第9章 遥感技术的应用

第9章遥感技术的应用§9.1遥感技术在测绘中的应用遥感图像在测绘中主要被用来测绘地形图、制作正射影像图和经专业判断读后编绘各种专题图。使用现时的遥感图像补测和修编地形图和地图，以及在一些特殊条件下，如云覆盖、森林覆盖、水下、雪原上测绘地形图等。所测绘的地形图或地图已是数字形式，通过格式变换直接存入GIS的数据库，修测的内容可以更新GIS数据库。9.1.1制作卫星影像地图利用各种传感器的影像制作卫星影像图，先在所需制作影像图的区域内，均匀选取一些控制点，点数与区域大小和选择的纠正模型要求有关，区域面积大，适当多选一些。点的坐标可根据比最后制作影像图大一个等级的比例尺的地形图上读取或用GPS或其它测量工具实地测定。根据卫星影像的分辨力和粗加工处理后残余变形误差的特点，按规范要求对影像精加工处理后平面误差在1－1.5个像之间才能制作影像图，而用于一般判读目的时，残余误差可放宽到2~3个像元。因此，各种卫星影像与影像图比例尺之间的关系如表9―1所示。卫星影像分辨力与成图比例尺的关系表9－1卫星影像名称分辩力按规范规定最大成图比例尺仅用于一般判读的成图比例尺MSS79m1:5000001:250000TM30m1:1000001:50000SPOT（1—4）20m，10m1:500001:250000IRS（全色）5.8m1:250001:20000IKONOS（全色）1m1:100001:5000纠正方法采用第五章中介绍的多项式拟合法或共线方程法等，制作成假彩色卫星影像图。TM图像有七个波数，可根据地区景观特点和需要去选择合成的波段，必要时可根据不同的地类（指大地类），分别选择适合该大类地物判读的波段，采用分类融合技术，如水系适合用TM4、3、2合成，城市适合用TM7、4、2合成，植被适合用TM5、4、3合成在同一幅假彩色影像图上。也可采用不同分辨力影像间的融合技术，如SPOT多光谱影像与SPOT全色影像融合，TM多光谱影像与IRS全色影像融合；IKONOS的4米分辨力多光谱影像与IKONOS的1米分辨力全色影像融合，TM多光谱影像与SAR影像融合，甚至TM多光谱影像与全色航空影像融合等。这样制作的影像图色调达到最佳显示，空间特征表达丰富，增大了影像图所载的信息量。跨景制作影像图时，尽量选择同一季节的影像，并须作影像基色和反差调整处理和镶嵌边平滑处理，具体方法见第五章。对于高差很大的地区，应考虑投影差改正，尤其是高分辨力影像，如IKONOS必须作投影差改正，对于TM影像，其视场角2Q≤150,投影差公式为：（9－1）若在视场角最大处，其投影差与高差的关系如表9－2所示。高差与投影差关系表表9－2h/m100250500750100012501500δYh/像元数0.431.12.23.24.35.46.5将基准高程面设置在制图地区的平均高程面上，用DTM数据计算Y方向的投影差并加以改正。对于一些极困难地区，如南北极地区、西藏无人区、一些海岛礁区可采用星上参数对影像进行纠正，例如南极Grove山地，其影像头文件中公布了像幅中心和影像四角坐标，将其变换成所需地图投影坐标，与影像行列号建立多项式进行纠正。表9－3列出了轨道编号为122／111影像以上几者的对应关系。影像坐标与地理坐标对应关系表表9－3?左上角右上角像幅中心左下角右下角经度75°34′02″.4332E80°27′52″.6855E76°52′31″.2159E73°10′53″.1327E68°21′13″.0272E纬度71°09′12″.3856S71°55′39″.8037S72°13′04″.9977S72°26′16″.6489S73°16′31″.9467SY坐标2102138m2010070m1983182m1956634m1863900mX坐标484395m654522m529849m405066m575613m行号11298359655965列号16967348316967这些参数是由星上GPS测定后推算出来的，绝对定位精度在±600米左右，应用上下多个影像进行平差。这样，可以提高到±200米左右，在实地考察中可应用GPS测定明显地物点坐标后，对影像图加以修正。影像图上尚需加标一些地物要素，有些可以直接从图像上判读提取，如公路、铁路、城镇、机场等。必要时可以采用各种增强方法，如公路和铁路用不同的专题色填绘。对于图像上很难判读的一些地物要素，如境界、等高线中的计曲线、独立地物等，需采用地图数字化方式或直接利用GIS中的地图数据库的地物要素的矢量数据，经矢量一栅格变换后与影像配准并复合。影像图上的注记和符号可直接用栅格型字库和符号库加注，也可用矢量字库和符号库与其它要素一起转换成栅格形式后复合。图9－1为武汉市彩色卫星影像图，比例尺1：100000，采用分类融合，由三个不同时期的TM影像镶嵌而成，已将镶嵌缝平滑处理，整幅影像色调协调一致。图9－1－2为南极Grove山地彩色卫星影像图，采用星上参数纠正，平面精度±200米以内，保证了首次进入该地区的中国南极考察队安全顺利地完成科学考察任务。9.1.2卫星影像修测地形图利用卫星影像修测地形图速度快，费用低。因地形一般情况下不会发生大的变化，因此主要修测城镇居民地、道路交通、水系及部分地物类型，还应对变化的地名进行更改。修测地形图的比例尺一般比制作影像图的比例尺小一倍，如TM图像只能修测1:250000比例尺的地形图，SPOT（多光谱）图像修测1:100000比例尺的地形图。修测1:50000比例尺地形图最好使用分辨力在5米左右的卫星影像，例如IRS－1C上的全色影像分辨力为5.8m,SPOT全色影像分辨力10米，勉强可用于该比例尺地形图的修测。IKONOS影像分辨力为1米，可用于1:10000比例尺地形图的修测。被修测的地形图应数字化后形成数字栅格地图（DRG）或数字矢量地图（DLG），利用DRG或DLG对卫星影像进行纠正，将DRG或DLG与纠正后的影像进行叠合，然后去除DRG或DLG上已变化了的地物，绘上变化后的地物，形成更新后的地形图，根据国家测绘局规范的规定，更新地物一律用紫色表示，以示区别。图9－3为某地区地形图修测的全过程。?图9－1武汉市彩色卫星影像地图图9－2南极Grove山地彩色卫星影像地图9.1.3陆地地形图测绘使用航空像片测绘地形图的技术已相当成熟，它的进一步发展是与计算机和自动控制技术结合起来，实现测图自动化。但航空像片覆盖面积小，全世界那么大的地方不可能在短时间内拍摄全部的陆地，并且价格昂贵。而卫星像片覆盖面积很大，能在短时间内对全球摄影一遍，还可进行重复摄影。随着分辨力的提高，测图比例尺也在不断提高，如IKONOS获取的立体图像能测绘1:2.5万比例尺的地形图，美国使用像幅为23×46cm的大像幅像机，图9－4为利用IRS－1C上的全色影像与TM融合后修测1:50000地形图的工艺流程图。IRS-1C全色卫星影像（分辨率5.8m）同一地区的原始地形图（DRG）修测后的地形图（1：50000）图9－3地形图修测过程在低高度轨道的航天飞机上对地面进行立体摄影，基线高度比达1.2，纵向重叠达80％，在立体测图仪上也能测绘1：5万比例尺的地形图。为利用卫星图像测绘地形图，各国设计了不同的方案，下面分别介绍：图9－41：50000地形图修测工艺流程图一、SPOT图像的高程信息提取方法SPOT卫星上的HRV推扫式扫描仪，是通过控制仪器的一个平面反射镜旋转角度的方法，实现轨道间的立体摄影。第三章中已介绍，其基高比在0.5－1.0之间，赤道处在26天内能建立七个立体对，在纬度450处能获取11个立体像对。平面反射镜偏离底点的最大旋转角为±270。SPOT卫星图像提取高程的方法，可以利用一级产品（经辐射校正、地球自转、地球曲率、卫星高度和速度变化、反向镜定位误差等项改正后的产品），在光学机械式立体测图仪或解析测图仪上提取高程信息，也可使用数字测图仪获取高程信息。数字化测图方法应用前方交会原理，即由左右两张像片上同名像点的图像坐标，来解求地面点的三维坐标。所使用的数学模型仍是共线方程。但需要相应于左右图像的两套方程联合解求。现用“’”表示右像片的有关量，列出共线方程：（9－2）（9－3）其中：（9－4）（x）,(y),(f)表示常规框幅像片的坐标，HRV是线阵列图像，其坐标为（0，Y，－f）。由于要建立立体像对，平面反射镜绕X轴旋转Ω角，因此：（9－5）（9－6）所以：（9－7）若令：（9－8）则左像片：（9－9）右像片：（9－10）由（9－2）和（9－3）式中的Y式可解求高程即为：（9－11）量测高程的条件是：1.外方位元素已知；2.寻找到同名点。二、3－Camera立体测图卫星3－Camera可获取同一轨道上向前、垂直、向后推扫的三幅影像，它们两相之间可以建立立体模型，测定地形信息X、Y、Z。这种传感器用4096个CCD元件作线阵列探测器组，其地面分辨率为15m，影像线的长度（4096个像元）在地面上约为61.4km。它与SPOT卫星上的HRV主要不同点，是在轨道飞行方向上获取立体图像，而不像HRV在轨道间进行立体观测。因此在卫星上安置三台这样的传感器，一台垂直指向天底方向，一台向前指向，一台向后指向，如图9—5所示。图9—53-Camera立体成像传感器图9—6推扫成像示意图这三个传感器同时以推扫方式分别获取三条同一地区的图像，如图9—6示出了正视和前视像机获取图像的过程。前视、后视传感器的主光轴与正视传感器的主光轴之间的夹角（指向角）都为26.57o，如图9—7所示。图9—7三像机立体观测的几何关系卫星高度设计为705km，正视传感器的焦距设计成705mm。前视和后视传感器的焦距为775mm，由于前视和后视传感器到地面的距离为775km，因此三个像机获取图像的比例尺都为1：100万。卫星指向精度为±0.016°，相应地面的中误差为±200mm。向前、向后指向的扫描仪图像之间建立体模型时，其左右视差较为：（9－12）几何关系为：（9－13）所以：（9－14）由于α＝26057′，tgα=0.5因此（9－15）当然以上是理想情况，具体量测立体模型时应考虑姿态角的影响。尤其是卫星从向前指向运行到向后指向同一地物点时，需要有92秒的时间间隔，在这段时间里，卫星姿态的变化，将使高差的求解变得十分复杂。三、其它用于立体测图的卫星其它已发射和近期待发射的用于立体成像的卫星列于表9－4。从表中可以看出同轨立体成像在逐步替代邻轨立体成像。其它用于立体测图的卫星表9－4卫星名称发射国立体构像方式立体视角基高比分辨力发射情况SpacelabRMKA30/23欧空局同轨立体纵向重叠60%-80%0.3239线对／mm已发射SpaceshuttleLFC美国同轨立体纵向重叠60%-80%0.6-0.980线对／mm已发射SPOT1-3法国邻轨立体侧视0-±2700-110m已发射MOMS-02德国同轨立体前后视±21040.6-1.213.5m已发射IRS-1C/1D印度邻轨立体侧视0-±2600-0.95.8m已发射CBERS（ZY-1）中国、巴西邻轨立体侧视0-±2800-1.120m已发射OM-1英国同轨立体前后视0.72.5m计划中EOSASTER美、日、欧同轨立体前视、下视0.615m计划中Earlybird美国同轨立体邻轨立体前后视±300左右视±2800.6-1.20.5-1.13m已发射但失败Quickbird美国同轨立体邻轨立体前后视±300左右视±2800.6-1.20.5-1.10.61m再次发射成功JERS-1VNIR日本同轨立体前视、下视侧视0.420m已发射15039.1.4浅水区的地形测绘电磁波对水有一定的透射能力，因此传感器除了接收到水面的反射辐射外，在某种情况下还接收到透过水层底面上反射回来的电磁波，这就有可能用这种信息来测量水深或水底地形。为了进行这样的工作，必须对水透射电磁波的特性进行研究。主要集中在两个方面：一是水对哪些波区的电磁波有透射特性，透射强度与水深的关系；二