 38 带。为确保整个省域建库数据为统一的坐标系统，就应把 37 带、39 带内的控制点进行换算，一般采用高斯投影、反算公式间接换带计算。现在把 37 带、39 带的控制点坐标换算成 38 带，见表 1。实测测量时，可通过仪器设置或基于坐标换带公式原理开发的专用软件换算。

表1 GPS 控制点 3 度分带相邻带坐标换算对应表（河南省）

续表

13 属性结构设定

为便于管理控制点图形图像数据库，并为后续国土研究提供基础资料，因此尽可能详述控制点的属性信息。表 2 是设定的控制点库表结构。

表2 控制点文件属性结构一览表

属性结构设定的特色：

（1）3 套编号系统（标准编号、景内编号、测量编号）。标准编号是所有 GPS 实测控制点选取完毕后，为便于管理，以 1∶1 万标准图幅为底图采用“自上而下、自左而右”原则重新编号，命名采用“1∶1 万标准图幅号 _ 图幅内序号”；景内编号则是就单景而言，景号 _ 时相 _ 景内序号命名；测量编号则是在项目实施中实际工作选点编号，作为控制点成果表整理及入库的依据。

（2） 4 套坐标数据（北京 1954 坐标、西安 1980 坐标、WGS84、概略经纬度）。概略经纬度可以对控制点在实地测量前进行模糊定位，此外也为了后期插叙的需要，例如，对一景现实性影像，通过幅宽经纬度可查询到其间大致所覆盖的控制点信息，减少了选点、测点等重复性工作。

（3）挂接点位影像、图形及实地信息。控制点影像库不仅有点的属性描述，也有点位图形和实测信息，使控制点信息更加丰富。

（4）与权属库、接合图表、影像范围图叠合，便于查看控制点的区域型分布、与影像及图幅间的关系。

14 与遥感影像的套合

控制点是遥感影像定位的基本参照信息，已知工作区的 DEM 和影像控制点坐标信息，就可以对影像进行几何纠正和投影差改正，制作数字正射影像图（DOM），提取土地利用现状信息，构建土地利用数据库，此亦第二次全国土地调查的前期业内工作。通常，我们是先在原始影像上布设控制点，测量其坐标信息，然后影像处理，即影像选取点、点定位影像的工作模式。但建立河南省控制点图形图像数据库后，对省域内任意工作区的影像，即没有投影和平面坐标信息的现时性影像，可以通过影像头文件找其所包含的控制点信息，避免了重复选点、测点。

控制点影像数据与遥感影像的套合、叠加查询分析，需要两者间存在恒定的某种信息。控制点是地球上的固定点，SPOT 5 遥感影像的头文件里显示影像获取时间及影像的经纬度坐标（大地坐标），为避免大地坐标与高斯平面坐标转换时的误差影响影像处理精度，目前只能通过两者的经纬度坐标，对影像包括的控制点信息进行模糊查询，然后再准确定位点。在 MapGIS 平台中，可以通过影像的经纬度坐标将其范围框直接定位到控制点图形图像数据库的平面坐标工程上，很直观地查看三者间的关系，如图 1 所示。

图1 控制点、影像、行政区空间关系图

2 控制点图形图像数据库构建

经过“布点、测点”后，在 ERDAS 软件的 LPS 模块里对控制点进行严格的精度检查，只有满足精度要求后才可入库，具体流程如图 2 所示。同时设定了数据库文件的组织（表 3）。基于上述数据库建设思路，在 MapGIS 平台上构建了控制点图形图像数据库，如图 3 所示。

图2 GPS 控制点图形图像数据库建库流程

图3 河南省 GPS 控制点图形图像数据库

表3 GPS 控制点图形图像数据库文件

3 结 论

控制点作为基础地理数据，其重要性不言而喻，河南省域共布设 1000 多个实测控制点，历时近 1 年，耗费了相当的人力物力，控制点图形图像数据库的建立旨在实现信息共享，避免资源浪费，为国土及其他领域的研究提供了宝贵的基础资料，尤其是在第二次全国土地调查河南工作区，控制点图形图像数据库对调查底图制作起到了十分重要的作用。另外，省域型控制点图形图像的建立也为大区域多数量控制点数据的综合管理提供了点滴参照。当然也有未涉及的内容，如不同等级控制点的管理、控制点的三维布局再现等。

参 考 文 献

GB/T 18314—200《1全球定位系统（GPS）测量规范》［S］

苏小霞，李英成2006全国多级多分辨率图形图像控制点数据库的建立与应用展望［J］ 遥感技术与应用，21（3）：265～230

王之卓1990摄影测量原理（英文版）［M］ 武汉：武汉测绘科技大学出版社

曾福年，赵翠玲2006图像控制点库的建立及应用方法探讨［C］2006 年中国土地学会学术年会论文集

张继贤，马瑞金2000图形图像控制点库及应用［J］ 测绘通报（1）：15～17

（原载《郑州大学学报（工学版）》2008 年第 2 期）

建立地理环境知识图谱通常需要从以下几个方面入手：

收集遥感影像数据：可以使用遥感卫星或飞机拍摄的影像数据，也可以使用已有的遥感影像数据库。

对遥感影像进行处理：需要对遥感影像进行预处理，包括去噪、校正、分类等 *** 作。

建立地理知识模型：需要建立一个地理知识模型，描述地理环境中的实体（如地形、土壤、植被等）和它们之间的关系。

建立地理知识图谱：使用地理知识模型建立地理知识图谱，并使用遥感影像为图谱中的实体进行标注。

使用地理知识图谱：地理知识图谱可以用于各种地理环境应用，如地形分析、土地利用规划、资源管理等。

需要注意的是，建立地理知识图谱的过程需要结合遥感影像的特点，进行相应的调整。

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