高分辨率遥感卫星立体影像制作地形图在海外铁路勘测设计中的应用.pdf

·线路／路基· 收稿日期：２０１５ ０１ ２２ 基金项目：中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目（０９-０９Ｃ） 高分辨率遥感卫星立体影像制作地形图 在海外铁路勘测设计中的应用 蒋俊杰 （中国土木工程集团有限公司 北京 １０００３８） 摘 要 基于海外铁路项目勘测设计中面临的地形基础资料奇缺及获取困难等问题，应用高分辨率遥感卫星立体 影像制作地形图技术可以解决。结合海外铁路工程实例，对高分辨率遥感卫星立体影像立体定位、测绘制图、应用 效果等进行分析和介绍，证明其精度和功能可以满足铁路勘测设计１∶２ ０００ 地形图要求，该项技术在海外项目勘测 设计中值得推广使用。 关键词 高分辨率 卫星立体影像 测图 海外铁路 勘测设计 中图分类号 Ｐ２３６；Ｕ２１２．２ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１５）０６ ００６９ ０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ Ｍａｐｓ ｆｒｏｍ Ｓｔｅｒｅｏ Ｉｍａｇｅｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｉｎ Ｏｖｅｒｓｅａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｊｉａｎｇ Ｊｕｎｊｉｅ （Ｃｈｉｎａ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒｏｕｂｌｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｄａｔａ ｉｎ ｏｖｅｒｓｅａ ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｍａｐｓ ｆｒｏｍ ｓｔｅｒｅｏ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｒａｉｌｗａｙ ｐｒｏｊｅｃｔ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｒｅｏ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，ｓｔｅｒｅｏ ｉｍａｇｅ ｍａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ，ｔｈｅ ｆａｃｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ １∶２ ０００ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｍａｐ，ｉｔ ｗａｓ ｗｏｒｔｈ ｕｓｉｎｇ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｓｔｅｒｅｏ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｉｍａｇｅｓ；ｍａｐｐｉｎｇ；ｏｖｅｒｓｅａ ｒａｉｌｗａｙ；ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ １ 引言 中国铁路自上世纪７０ 年代走出国门，到如今以 高铁技术为代表参与全球化竞争，是国家“走出去” 战略成功实施的典型。中国高铁技术的逐步全球 化，对促进高端技术产业的输出，扩大中国在世界 的影响力，提升国家形象具有重要的意义。尼日利 亚沿海铁路合同额近１２０ 亿美元，刷新了中国企业 海外承包工程单体合同额最高纪录。中国铁建联 合体承建的连接土耳其首都安卡拉和土最大城市 伊斯坦布尔的高速铁路二期工程顺利实现通车，标 志着中国铁路在更大范围、更宽领域、更高层次走 向海外。 随着中国铁路的“走出去”，铁路勘测设计，特 别是项目前期设计中不可避免地出现一些难题，非 洲等一些不发达地区项目基础资料奇缺，项目前期 阶段很难收集到当地的地形图资料，利用Ｇｏｏｇｌｅ ｅａｒｔｈ 等一些免费的卫星地形数据为依据做出的技 术方案难以满足设计精度要求，由此得出的技术方 案及工程量往往不能反映项目的真实情况，给承包 商的投标报价带来一定的风险。另一方面，由于各 国政治体制的不同，在一些国家或地区难以实现大 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（６） ６９ ·线路／路基· 面积航飞测绘地形图，而传统的手工测图不但效率 低，精度差，而且在测绘过程中难以保证人员设备 安全。因此，如何寻找一种快速、便捷获得海外地 区项目范围内较为准确地形资料的方法在海外项 目勘测设计过程中越来越紧迫和重要。 ２ 卫星影像定位原理 卫星影像是遥感卫星在太空中，探测地球地表 物体对电磁波的反射及其发射的电磁波，从而提取 该物体的信息，完成远距离识别物体，并将这些电 磁波转换、识别得到可视图像，即为卫星影像，俗称 “卫星地图”。 ２．１ ＲＰＣ 模型 成像期间卫星繁琐的姿态控制导致影像的严 格几何模型形式极其复杂，要利用其提取地球空间 三维信息，需要在向用户提供影像的同时把卫星详 细的轨道星历、传感器成像参数和成像方式等信息 一并交付，并且，最终用户需要具有摄影测量的专 门知识和相当专业、复杂的应用处理系统。为了降 低对用户专业水平的要求，扩大用户范围，同时保 护卫星的核心技术参数不被泄漏，有些厂家开始向 用户提供一种与传感器无关的通用型成像几何模 型—ＲＰＣ（Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ 或Ｒａｐｉｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）模型，替代以共线条件为基础的 严格几何模型［１］。 ＲＰＣ 模型的实质是有理函数模型，使用２ 组多 项式函数，分别计算从地面空间坐标到影像的行列 坐标，定义如下多项式： ｓ ＝Ｎｕｍｓ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） Ｄｅｎｓ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） ｌ ＝Ｎｕｍｌ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） Ｄｅｎｌ（Ｕ，Ｖ，Ｗ } ） （１） 式中，Ｎｕｍｓ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、Ｄｅｎｓ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、Ｎｕｍｌ（Ｕ，Ｖ， Ｗ）、Ｎｕｍｌ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）都是三次多项式函数。（Ｕ，Ｖ， Ｗ）是标准化后的地面点空间坐标（纬度φ、经度λ、 高程ｈ）、（ｓ，ｌ）是像点原始坐标（Ｓ，Ｌ）标准化后的坐 标，即 Ｕ ＝φ－φ０ φｓ ，Ｖ ＝λ－λ０ λｓ ，Ｗ ＝ｈ －ｈ０ ｈｓ ， ｓ ＝Ｓ －Ｓ０ Ｓｓ ，ｌ ＝Ｌ －Ｌ０ Ｌ } ｓ （２） 式中，φ０、λ０、ｈ０、Ｓ０、Ｌ０ 为标准化平移参数，φｓ、λｓ、 ｈｓ、Ｓｓ、Ｌｓ 为标准化比例参数，这些参数与ＲＰＣ 模型 中４ 个多项式的８０ 个系数共同保存在卫星厂家提 供给用户相应的ＲＰＣ 文件中。 ２．２ ＲＰＣ 模型的立体定位原理 联立（１）、（２）式，可将像点原始坐标（Ｓ，Ｌ）表 示为： Ｓ ＝Ｓｓ·Ｆ（φ、λ、ｈ）＋Ｓ０ Ｌ ＝Ｌｓ·Ｇ（φ、λ、ｈ）＋Ｌ } ０ （３） 式中， Ｆ（φ、λ、ｈ）＝Ｎｕｍｓ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） Ｄｅｎｓ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） ， Ｇ（φ、λ、ｈ）＝Ｎｕｍｌ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） Ｄｅｎｌ（Ｕ，Ｖ，Ｗ） 将（３）式泰勒展开为一次项，于是求解地面点 空间坐标的误差方程为： ｖｓ ＝аＳ аφΔφ＋аＳ аλΔλ＋аＳ аｈΔｈ －（Ｓ －Ｓ∧ ） ｖＬ ＝аＬ аφΔφ＋аＬ аλΔλ＋аＬ аｈΔｈ －（Ｌ －Ｌ∧ } ） 根据同名像点的像坐标（Ｓｌ，Ｌｌ）、（Ｓｒ，Ｌｒ），可列 出以下误差方程： ｖｓｌ ｖｓｒ ｖＬｌ ｖＬ   ｒ ＝ аＳｌ аφ аＳｌ аλ аＳｌ аｈ аＳｒ аφ аＳｒ аλ аＳｒ аｈ аＬｌ аφ аＬｌ аλ аＬｌ аｈ аＬｒ аφ аＬｒ аλ аＬｒ а   ｈ Δφ Δλ Δ   ｈ － Ｓｌ －Ｓ∧ ｌ Ｓｒ －Ｓ∧ ｒ Ｌｌ －Ｌ∧ ｌ Ｌｒ －Ｌ∧   ｒ （４） 其中，ｖ ＝ＡΔ－ｌ 于是地面坐标改正数Δ为 Δ ＝［ΔφΔλΔｈ］ Ｔ ＝（ＡＴＡ）－１ ＡＴｌ ３ 卫星影像制作地形图过程 目前，在全球范围内从事民用卫星影像业务 的主要是美国的多家商业卫星公司，在国内可以 通过代理机构购买到他们的卫星影像资料，并能 提供一些个性化服务，十分便捷。从事商业卫星 影像业务的公司及其产品特征见表１，卫星影像样 片见图１。 ７０ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（６） ·线路／路基· 表１ 商业卫星公司及其产品特征 商业遥感卫星 影像 分辨率 适合最大 制图比例尺 运营商 ＧＥＯＥＹＥ-１ ０．４１ ｍ １∶２ ０００ 美国ＧｅｏＥｙｅ 公司 ＷｒｏｄＶｉｅｗＩ／Ⅱ ０．５ ｍ １∶２ ０００ 美国ＧｅｏＥｙｅ 公司 Ｑｕｉｃｋ Ｂｉｒｄ ０．６１ ｍ １∶２ ５００ 美国数字全球 （Ｄｉｇｉｔａｌ Ｇｌｏｂｌｅ）公司 ＥＲＯＳ-Ｂ ０．７ ｍ １∶５ ０００ 以色列ＩｍａｇｅＳａｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 公司 ＩＫＯＮＯＳ ０．８２ ｍ １∶５ ０００ 美国ＧｅｏＥｙｅ 公司 ＡＬＯＳ 全色／多光谱２．５ ／１０ ｍ １∶２５ ０００ 等 日本宇航研究 开发机构（ＧＡＸＡ） ＳＰＯＴ 系列卫星２．５ ／５ ／１０ ｍ １∶２５ ０００ 等 法国空间 研究中心（ＣＮＥＳ） 图１ ＷｏｒＩｄＶｉｅｗ-Ⅱ卫星影像样图 通过向代理机构 购买获得所需区域的 卫星立体影像（立体像 对）后，需要对所在区 域建立平面、高程测量 控制网，进行外业控制 测量。同时，对卫星影 像上无法判读的地物、地名等进行实地调绘，最终 形成完整的外业成果文件。制作地形图的过程与 普通航空摄影测量绘制地形图过程基本类似。 需要指出的是，大部分地区仅有影像单片，若 要获得满足制作地形图及精度要求的立体像对影 像，需提前向卫星公司订购，周期一般需要数月甚 至更长。 ４ 工程应用情况及效果 ４．１ 工程概况 埃塞俄比亚铁路Ｍｉｅｓｏ-Ｄａｗａｎｌｅ 段是新建标准 轨铁路Ｅｔｈｉｏｐｉａ／Ｓｅｂｅｔａ-Ｄｊｉｂｏｕｔｉ ／Ｎａｇｄａ 的其中一段。 线路西起埃塞中部的Ｍｉｅｓｏ 东至边境小镇Ｄａｗａｎｌｅ 以东的埃－吉两国边境，线路全长３３９ ｋｍ。本段铁 路西端同Ｓｅｂｅｔａ-Ｍｉｅｓｏ 段铁路相接至埃塞俄比亚首 都Ａｄｄｉｓ Ａｂａｂａ，东端同吉布提境内铁路相接至吉布 提港，将形成埃塞俄比亚至吉布提港的出海运输大 通道。该项目采用中国规范设计，是非洲地区第一 条完全采用中国规范标准和流程建设的铁路。主 要技术标准如下［２］： （１）正线数目：单线； （２）限制坡度：双机１８．５‰； （３）设计行车速度：旅客列车最高速度１２０ ｋｍ／ｈ； 货物列车最高行车速度８０ ｋｍ／ｈ； （４）牵引种类：电力； （５）闭塞类型：半自动闭塞。 埃塞境内以山地高原为主，大部属埃塞俄比亚 高原。线路起自埃塞东部高原，地形较平缓，部分 地段有一定的起伏，属低缓丘陵地区，植被较发育。 线路中段属于埃塞东部冲洪积平原区，地形平坦， 植被不发育。线路尾段属于埃塞东部高原，属剥蚀 丘陵地区，地形有较大的起伏，植被不发育，地形及 地貌情况参见实景图２、图３。全线地形规定为Ⅰ ～ Ⅲ级。地形起伏不大，植被不发育地区有利于卫星 影像高程信息采集精度的提高。 图２ 低丘地貌 图３ 平原地貌 ４．２ 应用情况及效果 项目可研阶段采用ＷｏｒｄＶｉｅｗ 高分辨率（０．５ ｍ） 卫星立体影像制作１∶２ ０００ 地形图，线路两侧各５００ ｍ， 车站按要求加宽，共制图约３５０ ｋｍ２，全线共使用１８ 个卫星立体像对。像控点联测采用ＧＰＳ 快速静态 作业技术，人工调绘，地形图成果如图４ 所示。 图４ ＷｏｒｄＶｉｅｗ-Ⅱ卫星立体影像制作的１ ∶２ ０００ 地形图 为保证制图质量和精度，随机选取不同地段共 ２６２ 个离散点进行高程精度实地检测，其中８４ 个离 散点进行了点位精度实地检测，误差分布情况见 表２。 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（６） ７１ ·线路／路基· 表２ 实地检测精度分布情况 项目 高程检测误差范围／ｍ Δ＜０．５ ０．５≤Δ＜１．０ １．０≤Δ 平面检测误差范围／ｍ Δ＜１．０ １．０≤Δ＜２ ２．０≤Δ 点数／个２２３ ３５ ４ ５０ ２２ １２ 占比／％ ８５．１ １３．４ １．５ ５９．５ ２６．２ １４．３ 总点数／个２６２ ８４ 统计数据计算表明，实际Ⅱ、Ⅲ级地形中平面中误 差达到１．５６ ｍ（《铁路工程测量规范》要求Ⅱ级地形 ２．０ ｍ、Ⅲ级地形２．４ ｍ），高程中误差达到０．３３ ｍ （《铁路工程测量规范》要求Ⅱ级地形０．９６ ｍ、Ⅲ级 地形１．６ ｍ），符合规范规定２ ０００ 地形图精度要 求［３ －４］，国家规范及铁路行业规范对地形图点位及 高程精度误差的规定见表３。 表３ 国家规范与铁路行业规范地形图精度要求 比例尺规范 图上地物点的 点位中误差／ｍｍ Ⅰ、Ⅱ Ⅲ、Ⅳ 高程注记点高程中误差／ｍ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ １：２ ０００ 国家摄影 测量规范 铁路工程 测量规范 ０．６ ０．８ １．０ １．２ 困难时１．６ ０．４ ０．５ １．２ １．５ ０．６ ０．９６ １．６ ２．０ 隐蔽和困难地区，可按 上面规定放宽到１．５ 倍 ５ 结束语 高分辨率卫星影像可为铁路勘测制图提供新的 数据来源，具有较高的定位精度和较强的时效性，并 且脱离了地域、人为管制（如边境地区、禁飞区）等限 制，可在任何区域开展勘测制图工作，尤其适合海外 地区项目采用。同时，大面积的卫星影像制图能减少 外业工作，通过合理布设定向外控点就能达到较高的 定位精度，满足铁路勘察设计要求。我国已陆续成功 发射“高分一号”、“高分二号”遥感卫星并投入使用， 国产光学遥感卫星空间分辨率已达到亚米级，随着我 国高精度卫星的发展，利用卫星影像制作地形图的成 本还将大幅度降低，将与业内航空摄影测量形成互补， 推动铁路勘测设计手段向更高效、更全面方向发展。 参考文献 ［１］ 张永生，刘军．高分辨率遥感卫星立体影像ＲＰＣ 模型 定位的算法及其优化［Ｊ］．测绘工程，２００４，１３（１）． ［２］ 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