基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法
【专利摘要】本发明旨在提供一种基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，该方法通过对卫星影像的融合、分类识别，确定外业测绘的像控点，在野外同步完成数字化测图、野外调绘及像控点采集；之后以配准后的彩色融合卫星影像为底图，补绘外业漏绘地物，完成地形图的生成。本发明基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法将调绘、像控、补测等三个外业步骤融合为一，实现减少外业工作量的目标，与传统的航测相比具有周期短的特点，与传统人工测量相比，其外业工作量少、投入成本低且周期短。
【专利说明】基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星影像处理领域及地形图成图领域，具体涉及一种基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法。
【背景技术】
[0002]地形图成图多采用现场数字化测图及摄影测量等常规手段，其中数字化测图精度高但效率低，摄影测量受天气条件限制等，当前前期规划是对中大比例尺的地形图需求周期非常短，一般勘测单位多采用人海战术，以数字化测图为主。
[0003]现有的GIS (地理信息系统)平台软件，如ArcGIS，已经具备比较完备的地理信息处理功能，包括不同格式影像图的配准以及融合处理，对配准影像的裁剪和正确定位显示，以及最后的地形图生成功能。但工程应用中，地形图的使用和采集多采用CAD平台，而且ArcGIS的编辑采集功能较弱，很多复杂的大比例尺地形图的符号、线性、字体及打印输出比CAD弱且平台应用范围少，因此本发明必须结合生产实际，自动化部分步骤，节约大量的数据处理时间，比如影像图在CAD的正确显示、影像的自动裁剪等。
[0004]文献“简灿良，阮红利，2007.利用高分辨率遥感卫星影像更新1:1万比例尺数字地形图的研究[J].福建师范大学学报(自然科学版)，23(3):10-14”中公开了对IKONOS全色影像(Im)与IKONOS多光谱影像(4m)的配准、几何纠正、辐射纠正的处理步骤，以及之后通过主成份变换法进行融合处理的步骤，实现对数字地形图的更新。
[0005]这种模式仅仅是针对同一卫星在一次采集中获取的不同类型数据，是最为常见的融合模式。本发明主要解决的问题在于不同卫星或数据来源的影像数据的融合。其主要解决的问题在于利用已有的彩色影像数据，解决当前仅有全色波段的影像色彩问题。以WorldViewl为例，其分辨率达到0.5米，采集能力强，但因其是全色影像(即黑白影像)，因此可尝试将其他卫星如同级别的GeoEyel或WorldView2的彩色影像色彩赋予WorldViewl影像，实现地物的高识别率。
[0006]文献“徐颖，赵萍，黄亚萍，基于ArcGIS的标准分幅裁切新方法[J].现代测绘，29 (2): 43-45”中公开了一种基于ArcGIS中GRIDCLIP命令进行影像标准分幅的裁切方法，主要步骤包括:待裁切文件的预处理；确定标准分幅成果的图幅号；确定每幅标准分幅图幅的坐标范围；运用GRIDCLIP命令完成裁切。
[0007]以上方法虽然可以实现影像的裁剪等问题，但存在如下问题:
1.海量影像的裁剪范围自动计算问题
2.自动化分幅及自动裁剪
3.自动化的输出与坐标文件的生成。
[0008]以上问题就如汽车的手动与自动的区别，本发明实现了海量影像的自动分幅裁剪及输出功能。
[0009]发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术存在以下缺点和不足:
1.数字化测图成本高，效率低，工作周期长； 2.摄影测量技术在小范围测图是成本优势不明显，工作周期较长；
3.中大比例尺地形图需求范围多为未开发区域，测区难以到达，基础资料匮乏，上述两种测图模式无论成本还是作业周期都很难满足客户需求；
4.随着卫星影像分辨率的提高，其分辨率已经满足辅助测图需求，但现有技术多停留在中小比例尺成图应用方面，存在色彩信息缺失或应用范围单一等缺陷，并且无法充分利用现有影像资源，成图效率与质量偏低。
【发明内容】
[0010]本发明旨在提供一种基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，将调绘、像控、补测等三个外业步骤融合为一，减少外业工作量、减少人力成本、加速成图周期。
[0011]本发明的技术方案如下:一种基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，包括以下步骤:
A、获取最新的卫星全色图像和各类采集平台、各种年份、各类分辨率的卫星或者航拍彩色影像，利用各类分辨率的卫星或者航拍彩色影像对卫星或者航拍全色影像进行融合处理，得到彩色融合影像，对彩色融合影像进行分类识别，将识别得到的具有特定识别特征的地物作为像控点，进行外业数字化测绘，并补测彩色融合影像上遗失的地物；
B、对彩色融合影像进行配准处理，得到配准影像，以该影像为基准，读取影像的四角坐标，根据四角坐标，计算出影像覆盖的国家标准分幅图幅，将落入国家标准分幅多边形的的影像进行裁剪，对裁剪形成的单幅影像分幅命名，名称中包含左下角东方向起始坐标和左下角北方向起始坐标，导出影像，生成坐标定位文件，坐标定位文件名称与标准分幅影像同名；
C、根据步骤B中命名的单幅影像文件名称，自动寻找对应坐标文件，读取左下角东方向起始位置、左下角北方向起始位置、旋转量、尺度变化量、东方向和北方向像元大小，根据影像的北方向和东方向像元个数，计算影像的正确定位并完成正确显示；
D、循环进行步骤C，将各单幅影像依次正确定位显示，生成初始地形图；
E、以初始地形图为底图，根据外业测绘成果补绘重要地物和遗漏地物，对于次要地物以卫星影像作为辅助成图，生成成果地形图。
[0012]其中，所述的配准是指:将测区的影像导入数据库，以外业获取的像控点为基准，进行精确配准；通常利用常见GIS平台已有的配准功能，多采用均匀分布的NXN点模式，纠正的方法多采用四参数或七参数法，此配准方法可多次使用，其目的在于对于局部再次进行纠正提升整体影像配准精度。所述具有特定识别特征的地物指公路、河流、建筑等特征明显的地物类别，上述地物同时也属于地形图的关键部分，需要作为像控点通过外业测绘进行确定与完善。在新建地形图文件导入影像数据时，生成了国家规范的多个图层，其中包括包含保密信息的控制点层、居民地层、交通层、水系层等。
[0013]所述步骤A中的融合处理包括以下步骤:
(1)将各类数据源的彩色影像与全色影像统一纠正到一个坐标下；
(2)将彩色影像重采样，使得彩色影像与全色影像分辨率之比为1:1或1:4 ;
(3)将彩色影像的RGB波段分离出来；
(4)将分离出来的RGB波段影像与全色影像融合，得到彩色融合影像。[0014]所述步骤B中对配准影像的裁剪包括以下步骤:
(1)以配准卫星影像为基准，读取配准卫星影像的四角坐标Xmin、Ymin、Xmax、Ymax，其中xmin、Yniin为左下角坐标，Xmax> Ymax为右上角坐标；
(2)根据四角坐标，计算出影像覆盖的标准分幅图幅，东方向和北方向的标准图幅幅数计算公式如下:imax= int (XmaxX K/D) -1nt (XminX K/D)、jmax= int (YmaxX K/D) -1nt(YminX K/D)；
其中为东方向的标准图幅幅数，Jmax为北方向的标准图幅幅数，D为分幅比例尺，K为分幅因子，K=100/L，其中L为分幅板式大小；
(3)依次用标准分幅的图框构建多边形，多边形的四角坐标为(XJiXD/K ,Y0+jXD/K )、(X0+(i+l) XD/K，Y0+j XD/K)、(X0+(i+l) XD/K，Y0+(j+l) XD/K )、(X0+(i+l) XD/K，YfjXD/K)，其中i的取值范围为零到东方向的标准图幅幅数imax，j的取值范围为零到北方向的标准图幅幅数 jmax，X。= int (XminX K/D) XD/K, Y0 = int (YminX K/D) XD/K；
(4)将标准分幅的多边形与影像进行空间分析，将落入标准分幅多边形的的影像进行裁剪；
(5)对裁剪形成的标准分幅影像按照标准分幅命名，后缀东北方向的范围大小，具体为命名规则为TE-N-D/2-D/2，其中T为标准图框分幅的含义，E为标准图框左下角东方向坐标，N为标准图框左下角北方向坐标，D为分幅比例尺；
(6)将标准分幅影像导出，导出格式为TIF或JPG，根据导出的影像，生成相应版本的坐标定位文件。
[0015]所述步骤C的中正确定位并完成正确显示是通过以下方法实现的:
读取需输出的地形图范围内各点的坐标(X，Y)，计算出对应的图幅名称的左下角坐标Xi, Yi,并进行各个标准分幅定位加载处理，其中Xi= int (XXK/D) XD/K, Yi= int (YXK/D) XD/K，对应的影像及坐标文件名称为TX1-Y1-DA-D/^,其中T为标准图框分幅的含义，D为分幅比例尺。
[0016]所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法还包括以下步骤:
F.对成果地形图进行保密信息处理。
[0017]所述对成果地形图进行保密信息处理是这样进行的:
调用成果地形图中的各地物元素信息，判断其所在图层，若该地物元素信息处于控制点层，则读取其编码进行判断，如果该编码包含于保密数据库中，则为保密地物元素，将该地物元素从成果地形图中删除；若该地物元素信息不处于控制点层或者该编码没有包含在保密数据库中，则保留该地物元素不变。
[0018]以上所述的成图方法用于生成1:2000地形图或1:5000地形图。
[0019]本发明基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法将调绘、像控、补测等三个外业步骤融合为一，实现减少外业工作量的目标，与传统的航测相比具有周期短的特点，与传统人工测量相比，其外业工作量少、投入成本低且周期短。
[0020]本发明融合处理的彩色数据源可采用各类采集平台、各种年份、各类分辨率的彩色影像，降低数据采购门槛和成本，扩大了数据利用的范围，有效利用各式各样的卫星影像资源；对融合后的融合影像进行分类识别，将无法识别的地物、作为像控点的具有重要定位信息的地物，进行外业数字化测绘，可增强地形图对重要地物的重点呈现，也避免了对全图范围内的外业测绘，减少了外业工作量，提高成图效率；同时，融合后的彩色影像，既具有较高的分辨率，又具有色彩信息，使得地形图的地物识别和采集效果更好。
[0021]对于标准分幅的裁剪分割，主要通过空间分析实现，适用于从1:500至1:5000比例尺等中小比例尺的标准分幅，其特点在于裁剪效率高，适用性强。
[0022]本发明还包括对保密元素进行相应处理的步骤，保密元素主要是存放在控制点层的控制点信息，控制点层在绘图前已创建并初始化为空白层，在生成初始地形图时将编码写入控制点元素并存放于控制点层；对保密元素的处理过程为:调用成果地形图中的各地物元素信息，判断其所在图层，若该地物元素信息处于控制点层，则读取其编码进行判断，如果该编码包含于保密数据库中，则为保密地物元素，将该地物元素从成果地形图中删除；若该地物元素信息不处于控制点层或者该编码没有包含在保密数据库中，则保留该地物元素不变。
[0023]对保密元素进行删除处理避免了机密信息的泄漏，保证了地形图使用的稳定性与安全性。还包括对特殊元素的处理，特殊元素是指特殊符号、字体和线型，特殊元素必须要有专有符号库、字体库和线型库才能显示，如丢失符号库、字体库和线型库，则数据将出现乱码，无法正常使用，为避免此问题，本发明对特殊元素进行了转换，避免了因为客户符号库、字体库和线型库不同而影响地形图的使用，具有更好的适用性与针对性。
[0024]本发明通过将数字化测图与卫星影像相结合，实现补测、调绘、像控一体化，将整个测绘周期大大缩短，完成了以往通过传统数字化测图或航测手段无法完成或难以完成的生产任务，既保证了成图的质量，又保证了成图的效率提升及成本的降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法的流程示意图 图2为本发明基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法的优选流程示意图 图3为本发明实施例1最后得到的Worldviewl卫星的彩色融合影像的灰度图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例详细阐述本发明。
[0027]实施例1
本实施例基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，包括以下步骤:
本实施例绘制1:2000地形图。
[0028]Al.获取2011年的Worldview2卫星0.5m全色影像、2012年的Worldview2卫星2m多光谱影像以及2012年的Worldviewl卫星0.5m全色影像，对Worldview2卫星0.5m全色影像、2012年的Worldview2卫星2m多光谱影像进行融合处理,得到Worldview2卫星的彩色融合图像，再对Worldview2卫星彩色融合图像与Worldviewl卫星0.5m全色影像进行融合处理，得到Worldviewl卫星的彩色融合影像。
[0029]融合步骤具体如下:
(O首先将彩色影像、全色影像统一纠正到一个坐标下；
(2)将彩色影像重采样，保证彩色影像与全色影像分辨率为1:1;
(3)将彩色影像的RGB波段分离出来；(4)将分离出来的RGB波段影像与全色波段融合，得到彩色融合影像；
A2.对彩色融合影像进行分类识别，将识别得到的具有特定识别特征的地物作为像控点，并将彩色融合影像打印后作为调绘底图，对于具有重要地位、影像上遗失的地物及具有重要定位信息的地物进行实地数字化测绘；
B1.以步骤(A2)所得到的像控点为基准，利用Supermap平台采用4X4点模式对彩色融合影像进行两次配准处理，得到配准卫星影像；
B2.将配准卫星影像与国家标准分幅进行空间分析，并将落在标准分幅图框内的影像裁剪导出，同时以相应的图幅编号为其命名，具体步骤如下:
(O以配准影像为基准，读取配准影像的四角坐标Xmin、Ymin、Xmax、Ymax，其中Xmin、Ymin为左下角坐标，Xmax、Ymax为右上角坐标。
[0030](2)根据四角坐标，计算出配准影像覆盖的国家标准分幅图幅，东方向和北方向的标准图幅幅数计算公式如下:imax= int (XmaxX K/D) -1nt (XminX K/D)、jmax= int (YmaxXK/D)-1nt (YminX K/D)；
其中为东方向的标准图幅幅数，Jmax为北方向的标准图幅幅数，D为分幅比例尺，K为分幅因子，K=100/L，其中L为分幅板式大小，当D为500、1000或2000时，L=50厘米;
(3)依次用国家标准分幅的图框构建多边形，多边形的四角坐标为(XJiXD/K , Y0+jXD/K )、(X0+(i + l) XD/K，Y0+jXD/K)、(X0+(i + l) XD/K，Y0+(j + 1) XD/K )、(X0+(i+l) XD/K ,YfjXD/K)，其中i的取值范围为零到东方向的标准图幅幅数imax，j的取值范围为零到北方向的标准图幅幅数」_，X0 = int (XminX K/D) XD/K，Y0 = int (YminXK/D) XD/K ；
(4)将标准分幅的多边形与配准影像进行空间分析，将落入国家标准分幅多边形的的影像进行裁到;
(5)对裁剪形成的标准分幅影像按照国家标准分幅命名，后缀东北方向的范围大小，具体为命名规则为TE-N-D/2-D/2，其中T标准图框分幅的含义，E为标准图框左下角东方向坐标，N为标准图框左下角北方向坐标，D为分幅比例尺；
(6)将标准分幅影像按照需求导出，导出格式为TIF，根据导出的影像，生成相应版本的坐标定位文件；
其中，导出的坐标定位文件名称与标准分幅影像同名，后缀名与导出影像格式对应，TIF对应坐标文件后缀为TFW，文件内容系统有六个要素:东方向像元大小、旋转量、尺度变化量、北方向像元大小、左下角东方向起始位置、左下角北方向起始位置；
以南宁市六城区为例，Xmin=2456700、Ymin=475540、Xmax=2556500、Ymax=587730。当分幅比例尺D为2000时，则imax=100, Jmax=I 12,X0= 2456000,Y0 =475000，导出的标准图框影像为 T475000-2456000-1000-1000.TIF 至 T587000-2556000-1000-1000.TIF 共计 11200 幅。
[0031](Cl)根据国家标准分幅的图幅编号对各分幅影像进行定位，具体步骤为:
根据影像文件名称，寻找对应坐标文件，读取左下角东方向起始位置、左下角北方向起始位置、旋转量、尺度变化量、东方向和北方向像元大小，根据影像的北方向和东方向像元个数，计算影像的正确定位并完成正确显示；
C2.正确定位并完成正确显示是通过以下方法实现的:
读取需输出的地形图范围内各点的坐标(X，Y)，计算出对应的图幅名称的左下角坐标Xi;Yi，并进行各个标准分幅定位加载处理，其中Xi= int (XXK/D)XD/K, Yi= int (YXK/D) XD/K，对应的影像及坐标文件名称为TX1-Y1-DA-D/^,其中T为标准图框分幅的含义； D.循环进行步骤Cl与C2，将各单幅影像依次正确定位显示，生成初始地形图；
E.以初始地形图为底图，根据外业测绘成果，将采集的重要与遗漏地物补绘入影像图中，对于次要地物如土路、植被边界等以彩色融合影像作为辅助成图，生成成果地形图；
Fl.遍历成果地形图中的地物元素，判断各地物元素是否为保密信息元素，并对保密信息元素进行处理；
对保密信息元素的处理方法具体步骤为；
调用成果地形图中的各地物元素信息，判断其所在图层，若该地物元素信息处于控制点层，则读取其编码进行判断，如果该编码包含于保密数据库中，则为保密地物元素，将该地物元素从成果地形图中删除；若该地物元素信息不处于控制点层或者该编码没有包含在保密数据库中，则保留该地物元素不变。
[0032]F2.将需输出的地形图需求范围线作为围栅，对经过Fl步骤处理的成果地形图进行裁剪，将裁剪出的成果地形图输出，具体步骤为；
(O以客户需求范围为准，调用图库内对应范围内的地形数据；
(2)裁剪数据前，将特殊数据转换为客户需求的格式，满足裁剪需求；
(3)以客户需求范围为准，将需求范围线作为围栅，以剪切模式，对成果地形图进行裁剪后输出。
【权利要求】
1.一种基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于包括以下步骤: A、获取最新的卫星全色图像和各类采集平台、各种年份、各类分辨率卫星影像或者航拍彩色影像，利用各类分辨率的卫星或者航拍彩色影像对卫星或者航拍全色影像进行融合处理，得到彩色融合影像，对彩色融合影像进行分类识别，将识别得到的具有特定识别特征的地物作为像控点，进行外业数字化测绘，并补测彩色融合影像上遗失的重要地物； B、对彩色融合影像进行配准处理，得到配准影像，以该影像为基准，读取影像的四角坐标，根据四角坐标，计算出影像覆盖的国家标准分幅图幅，将落入国家标准分幅多边形的的影像进行裁剪，对裁剪形成的单幅影像分幅命名，名称中包含左下角东方向起始坐标和左下角北方向起始坐标，导出影像，生成坐标定位文件，坐标定位文件名称与标准分幅影像同名； C、根据步骤B中命名的单幅影像文件名称，自动寻找对应坐标文件，读取左下角东方向起始位置、左下角北方向起始位置、旋转量、尺度变化量、东方向和北方向像元大小，根据影像的北方向和东方向像元个数，计算影像的正确定位并完成正确显示； D、循环进行步骤C，将各单幅影像依次正确定位显示，形成初始地形图； E、以初始地形图为底图，根据外业测绘成果补绘重要地物和遗漏地物，对于次要地物以卫星影像作为辅助成图，生成成果地形图。
2.如权利要求1所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于，所述步骤A中的融合处理包括以下步骤: (1)将各类数据源的彩色影像与全色影像统一纠正到一个坐标下； (2)将彩色影像重采样，使得 彩色影像与全色影像分辨率之比为1:1或1:4 ; (3)将彩色影像的RGB波段分离出来； (4)将分离出来的RGB波段影像与全色影像融合，得到彩色融合影像。
3.如权利要求1所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于，所述步骤B中对配准影像的裁剪包括以下步骤: (1)以配准卫星影像为基准，读取配准卫星影像的四角坐标Xmin、Ymin、Xmax、Ymax，其中Xmin、Yniin为左下角坐标，Xmax> Ymax为右上角坐标； (2)根据四角坐标，计算出影像覆盖的标准分幅图幅，东方向和北方向的标准图幅幅数计算公式如下:imax= int (XmaxX K/D)-1nt (XminX K/D)、jmax= int (YmaxX K/D) -1nt(YminX K/D)； 其中为东方向的标准图幅幅数，Jmax为北方向的标准图幅幅数，D为分幅比例尺，K为分幅因子，K=100/L，其中L为分幅板式大小； (3)依次用标准分幅的图框构建多边形，多边形的四角坐标为(XJiXD/K ,Y0+jXD/K )、(X0+(i+l) XD/K，Y0+jXD/K)、(X0+(i+l) XD/K，Y0+(j+l) XD/K )、(X0+(i+l) XD/K，YfjXD/K)，其中i的取值范围为零到东方向的标准图幅幅数imax，j的取值范围为零到北方向的标准图幅幅数 jmax，X。= int (XminX K/D) XD/K, Y0 = int (YminX K/D) XD/K； (4)将标准分幅的多边形与影像进行空间分析，将落入标准分幅多边形的的影像进行裁剪； (5)对裁剪形成的标准分幅影像按照标准分幅命名，后缀东北方向的范围大小，具体为命名规则为TE-N-D/2-D/2，其中T为标准图框分幅的含义，E为标准图框左下角东方向坐标，N为标准图框左下角北方向坐标，D为分幅比例尺； (6)将标准分幅影像导出，导出格式为TIF或JPG，根据导出的影像，生成相应版本的坐标定位文件。
4.如权利要求1所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于，所述步骤C的中正确定位并完成正确显示是通过以下方法实现的: 读取需输出的地形图范围内各点的坐标(X，Y)，计算出对应的图幅名称的左下角坐标Xi, Yi,并进行各个标准分幅定位加载处理，其中Xi= int (XXK/D) XD/K, Yi= int (YXK/D) XD/K，对应的影像及坐标文件名称为TX1-Y1-DA-D/^,其中T为标准图框分幅的含义，D为分幅比例尺。
5.如权利要求1所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于，还包括以下步骤: F.对成果地形图进行保密信息处理。
6.如权利要求5所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于，所述对地形图进行保密信息处理是这样进行的: 调用成果地形图中的各地物元素信息，判断其所在图层，若该地物元素信息处于控制点层，则读取其编码进行判断，如果该编码包含于保密数据库中，则为保密地物元素，将该地物元素从成果地形图中删除；若该地物元素信息不处于控制点层或者该编码没有包含在保密数据库中，则保留该地物元素不变。
7.如权利要求1飞任 意一项所述的基于高清卫星影像的地形图一体化快速成图方法，其特征在于:所述的成图方法用于生成1:2000地形图或1:5000地形图。
【文档编号】G06T5/00GK103700063SQ201310386156
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】魏金占, 陈大林, 黄炳强, 莫文通, 王文瑞 申请人:南宁市勘察测绘地理信息院