基于GF7卫星影像生产DSM数据及精度验证.pdf

第20卷 第2期第18页国土资源导刊Land&Resources Herald2023年6月Jun.,2023引用格式:靳文凭，周烽松，张玉冰.基于GF7卫星影像生产DSM数据及精度验证J.国土资源导刊,2023,20(02):18-22.Reference format:Jin Wenping,Zhou Fengsong，Zhang Yubing.Production of DSM data and accuracy verification basedon GF7 satellite imageryJ.Land&Resources Herald,2023,20(02):18-22.基于GF7卫星影像生产DSM数据及精度验证*靳文凭*，周烽松，张玉冰（湖南省测绘科技研究所，湖南 长沙 410007）摘要：为减少GF7卫星在基础地理信息数据生产的数据准备工作，本文通过改变地面控制点数量研究GF7卫星影像生产1 10000 DSM产品最少需要的控制点数量。结果表明，DSM成果精度受控制点数量影响明显，在35个地面控制点的约束下，DSM成果可以满足1 10000数字高程模型的精度要求。研究成果对降低GF7基础测绘产品生产数据依赖和加快数据更新具有一定参考价值。关键词：高分七号；DSM；地面控制点；精度验证中图分类号：P236文献标识码：A文章编号：1672-5603（2023）02-18-05Production of DSM Data and Accuracy Verification Based onGF7 Satellite ImageryJin Wenping,Zhou Fengsong，Zhang Yubing(Hunan Institute of Geomatics Sciences and Technology,Changsha Hunan 410007)Abstract:InordertoreducethedatapreparationworkofGF7satelliteintheproduction of basic geographic information data,this article studies the minimum numberof control points required for GF7 satellite image production of 1 10000 DSM products bychanging the number of ground control points.The results indicate that the accuracy ofDSMresultsissignificantlyaffectedbythenumberofcontrolpoints.Undertheconstraints of 3-5 ground control points,DSM results can meet the accuracy requirementsof the 1 10000 digital elevation model.This achievement has certain significance inreducing the dependence on production data of GF7 basic surveying and mapping productsand accelerating data updates.Keywords:Gaofen No.7;DSM；ground control points;accuracy verification0 引言随着经济社会的快速发展，自然资源调查、国土空间规划、生态治理、河湖划界和综合管理等对基础地理信息数据更新频率要求越来越高，对基于影像数据的时相、数据更新效率要求越来越高。目前，传统1 10000基础地理信息数据的更新主要采用航空摄影方法，但该方法基础地理信息数据获取与制作受天气、成本等因素制约，存在时效性、经济性等劣势1-4。而随着国产首颗亚米级影像分辨率高分七号（GF7）立体测绘卫星发射与应用，使得 1 10000基础地理信息数据具备大规模获取与制作的能力5,6。多位学者开展了多幅连续立体像对的区域网平差成图技术研究，通过在连续像对内均匀布设2n+2个控制点（n为像对数）完成了各地形的成图精度制作与分析研究，并且其成果均收稿日期:2023-04-18;改回日期：2023-05-20。*基金项目：湖南省自然资源科技计划项目（编号：2021-3）；2022年自然资源湖南省卫星应用技术体系建设。*第一作者简介：靳文凭(1987)，女，博士，注册测绘师；从事测绘地理信息战略、应用研究;E-mail：。第20卷 第2期第19页2023年6月Jun.,2023国土资源导刊Land&Resources Herald符合1 10000基础地理信息数据相关技术标准的要求7-10。尚无学者研究每个GF7立体相对至少需要多少个控制点才能满足1 10000生产精度要求。因此为快速完成基础地理信息数据获取，提高规模化生产工作效率，本文拟通过改变控制点数量研究GF7影像在各地形条件下成果精度变化情况，进而满足1 10000基础地理信息数据快速获取、生产与应用的技术需求。1 试验区域与数据选取避免单一像对结果的偶发性，在已有GF7卫星影像覆盖区域，结合湖南省10 km地形地貌分幅图和云遥平台，分别选取平地、丘陵、山地、高山地4类地形8幅影像进行试验。其中平地区域位于湖南岳阳与益阳处，地势平坦，多稻田、村落与水系；丘陵区域位于湖南衡阳中部、西部区域，多茶山与低矮山丘；山地区域位于湖南郴州与湖南永州北部交接处，整体地形起伏大、坡度陡、山岗盆地相间；高山地区域位置湖南湘西州区域，地形整体起伏很大、坡度陡峻、沟谷较深，呈脉状分布。同时像控点均选在影像清晰、实地与影像均可正确判读、量测的位置，其试验区影像的部分概况和分布如图1、图2所示。2 技术路线首先，利用已选GF7卫星遥感前后视影像和实地采集的像控点数据成果，结合影像自身RPC文件，在各试验区域的GF卫星遥感影像上进行依据已有地形成果数据的自动地面控制点采集和 均 匀 选 取 0、1、3、5、9 个 地 面 控 制 点 采 集（Ground Control Points，GCPs），再自动采集的连接点进行区域网平差；其次，利用区域网平差成果，完成立体模型恢复和各试验区域不同控制条件下的DSM数据生产；最后，应用实地实测数据对DSM成果进行精度检验，并依照相关规范的精度要求进行评价分析。具体流程如图3所示。（a）平地(b)丘陵（c）山地（d）高山地图1 试验区影像地形概况Fig.1 Overview of image terrain in the experimental area第20卷 第2期第20页国土资源导刊Land&Resources Herald2023年6月Jun.,2023图2 试验区影像分布示意图Fig.2 Image distribution map of theexperimental area3 精度验证3.1 精度评价方法本文依据 基础地理信息数字成果1 5000、1 10000、1 25000、1 50000、1 100000数字高程模型（CHT9002.2-2010），以统计精度检测点中误差方式，验证GF7卫星影像单像对在不同地面控制点的辅助校正下1 10000立体测图成果DSM的高程精度。检测点的中误差计算按（式 1）执行。m=i=1n2in(式1)图3技术流程图Fig.3 Technical flowchart式中m为检测点的高程中误差，i为检测点高程实测值与解算值的较差，n为参与评定精度的检测点点数。3.2精度分析试验应用PCI卫星影像处理软件，基于GF7前后视卫星影像、RPC文件、已有的地形数据成果及若干地面控制点，获取影像的区域网加密成果，构建立体模型，进行DSM匹配。并基于自动匹配获得的预处理DSM进行滤波与立体编辑，获得各试验区域在不同控制点下的DSM成果。再利用外业实测精度检测点，检测各地形 DSM成果的高程精度。检测结果如表1所示，误差分布图如图4所示。表1 四类地形DSM高程精度统计Table 1 DSM elevation accuracy statistics for four types of terrain地形类别平地1平地2丘陵1丘陵2山地1山地2高山地1高山地2检测中误差(m)auto2.1121.5683.8892.0432.6882.4036.0874.1890gcp5.87026.6644.3322.2981.50919.02835.69126.7001gcp1.0750.7862.1321.3581.3432.0821.0662.5943gcp0.8351.0990.8931.3740.7741.5090.6782.5415gcp0.6850.6940.8591.1820.7441.4320.7212.2729gcp0.6970.4700.8441.1880.7291.8410.7442.358规范中误差(m)一级0.50.71.21.72.53.35.06.7二级第20卷 第2期第21页2023年6月Jun.,2023国土资源导刊Land&Resources Herald由表1可知，（1）平地区域内，因地势平坦、精度要求高，卫星影像需在5个地面控制点的约束下才能达到二级指标要求，部分影像在适当增加控制点后能够达到一级指标要求；（2）丘陵区域内，卫星影像在3个地面控制点的约束下能稳定达到二级指标要求，在五个控制点约束后能满足一级指标要求；（3）山地区域内，卫星影像在1个地面控制点的约束下既能满足一级指标要求，且随控制点增加，精度有稳定提升；（4）高山地区域内，在无控制点条件下，误差较大，但在控制点约束下，精度得到大幅提高，能满足一级指标要求。综上分析可知，在适量地面控制点的约束下，GF7影像能在各地形下生产符合一级、二级指标的DSM成果。(a)平地1误差分布(b)平地2误差分布(c)丘陵1误差分布(d)丘陵2误差分布(e)山地1误差分布(f)山地2误差分布(g)高山地1误差分布(h)高山地2误差分布图4 四类地形误差分布统计图Fig.4 Statistical map of four types of terrain error distribution第20卷 第2期第22页国土资源导刊Land&Resources Herald2023年6月Jun.,2023由表1和图4进一步综合分析可知：（1）随着控制点的增多，各地形的检核点误差都向一级、二级指标区间靠拢，其中以3个控制点的变化最为明显；（2）虽然控制点增多后精度会保持在相关数值间浮动，但控制点越多，其最大误差值会越小；（3）在平地中，随着控制点增加，各检测的误差都较快的收敛于指标范围内或附近，但存在部分点的误差值大于两倍二级指标中误差，其原因可能是该部分点处于堤坡交界处导致DSM数据生产时的位置匹配误差所引起，进而影响了平地DSM的整体精度；（4）以丘陵、山地、高山地的误差分布图可以看出，当地面控制数量为3时，其各检测点误差基本处于2倍一级指标中误差范围内；（5）各影像、各地形自动采集地面控制点生产的DSM精度都不够理想，这可能与自动采集过程中部分影像点位匹配错误有关，进而导致地形匹配错误造成高程精度误差。由此可知，控制点的数量和刺点精度对成图精度提升和最大误差抑制有着较大的作用，并且在多数地形条件下应用3个地面控制点即可符合二级指标要求，5个地面控制点能满足1级指标要求，平地则须根据实际任务需求，选取5个或更多地面控制点满足成精度要求。4 结束语本文对GF7卫星影像的基础测绘产品生产与精度分析，通过改变地面控制点数量的方式，进行 GF7 影像在平地、丘陵、山地和高山地的DSM成果精度变化研究。结果表明，在有地面控制约束下，各类地形的DSM精度都得到了较大提高，当地面控制点为35时，已经能在大部分地形取得较好的DSM成果，满足1 10000基础测绘成果的生产精度要求。研究成果能有效减少基础地理信息数据快速生产数据准备工作，提高基础地理信息数据的生产效率。在后续研究中，还需进一步针对不同地形采集更多的数据开展实验，分析影响精度的因素，获得不同地形以及复杂地形条件下所需控制点数量规律。并结合激光测高数据和已有地形数据进行1 10000基础地理信息数据生产深入研究，充分利用已有的地理信息数据成果，完成各地形数据高程产品高质量、稳定性生产，实现基础产品的快速生产和基础地理信息数据的高速更新。参考文献/References1龚健雅,王密,杨博.高分辨率光学卫星遥感影像高精度无地面控制精确处理的理论与方法J.测绘学报,2017,46(10):1255-1261.2兰穹穹,郝雪涛,齐怀川.资源三号卫星影像DEM提取与精度分析J.遥感信息,2015,30(3):14-18.3田瑜基.高分卫星在测绘中的应用展望J.科技与创新,2020(22):160-161.4王鸿燕,唐新明,樊文锋,等.资源三号卫星在自然资源管理中的应用J.卫星应用,2020(10):19-25.5杜金莉.高分七号卫星影像立体测图精度及效率研究J.安徽建筑,2022,29(9):136-138.6刘建军,张俊,李曌,等.基于GF-7卫星的1 10000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+67.7孙畅,初启凤,武建秀.高分七号卫星1 10000立体测图精度验证以东北地区为例J.测绘与空间地理信息,2022,45(S1):124-126+129+132.8赵文普,刘钰,吴晓春,等.利用高分七号卫星开展 1 10000 立体测图精度验证J.测绘科学,2022,47(1):165-171+180.9李国元,么嘉棋,唐新明,等.高分七号卫星激光高程控制点自动提取方法研究C/中国科学院空天信息创新研究院.第八届高分辨率对地观测学术年会论文集.北京.2022:415-428.10解益辰,桂木政.基于高分七号立体卫星影像生产DEM数据及精度验证J.测绘,2021,44(4):163-165.