A. 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_2.5 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_2.5 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_2.5 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_2.5 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_2.5 m 数字正射影像图制作技术规定》，明确规定 SPOT 5_2.5 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。
1.1 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_2.5 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。
1.2 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∶3.5 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，所有过程均人工操作，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_2.5 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 6.8 cm，高程拟合内符合精度 0.321 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_2.5 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_2.5 m 融合数据进行纠正，采样间隔为 2.5 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。
5.1 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。
5.2 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_2.5m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±7.5m；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±2.62m，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_2.5 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.2003.ERDAS 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.2002.GPS 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）
B. 工作流程与建库方法
松嫩平原地下水资源及其环境问题调查空间数据库包括野外数据采集系统、数据录入系统、数据库信息应用系统、数据库检查验收系统和综合成果管理系统五个组成部分。系统具备了数据录入、编辑、管理、浏览、查询、质量控制等功能，同时可以进行简单的数据处理操作。
属性数据库的录入是按照《水文地质环境地质调查信息系统使用手册》中的数据格式及要求在数据录入系统中完成的。
空间数据库的建设是按照《地下水资源调查评价数据库标准》的具体要求进行的，调查资料和收集资料的录入是主要由黑龙江和吉林两省地质调查院完成，之后实施单位进行汇总、检查。
一、工作流程
包括资料准备（图形图像资料、文字资料、专业数据资料的收集、图件预处理、图件的分层及清绘处理）、数据采集、属性表编制、图形数字化、属性库的录入、图形属性挂接、图形编辑修改、图形误差校正、图形投影转换、建立图库、质量检查、成果汇交、文档管理等工作（图14—1）。
二、建库方法
（一）资料准备
资料准备工作包括1∶25万地理底图的转化及修编；资料的收集、筛选、分类、整理；熟悉数据库信息系统和数据库标准等。首先对工作区内以往的水文地质环境地质资料进行收集、整理、筛选，进行资料的可靠性、准确性及实用性分析，把内容完整、数据可靠、内容可用的资料分类挑选出来，作为准备入库的资料。由于收集的原始资料时间跨度大，格式、资料内容与数据库要求的格式不一致，在录入之前必须对收集资料内容进行整理，有的还需要进行单位换算，提炼出所需资料。对实测资料有缺少项目等情况，及时与调查人员联系，进行了必要补充。将整理好的收集资料及实测资料，按照技术要求进行统一编号，为了确保图元编码的唯一性，统一编号由17位数字组成，即：经度8位＋纬度7位＋识别码2位。
（二）属性数据的录入与检查
将整理、筛选出来的资料，分门别类地分配给不同的工作人员进行计算机录入。由于所录入资料的专业性较强、数据量大、内容参差不齐，录入时需要随时进行分析，因此入库资料全部由专业人员完成，以保证入库数据的质量和准确性。地下水资源调查的数据表是一对多个主从表结构关系，因此在数据录入过程中，必须先输入主表数据，再录入从表数据。特别是野外水文地质点基础表是所有相关数据关联的基础，在输入新的调查点资料之前，必须先输入该表中的数据。为了保证录入数据的质量，采取的保障措施是每录入完一份资料马上与原始资料对照检查，避免时间过长容易忘记。
图14—1 空间数据库建设工作流程图
1.水文地质钻孔综合表的录入
按照数据库提供的录入表内容，主表水文地质钻孔综合表包括地层描述、井径变化、井管结构、填砾止水、测井曲线和含水层划分6个分表。
由于以往资料各家使用的钻孔综合成果表的内容表达方式不尽相同，与数据库中给定的表格内容不是一一对应，特别是松嫩平原的含水层多，白垩系含水层划分不明确，所以这部分资料内容录入整理的工作量很大。在收集到的钻孔资料中给出的位置坐标全部是大地坐标，首先要把大地坐标转换成经纬度，然后进行统一编号，再进行录入。由于钻孔综合成果表中内容多，数据库表中所需的内容要到成果表中各项目中查找，查找起来需要很长时间，并且有一些项目需要进行计算，如填砾厚度，需要用孔径和井径进行计算；钻孔变径描述、钻孔井管结构、水文地质钻孔填砾止水结构、地质钻孔含水段厚度等是在柱状图中按比例尺量算的，然后按比例尺换成深度。含水层厚度的确定，在钻孔综合成果表中给出的含水层厚度是整个钻孔揭穿的含水层总厚度，但数据库需要分段填写，这部分数据根据岩性描述确定出含水段的位置，计算含水层厚度，分段含水层的厚度之和与成果表中的含水层总厚度保持一致。在录入过程中，钻孔资料按原始数据100%录入，不遗漏每一项数据（图14—2、图14—3）。
图14—2 数据库中钻孔资料关联表
图14—3 数据库中的钻孔资料
2.抽水试验成果表的录入
收集的抽水试验资料一般都在钻孔综合成果表中，没有原始的抽水试验记录，在钻孔综合成果表中只有不同落程抽水试验总的观测时间、稳定时间、水位恢复时间、水位降深、涌水量及抽水试验成果。为了避免在录入完成综合成果表后，漏录抽水试验成果表，在录入过程中，对钻孔资料首先录入抽水试验成果表，然后再录入综合成果表。对于本次获得的实测资料，由于观测记录中涌水量单位为m3/d，数据库中要求为L/s，必须先进行换算，然后再进行录入，工作比较繁琐，在转换过程中容易出现数据错误，所以在录入前先进行涌水量单位换算，然后再进行录入和检查。本次施工的钻孔抽水试验则依据原始抽水试验记录录入。
3.水、土样品采集记录表的录入
（1）野外水样采集记录表的录入
野外采样是按年度工作区分三年完成的，录入工作也是按年度进行。地下水水质分析样包括水质全分析、简分析、微量元素分析、同位素分析样和地表水样。野外水样采集记录表与水质分析综合成果数据表及同位素测试综合成果数据表是一套相关联表（图14—4），首先录入测试数据表，然后录入野外水样采集记录表，再录入水质分析综合成果表和同位素测试数据。
（2）野外土壤样品采集记录表的录入
该表包括土壤易溶盐分析和土壤污染分析成果表，在录入过程中先录入野外土壤样品采集记录表中相关内容，然后录入土壤易溶盐分析调查表中的各项内容。
4.野外调查卡片的录入
野外调查卡片随着野外工作的开展按年度分期录入，野外工作分三年进行，录入过程也分三年进行。
（1）机民井调查记录表的录入
在野外调查过程中，不同地区分潜水和承压水分别进行调查。在录入中有时同一个点既调查了深层水、又调查了浅层水，同一个点，两个不同的内容，这时就要特别注意，不能将第一个点替换掉，只能用统一编号来区分。调查点平面位置示意图和地形地貌、含水层剖面图采用灰度扫描，扫描精度为300 dpi，扫描后部分进行矢量化，生成JPEG图像插入录入系统中，部分直接生成JPEG图像插入录入系统中（图14—5）。
图14—4 数据库中水样采集记录与水质分析综合成果数据表
图14—5 数据库中机民井调查表
（2）土地盐渍化野外调查表的录入
在录入该表格时，表中有“年内最高水位”和“年内最低水位”，由于在野外仅靠一次观测没办法查明这两项内容，所以该项内容录入不全或不够准确。表中的样品采集情况一栏，字段数少、取样较多，有的时候各取样深度不能全部录入。
表中调查点平面示意图，采用扫描精度为300 dpi，进行灰度扫描，扫描后进行矢量化，生成JPEG图像插入录入系统中（图14—6）。
（3）地表水点综合调查数据表的录入
地表水体调查点包括湖泊、河流等调查点，按照野外提供的表格直接进行录入，地貌、地质剖面素描图及调查点平原位置示意图采用扫描精度为300 dpi，灰度扫描，扫描后部分进行矢量化，生成JPEG图像插入录入系统中，部分直接生成JPEG图像插入录入系统中（图14—7）。
（4）地下水污染综合调查表的录入
该项工作只在黑龙江省做了少量调查，已全部录入，调查点平面位置示意图，采用精度为300 dpi，灰度扫描，将扫描图直接生成JPEG图像插入录入系统中。
（5）泉点野外调查记录表、水源地综合调查表、野外水文地质点调查表、野外水文地质调查路线表、土地荒漠化野外调查表的录入。
这些表的数据整理及录入均按照录入表式填写录入，所涉及的剖面或平面示意图采用精度为300 dpi，灰度扫描，将扫描图直接生成JPEG图像插入录入系统中。
图14—6 数据库中土地盐渍化野外调查表
图14—7 数据库中地表水综合调查表
5.地下水观测井基本情况表的录入
这部分内容按照数据库中提供的表格逐项目录入，主要录入了地下水位人工监测数据记录表、地下水位监测数据成果汇总表、地下水水温监测原始记录表，地下水位监测资料从2003年8月至2005年8月，每5天监测一次，共监测2年。
6.地下水位统测野外记录表的录入
该表录入的资料为2003年、2004年、2005年不同时期的统测资料，该表在录入过程中，由于技术要求下达较晚，野外统测时，定位点坐标精度差，资料取得后，录入人员将数据全部录入数据库中，待技术要求下达后，对统测点又重新进行野外定位，使得录入资料全部重新录入。
7.地下水位统测汇总表的录入
该表由地下水位统测野外记录表自动生成，共体现了2003～2005年3年4次统测资料，2003年丰水期1次、2004年枯、丰水期2次统测、2005年枯水期1次统测。在3年4次的统测中，有一部分统测井由于某种原因，不能在同一个井连续进行，只能换成其他点进行统测。有一些点坐标没有改变，只是水位及标高改变，这一类点，在录入过程中在井口标高和井深中都已经填写上了新换点（图14—8）。
8.试坑渗水试验观测记录表的录入
该表录入了2003年和2004年资料，该项工作做得不多，资料较少，但作为第一手资料，比较宝贵。内容按数据库中的表格要求录入。试坑平面位置示意图采用扫描精度为300 dpi，灰度扫描，扫描后进行矢量化，生成JPEG图像插入录入系统中（图14—9）。
9.汇总与数据备份
由于数据库录入工作量大、内容多，必须由多人分工完成，因此要通过数据汇总将多台机器上的数据库中的数据汇总到一个数据库上。分头录入的资料一般每周汇总一次，汇总时由汇总人员对录入的资料进行抽查，一般抽查率在20%～30%。为了避免数据丢失，在进行数据汇总前先将数据做一备份，以防万一。
（三）图形数据库的建立
空间图形数据库的建立分为7个阶段进行：
第一阶段：完成属性库的录入工作。属性数据录入的完成是《地下水资源调查应用系统》中自动生成各类调查点图层的前提。
图14—8 数据库中地下水位统测数据汇总表
图14—9 数据库中试坑渗水试验综合成果汇总表
第二阶段：编绘1∶25万地理底图。根据技术要求，进行修编，涵盖了主要交通干线、河流、居民地、省、市、县界线、松嫩平原界线等。图面清晰明了，满足绘制成果图件的要求。
第三阶段：成果图件矢量化。每张成果图件均由编图人员在喷绘的1∶50万地理底图上绘制，然后采用300 dpi扫描，形成栅格化文件，再由建库人员利用Map GIS将图像配准到已矢量化、修编好的地理底图上，所有经纬网交叉点都作为控制点采集对象，保证了图像配准的精度，最后完成数字化制图。
第四阶段：检查、修改成果图件，熟悉《地下水资源调查应用系统》和《地下水资源调查评价数据库标准》对地下水资源数据库图层的划分及其属性结构，做好图形入库的准备工作。
第五阶段：从已有的成果图件中提出数据库中所需要的图层，并赋予属性。每个图层文件都要在Map GIS中设置好投影参数，并且与成果图件投影参数保持一致，均为兰伯特等角圆锥平面直角坐标系。
第六阶段：将属性库文件和成果图件中提出的图层文件导入《地下水资源调查应用系统》中。具体操作如下：①在该系统中增加一个新工作区，连接属性数据库文件，设置投影参数为兰伯特等角圆锥1∶25万平面直角坐标系；②导入已修编好的地理底图；③根据系统中空间数据库部分的目录树所列图层和属性库中各类调查点的数据，依次生成点图层，并且由系统自动挂接属性文件；④将已编辑好的线、区图层导入本系统；⑤更新地图参数，系统会将各类图层重新投影为新建工作区时所设的投影参数，保证了各类图层在空间位置上相对一致性（图14—10～图14—13）。
图14—10 数据库中的地貌分区图层
图14—11 数据库中潜水含水岩组岩性分区图层
图14—12 数据库中潜水富水性分区图层
图14—13 数据库中2004年丰水期水位埋深等值线图