汪連賀，柯 灝

（1.天津海事測繪中心 天津市 300222；2.武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心 武漢市 430079）

海圖地形信息修測是海洋測繪的常規(guī)任務(wù)，采用常規(guī)測量方法實現(xiàn)海圖測量存在很多問題，比如效率低、人力物力投入大、現(xiàn)勢性無法保證等。特別是針對那些船只無法到達或者有爭議的海域，無法實現(xiàn)現(xiàn)場測量，嚴(yán)重影響了海圖的現(xiàn)勢性。衛(wèi)星遙感技術(shù)不受地域限制，快速、高效、復(fù)測頻率高，可以比較及時地獲取地形信息。本文提出一個自動下載拼接生成衛(wèi)星影像圖，并且基于該衛(wèi)星影像圖，進行海圖地形和DEM等高線數(shù)據(jù)數(shù)字化提取，提取結(jié)果導(dǎo)出到其他GIS系統(tǒng)中的技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思想

系統(tǒng)軟件功能的主要設(shè)計思想為：影像圖下載、拼接和輸出，數(shù)字化，數(shù)字化結(jié)果以不同的格式導(dǎo)出，供其他GIS軟件使用。

影像圖下載、拼接和輸出：下載過程中對區(qū)域中各部分不同圖像分辨率的情況，先進行統(tǒng)一圖像分辨率的處理，然后再進行圖像的拼接，最后，對拼接后的圖像以GeoTIFF的文件格式輸出，便于其他GIS系統(tǒng)使用。

道路自動拼接算法：對于被截斷的孤立局部道路要素，自動拼接到一起，成為一個要素，減少導(dǎo)出時道路要素的數(shù)量。圖1為影像圖生成與矢量化流程圖。

圖1 影像圖生成與矢量化流程圖

1.2 功能設(shè)計

（1）影像圖下載：根據(jù)圖紙精度要求，下載相應(yīng)級別的影像圖；（2）影圖像處理：將下載的影像圖進行拼接和幾何配準(zhǔn)。（3） 圖像圖形疊加顯示：將影像圖數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的矢量成果數(shù)據(jù)疊加顯示，作為數(shù)字化的基礎(chǔ)背景資料。（4） 圖像數(shù)字化：提供人工道路描繪等數(shù)字化軟件功能，得到矢量化新圖層數(shù)據(jù)。（5）圖形與屬性編輯：可對數(shù)字化的圖層數(shù)據(jù)進行圖形編輯和屬性編輯輸入。（6）特征碼匹配：根據(jù)提供的規(guī)則，對要素特征碼進行匹配。（7） 圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)出：將制作好的矢量數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的格式進行輸出。（8）DEM影像圖下載與拼接校正處理：DEM影像圖下載與拼接校正處理。（9）DEM等高線自動提?。篋EM等高線自動提取。（10）等高線修正編輯：等高線矢量數(shù)據(jù)的修正編輯。（11）特征碼匹配和文件導(dǎo)出：將制作好的等高線數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的格式進行輸出。（12）投影轉(zhuǎn)換：經(jīng)緯度坐標(biāo)與墨卡托投影的正算、反算，經(jīng)緯度坐標(biāo)與高斯投影的正算、反算。

2 影像圖生成與數(shù)字化

影像圖生成與數(shù)字化主要分以下步驟實現(xiàn)：區(qū)域劃分、影像圖自動日期判斷、影像圖下載、新舊影像圖對比、圖像糾偏、圖像合成，矢量數(shù)據(jù)提取、人工校驗、編輯與導(dǎo)出。

2.1 影像圖生成

2.1.1 區(qū)域劃分

以北方海區(qū)為例，把近海范圍劃分成若干個小的區(qū)域，小區(qū)域的范圍和一定級別的影像圖的范圍一致。劃分區(qū)域主要是為了計算和比較影像圖是否更新（圖2）。

圖2 選擇影像圖下載區(qū)域與精度

2.1.2 影像圖日期判斷

利用軟件來判斷北方海區(qū)各小區(qū)域影像圖的日期，如果日期發(fā)生了變更，就利用下載工具把圖片重新下載。

2.1.3 圖像對比

利用圖像處理程序?qū)γ總€小區(qū)域的新下載的圖片和原來此區(qū)域的圖片進行對比，如果發(fā)現(xiàn)某個區(qū)域新圖像和老的圖片不一致，把新下載的圖片作為待矢量化的數(shù)據(jù)來源。

2.1.4 圖像配準(zhǔn)校正

例如，于干燥、低溫或者風(fēng)沙較大的環(huán)境下，沒牛羊患疥癬類寄生蟲病的可能性會大幅度提升，這時由于此類氣候環(huán)境有利于疥癬病原體的生長和傳播，牛羊在感染此類寄生蟲以后，會出現(xiàn)全身奇癢、皮膚變厚且逐漸粗糙化、機體消瘦及脫毛情況嚴(yán)重等癥狀。同時，此類寄生蟲會長時間的存在于牛羊的體外表層，吸取牛羊機體的營養(yǎng)，致使患病機體日益虛弱化，最終因免疫力極具降低而死亡。想要提升牛羊寄生蟲病的預(yù)防及控制質(zhì)量，我們需要注重對影響各種牛羊寄生蟲的生長及繁殖條件的因素及其與寄主間存在的關(guān)系加以充分的了解和分析，同時，也需要對寄生蟲的生長及傳播條件等進行有效掌握和科學(xué)控制。

根據(jù)控制點利用MapInfo對所下載范圍內(nèi)的影像圖進行配準(zhǔn)和校正，其中控制點的數(shù)據(jù)來源為海測大隊所提供的實地測量數(shù)據(jù)。選取控制點時，應(yīng)保證數(shù)個控制點平均分布在每個小區(qū)域中，若出于配準(zhǔn)精度的需要，則根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)資料，尋找其他若干控制點，對影像圖進行進一步校正，以達到最佳效果。

2.1.5 生成影像圖

利用圖像處理軟件，生成高精度的影像圖，保存為GeoTIF文件格式，便于導(dǎo)入到Caris等GIS系統(tǒng)中。

2.2 影像圖矢量化

2.2.1 要素數(shù)字化

利用軟件人工對影像圖進行矢量化，對點、線、面等數(shù)據(jù)進行矢量數(shù)據(jù)提取。提取過程中除了已經(jīng)制作好的影像圖，同時還需要其他相關(guān)地名庫數(shù)據(jù)和接邊的基礎(chǔ)海圖底圖的支持（如圖3所示）。

圖3 影像圖矢量化界面

2.2.2 人工校驗

2.2.3 矢量要素編輯與合成

對提取無誤的矢量數(shù)據(jù)利用本系統(tǒng)軟件進行要素編輯和合成工作，要素編輯主要是進行屬性關(guān)聯(lián)，對一級道路、二級道路等要素進行特征碼賦值并命名。

各個圖層的要素編輯完成后，利用軟件對矢量數(shù)據(jù)進行合成處理。

2.2.4 矢量文件導(dǎo)出

從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和影像圖數(shù)字化的數(shù)據(jù)中將線狀數(shù)據(jù)和點狀要素數(shù)據(jù)導(dǎo)出，支持多種GIS格式，如：shp、kml、tab、dxf和ASCⅡ等其他文件類型。

2.2.5 投影轉(zhuǎn)換

經(jīng)緯度坐標(biāo)與墨卡托投影的正算、反算，可輸入基準(zhǔn)緯度等參數(shù)，包括單點計算和文件導(dǎo)入批量計算，經(jīng)緯度坐標(biāo)與高斯投影的正算、反算，可輸入中央經(jīng)線和大地基準(zhǔn)面等參數(shù)，包括單點計算和文件導(dǎo)入批量計算。

3 精度測試

3.1 測試數(shù)據(jù)

（1）區(qū)域選?。哼x取天津塘沽地區(qū)從東疆港到臨港的近海和離岸10多公里的開發(fā)區(qū)街道范圍，另外也選取大連普蘭店局部地區(qū)，作為小的區(qū)域測試用例。

（2）影像圖日期判斷及下載，影像圖的拍攝日期為2011年底。

（3）岸線對比：將下載的遙感影像圖與現(xiàn)有的實測岸線矢量信息進行比對，發(fā)現(xiàn)二者道路信息基本相重，相差1 m。（圖4）

（4）街道對比：將利用高精度測量儀在天津開發(fā)區(qū)街道實測的90個點坐標(biāo)數(shù)據(jù)與遙感影像圖疊加比較（圖5），精度誤差為1 m（部分點偏差較大，經(jīng)核實是因為測量點沒有緊鄰路邊），如表1；

圖4 實測岸線數(shù)據(jù)與影像圖的疊加

圖5 天津港實測數(shù)據(jù)與遙感影像圖疊加比較

表1 天津港遙感影像數(shù)字化坐標(biāo)與實測坐標(biāo)誤差統(tǒng)計

（5）使用普蘭店地區(qū)大隊實測碼頭、岸線數(shù)據(jù)和影像圖數(shù)字化得到的成果數(shù)據(jù)進行比較，整體重合度較高。從岸線拐點中均勻分布地選取15個點進行數(shù)據(jù)比較（圖6），結(jié)果發(fā)現(xiàn)誤差在2 m以內(nèi)，精度較高，如表2。

圖6 普蘭店實測數(shù)據(jù)與遙感影像圖疊加比較

表2 普蘭店遙感影像數(shù)字化坐標(biāo)與實測坐標(biāo)誤差統(tǒng)計

3.2 測試結(jié)論

下載的衛(wèi)星影像圖經(jīng)配準(zhǔn)校正后，與大隊實測矢量數(shù)據(jù)疊加效果很好，基本誤差精度在0～1.5 m之間，個別點誤差精度在1.5～2 m之間。

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)提供了一種利用遙感影像獲取矢量數(shù)據(jù)的方法，根據(jù)規(guī)范精度要求，該方法可以達到制作小比例尺海圖的要求。海事局海圖的岸線、碼頭等關(guān)鍵要素需要進行實測，該方法可以用于采集海圖內(nèi)陸地形數(shù)據(jù)；

（2）對于空白海圖資料地區(qū)或者現(xiàn)場實測有難度的地區(qū)尤其是人無法到達區(qū)域提供了一種快速取得矢量數(shù)據(jù)的途徑，對于加速海圖的更新周期具有一定的促進作用；

（3）該系統(tǒng)可以為測量港口前進行地理調(diào)查提供參考；

（4）本系統(tǒng)成果在判別堤岸線類別和零米線時較為困難。

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