低空遙感影像的測繪性能研究

李宇昊，劉純良

(1.國家林業局調查規劃設計院，北京 100714； 2.湖北省荊門市林業局，湖北 荊門448001)

低空遙感影像的測繪性能研究

李宇昊1，劉純良2

(1.國家林業局調查規劃設計院，北京 100714； 2.湖北省荊門市林業局，湖北 荊門448001)

低空遙感是一種新型的對地觀測技術，在國土監測、城市規劃、精準農業、防災救災、軍事偵查等領域具有重要作用和廣泛的應用前景。以山區、丘陵和平原三種不同地形為研究對象，分析低空影像的測繪精度和誤差成因，結果表明： ①丘陵和平原平坦地形低空影像的測繪精度可滿足一般測繪的要求；山區低空影像的測繪精度較低，可作為背景信息與其它測繪數據結合使用。②低空影像的測繪精度與設備性能有較大關系，其校正精度取決于內、外元素測量儀器的精度和傳感器的光學性能。③隨著機載慣性系統MU(Inertial Measuring Unit)和高精度定位終端的小型化和性能提高，低空遙感技術將成為中小區域精準調查的重要技術手段。

低空遙感；地形；幾何校正；誤差

低空遙感一般是指高度在1000m以下的航空遙感[2]。低空遙感系統包括平臺系統、傳感器系統以及信息處理單元等，運載工具主要為輕型飛機、飛艇、無人飛行器等小型航天器。由于受到運載能力的限制，低空遙感系統多為體積小、重量輕的簡易裝置，遙感波段以0.39～0.76μm區間的可見光為主。低空遙感設備的姿態、航向、曝光點定位和計時精度較低，一些低空遙感系統甚至沒有POS(Position and Orientation System)和MU(Inertial Measuring Unit)慣性測量裝置。由于低空遙感不受空域影響，使用靈活、成本較低，在國土監測、精準農業、軍事偵查等領域已經得到了廣泛應用。本文采用GPS輔助光束法區域網空中三角測量方法[3]，省去地面控制點，對低空影像進行幾何校正，計算目標地物的面積和坐標；利用比差法對航測數據和實測數據進行對比分析，直觀反映低空影像的測繪精度。

本文對山區、低山丘陵和平原三種地形的低空影像進行定位和測繪精度研究，分析不同地形條件下低空影像的測繪性能和誤差成因，提出提高低空影像測繪性能的建議，展望低空遙感技術的應用前景。

1 研究區概況

研究區域選擇西北低山丘陵的內蒙古自治區烏海市、華北山區的山西省靈石縣和珠江三角洲平原的廣東省佛山市順德區三地進行試驗，確保研究結果具有一定代表性。

1.1 內蒙古自治區烏海市(西北低山丘陵)

烏海市地處內蒙古西部，東鄰鄂爾多斯高原，西接阿拉善草原，南連銀川平原, 北近河套沃野，跨106°36′00″—107°46′14″E，39°10′00″—39°55′00″N，總面積2900km2，平均海拔1150m。地勢東西兩邊高、中間低，中低山地和丘陵區占全市總面積的60%。本文研究的目標地物是烏海市棋盤井礦區域。

1.2 山西省靈石縣(華北山區)

靈石縣位于太原盆地和臨汾盆地之間的隆起地帶，四周群山環繞，山巒重迭，山地和丘陵面積占90%以上，距省會太原市150km，北臨介休，南接霍州，全縣總面積1206km2。本文研究的目標地物是靈石縣城區域。

1.3 廣東省佛山市順德區(南部沿海平原)

2 研究方法

采用GPS輔助光束法區域網空中三角測量方法對低空影像進行幾何校正，獲得低空影像的正射影像，提取地物坐標和面積，與實地測量數據對比，分析低空影像的測繪精度。

2.1 幾何校正

使用Erdas Imagine 軟件的OrthoBASE模塊，采用GPS輔助光束法區域網空中三角測量方法，對低空影像進行正射影像校正，獲取像元坐標，具體操作流程見圖1所示[4]。

圖1 幾何校正處理流程圖

2.2 定位誤差分析

2.2.1 坐標差值

坐標差值計算公式：

考慮到工程施工中預埋套筒與連接鋼筋對位時可能出現偏位情況，因此針對該試驗選取試件H400-16、H400-16-2和H400-16-4，研究其在偏移距離0 mm、2 mm、4 mm條件下的試件承載力。結果如圖13所示。

ΔX,ΔY=X,Y-XC,YC

(1)

式中：ΔX,ΔY為坐標差值，單位為“m”；X,Y為正射投影圖像的像元坐標值；XC,YC為地物實測坐標值。

2.2.2 點位誤差

點位誤差計算公式：

(2)

式中：RS(X,Y)為點位誤差(m)；ΔX,ΔY為坐標差值。

2.2.3 像元誤差

所謂像元誤差，就是以傳感器像元為單位表示誤差距離。計算公式：

RS(pix)=RS(X,Y)/PW,R

(3)

式中：RS(pix)為像元點位誤差；RS(X,Y)為點位誤差(m)；PW,R為橫向或縱向分辨率。

2.3 面積誤差分析

2.3.1 差值

差值計算公式：

ΔS=S-SC

(4)

式中：ΔS為差值；S為小班校正面積；SC為小班實測面積。

2.3.2 相對誤差

相對誤差計算公式：

SR=ΔS×100/SC

(5)

式中：SR為相對誤差；ΔS為面積差值；SC為小班實測面積。

3 影像數據

3.1 聯測影像

在內蒙古自治區烏海市棋盤井礦區、山西省靈石縣縣城、廣東省佛山市順德區德順廣場航拍低空影像225張、145張、150張，見圖2所示。

圖2 研究區低空影像

3.2 小班影像

選擇山西靈石縣38號航片、烏海市棋盤井礦區178號航片和廣東省佛山市順德區15與128號影像進行研究，計算和采集三地35個地物點和9個小班的航測數據和實測數據，見圖3所示。

圖3 研究區的航片、地物點和小班

續圖3 研究區的航片、地物點和小班

4 結果分析

4.1 定位誤差

4.1.1 內蒙古烏海數據分析

經計算，地物點航測數據與實測數據平均點位誤差為9.34m；平均像元誤差為63pix；X，Y方向誤差平均值分別是6.81 m和5.84m。校正后低空影像的測繪精度基本與手持GPS定位儀相同。結果見表1。

表1 內蒙古烏海棋盤井礦區低空影像定位誤差分析地物點實測坐標航測坐標ΔXΔY點位誤差/m像元誤差/pixXYXY16789734362534678961436252312.0011.0016.281092678947436230367894243622985.004.306.59443678797436241067879443624062.304.004.6131467881743622556788264362249-9.505.3010.88735678832436215467882843621573.70-3.405.02346678671436231267866343623048.007.2010.767276787274362343678714436234712.30-4.1012.97868678686436255767868443625641.70-7.407.5951平均值6.815.849.3463

4.1.2 山西省靈石縣數據分析

經計算，地物點航測數據與實測數據平均點位誤差為54.52m；平均像元誤差為331pix；X，Y方向誤差平均值分別是50.82m和-17.18m。航測精度較低，無法滿足一般測繪和定位的精度要求。結果見表2。

4.1.3 廣東省佛山市順德區數據分析

經計算，低空影像平均點位誤差為17.02m；X方向平均誤差為-11.20m，Y方向平均誤差10.60m，最大差值36.71m，最小差值5.00m；平均像元誤差103pix。影像之間的誤差波動較大，影像質量不穩定，像元誤差整體偏大。結果見表3。

4.2 面積誤差

4.2.1 內蒙古烏海市小班面積精度

經計算，3個小班的面積相對誤差平均值為7.22%，產生誤差的原因是由于勾繪實測和航測小班邊界線不一致造成的，其中1小班航測面積小于實測面積，2和3小班航測面積大于實測面積，且面積相對誤差變化無明顯規律。結果見表4。

表2 山西省靈石縣低空影像定位誤差分析地物點實測坐標航測坐標ΔXΔY點位誤差/m像元誤差/pixXYXY15675984078519567665407848867.00-31.00 73.8244925675224078808567574407879752.00-11.0053.1532335677854079005567831407898046.00-25.0052.3531845678124078758567831407875119.00-7.0020.2512355679384078513567986407850648.00-7.0048.5129565681964078962568288407893392.00-29.0096.4658675682904078492568380407844390.00-49.00102.4762385677404078683567761407867821.00-5.0021.5913195678334078613567843407860210.00-11.0014.8790105679054078968567955407895350.00-15.0052.20317115680124078528568076407852964.001.0064.01389平均值50.82-17.1854.52331

表3 廣東省佛山市順德區低空影像定位誤差分析小班號地物點實測坐標航測坐標差值/m點位誤差/m像元誤差/pixXYXYΔXΔY1173510325235307350972523541-6.0011.0012.5376273510725235177351052523527-2.0010.0010.2062373502225234887350142523476-8.00-12.0014.4288473501725235027350072523489-10.00-13.0016.401002173537125232107353572523208-14.00-2.0014.1486273525325233257352372523322-16.00-3.0016.2899373529825233517352872523352-11.001.0011.0567473532525232207353042523222-21.002.0021.101283173430625251287342982525117-8.00-11.0013.6083273431925251107343072525099-12.00-11.0016.2898373427325250787342642525078-9.000.009.0055473426025250957342552525095-5.000.005.00304173443825253517344292525321-9.00-30.0031.32190273445825253227344402525290-18.00-32.0036.72223373441425252927343942525275-20.00-17.0026.25159473439425253217343842525306-10.00-15.0018.03110平均值-11.2010.6017.02103

表4 內蒙古烏海市棋盤井低空影像面積誤差分析小班號實測面積/m2航測面積/m2差值/m2相對誤差/%相對誤差平均值/%13192.03055.0-137.004.2921967.02134.0167.008.497.2232130.02319.0189.008.87

4.2.2 山西省靈石縣小班面積精度

經計算，2個小班面積相對誤差平均值為15.08%，其中1小班面積相對誤差為23.10%，2小班面積相對誤差為7.00%，可見山區地形的面積相對誤差遠大于平原地區的。結果見表5。

4.2.3 廣東省佛山市順德區小班面積精度

經計算，小班面積相對誤差為±3.39%,最大誤差為5.24%，最小誤差為-1.34%。地勢平坦地區的低空影像的面積測量精度小于±5% 。結果見表5。

表5 山西省靈石縣、廣東省佛山市順德區低空影像面積誤差分析區域小班號實測面積/m2航測面積/m2差值/m2差值平均值/m2相對誤差/%相對誤差平均值/%山西省靈石縣113006.516008.03001.5023.1015.082127063.5136068.09004.507.0011642.01728.086.005.24廣東省佛山市順德區26193.06110.0-83.00±71.63-1.34±3.3931237.01263.026.002.1041883.01791.5-91.50-4.86

5 結論

1) 平原和低山丘陵低空影像的平均點位誤差分別為17.02m和9.34m，可以滿足城市規劃、國土資源調查的測量和制圖要求。山區低空影像的平均點位誤差為54.52m，最大誤差達到102.47m，最小誤差為14.87m，影像組間誤差波動較大，無法準確定位，需參照地形圖和其它測繪數據進行定位。

2) 內蒙古棋盤井(低山丘陵)面積相對誤差平均值為7.22%、山西省靈石縣(山區)面積相對誤差平均值為15.08%、廣東省佛山市順德區(平原)面積相對誤差平均值為3.39%。平原區面積測量相對誤差較小，最小值為-1.34%，山區面積相對誤差較大，最大值為23.10%。在目前設備條件下，低空影像還無法滿足一般測繪要求，但是能夠滿足平原和低山丘陵地區測繪調查工作的需要。

3) 產生誤差的主要原因， 一是外方位元素精度只有0.1°,而幾何校正需要的MU控制精度一般為0.01°，應采用更精密的設備，提高外方位元素精度，減小幾何校正誤差； 二是研究使用的GPS定位精度僅為5m，造成曝光點定位誤差，應使用動態差分GPS，將定位精度提高到厘米級； 三是傳感器光學鏡頭畸變，降低了影像質量，加上無鏡頭畸變校正數據，造成幾何校正不準確。采用專業航空量測攝影機，可以規范影像數據。

4) 盡管目前低空影像受到硬件設備性能的限制，測繪性能有待提高，但是，隨著數字航空攝影設備的不斷小型化和高精度動態定位終端的應用，低空遙感技術將不斷完善，尤其是利用GPS獲取攝站三維坐標，實現輔助空中三角測量，可大量減少航測外業作業甚至完全免去地面控制點[5]，MU/GPS輔助航測技術，可節約大量像控點測量時間[6]，極大地提高低空遙感的實際應用價值。此外，低空影像分辨率可到厘米級，易于判讀，是開展中小區域精準調查的有效技術手段。

[1] 李英成,趙繼成,丁曉波.超輕型飛機低空數碼遙感系統用于土地資源信息獲取[J].應用技術，2005,(4):51.

[2] 周應群,陳士林,趙潤懷,等.低空遙感技術在中藥資源可持續利用中的應用討論[J].中國中醫藥雜志，2008,33(8):977-979.

[3] 王佩軍,徐亞明,等.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2005:94.

[4] 黨安榮,王曉棟,陳曉峰,等.ERDAS IMAGINE遙感圖像處理方法[M].北京:清華大學出版社,2003:136.

[5] 王佩軍,徐亞明,等.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2005:144.

[6] 胡震天,黃炳強,王文瑞.基于IMU/DGPS輔助航測技術的大比例尺地形圖測繪的應用研究[J].城市勘測，2009，(2):103-105.

ResearchonMappingandForestryInvestigationPerformingofLowAltitudeRemoteSensingImages

LI Yuhao1, LIU Chunliang2

(1.Academy of Forest Inventory and Planning, SFA ,Beijing 100714，China； 2.Forestry Bureau of Jingmen in Hubei Province， Jingmen 448001, Hubei ,China)

low altitude remote sensing；topographic；geometry correction；inaccuracy

2012-03-20

2012-04-10

李宇昊(1969-)，男，碩士研究生，工程師，從事森林資源調查和林業遙感。

TP79

A

1003-6075(2012)02-0018-06

Abstyact： Low altitude remote sensing, as a new observation technique of landscape with significant prospect and application potentials, can be implemented in national geographic survey, urban planning, precision agriculture, natural disaster prevention and rescue, military detection and etc. This thesis focused on the analysis of the mapping precision and the formation of biases through the study of mountainous regions, hills and plains. The result indicated that ①the mapping precision of the images generated at low altitude of hills and plains can meet the requirements of survey; while the mountainous regions produced low precision rate images, which can be merged with other survey data as back ground information.②The mapping precision of low altitude image relied significantly on the performance of equipment. The accuracy in calibration depends on the precision of internal and external surveying equipment and the optical performance of sensors.③With the installation of MU(Inertial Measuring Unit)and miniaturization and performance enhancement of high precision Terminal Position Location System, low altitude surveying will become an important technique in precision survey.