A. 高解析度衛星影像GPS像控點資料庫建設研究
潘振祥
（河南省國土資源廳信息中心 鄭州 450016）
摘 要：通過對 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像數據校正採用的各類控制資料的分析，闡述了 GPS 像控點資料庫建設的必要性，通過對像控點的選取、外業施測、精度評價及 GPS 像控點資料庫建設等論述，提出了選用 GPS 控制點作為 SPOT5_2.5 m 高解析度衛星影像數據校正控制資料，可保證影像校正精度、節省時間和減少投資。
關鍵詞：衛星遙感 控制點 影像校正 資料庫
0 引 言
隨著信息技術的快速發展，衛星遙感技術得到了突破性進展，特別是 2002 年 5 月 4 日法國SPOT 5 號地球遙感衛星進入預定軌道，極大地促進了各應用行業的科技進步和管理水平。高解析度衛星遙感在國土資源調查評價、土地利用動態監測、土地更新調查以及大中比例尺地形圖測繪等方面已取得顯著成績。
針對 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像數據，其幾何校正主要採用二維多項式和三維數字微分糾正兩種模型，採用的校正控制資料主要有 1∶1 萬或更大比例尺數字柵格地形圖（DRG）、土地利用數字柵格圖（LUDRG）等。筆者通過相關研究，認為高解析度衛星影像數據的校正控制資料選用像控點更合適。針對這一思路，項目組進行了一系列探討和研究，並基於 MapGIS 平台建立了河南省部分地區 GPS 像控點資料庫，為今後相關工作的開展奠定了基礎。
1 現 狀
目前，各種解析度衛星影像校正基本上都是參照「滿足」相關精度要求的地形圖、數字柵格地形圖或土地利用數字柵格圖等，針對 SPOT 5_2.5 m 數字正射影像圖的製作，國土資源部地籍司專門制定了《SPOT 5_2.5 m 數字正射影像圖製作技術規定》，明確規定 SPOT 5_2.5 m 數字正射影像圖要「以 1∶1 萬（或更大比例尺）數字柵格地形圖、土地利用數字柵格圖或高精度外業控制點為控制資料」，筆者通過近年相關工作，認為目前採用的校正控制資料，尤其在河南省存在以下問題。
1.1 河南全省現有 1∶1 萬地形圖尚未全覆蓋，地形圖精度存在差異，現勢性差
覆蓋河南省的 1∶1 萬地形圖共計 6565 幅，而目前成圖僅 5600 余幅，尚有約 15% 未成圖。已有地形圖大部分是 20 世紀 60～80 年代分別由測繪部門、地礦測繪單位和煤田地質測繪單位施測，成圖精度存在差異，且由於紙圖變形，經部分抽查，個別地形圖公里格網連線與圖上公里網十字點的實際偏差達 1～3 mm，極個別超過 3 mm，如果拿這些地形圖作為控制資料對 SPOT5_2.5 m 高解析度衛星影像進行校正，其校正精度難以滿足規范要求；其次，已有地形圖距今已三四十年，局部地表要素早已面目全非，尋找同名地物點較困難，即使是更新過的地形圖，也僅僅對主要地物如主要道路、建制鎮以上居民地等進行更新，其他大部分地物、等高線等均沿用原圖。
1.2 土地利用現狀圖（資料庫）難以滿足精度要求
河南省土地利用現狀調查於 20 世紀 80 年代末起步，90 年代中期結束，調查方法基本上採用 1∶1 萬航空影像平面圖或 1∶3.5 萬彩紅外航片放大片及 1∶1 萬地形圖進行外業調繪，然後進行室內轉繪及面積量算、平差等，所有過程均人工操作，受各種因素干擾，成圖質量差別較大，如果用土地利用現狀圖（資料庫）作為控制資料校正 SPOT 5_2.5 m 高解析度衛星影像數據，其校正精度難以滿足規范要求。
2 像控點選取
本次試驗研究涉及河南省平頂山、許昌、漯河三市的八景 SPOT 5 衛星影像和覆蓋試驗區的1∶5 萬比例尺的 DEM，共選取影像校正控制點 152 個。
像控點選取原則是點位分布相對均勻，特徵明顯，交通便利，數量足夠，盡可能在全色光譜上選取，盡量避開高壓線、大面積水域等。
為提高外業測量效率及精度，選取像控點後，將選取的像控點製作成便於攜帶和保存的「像控點外業測量成果表」，分別記錄像控點編號、點位及放大的示意圖、WGS84、1954 北京、1980年西安三套坐標和點位說明等，作為建立 GPS 像控點圖形圖像資料庫的基礎數據。
3 像控點外業施測
像控點外業測量採用附合路線法，各像控點平均間距約 13 km，順序號前加「P」的點位表示本次測量的像控點，前面加「C」的為 C 級 GPS 控制網點，像控點與 C 級點共同組成 GPS 控制網（圖 1）。
圖1 像控點及所參照的 C 級 GPS 控制點分布示意圖
本次 GPS 控制測量利用河南省大地控制數據 C 級 GPS 控制網點成果的三套數據（分別為WGS 84、1954 北京和 1980 年西安坐標）作為起算數據，依據《全球定位系統（GPS）測量規范》，採用靜態方式同步進行觀測，三台套 GPS 接收機為一組，觀測時段長度為 45 分鍾，衛星高度角≥ 15°，有效觀測衛星總數≥ 4 個，作業員現場填寫外業測量記錄表，並採用數碼攝影和點之記的方式詳細描述像控點點位情況。測量數據採用南方測繪軟體進行基線解算及平差處理並進行高程擬合，分別解算出校正控制點基於三套坐標系統的三套數據和擬合高程，本次 152 個像控點的平面位置最弱點點位中誤差為 6.8 cm，高程擬合內符合精度 0.321 m，成果精度符合規范要求。
4 影像數據處理和 DOM 製作
影像數據處理主要包括影像的配准、融合、正射糾正、鑲嵌和 1∶1 萬正射影像圖（DOM）的製作等。由於本次採用 SPOT 5_2.5 m 衛星影像是單景多光譜數據與全色數據同步接收的，其圖形的幾何相關性較好，多光譜數據與全色配准難度小、精度高，因此採用相對配準的方法。在影像數據融合時，考慮到獲取完整項目區的數據接收時段不同，空中雲霧干擾以及地面光線不均勻等因素，造成景與景之間存在差別，在數據融合前對數據進行了線性拉伸、紋理增強等預處理，使整景圖像亮度適中、紋理清晰、細節突出，以提高目視解譯精度。圖像融合處理主要採用了最基本的乘積組合演算法直接對兩種空間解析度的遙感數據進行融合，融合後圖像則採用直方圖調整、USM 銳化、彩色平衡、色度飽和度調整和反差增強手段，以使整景圖像色彩真實均勻、明暗程度適中、清晰，增強專題信息，特別是加強紋理信息。
遙感影像正射糾正是採用專業遙感影像處理軟體 ERDAS 中的 LPS 正射模塊進行的。本次糾正採用 SPOT 5 物理模型，控制點均勻分布於整景影像，每景 25 個控制點，對相鄰景影像重疊區有 2 個以上公共控制點。正射糾正以實測 GPS 控制點和 1∶5 萬 DEM 為糾正基礎 , 以景為單位，對 SPOT 5_2.5 m 融合數據進行糾正，采樣間隔為 2.5 m。
影像鑲嵌採用的是 ERDAS 中的 LPS 正射模塊批量處理模塊，相鄰兩幅影像，均採集了兩個以上的公共控制點，保證了影像鑲嵌精度。
DOM 製作採用 Image Info 工具，按照國家 1∶1 萬分幅標准進行裁切，覆蓋完整的縣級行政轄區，圖幅整飾依據《高解析度影像數據處理及資料庫建設技術要求》，採用 MapGIS 軟體，投影參數按照高斯－克呂格投影、1954 北京坐標系、1985 年國家高程基準的方式生成 1∶1 萬標准分幅圖幅整飾。
5 DOM 精度評定
DOM 精度評定採用外業實測檢查點作為評定參考，評定方法為檢查點選取法：通過選取DOM 影像與外業實地測量檢查點的同名特徵地物點，計算其校差和中誤差。
5.1 檢查點的選取和外業測量
檢查點選取：隨機抽取一景影像作為評定單元，選取不同於校正控制點的 30 個相對均勻分布的檢查點，點位的選取原則與像控點一致，選點時盡量避開高壓線、大面積水域等影響因素區域。
檢查點測量：檢查點的外業實地測量與像控點的測量方法一致，即採用附合路線法形成一個整體的 GPS 控制網，採用靜態方式同步、同精度進行測量。
5.2 校正精度計算
精度評定公式如下：
河南省遙感影像規模化高效率處理技術及數據建庫綜合研究
式中：rms——點位中誤差；
n——檢查點個數；
ui——DOM影像上檢查點的x、y坐標；
vi——GPS外業檢查點的x、y坐標。
按照《SPOT5_2.5m數字正射影像圖製作技術規定》1∶1萬DOM的製作精度指標：平原、丘陵區點位中誤差不大於±5m；山區不大於±7.5m；高山區不大於±10m。本次精度評定所選地區主要為平原區，局部為丘陵區，經測算，所取點位中誤差為±2.62m，完全滿足1∶1萬DOM製作精度要求。校正精度評定計算表見表1。
表1 校正精度評定計算表
續表
6 GPS 像控點資料庫的建立
為實現精確地理編碼中的幾何控制及成果檢查的高效率與高精度，建立GPS像控點資料庫，以滿足影像糾正與配準的要求。
GPS像控點資料庫建立，以河南省1∶50萬地理底圖作為工作底圖，輸入控制點空間坐標文件，並採集屬性與圖形文件，建立數學基準的統一像控點文件。
採集的像控點圖像信息，除包括一般像控點所具有的地理坐標信息之外，還包含與待糾正影像相關的特徵地物的紋理信息、解析度信息、比例尺信息等。
採集控制點屬性信息。採集控制點屬性記錄每個控制點的解析度、比例尺、范圍、橢球體信息、投影信息、坐標系信息（北京1954年坐標、西安1980年坐標、WGS84坐標）、資料庫的生產單位、生產日期等。
圖2 像控點圖形圖像資料庫示意圖
7 結束語
土地更新調查、土地利用遙感動態監測及土地違法案件執法檢查等不僅要考慮遙感影像的校正精度，同時要考慮其現勢性、影像處理時間和投入成本等。GPS 像控點資料庫的建立，不僅滿足 SPOT 5_2.5 m 衛星影像的校正精度要求，同時為今後同地區、同類工作的開展奠定了基礎，極大地降低了投入成本，節省了影像處理時間，起到了「一勞永逸」的作用。
參 考 文 獻
黨安榮，等.2003.ERDAS IMAGING 遙感圖像處理方法［M］.北京：清華大學出版社
王之卓.1990.攝影測量原理［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社
尤淑撐，劉順喜.2002.GPS 在土地變更調查中的應用研究［J］.測繪通報（5）：1～3
張繼賢，等.2000.圖形圖像控制點庫及應用［J］.測繪通報（1）
（原載《國土資源信息化》2007 年第 3 期）
B. 工作流程與建庫方法
松嫩平原地下水資源及其環境問題調查空間資料庫包括野外數據採集系統、數據錄入系統、資料庫信息應用系統、資料庫檢查驗收系統和綜合成果管理系統五個組成部分。系統具備了數據錄入、編輯、管理、瀏覽、查詢、質量控制等功能，同時可以進行簡單的數據處理操作。
屬性資料庫的錄入是按照《水文地質環境地質調查信息系統使用手冊》中的數據格式及要求在數據錄入系統中完成的。
空間資料庫的建設是按照《地下水資源調查評價資料庫標准》的具體要求進行的，調查資料和收集資料的錄入是主要由黑龍江和吉林兩省地質調查院完成，之後實施單位進行匯總、檢查。
一、工作流程
包括資料准備（圖形圖像資料、文字資料、專業數據資料的收集、圖件預處理、圖件的分層及清繪處理）、數據採集、屬性表編制、圖形數字化、屬性庫的錄入、圖形屬性掛接、圖形編輯修改、圖形誤差校正、圖形投影轉換、建立圖庫、質量檢查、成果匯交、文檔管理等工作（圖14—1）。
二、建庫方法
（一）資料准備
資料准備工作包括1∶25萬地理底圖的轉化及修編；資料的收集、篩選、分類、整理；熟悉資料庫信息系統和資料庫標准等。首先對工作區內以往的水文地質環境地質資料進行收集、整理、篩選，進行資料的可靠性、准確性及實用性分析，把內容完整、數據可靠、內容可用的資料分類挑選出來，作為准備入庫的資料。由於收集的原始資料時間跨度大，格式、資料內容與資料庫要求的格式不一致，在錄入之前必須對收集資料內容進行整理，有的還需要進行單位換算，提煉出所需資料。對實測資料有缺少項目等情況，及時與調查人員聯系，進行了必要補充。將整理好的收集資料及實測資料，按照技術要求進行統一編號，為了確保圖元編碼的唯一性，統一編號由17位數字組成，即：經度8位＋緯度7位＋識別碼2位。
（二）屬性數據的錄入與檢查
將整理、篩選出來的資料，分門別類地分配給不同的工作人員進行計算機錄入。由於所錄入資料的專業性較強、數據量大、內容參差不齊，錄入時需要隨時進行分析，因此入庫資料全部由專業人員完成，以保證入庫數據的質量和准確性。地下水資源調查的數據表是一對多個主從表結構關系，因此在數據錄入過程中，必須先輸入主表數據，再錄入從表數據。特別是野外水文地質點基礎表是所有相關數據關聯的基礎，在輸入新的調查點資料之前，必須先輸入該表中的數據。為了保證錄入數據的質量，採取的保障措施是每錄入完一份資料馬上與原始資料對照檢查，避免時間過長容易忘記。
圖14—1 空間資料庫建設工作流程圖
1.水文地質鑽孔綜合表的錄入
按照資料庫提供的錄入表內容，主表水文地質鑽孔綜合表包括地層描述、井徑變化、井管結構、填礫止水、測井曲線和含水層劃分6個分表。
由於以往資料各家使用的鑽孔綜合成果表的內容表達方式不盡相同，與資料庫中給定的表格內容不是一一對應，特別是松嫩平原的含水層多，白堊系含水層劃分不明確，所以這部分資料內容錄入整理的工作量很大。在收集到的鑽孔資料中給出的位置坐標全部是大地坐標，首先要把大地坐標轉換成經緯度，然後進行統一編號，再進行錄入。由於鑽孔綜合成果表中內容多，資料庫表中所需的內容要到成果表中各項目中查找，查找起來需要很長時間，並且有一些項目需要進行計算，如填礫厚度，需要用孔徑和井徑進行計算；鑽孔變徑描述、鑽孔井管結構、水文地質鑽孔填礫止水結構、地質鑽孔含水段厚度等是在柱狀圖中按比例尺量算的，然後按比例尺換成深度。含水層厚度的確定，在鑽孔綜合成果表中給出的含水層厚度是整個鑽孔揭穿的含水層總厚度，但資料庫需要分段填寫，這部分數據根據岩性描述確定出含水段的位置，計算含水層厚度，分段含水層的厚度之和與成果表中的含水層總厚度保持一致。在錄入過程中，鑽孔資料按原始數據100%錄入，不遺漏每一項數據（圖14—2、圖14—3）。
圖14—2 資料庫中鑽孔資料關聯表
圖14—3 資料庫中的鑽孔資料
2.抽水試驗成果表的錄入
收集的抽水試驗資料一般都在鑽孔綜合成果表中，沒有原始的抽水試驗記錄，在鑽孔綜合成果表中只有不同落程抽水試驗總的觀測時間、穩定時間、水位恢復時間、水位降深、涌水量及抽水試驗成果。為了避免在錄入完成綜合成果表後，漏錄抽水試驗成果表，在錄入過程中，對鑽孔資料首先錄入抽水試驗成果表，然後再錄入綜合成果表。對於本次獲得的實測資料，由於觀測記錄中涌水量單位為m3/d，資料庫中要求為L/s，必須先進行換算，然後再進行錄入，工作比較繁瑣，在轉換過程中容易出現數據錯誤，所以在錄入前先進行涌水量單位換算，然後再進行錄入和檢查。本次施工的鑽孔抽水試驗則依據原始抽水試驗記錄錄入。
3.水、土樣品採集記錄表的錄入
（1）野外水樣採集記錄表的錄入
野外采樣是按年度工作區分三年完成的，錄入工作也是按年度進行。地下水水質分析樣包括水質全分析、簡分析、微量元素分析、同位素分析樣和地表水樣。野外水樣採集記錄表與水質分析綜合成果數據表及同位素測試綜合成果數據表是一套相關聯表（圖14—4），首先錄入測試數據表，然後錄入野外水樣採集記錄表，再錄入水質分析綜合成果表和同位素測試數據。
（2）野外土壤樣品採集記錄表的錄入
該表包括土壤易溶鹽分析和土壤污染分析成果表，在錄入過程中先錄入野外土壤樣品採集記錄表中相關內容，然後錄入土壤易溶鹽分析調查表中的各項內容。
4.野外調查卡片的錄入
野外調查卡片隨著野外工作的開展按年度分期錄入，野外工作分三年進行，錄入過程也分三年進行。
（1）機民井調查記錄表的錄入
在野外調查過程中，不同地區分潛水和承壓水分別進行調查。在錄入中有時同一個點既調查了深層水、又調查了淺層水，同一個點，兩個不同的內容，這時就要特別注意，不能將第一個點替換掉，只能用統一編號來區分。調查點平面位置示意圖和地形地貌、含水層剖面圖採用灰度掃描，掃描精度為300 dpi，掃描後部分進行矢量化，生成JPEG圖像插入錄入系統中，部分直接生成JPEG圖像插入錄入系統中（圖14—5）。
圖14—4 資料庫中水樣採集記錄與水質分析綜合成果數據表
圖14—5 資料庫中機民井調查表
（2）土地鹽漬化野外調查表的錄入
在錄入該表格時，表中有「年內最高水位」和「年內最低水位」，由於在野外僅靠一次觀測沒辦法查明這兩項內容，所以該項內容錄入不全或不夠准確。表中的樣品採集情況一欄，欄位數少、取樣較多，有的時候各取樣深度不能全部錄入。
表中調查點平面示意圖，採用掃描精度為300 dpi，進行灰度掃描，掃描後進行矢量化，生成JPEG圖像插入錄入系統中（圖14—6）。
（3）地表水點綜合調查數據表的錄入
地表水體調查點包括湖泊、河流等調查點，按照野外提供的表格直接進行錄入，地貌、地質剖面素描圖及調查點平原位置示意圖採用掃描精度為300 dpi，灰度掃描，掃描後部分進行矢量化，生成JPEG圖像插入錄入系統中，部分直接生成JPEG圖像插入錄入系統中（圖14—7）。
（4）地下水污染綜合調查表的錄入
該項工作只在黑龍江省做了少量調查，已全部錄入，調查點平面位置示意圖，採用精度為300 dpi，灰度掃描，將掃描圖直接生成JPEG圖像插入錄入系統中。
（5）泉點野外調查記錄表、水源地綜合調查表、野外水文地質點調查表、野外水文地質調查路線表、土地荒漠化野外調查表的錄入。
這些表的數據整理及錄入均按照錄入表式填寫錄入，所涉及的剖面或平面示意圖採用精度為300 dpi，灰度掃描，將掃描圖直接生成JPEG圖像插入錄入系統中。
圖14—6 資料庫中土地鹽漬化野外調查表
圖14—7 資料庫中地表水綜合調查表
5.地下水觀測井基本情況表的錄入
這部分內容按照資料庫中提供的表格逐項目錄入，主要錄入了地下水位人工監測數據記錄表、地下水位監測數據成果匯總表、地下水水溫監測原始記錄表，地下水位監測資料從2003年8月至2005年8月，每5天監測一次，共監測2年。
6.地下水位統測野外記錄表的錄入
該表錄入的資料為2003年、2004年、2005年不同時期的統測資料，該表在錄入過程中，由於技術要求下達較晚，野外統測時，定位點坐標精度差，資料取得後，錄入人員將數據全部錄入資料庫中，待技術要求下達後，對統測點又重新進行野外定位，使得錄入資料全部重新錄入。
7.地下水位統測匯總表的錄入
該表由地下水位統測野外記錄表自動生成，共體現了2003～2005年3年4次統測資料，2003年豐水期1次、2004年枯、豐水期2次統測、2005年枯水期1次統測。在3年4次的統測中，有一部分統測井由於某種原因，不能在同一個井連續進行，只能換成其他點進行統測。有一些點坐標沒有改變，只是水位及標高改變，這一類點，在錄入過程中在井口標高和井深中都已經填寫上了新換點（圖14—8）。
8.試坑滲水試驗觀測記錄表的錄入
該表錄入了2003年和2004年資料，該項工作做得不多，資料較少，但作為第一手資料，比較寶貴。內容按資料庫中的表格要求錄入。試坑平面位置示意圖採用掃描精度為300 dpi，灰度掃描，掃描後進行矢量化，生成JPEG圖像插入錄入系統中（圖14—9）。
9.匯總與數據備份
由於資料庫錄入工作量大、內容多，必須由多人分工完成，因此要通過數據匯總將多台機器上的資料庫中的數據匯總到一個資料庫上。分頭錄入的資料一般每周匯總一次，匯總時由匯總人員對錄入的資料進行抽查，一般抽查率在20%～30%。為了避免數據丟失，在進行數據匯總前先將數據做一備份，以防萬一。
（三）圖形資料庫的建立
空間圖形資料庫的建立分為7個階段進行：
第一階段：完成屬性庫的錄入工作。屬性數據錄入的完成是《地下水資源調查應用系統》中自動生成各類調查點圖層的前提。
圖14—8 資料庫中地下水位統測數據匯總表
圖14—9 資料庫中試坑滲水試驗綜合成果匯總表
第二階段：編繪1∶25萬地理底圖。根據技術要求，進行修編，涵蓋了主要交通干線、河流、居民地、省、市、縣界線、松嫩平原界線等。圖面清晰明了，滿足繪製成果圖件的要求。
第三階段：成果圖件矢量化。每張成果圖件均由編圖人員在噴繪的1∶50萬地理底圖上繪制，然後採用300 dpi掃描，形成柵格化文件，再由建庫人員利用Map GIS將圖像配准到已矢量化、修編好的地理底圖上，所有經緯網交叉點都作為控制點採集對象，保證了圖像配準的精度，最後完成數字化制圖。
第四階段：檢查、修改成果圖件，熟悉《地下水資源調查應用系統》和《地下水資源調查評價資料庫標准》對地下水資源資料庫圖層的劃分及其屬性結構，做好圖形入庫的准備工作。
第五階段：從已有的成果圖件中提出資料庫中所需要的圖層，並賦予屬性。每個圖層文件都要在Map GIS中設置好投影參數，並且與成果圖件投影參數保持一致，均為蘭伯特等角圓錐平面直角坐標系。
第六階段：將屬性庫文件和成果圖件中提出的圖層文件導入《地下水資源調查應用系統》中。具體操作如下：①在該系統中增加一個新工作區，連接屬性資料庫文件，設置投影參數為蘭伯特等角圓錐1∶25萬平面直角坐標系；②導入已修編好的地理底圖；③根據系統中空間資料庫部分的目錄樹所列圖層和屬性庫中各類調查點的數據，依次生成點圖層，並且由系統自動掛接屬性文件；④將已編輯好的線、區圖層導入本系統；⑤更新地圖參數，系統會將各類圖層重新投影為新建工作區時所設的投影參數，保證了各類圖層在空間位置上相對一致性（圖14—10～圖14—13）。
圖14—10 資料庫中的地貌分區圖層
圖14—11 資料庫中潛水含水岩組岩性分區圖層
圖14—12 資料庫中潛水富水性分區圖層
圖14—13 資料庫中2004年豐水期水位埋深等值線圖