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∶遙感影像地圖制作

1∶250000遙感影像地圖是1∶250000遙感地質解譯和其他比例尺遙感專項解譯必備的基礎圖像,它包括1∶250000遙感影像地圖和遙感正射影像地圖兩種。主要應用於地質、礦產及水文等常規地質調查,以及生態環境因子信息的解譯提取與分類等工作中。制作過程包括地理數據(資料)處理、全波段數據輻射校正、幾何校正、配準、圖像鑲嵌、數據融合及地理編碼等。雖然兩種影像地圖制作的方法大致相同,由於在正射影像地圖制作過程中利用了數字高程模型數據(DEM)進行了高程糾正,因此圖像的幾何精度較高,適用於地形高差較大的山地地區;而影像地圖更加適用於地形高差較小的平原、丘陵地區。為此,在實際工作中,應根據工作區的具體地形高差及切割程度自行選擇,以充分滿足解譯成圖的精度為目的。

4.2.1 地理資料處理

包括對以紙介質形式存在的1∶250000、1∶100000地形圖和數字高程模型(DEM)、柵格地圖(DRG)數據的處理。目的是為遙感影像地圖、遙感正射影像圖的制作提供地理要素與控制資料,同時為遙感地質解譯、野外地質調查提供工作數字化用圖。

4.2.1.1 數字高程模型(DEM)制作

DEM數據可直接從國家基礎地理信息中心購買,也可從地形圖上采集獲取。從地形圖上獲取方法是:首先,將1∶100000地形圖掃描,使用人機交互式等高線矢量化的方法,按照壹定的等高距由地圖快速錄成系統對等高線進行細化、矢量化、編輯、賦值、空間坐標定向處理;然後,按內插點的分布範圍,將內插分為整體內插、分塊內插和逐點內插三類,根據壹定的插值方法(如Kriging法等),進行等高線的插值獲取,提取高程信息;再根據糾正單元進行DEM鑲嵌與數據格式轉換,生成全區的鑲嵌DEM;最後,檢查拼接精度是否滿足要求,方法是通過生成DEM暈渲圖檢查DEM是否存在誤差。

4.2.1.2 柵格地圖(DRG)制作

DRG是由1∶100000比例尺的地形圖經掃描、幾何糾正及色彩校正後形成的,其內容、幾何精度和色彩與原圖保持壹致的柵格數據文件。制作方法及步驟如下。

(1)地形圖掃描

將紙質地形圖按照壹定的掃描分辨率(壹般150~300dpi)進行掃描,存儲為TIF圖像格式。

(2)圖幅生成控制點

利用用戶設置的標準圖幅信息,將自動計算公裏格網交點作為控制點。在生成圖幅控制點前,需要先設置圖幅信息,指定內圖廓點,其步驟如下:

1)設置圖幅信息。

a.圖幅號。地圖的標準圖幅號。

b.格網間距。標準圖幅的格網間距,其值應與校正圖的格網間距保持壹致。

c.坐標系。地圖采用的坐標系統,主要是54坐標系和80坐標系。如選擇大地坐標,則生成的標準圖幅采用大地坐標(單位:m),否則采用圖幅坐標。

2)設置生成圖幅控制點信息。

a.圖幅坐標。通過在影像上選擇圖幅坐標點,定位內圖廓點。

b.最小間隔。生成控制點時舍棄控制點的最小間距。

3)定位內圖廓點。

在圖像上確定四個內圖廓點的位置。完成參數設置和內圖廓點信息的輸入,自動計算出控制點的理論坐標,並根據理論坐標反算控制點的圖像坐標。

(3)順序修改控制點

由圖幅生成控制點的圖像坐標是根據相應的公裏格網交點理論坐標反算出的圖像坐標,但由於原始圖像存在壹定的扭曲變形。因此,該值和原圖上對應的公裏格網交點的坐標值並不壹定相同,需要對點位進行修正。

(4)逐格網校正

需輸入影像範圍(即校正影像的邏輯坐標範圍)、影像輸出分辨率、影像外廓(即相對內圖廓的外擴距離,單位與圖幅坐標壹致)。通過設置外廓距離,可使圖幅內廓邊界以外壹定距離內的影像不會在影像校正過程中發生變形。

(5)柵格地圖控制精度要求

糾正控制點殘差小於1m;重采樣間隔1m;圖廓點、公裏格網及其交點坐標偏差不得大於1m。

1∶100000DEM格網間隔與高程中誤差要求為:平地DEM格網間距50m,高程中誤差6m;丘陵DEM格網間距50m,高程中誤差10m;中低山DEM格網間距50m,高程中誤差10m;高山及極高山地區的高程中誤差按可相應放寬至1.5倍。

(6)精度評價

柵格地圖精度評價,包括對原始圖質量評估的圖幅質量評價,對校正生成DRG的質量評估以及標準圖框套合檢查。

1)原始圖質量評估。該項是對柵格地圖制作的原始數據進行質量評價,主要反映的是原始圖是否有折皺,掃描時是否置平等。若原始圖質量不好,則校正出的柵格地圖肯定會受到壹定的影響。

要對原始圖進行質量評價,首先需要順序修改控制點,當所有的控制點修改完畢後,圖幅質量文件中的數值反映了原始地圖影像的質量情況,其文件參數為圖像糾正前的最大殘差和中誤差。其中的中誤差值反映了原始圖的整體質量,數值越大,質量越差;最大殘差值反映了原始圖中偏差最大的控制點的點號及偏差值。

2)校正圖質量評估。該項用於評估校正生成DRG數據的質量。在完成逐格網校正後,根據圖幅信息和按照圖幅生成控制點部分中添加內圖廓點的方法,定位影像的四個內圖廓點,生成反映影像校正情況的質量評估文件,其文件參數為圖像糾正後的中誤差,中誤差值反映了校正後影像的整體質量。圖廓邊長及對角線尺寸檢查(單位:m):上邊、下邊、左邊、右邊、對角1、對角2,圖廓邊長及對角線尺寸檢查,通過對圖幅圖廓邊長的檢測值與理論值進行比較,檢驗圖廓邊長、對角線各條邊長是否符合精度要求。

3)圖框套合檢查。在評估校正生成DRG數據質量時,還可以用生成的理論格網與校正圖上公裏網進行套合比較的方法檢驗公裏格網精度是否在規定的限差之內。通過檢查其套合情況,可判斷校正生成的DRG數據質量。

(7)存儲格式

利用ENVI軟件制作的DRG存儲格式是*.tif和*.img;用MapGIS系統制作的DRG存儲格式是*.MSI。

(8)用途

柵格地圖圖件是遙感影像圖制作、數字高程模型數據生成以及幾何校正的基礎地理參照圖像。

4.2.2 圖像預處理

在保持足夠信息量和清晰度的前提下,對噪聲和條帶較多的圖像,需通過鄰近像元灰度值替代法、低通濾波法、整行替代法和傅裏葉變換法進行去噪聲、條帶的濾波處理,對輻射度畸變較大的圖像進行輻射糾正處理。

4.2.3 糾正與配準

4.2.3.1 糾正與配準模型選取

多采用物理和擬合多項式兩種糾正模型。糾正與配準應對所有波段進行。

物理模型適用於能提供嚴格衛星星歷參數的影像數據,要求同時具備DEM數據且控制點整景分布;有理多項式模型適用於難以獲得線性傳感器的外部幾何參數且其姿態十分復雜的衛星數據,要求同時具備DEM數據且控制點整景分布;幾何多項式模型適合於平坦地區,通常用於處理難以提供獲取影像的衛星星歷參數和DEM數據的地區。壹般根據數據源情況,對地形高差大的地區優先采用物理模型,其次有理多項式模型利用DEM數據進行正射精校正,平原區利用1∶100000DRG資料和幾何多項式模型對圖像進行幾何校正。

4.2.3.2 控制點選取

控制點應控制影像四周,且分布均勻。控制點個數應根據糾正模型和地形情況等條件確定。物理模型根據衛星星歷參數建立嚴密模型,選9個控制點即可,通常20個以上,該模型要求整景數據均有控制點分布;擬合多項式模型與其糾正階項(n)相關,當n=1時,要求每景最低不少於7個控制點,壹般9個以上;當n=2時,每景選13~16個控制點為宜。該模型要求整景數據均有控制點分布。

4.2.3.3 糾正與配準控制點誤差要求

平地地形糾正控制點中誤差為1~1.5個像素,丘陵地形糾正控制點中誤差為1~1.5個像素,山地地形糾正控制點中誤差為1.5~2個像素,糾正控制點最大殘差不超過2倍中誤差。

平地地形配準控制點中誤差為0.5~1個像素,丘陵地形配準控制點中誤差為0.5~1個像素,山地地形配準控制點中誤差為1~1.5個像素,配準控制點最大殘差不超過2倍中誤差。

重采樣方法:包括鄰元法、雙線性內插法及立方卷積法。

對於數字正射影像圖(DOM)重采樣,其重采樣間隔應根據成圖比例尺確定,1∶250000比例尺重采樣間隔30m;1∶100000比例尺重采樣間隔15m;DOM接邊限差要求平地地形接邊限差為0.8mm,丘陵地形接邊限差為0.8mm,山地地形接邊限差為1.2mm。對於道路、河流等線狀地物,即使接邊限差符合上述規定,當鑲嵌影像出現重影、模糊時,應進行接邊處理。DOM影像應清晰、紋理信息豐富,景與景之間影像盡量保持色調均勻、反差適中。

4.2.4 影像融合

影像融合是指采用壹種復合模型結構,將不同傳感器的遙感數據或與不同類型的數據源所提供的信息加以綜合,以獲取高質量的影像信息,同時消除各傳感器間信息冗余,降低不確定性,提高解譯精度和可靠性,以形成對目標相對完整壹致的信息顯示。對全色數據與多光譜數據、SPOT與TM數據糾正成果進行融合,例如,ETM+(全色)與TM7、4、1,TM5、4、3,TM5、3、2;SPOT與TM5、3、2融合等,形成兼具高分辨率空間信息和多光譜彩色信息的融合影像。融合方法有主成分分析法、加權相乘法、IHS變換法等多種方法。

影像融合匹配精度檢查可采用影像融合法或影像疊合法進行,要求平原和丘陵地區匹配精度為0.5個像素,最大不超過1個像素;山地地區可適當放寬至1.5個像素。融合前須對影像進行色調調整,提高高分辨率數據的亮度,增強局部反差,突出紋理細節,降低噪聲;對多光譜數據進行色彩增強,拉大不同地類之間的色彩反差,突出其多光譜彩色信息。

融合後檢查是否出現重影、模糊等現象。檢查影像紋理細節與色彩,判斷融合前的處理是否正確,如果存在問題,返回重處理。如果融合後影像亮度偏低、灰階範圍較窄,則可采用線性拉伸、調整亮度對比度等方法進行處理,在處理過程中,應盡量保留融合數據的光譜信息和空間信息。

4.2.5 影像鑲嵌

標準圖幅涉及多景數據或多個糾正分區,須考慮影像間接邊,其接邊限差平地和丘陵均為0.8mm;山地為1.2mm。

數字鑲嵌方法是在相鄰圖像重疊區內選擇同名點作為鑲嵌控制點,要求兩景同名地物嚴格對準,擬合中誤差在1個像元左右;兩景圖像間需進行亮度匹配,以減少亮度差異;鑲嵌拼接線的選擇無論是采用交互法還是自動選擇,均需是壹條折線或曲線;在拼接點兩旁需選用“加權平均值方法”進行亮度圓滑,進壹步提高圖像鑲嵌的質量。

接邊檢查可采用影像疊合法或檢查點選取法。影像疊合法對接邊影像進行疊合,結合目視判讀與點位量算提取誤差;檢查點選取法通過選取DOM影像公***區的同名點,計算其較差的中誤差。

當接邊誤差超過規範要求,應分析原因,並返回上道工序檢查和修改控制點;如果接邊誤差滿足要求,但某些特征地物(如道路、河流)錯位,導致鑲嵌影像出現重影、模糊,應進行接邊糾正處理。

鑲嵌影像應保證色調均勻、反差適中,接邊重疊帶不允許出現明顯的模糊或重影。為保證接邊自然,接邊影像要有10~50個像素的重疊。

4.2.6 圖幅整飾與信息管理

4.2.6.1 圖廓整飾

圖廓整飾內容包括內圖廓、外圖廓及坐標註記,要求如下:

1)內圖廓線應是曲線,東西圖廓可以繪成直線,南北圖廓為弧線,可以分段表示成直線。圖廓線寬度為1個像元。

2)圖廓線平行於內圖廓線,與內圖廓線間隔為10mm,主圖廓線寬度為1mm,副圖廓線寬度為1個像元,兩者相互平行,距離為2mm。

3)圖廓線坐標註記內容是經緯度和公裏網。在外圖廓上以經差15'、緯差10'間隔註記經緯度坐標,註記2mm長、1個像元寬的短線在主圖廓與副圖廓之間,貫通圖面的公裏網間隔為10km。

圖廓四角的經緯度註記標於內圖廓四角的延長線兩側,字頭朝上。經度註記跨經線的左右,左註“度”,右註“分”“秒”;緯度註記跨緯線上下,上註“度”,下註“分”、“秒”。

公裏網註記要求每條方裏線在圖廓間註出其坐標值的兩位數(km),首末方裏線及百公裏數方裏線註記應註出完整數(km),在南、北圖廓間的兩位公裏數註在方裏線的右側,百位以上數字註在方裏線的左側,東、西圖廓間的兩位公裏數註在方裏線上方。

坐標註記采用宋體。註記整10km字高為3mm,帶號與整千千米字高為2mm。

4.2.6.2 圖面整飾與註記

1)圖面整飾要求標註圖名、圖幅接合表、數字比例尺和線比例尺、密級等。

a.圖名。用橫向註記在北圖廓外居中位置,字體采用黑體,字高為10mm,字間距為10mm;圖名下方註記圖幅編號,字體采用黑體,字高為5mm。

b.比例尺。標註於南圖廓外正中位置。應同時繪制數字比例尺和直線比例尺。

c.圖例內容。包括地理要素和專題要素。壹般配置在東圖廓外側,沿外圖廓線從上而下排列,上方與北內圖廓線持平。

d.圖幅接合表配置。在北圖廓外西面。

e.圖件密級。劃分機密、秘密、內部用圖3種。密級標註在北圖廓外東面,最後壹個字對齊東內圖廓線。字體用宋體,字高為5mm。

f.南圖廓外西面註記。包括所采用的遙感資料種類、時相和波段組合,控制資料等。字體用宋體,字高為5mm。

g.南圖廓外東面註記。作業單位,字體用宋體,字高為8mm。

2)按照應用的要求註記地理名稱、矢量要素、專題要素等信息。名稱註記用宋體,字高為線劃地形圖的2倍。

4.2.6.3 信息管理

以1∶100000地形圖標準圖幅為單元,分幅生成DOM影像。以此為基礎,分層疊加圖幅整飾內容,形成DOM信息管理文件,各圖層內容和順序為圖廓整飾、註記、行政境界和DOM。

4.2.7 檢查與驗收

1)影像地圖需嚴格符合技術設計和任務書的要求,滿足應用的需要。

2)影像地圖圖面要求影像清晰、反差適中、色調不偏色、信息豐富、層次突出。

3)圖廓線尺寸、公裏網、經緯度、圖幅內外整飾及註記要符合要求。

4)數學精度的檢查:在每幅圖內隨機抽取25個以上均勻分布點位,在1∶100000或以上比例尺的線劃地形圖、數字地圖或影像地圖上讀取同名地物點的坐標作為真值,計算隨機取樣點的中誤差。

1∶250 000 遙感地質解譯技術指南

式中:m為點位中誤差,mm;Δx、Δy為隨機取樣點坐標差,mm;n為隨機取樣點點數。

隨機取樣點最大殘差不超過2倍中誤差為合格。

4.2.8 1∶250000遙感影像地圖應用

4.2.8.1 不同波段組合影像地圖的應用

遙感影像地圖波段組合應根據影像地圖的應用目的、制圖區地物的情況和圖像的信息量大小等因素加以選擇。對TM/ETM+和ASTER多光譜數據,要求波段組合應覆蓋可見光(B1、B2、B3)、近紅外(B4)到中紅外(B5、B7)的各個波段,波段之間相關系數最小,地質信息最為豐富,能夠具有最大的信息量,對解譯巖性和大的構造信息有利,常用的波段組合為B5、B4、B3。在幹旱裸露區,選擇B7、B4、B1波段組合;在植被覆蓋區,首選冬季低植被季節的圖像,盡量降低植被的影響,選擇B5、B3、B2波段組合,受植被影響比較低,對圖像解譯的可識別性較好,地質解譯效果最佳;ETM+(全色)分別與TM7、4、1,TM5、4、3及TM5、3、2融合後的圖像,地質解譯效果較好。

CEBRS數據通常選擇B2、B3和B4組合。

4.2.8.2 不同數據源、不同比例尺影像地圖的應用

1)為了滿足1∶250000比例尺遙感地質調查的精度要求,其影像地圖比例尺應為1∶100000。

2)1∶50000比例尺融合圖像是1∶250000遙感地質調查的重要遙感資料。

3)TM/ETM+和ASTER影像圖層次多、色彩豐富、信息量大,不同地質現象上均有較好的反映。因此TM/ETM+和ASTER數據應是1∶250000遙感地質調查的最佳數據源。

4)SPOT與TM所形成的融合圖像由於分辨率高、立體感強,在解譯古火山機構方面作用突出,但其色調沒有TM本身圖像豐富,而且陰影偏大,所以在巖性劃分方面只能起輔助作用。

5)Radar與TM融合圖像在色調層次方面沒有TM豐富,與雷達圖像相比,在立體效果和影紋方面沒有更大的優勢,該片種不是1∶250000遙感填圖的優選圖像。

6)從數據的可獲取性、綜合應用效果和解決地質問題的能力角度出發,1∶250000遙感地質調查中遙感地質解譯應以1∶250000比例尺影像地圖為主,1∶100000為輔,進行交互解譯以確保解譯結果具有重現性。

7)室內解譯應充分利用遙感正射影像地圖與GIS系統相整合的優勢,進行多源數據的復合處理與解釋。

8)正射遙感影像地圖及三維可視化遙感影像圖能夠更好地突出地形地貌的景觀特征,能更加直觀地提取構造、巖性分區、生態地質因子,進行地貌單元劃分等,因此地質解譯效果更加突出。

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