WorldView影像在平坦地区成图高程精度研究科研项目立项申请书.docx
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WorldView影像在平坦地区成图高程精度研究科研项目立项申请书
甘肃煤田地质局
科研项目立项申请书
项目名称：
WorldView影像在平坦地区成图高程精度研究
项目承担单位：
甘肃煤田地质局综合普查队
申报日期：
二○一三年元月三十一日
一、立项依据
1、目的与意义
长期以来，我国基础测绘项目的基本影像数据获取方式主要是航空摄影，基本比例尺地形图主要是采用航空摄影测量的成图方式。
传统的航空摄影测量成图方式主要包括航空摄影、外业控制、内业空中三角测量成图及数字化产品制作等步骤。
该成图方式工序复杂、周期长、费用高，从而造成最后得到的基础地理信息数据现势性不够，滞后与国民经济建设的需求。
随着卫星、电子、通讯、传感器等科学技术的快速发展，航空摄影测量已从机械模拟时代发展到今天的全数字处理时代，航天遥感已步入一个能快速提供多种分辨率对地观测数据的信阶段，所生产的产品也由单一的线划图、正摄影像图增加到4D产品及数字虚拟模型漫游系统。
当前，利用高分辨率卫星遥感影像进行高精度目标定位、立体测图和变化检测是国内外的研究热点之一；同时，卫星遥感影像正越来越多地应用于摄影测量领域，空间分辨率达到米/亚米级的立体遥感图像，已有能力代替大部分基本比例尺地形图测绘或地理信息更新的航空影像。
与传统的航空影像相比，航天遥感影像具有如下的特点：
几何刚性好地面控制依赖少；单景影像覆盖面积大；生产的DEM、DOM、DLG等产品时模型拼接少、色调单一，存档数据能满足要求其获取速度非常快；
但是平坦地区获取高程的方法没多少改变，因平地对高程精度要求较高，航测产品的高程一直以来仍采用野外采集控制点、内业加密的手段来控制高程精度，效率较低。
此次研究主要以甘肃省张掖市北部平沙梁北区普查区为研究目标区域，用WorldView-2影像在稀少控制条件下，应用适普全数字摄影测量工作站VirtuoZo软件下的卫星影像专用处理模块VirtuoZoSat软件进行数字化测图，研究在平坦地区如何有效的提高作业效率和高程精度的方法。
在未来卫星遥感技术的意义更加的巨大，它比普通的航空摄影更具有时效性；减少了作业工序；缩短作业周期；节约成本。
2、国内外现状分布
卫星遥感技术是一项应用广泛的高科技，是衡量一个国家科技发展水平的重要尺度，在国卫星外遥感技术经过几十年的发展和应用，尤其是近十年来更是突飞猛进，已经为其未来朝着商业化方向迈进奠定了坚强稳定的基础，包括可靠的的技术基础和广阔的应用基础。
国外WorldView-2卫星于2009年10月6日发射升空，运行在770km高的太阳同步轨道上，能够提供0.46米全色图像和1.8米分辨率的多光谱图像。
WorldView-2卫星可以采集面积更大的地区的多光谱影像，提高了影像采集的效率和精度；同时每年的成像能力相当于地球陆地面积的3倍。
该卫星能够为世界各地的商业用户提供满足其需要的高性能图像产品。
星载多光谱遥感器不仅将具有4个业内标准谱段（红、绿、蓝、近红外），还将包括四个额外（海岸、黄、红边和近红外2）。
多样性的谱段将为用户提供进行精确变化检测和制图的能力，由于WorldView卫星对指令的响应速度更快，因此图像的周转时间（从下达成像指令到接收到图像所需的时间）仅为几个小时而不是几天。
在国内，到目前为止，我国已经成功发射了十六颗返回式遥感卫星，还先后建立了国家遥感中心、国家气象卫星中心、中国资源卫星应用中心、卫星海洋应用中心和中国遥感卫星地面接收站等国家级遥感应用机构，同时各地省市纷纷建立了一百六十多个省市级遥感应用机构。
这些机构广泛的开展气象预报、国土普查、作物估产、森林调查、地质找矿、环境保护、灾害监测、城市规划和地图绘制等多种遥感业务，为国家经济建设和社会主义现代化提供多方面的信息服务。
摄影测量引入我国以来,国内在数字摄影测量领域的理论研究也取得了较大的进步。
在王之卓先生于1978年提出“全数字自动化测图系统概念”指导下,北京四维远见公司JX4,武汉适普公司的VirtuoZo这两套DPW都于1998年通过了国家测绘局的鉴定。
这两套系统集成了摄影测量数据后处理的大部分工作,空三测量、4D产品生产等工作都能在该系统上完成。
其中适普VirtuoZo全数字摄影测量系统，是一个以世界领先的影像匹配技术为核心、系统功能强大、先进综合的空间地理数据通用生产平台，可以为用户提供从自动空中三角测量到测绘各种比例尺地形图的全套整体作业流程解决方案，标准配置的VirtuoZo系统功能，包括从基本的数据管理、先进的定向计算、超快速的影像匹配处理，到高度自动化生产4D产品的全部实用功能，可以测绘各种比例尺数字线划地形图（DLG），高精度数字高程模型（DEM），高质量数字正射影像图（DOM）和数字栅格地图（DRG）等全线测绘产品。
国内外数字摄影测量工作站的涌现极大地促进了摄影测量在各个方面的应用,同时这些数字摄影测量工作站都极好地提供了完备的胶片像片数字化后各种影像处理方式,吸收了大量的图像处理领域的先进技术和理论,如图像检测、图像匹配等,极大地促进了摄影测量系统的发展。
我国在数字摄影测量工作站和其他航空摄影测量的理论进展并不能掩盖在航空摄影仪的落后。
我国在机载POS系统,光学成像镜头、CCD制作工艺和水平等方面还有较长的路要走。
因此,我国航空摄影测量发展的一个重要内容就是研发具有自主知识产权的数字航空摄影仪，没有自己的数字航空摄影仪这个航空摄影最前端的产品,数字航空摄影的各个方面如摄影规范的制定、全自动/半自动数字摄影测量工作站、数字航空摄影的应用等都会受到限制。
中国科学院光机研究院、中国测绘科学研究院、武汉大学都在这方面进行了许多卓有成效的研究工作。
正是在这些科研成果的支持下,2007年由中国测绘科学研究院、北京四维远见公司、首都师范大学等几家单位联合研制的国产数航空摄影仪SWDC-4通过了国家测绘局组织的产品鉴定会,结束了我国没有国产数字航空摄影仪的现状。
其作业精度远高于国家规范所规定的作业精度,高程精度达到1/10000航高。
二、研究方案
1、本项目研究的主要目标
⑴布点方案及像控点质量的好坏对于航测成图及高程的影响；
目前的外业像控点测量时，通常可将平面坐标及高程一次获得，内业可以得到三维坐标。
所以说，平坦地区航外布点方案一般为全野外布设（平面和高程）。
以往作业时，我们采用的方法是手工进行逐个像对的立体模型定向，这种作业方法存在很大的弊端，首先不能保证模型间的平面和高程处于同一位置；其二直接影响模型接边及地形图的成图精度；其三误差分布不均匀，人为干涉的因素太大。
（2）通过空三加密整体平差后设定检查点文件来提高测量精度；
平坦地区可采用空三加密的方法将所有的像控点作为定向点全区进行空中三角测量，当航线间有多余点时，可选为检查点。
加密方法同常规的方法一样，不同在于原来需要人工选择加密点，现在所有的加密点都用野外像控点。
平差解算是在航带法解算的基础上进行光束法的解算。
（3）研究如何快速的检查出高程注记点与等高线之间高差不符的点。
数字测图自动绘制等高线的常用方法有：
格网法、三角网法。
前者是利用有限的离散点数据建立一个曲面去逼近地形表面，然后在这个曲面上内插格网点高程，后者是直接利用原始离散点建立高程模型，之后，进行等值点的追踪和等高线的绘制。
我们使用的属于后一种，该法保持原始数据精度。
影像等高线精度的主要因素有：
地形类别、采集离散点密度、内插方法等。
欲提高整图的等高线精度，增加碎部点采集密度和正确选取地形特征点是最好的方法。
（4）结合GPS高程测量原理，应用平面拟合模型、二次曲面拟合模型、多面函数拟合法、最小二乘配置法等方法，在平坦地区拟合曲面，确定和检验高程精度，分析和研究目标区域内不同自然环境和土质地貌对高程的影像。
（5）研究通过共线方程快速实现求解出像点对应的大地坐标系下的坐标；检验高程精度，确定不同地物、不同地型对高程的影响。
（5）定向建模时采用哪种核线影像倍率；
（6）作业员水平和责任心对测图精度的影响大小。
2、主要研究开发内容、方法、技术路线及可得性分析
使用WorldView卫星影像进行立体测图，航内使用适普全数字摄影测量工作站VirtuoZo软件的卫星影像专用处理模块VirtuoZoSat，现就从航空摄影测量控制点的布设和目标选择、影像数据格式转换、定向模型和DLG数据采集等方面进行探讨：
（1）像控点的布设对高程精度的影响
像控点刺点位置对于航测内业点位准确性判读的影响很大。
目前外业在作业时往往忽视点位。
高程点的刺点目标应选在高程变化不大的地方，能够使内业准确判读。
峡沟、山顶和高程变化急剧的斜坡、房顶、灌木等不宜选作刺点目标。
平坦地区像控点为全野外布设，误差可以忽略不计，但是影响作业的效率。
能在最少或不用野外控制点的情况下，保证工作效益和高程精度。
（2）空三定向
采用仪器：
适普全数字摄影测量工作站。
采用软件：
VirtuoZo全数字摄影测量系统下的卫星影像处理专用模块VirtuoZoSat软件。
a、由于平坦地区进行了空中三角测量，模型定向就采用其结果了。
内定向及相对定向、绝对定向采用现成的成果全自动的导入。
因此，导入的结果使内定向、相对定向、绝对定向误差直接转入，不会产生其它的误差。
b、高程量测误差的影响分为两种情况：
一种是作为独立误差存在的，定向点本身高程误差的影响；另一种是人为观测的误差
c、模型扭曲的影响。
由于相对方位元素误差造成的模型扭曲，在绝对定向中将会部分地被补偿，影响高程精度的将是补偿后的剩余扭曲。
但是，使用数字影像采用光束法整体平差，是目前较严密的平差方法，模型扭曲的影响已经被降到最低。
d、在研究空向的高程精度时，必须考虑到以下因素对加密点高程精度的影响：
①残余上下视差对相对定向元素的影响：
传统摄影测量生产的相对定向，有的要求定向点上最大的残余上下视差小于8μm，这是根据在解析测图仪上作业员量测标准点位上6个点进行相对定向所确定的最大上下视差残余误差的限制。
一般的数字摄影测量系统采用在6个标准点位上按“点组”选点，或在整个像对内进行均匀分布通过影像匹配点，相对定向点可多达几百个。
显然有的规范的最大残余误差的要求就不太符合时宜。
②模型连接误差的影响：
在摄影测量作业中，影像间的联系、像对的定向等均是通过影像上的连接点来实现的。
影像坐标值的精度，除了取决于摄影机、摄影材料、坐标量测系统和作业员的水平外，还与影像上连接点的类型与位置有关。
e、作业中采取的措施
核线影像的倍率在数据采集中相当重要。
一般对于像片比例尺与成图比例尺之间的倍率来定；当倍率小于3倍时，核线影像采用1．3倍，大于3倍时，核线影像采用1．5倍。
主要是为了作业人员能够更好的观测立体。
绝对定向定向点的平面和高程也是采用成果导人，但是必须根据个人的观测情况再做一次绝对定向来消除人为形成的误差。
在作业中，可挑选有经验、立体观测好的作业员进行单模型绝对定向，定向的作业员越少越好。
目的是使单个模型之间的同名点的平面位置及高程同处于一个平面位置和高度，减少定向带来的误差。
GB／T13990—92《1：
5000、1：
10000地形图航空摄影测量内业规范》中规定，平坦地区高程全野外布点，内业只加密高程点的平面坐标。
经绝对定向后，平面限差按基本定向点3m、多余控制点3.5m，网间公共点较差7m规定执行。
高程限差平地基本定向点残差不大于0.3m，多余控制点的不符值不大于0.5m，网间公共点较差不大于1.0m。
（3）DLG数据采集
DLG数据的采集主要依赖立体像对，地物及地貌的量测是建立在立体观察的条件下，以立体像对为基础通过对立体像对的观察和量测确定地面目标的形状、大小、空间位置。
①误差的来源
人眼对立体模型的观测对于成图精度的影响至关重要。
数字摄影测量工作站读点的精度，在图像分辨率25μm的情况下，读点高程精度一般不大于1／4500相对航高，当相对航高为4500m时高程读点精度即为lm，很显然不能满足平坦地区的测图。
作业员在立体模型测图中，观测读点精度和地貌的表示是决定地形图精度的重要组成部分。
从事航测工作的人都知道，航测成图与外业检测比对结果往往都是内业高程偏高，外业偏低的现象。
从立体测量来分析，作业员通常选用圆点来作为测标，在测制地物及等高线时，测标与测量物接触的一般都是圆心的外边缘，而并不是测标圆心的中心。
在测绘等高线的过程中，由于测绘是在行进中进行，测标在运动，作业人员很难控制测标的中心。
因此测绘出的地貌人为的将高程抬高了。
另外一个重要的原因就是作业人员的地形知识和经验等。
②采取的措施
（1）作业员在测图时，先逐个将模型调入，在模型接边处采集几个特征点，来检测模型定向的精度，查看模型接边情况，这个工作对于平坦地区成图来说，尤为重要，避免盲目的测图带来的返工现象。
（2）模型接边情况核对后，可将加密点成果（BMC）文件及空三加密成果生成的保密点成果（BMD）文件导人。
如果在航测内业数据采集前，外业能够提供一定数量的外业碎部点数据，对内业成图大有帮助。
通过导入各类点后，可以检测模型定向的精度，对测图过程中有一定的参考作用。
外业碎部点的采集数量最好每幅图不少于25个，尽可能的使外业碎部点点位分布均匀。
这样既保证了内业成图精度，又避免了成图后打点检测所带来大量返工的工作量。
3、本项目的创新点
利用已有的WorldView-2卫星遥感影像经过外业像片控制及内业空中三角测量定向，快速生成平坦地区地形图并检查验证其高程精度，可满足现阶段能源需求紧张大背景下区域地质勘查测绘保障应急服务。
4、年度研究计划及进度安排
2013年1月～2013年4月：
影像拍摄及影像数据检验
2013年4月～2013年6月：
确定野外布点方案及像控点测量；
2013年6月～2013年9月：
立体建模及定向，数据采集。
2013年9月～2013年12月：
数据编辑，成果数据分析研究及提交研究报告。
5、预期成果
根据张掖平山湖地区地形特点，在该区实施本项目，为平山湖矿区提供1︰5000地形图并保证地形图精度能满足需要。
三、经费概算
经费来源预算
经费支出预算
科目
预算数（万元）
科目
预算数（万元）
来源预算合计
40
支出预算合计
40
1、局科研拨款
30
1、能源材料费
30
2、单位自筹
10
2、其他相关费用
10
四、项目组主要成员
项目负责人
姓名
性
别
年
龄
职务职称
专业
为本项目工作时间（%）
在项目中分担的任务
所在单位
史文治
男
43
高级工程师
测绘
100
项目负责
甘肃煤田地质局综合普查队
主要研究人员
胡润强
男
45
高级工程师
测绘
100
技术指导、分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
蒋强
男
47
高级工程师
测绘
100
技术指导、分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
马海安
男
25
助理工程师
地理信息系统
100
数据采集、数据处理及分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
李涛
男
28
助理工程师
地理信息系统
100
数据采集、数据处理及分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
徐帅军
男
28
助理工程师
测绘
100
数据采集、数据处理及分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
高飞
男
22
助理工程师
地理信息系统
100
数据采集、数据处理及分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
刘永君
男
25
助理工程师
地理信息系统
100
数据采集、数据处理及分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
张小宁
男
28
助理工程师
测绘
100
数据采集、数据处理及分析研究
甘肃煤田地质局综合普查队
五、申报单位意见
（盖章）
年月日
六、局审批意见
（盖章）
年月日
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