基于GF-7卫星提取道路的自动制图综合研究.pdf

第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma tic s Tec h n o l o gy a n d Eq u ipmen tVa D 25 Na.1Ma e.2023基于G F-7卫星提取道路的自动制图综合研究祁 瑞祁 瑞，冉隆思冉隆思,任常青任常青，李 若李 若（自然资源部第一航测遥感院，陕西西安710054）摘要：应用高分七号（以下简称GF-7）卫星解决我国1：10 000比例尺更新周期长的问题,是当前 亟需研究的课题。本文以基于GF-7卫星提取的道路数据为基础，设计并实现了道路提取数据自 动制图综合的模块和功能，对提升我国基础地理信息建设能力和1：10 000地理信息更新效率具有 积极的作用。关键词：数据分析;GF-7卫星；数据提取;制图综合中图分类号:P231.5DOI：10.20006/j.c n k i.61-1363/P.2023.01.015Aut omat ic c art ographic geeeral izat ion of road ext rac t ion basee on GF-7 sat el l it eQI Ru i,RAN Longsi,REN Ch angq ing,LI Ru o(Th c Fir st In stitu te o f Ph o Io mmmetm a n d Remo te Sen sin g o f th e Min isto o f Na tu r a l Reso u r c es,Xia n,Sh a a n x i 710054,Ch in a)Abst rac t:Ho w to u se GF-7 sa tel l ite to so l v e th e pr o bl em o f th e l o n g u pd a te peo o d o f 1:10,000 sc a l e is a n u r a en t r esea r c h ta sk.Th is pa per d esign s a n d impVmv ts th e mo d u Ds a n d fu n c tio n s o f a u to ma ticc a mo gr a ph ic syn th esis o f r o a d ex tr a c tio n d a ta ba sed o n th e r o a d d a ta ex tr a c ted fr o m GF-7,wh ic h pl a ys a po sitiv e r o l e in impr o v in g Ch in a s ba sic geo gr a ph ic in fo r ma tio n c o n str u c tio n c a pa bil ity a n d 1:10,000 geo gr a ph ic in fo r ma tio n u pd a tin g eXic ien c o.Keywords:d a ta a n a l ysis;GF-7 sa tel l ite;d a ta ex tr a c tio n；c a r Ia mph m gen er a l iza tio n1引言当前，我国大比例尺基础地理信息数据存在覆 盖范围偏小，更新周期比较长的问题（1。传统的更 新方式耗时、耗力，已逐渐成为制约基础测绘项目的 主要因素（2-4打2020年8月20日，高分七号卫星 正式投入使用，意味着我国将改变地理信息产业上 游的高分辨率立体遥感影像市场大量依赖外国卫星 的现状，开启自主大比例尺航天测绘新时代56O 根据GF-7卫星的成像特点（78，并基于1：10 000 比例尺基础地理信息获取的实际需求，本文研究了 利用GF-7卫星的要素提取,要素自动和半自动制 图综合、快速制图等关键技术，为推动我国1：10 000 基础地理信息建设的发展,提高我国基础测绘项目 的更新效率（1提供思路。当前，道路自动提取技术已相对成熟,但提取结 果存在一些问题与不足，不能满足1：0 000基础 地理信息地形要素数据规范（以下简称1：0 000 数据规范）的要求。本文通过对提取道路数据的 分析，并对比1：10 000数据规范对道路要素的规 定,确定了其存在的主要问题,并对道路的自动制图 综合进行了研究。2自动提取道路数据分析本文采用某公司提供的智能提取软彳基于 GF 7 影像,对 路信息 行提取,路的自动提取成果。通过对自动提取所得道路矢量数据 的分析及其与1：10 000数据规范中对道路相关 收稿日期收稿日期：2021-06-06第一作者简介第一作者简介:祁瑞，工程师，主要从事航测遥感方向的工作第1期祁瑞，等:基于GF-7卫星提取道路的自动制图综合研究75规定的对比分析，发现提取的道路数据主要存在以题：1）提取的道路数据边界呈现锯齿状。卫星影像 是基于像素单元的栅格影像,机自动提取所依据的则是影像的颜色、纹理等通过像元 的解译标志，因此提取的数据受像元形状的，“，“状”。”。但在地理信息数据中，道路面状数据多为平行或，其两端多呈现为直角，1所示%图图1 1Z0 000道路面状数据道路面状数据Fig.1 Sc hemat ic diagram of 1：10,000 road surfac e dat a2）提取的道路数据存在较多拓扑错误。提取 的道路数据存在 理面分割、面裂隙等拓扑错误，道路内部还存在一些面积较小的面空洞，如图2所 示。此外，由于道路面上存在车辆、及行 等 地物,道路提取时，小面积地物并未提取 路 面，从形成较多小面积 3）提取的道路数据全部为面状数据根据1：10 000数据规范，道路宽度未达到所属级别（国道、乡 等）规定的指 度指标时，仅在上表示其中心线;道路宽度超过所属级别规:度时，除在 上 其中心线外，还应在图上 例尺 其路面。目前提取的数据均为面状数据，缺4）提取的道路数据无属性。提取的道路数据 无道路级别、名称、车数及1：10 000数据规范 所规定应 的其他，1所示 3道路制图综合自动化研究针对道路自动提取数据存在的问题，本文对道 路 自动化过程所需模块和功能进行了设，块 流程 3所 表表1国道、省道及县道中心线要素规定属性国道、省道及县道中心线要素规定属性Tab.1 At t nbut es of c ent er l ine el ement s of nat ional,provinc ial and c ount y roads称GB属性数据国道420101GB、RN、NAME、RTEG、M ATRL、SDTF、WIDTH、LANELRDL省道420201GB、RN、NAME、RTEG、M ATRL、SDTF、WIDTH、LANELRDL县道420301GB、RN、NAME、RTEG、M ATRL、SDTF、WIDTH、LANELRDL图图3道路自动制图综合模块设计流程道路自动制图综合模块设计流程Fig.3 Fl ow c hart of aut omat ic road c art ographic general izat ion modul r76测绘技术装备第25卷3.1道路面预处理道路面预处理处理是后期综合的基础，道路面预处理过程 如下:首先,对道路面内部存在的 拓扑错误进行修正;然后，合并 理面分割,消除面，并对面部的小面积 行填充。图2的面 区域经处理后的结果 4所示%图4面拓扑错误处理结果Fig.4 ResUt s from surfac e t opol ogic al errors proc essing3.2道路面化简道路面化简自动提取的道路面经过去锯齿光滑处理后,面 边 形状依旧不理想，存在同一路段宽度、边缘 理折角等 通常 路的宽度是统 一的，其边线为平行线，终点处多为 受像素及提取精度等多种因素影响,提取结果中同一路段不 同 路面的宽度 小的，道路边 平 行，且道路终点处非，形效果 因此，需要针对道路面的特点，利用道路面化简算法对 其进行处理，使之符合-1：10 000数据规范中对道 路面的图形 要求道路面化简步骤:1)设置路段最小长度小于或等于最小路段 长度的道路面应删除由于 结果中存在一小、孤立、无义的路段，因此先将长度小于 100 m的孤立道路面删除%2)设置路段合并阈差值。相邻两路段宽度差值百分比小于或等于路段合并阈差的给定值时，将 两路段宽度处理为同 度值由于路通常是等宽的,而提取的道路结果中，道路各段之间存在微小 的，对，路段 并阈，使邻宽度 小的路段宽度。本文经 试验,将路段合并阈 为35%3)面 化简提取道路面中存在部分错误的，需要对 错误的 行 处理%面化简主要从 点的 阈值 度阈值两个数进行 阈值是指中间 点距离两邻节点连线的垂高距离阈值，宽度阈值是指两节点 之间的 离与中间 点相邻的两节点之间的直线距离经 试验，在 阈值为l m,宽度阈值为3 m时,面 化简效果最好(10-11%4)度处理。道路面通常为矩形或环形，两边保持平行，而提取的数据其边界多为，为达到1:10 000数据规范中 路图形 的要求，需要 对道路面进行角度处理(12)%通 的角度阈值，当角度在 阈值、0 或时，修正 度为、0 或%3.3道路中心 成道路中心 成提取所 路数据均为面状数据，因此需要基于道路面生成道路面中心线道路面中心线的提取主要包括以下步骤:1)出 将提取中心 储在指定，LRDL%2)设置骨架线阈值删除小于或等于骨架线 阈值的孤立中心%当提取的 路面中心 小于 100 m时，予以删除,同时删 成该中心线的原始 道路面经 路面化简后的道路，其 效果明显提升，处理前后对 5所示%图5道路面化简处理前(左)及处理后(右)对比Fig.5 Comparison of road surfac c before(l eft)and aft er(right)simpl iCc at ion proc essing第1期祁瑞，等:基于GF-7卫星提取道路的自动制图综合研究773)压 离。道路通常，不然出 点,而在面生成中心线时，会出现部分不合理的折点，对于此类错误的折点，应 行节点删 除。压 离是针对提取中心 行化简 的处理参数，当中心 点 邻两节点构成 的垂离大于压 离时,进行节点删除处理。使用 化简后存在错误折点的中心线经过多次反复试验得 出，当压 离 为1m时，道路中心 点化简 效果叫4)立拓扑关系提取后的道路中心线间可能存在、相交点 等问题，因此对于道路中心线,需要建立正确的拓扑。道路中心 成 模块功能及其参数 6所示 GF-7ffiayc iait EK：，GF-7B4SfiSR*4.3 43A as s ays 4.3.5”4.5 gRm合魄A 4.6t E RFCA B RESA BTFCAft sasE：Iudl riaaaCTK!；：；：iMMsoi住千ainswffl fl i：回压绍换：c wasOSM数据 路数据放在同一空间基，发现二 者之间并不完全重合，因此，需要将提取的道路数据 与OSM数据中的道路数据进行配对，并将对应OSM 数据的 值赋至提取的道路中心线，完成道路中 心线的 路中心线的属性融合主要包括：1)冲半径以提取道路中心线数据为 基准建立缓冲区2)落入缓冲区百分比阈值落入缓冲区百分比阈值是指落 路中心 冲区的各OSM要素的落入部分的长度或面积占自身长度或 面积的百分比阈值提取数据与OSM数据虽 大致一致,但由于存在道路相交等情况，小部分路段落 邻交叉提取道路的缓冲区内，因此，通分 阈值，在同 OSM 数据落 多 路缓冲区时，分辨出该OSM道路数据本应对应的提 取道路数据，错赋文通 试 验 出，当 冲 区 径 为20 m,缓冲区百分比阈值为30%时，道路中心线的 效果。道路中心 功能模块及其参数 8所Q 国直GF-7规!鳞谿旷、I-I-W图6道路道路中心线生成参数设置Fig.6 Paramet er set t ings for road c eet erl ine geeerat ing道路中心线提取功能完成后，提取结果如图7 所示%从7中以看出，道路中心线的提取效果 较好，完成了道路中心线拓扑 的建立飒则列表面板：BusinessFanel Model，GF-7制鳞合方異0 4.2，4.3 合娅0 4.3.1鞠面化简”0 4.3.2 觀中，4.3.3 1性戲l 4.3.4觀疑段0 4.3.5 融面 4.4 水 4.5居豌综合症 4.6植瞬合娅处湮要素3K B RFCL_osm E LFCL.osm t 0 LFCA_osm t B LRDA.osm t 國 LRDL.osm t B LRRL_osm t 0 RESL.osm t 0 TFCL.osm t I HFCL osm图7道路中心线提取结果Fig.7 Resul t s from road c ent erl ine ext rac t ion E参数设養缓冲半径：20 米 落入缓冲区百分比SI值：30 0生腳结果图层囹层名称：已生成未匹配图层组图层组名称：I导入保存导入保存!1瞬瞬I3.4道路中心线属性融合道路中心线属性融合路中心 成后，缺少GB码、名称、车道数等属性信息,本文将网络上下载的OSM数据作为本 次道路自动 研究的属性数据源(将图8道路中心线属性融合参数设置Fig.8 Paramet er set t ings for road c ent erl ine propert y fuenon完成中心线重分类工作后，根据已重分类的道 路中心线,对道路面进行分割及重分类工作,将道路 中心 赋 路面。对于 同但属于同一 面状要素的道路，依据属性分割点对其进行分割后 赋 78测绘技术装备第25卷3.5道路中心线重分类道路中心线重分类经 路中心线的提取、属性融合两个环后，道路中心线均已 GB码、道路名称等 重分类工作是删除道路中心线数据中的原始增及 冗余字段。重分类结果 9所 I Z GF7/厨LRDL(6667)-线陋420101建成国道(8)両420201建成省道(154)420301建成县道(264)19 420401建成乡道(301)(9 420801其他建成公路 19 420901建成高速(208)1 430501主干道(5219)19 430502TjM(459)I 430600内部道路(50)图图9道路重分类结果道路重分类结果Fig.9 Resul t s from road rec l assinc at ion3.6道路面选取道路面选取经 路重分类后，即可依据不同级别道路在1:10 000数据规范中的长度及宽度指标，删 长 度和宽度 面状道路指标的道路面，仅保其道路中心线15)%4结果分析4.1精度分析精度分析本文选取西安周边9幅1：10 000自动提取成 果进行道路 自动化试验。针对自动 处理后数据，以幅为，选取图中的道路交叉口、拐弯处角点等 点作为检测点，检测经 路自动 后的数据 的1D0 000成果数据的精度。经过选取特征点及其与已有1：0 000 路 数据同名点的对比，的误差结果如表2所示%表表2各图幅误差统计各图幅误差统计Tab.2 St at ist ic s of errors of eac h map sUeet图幅地形点数/个最小误差/m最大误差/m中误mI49G039019丘陵地230.0173.021.747I49G039020丘陵地230.1372.961.231I49G040019地200.0423.211.667I49G040020地220.1482.451.350I49G041019地220.0424.351.902I49G042018丘陵地220.5332.821.820I49G042019地220.4562.281.412I49G043018地220.7273.621.895I49G043019地210.0702.421.481总体来看,经编辑后的道路数据中误差总体可 控制在2 m以内，最大误差绝大部分不超过4 m%从精度检测结果可以看出，经自动 处理后的道路数据精度相对较高，多数 1：10 000数据的 要求4.2 结 分结 分提取道路信息数据在经过本文设计的自动制图 综合流程后，了以下功能：1)路边，已修正拓扑错误；2)与处理前，和影像的 效果更佳，道路边线及末端经 化处理后，其 形为；3)道路中心线已生成并存放在LRDL层，已从OSM数据中获取了部分 值；4)与影像套合的精度可以满足1：10 000地理 信息数据的精度要求经过处理后的道路数据在数据精度及图形特征 方面已基本满足1：10 000地理信息数据的要求，然 经过处理后的数据，在属性完 方面仍存在部分问题：1)道路数据与0SM数据对比，仍存在错误对应 问题自动处理中，将 路 0SM数据进行配 对,从而获得道路的相应。本文用对道路中 心 立缓冲区并通过对落入缓冲区内比例设置阈 第1期祁瑞，等:基于GF-7卫星提取道路的自动制图综合研究79值的方法，相对准确匹配到OSM数据中相应的道 路,但是试验结果中仍存在少量OSM数据中道路属 性错误赋至应赋道路周边道路的情况。例如，部分 与OSM数据中国道、省道非常靠近且自身在OSM 数据中无对应的道路，在与OSM数据进行匹配时，容易与国道、省道错误匹配,导致属性自动赋值错 误,需人工排查。针对自动赋属性时的错误配对问题，应从如何 确保参考资料与提取道路中心线更准确的对应方面 继续开展深入研究或从道路属性连通性方面进行研 究，以便纠正此类错误，确保赋至道路的属性为其对 应OSM数据的属性。目前，本文介绍的方法尚不能 实现属性对应完全准确。2)OSM数据无法满足数据属性要求。OSM数 据中仍有部分道路属性缺失，仅国道、省道、县道、乡 道等重要等级道路属性较为完整，而-1：10 000数 据规范中还包括机耕路、乡村路、小路等多种道路 数据，在OSM数据中没有属性信息来源，这部分数 据仍需要人工判别并手动赋属性。目前，OSM数据 仍在发展完善，因此在后期制图综合中，除OSM数 据外,仍需要寻找更多合适的参考资料数据作为 1：10 000地理信息数据属性信息的补充依据。5 结束语当前，利用GF-7卫星提升1：10 000地理信息 数据更新效率是亟待解决的问题。本文针对自动提 取技术的现状，通过分析提取成果自身问题及其与 1：10 000地理信息数据相关规定的差距，设计了道 路自动制图综合的模块及功能，并对其进行了试验 与结果分析。本文的研究成果对提升我国大比例尺 基础测绘更新效率具有积极的意义，可为国民经济 发展、社会发展、交通及统计等部门提供更好的地理 信息保障服务。参考文献1 刘建军，张俊，李矍,等.基于GF-7卫星的1：10 000 制图要素信息提取技术框架建设J.地理信息世界,2018,25(6)：58-61,67.2 王东华，刘建军,张元杰，等.国家基础地理信息数据库 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