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光学影像分辨率与制图比例尺关系的比较和分析

作者:孙亮,严…    文章来源:2014测绘学会    点击数:    更新时间:2014-12-26
摘要:针对遥感影像在制图、测图应用。总结了目前航空遥感、航天遥感中由制图比例尺选择影像分辨率的方法,借鉴航测规范的计算方法、经验公式计算方法、误差相等理论的计算方法、最小地物尺度和人眼分辨率的计算方法。得到固定比例尺可以选择的分辨率遥感影像。

引言

近年来,随着遥感技术的发展,数字制图、数字摄影测量等技术大量应用到水土保持监测、土地利用规划、预防监督、城市规划的各项工作中。遥感制图是这些应用的最后一道工序,即充分挖掘这些影像提供的信息,制作相应比例尺的图件,并保证制作图件应有的精度。许多学者对影像分辨率与制图比例尺的关系进行研究。如刘顺喜[1]等提出了中国土地资源管理中不同成图比例尺对资源卫星数据空间分辨率的要求,王宜礼[2]对中国资源卫星资料应用对遥感空间分辨率的要求进行了研究,杨清华[3]等研究了不同空间分辨率卫星数据源对成图比例尺的影响,杨冀红[4]等对110000125000比例尺土地利用图件更新需要多大的遥感空间分辨率进行了研究。对遥感在制图、测图的应用上有很大的指导作用。这些方法是根据多年土地管理的经验总结而成,并没有考虑到人眼的视觉分辨率对成图的影响,也没有明确提出其对应数学关系。本文从航空遥感、航天遥感两个方面,归纳出目前常用的航测规范的计算方法、经验公式计算方法、误差相等理论的计算方法[6]、最小地物尺度和人眼分辨率的计算方法共四种常用方法。并根据以上方法计算固定比例尺所需影像分辨率范围,进而给出了实际能用的商业的遥感影像。实验结果对制图时合理选择遥感影像的分辨率有很大的实际应用价值。

2由制图比例尺选择影像分辨率的方法

2.1 常用由制图比例尺选择影像分辨率方法

2.1.1 基于航测规范的选择方法

航空摄影测量中没有直接给出对影像分辨率的要求,航摄中航摄仪镜头分辨率表示通过航空摄影后在影像上能够分辨的线条的最小宽度。在航摄规范(GB/T15661-2008)中规定航摄仪有效使用面积内镜头分辨率“每毫米内不少于25线对”。根据公式DM/R(其中M为摄影比例尺,R为镜头分辨率)推算航空影像空间分辨率与比例尺关系见表1

1  航空影像空间分辨率与比例尺关系

成图比例尺

航摄比例尺

影响空间分辨率(m

15000

110000~120000

0.4~0.8

110000

120000125000

132000

0.81.01.28

125000

125000~160000

1.0~2.4

150000

150000

2.0

1100000

160000~1100000

2.4~4.0

从表1可以看出成图比例尺愈大,所需的影像分辨率愈高,但两者并不是成线性正比关系。表1可以作为根据满足需要的航片的航摄比例尺选择合适卫星影像分辨率的参考。例如,黄河水土保持监测中心2011年要在黄甫川流域监测水土保持措施(包括梯田、坝地、乔木林、灌木林、草地)及土地利用的面积及分布情况,需要1m以下的分辨率才能满足需要,根据公式计算,选择了135000航摄比例尺。

2.1.2 基于经验公式选择方法

光学遥感影像分为机载和星载。除按航测规范选择遥感影像分辨率的方法外,还可以基于经验公式的方法选择星载影像。了解这种方法首先需要先了解一下英寸这个单位。在电子产品横行的时期,丈量电子产品的长度、宽度都是以英寸为单位,比如我的笔记本电脑15.4寸、手机屏幕宽度3.5寸。且指的都是对角线的长度。单位换算:1英寸(inch=96像素(一般的屏幕比例尺),1英寸=25.4mm1=1000/25.4=39.37英寸,比例尺=1像素宽度/分辨率,1像素宽度=1/96*25.4/1000。现在以一幅2.5米分辨率Spot的影像来为例,计算一下能够制作多大比例尺的地形图。因为,比例尺=1像素宽度/2.5=1/96*25.4/1000/2.5=1/9448.82,所以通过计算可知,可以用来做110000的数据。Quickbird分辨率0.61米,换算为比例尺,1/96*25.4/1000/0.61=1/2305可以用来做12000数据。

当然还不能通过这种公式换算直接将分辨率和比例尺地图画等号。毕竟还有很多的因素导致等号并不成立。比如屏幕比例尺、影像图每一个位置分辨率等等都不一定是固定值。一般情况下通过分辨率计算出来的比例尺值会出现偏大的情况。所以只提供一个初步估算的思路仅供参考。

2.1.3 基于误差相等理论的选择方法

星载遥感影像基于经验公式的选择知识提供一个初步的参考,在实际应用中的精度和可靠性都不高。实际应用中用的较少。而基于误差相等理论的选择方法则精确的多。资源卫星遥感影像空间分辨率R(单位为m)与可制作的合理成图比例尺优(优为比例尺分母)以及图件要求的误差范围e(单位为mm)存在以下关系:

                               e*m*10^-3=C*R                           1

式中C为影像几何校正系数,即经几何校正以后,最差的像元位置均方根差(Root Mean Square,简称RMS),以像元为单位,e为人眼的分辨率,通常采用0.2mm。几何校正系数C是一个待定变量。以RTK测量值作为真值,求出精校正遥感影像与真值的误差,计算得到误差的均方根差,就可以求出精纠正遥感影像均方根差的像元个数,即C的值(由实际测量真值计算得)。利用(1)式可以计算固定比例尺的遥感影像分辨率。通常,遥感影像空间分辨率越低,几何校正系数C就应设置越大,这是因为空间分辨率越低,影像边缘几何变形就越大,几何校正的效果就越差。

2.1.4 考虑最小地物尺度和人眼分辨率的计算选择方法

在遥感制图中,需要人眼的目视解译,而上述三种方法都没有考虑到人眼的分辨率,这对影像的选择和制图精度有很大的影响。在选择制图遥感影像的空间分辨率时需要考虑两个因素,一是地图的成图比例尺,二是最小地物的尺度。在遥感影像中

                          Rg=Rs*f/H                               2

其中Rg为空间分辨率(线对/m),H为摄影高度(m),Rs为系统分辨率(线对/m),f为成像仪焦距(m)。而实际空间分辨率Rm)即图像能够识别的地面上两个目标的最小距离可以通过Rg/2求得

                             R=Rg/2                                 3

其中R代表实际空间分辨率Rm),Rg代表空间分辨率(线对/m)。研究地图比例尺与遥感空间分辨率的对应关系问题需设置公式,评估各类地图比例尺的精度。在测量工作中称相当于0.2mm(人的视觉分辨率)的实地水平距离为比例尺的精度。

                            A=L/1/M)                            (4

其中A为比例尺的精度,1/M为比例尺,L为人眼的视觉分辨率。根据公式可得各种地图比例尺精度,为了使遥感图像成图时能达到地图比例尺的精度,遥感影像的空间分辨率应小于地图比例尺的精度。即

                            Rg<=A                                 5

根据公式(4)和(5),可以推出

                           1/M<=L/Rg                               6

                     R<=[L/(1/M)]/2=L*M/2                         7

最小地物是地图呈现的地物的最小极限值,对卫星数据的空间分辨率的要求起决定作用。遥感图像的空间分辨率应小于最小地物的尺度。设R min为最小地物的直径,则

 R<=R min                                 8

将公式(7)与公式(8)进行合并,因而遥感制图所选用遥感影像空间分辨率的范围为

R={L*M/2~Rmin}                              9

利用公式(9)即可确定不同比例尺制图中需要多大分辨率的影像图。

实验分析

实验中以需要制作150001100001250001500001100000比例尺的地形图为例,分别利用4种常用方法计算各个比例尺地形图需要的影像分辨率,计算结果如表2

 

各方法计算结果表

航空遥感影像分辨率与制图比例尺关系

分辨率(米)

比例尺

0.4~0.8

0.8  1.0  1.28

1.0~2.4

2.0

2.4~4.0

15000

110000

125000

150000

1100000

基于经验公式

分辨率

比例尺

0.61

1.32

2.64

6.1

13.2

26.4

12500

15000

110000

125000

150000

1100000

基于误差相等理论

分辨率

比例尺

0.61

1.25

2.5

6.25

12.5

25

12500

15000

110000

125000

150000

1100000

同时考虑最小地物尺度与人眼分辨率

分辨率(L*M )/2~Rmin

比例尺

0.5~Rmin

1~Rmin 

2~Rmin

5~Rmin

10~Rmin

20~Rmin

12500

15000

110000

125000

150000

1100000

卫星影像空间分辨率的选择除了考虑不同比例尺成图对影像空间分辨率要求,还要考虑现有可获取的卫星影像产品的规格,因为卫星摄影与航空摄影不同,其摄影高度(即摄影比例尺)是固定的。表4列出几种商用卫星影像的空间分辨率。

3卫星影像空间分辨率

卫星

QuickBird-2

EKONOS-2

SPOT-5

SPOT-4

Landsat-7

最高分辨率(m

0.61

1

2.5

10

15

根据人眼的分辨率(0.2mm)可以计算出纸质各比例尺地形图的地面分辨率(即0.2mm乘以地图比例尺的分母)。在测绘成图时,大于地形图地面分辨率的地物或地貌必须测绘到地形图上,此要求反映在利用卫星遥感图像进行测绘成图时,对卫星遥感图像空间分辨率的最低要求可以参照为相应比例尺地图的地面分辨率。据此可估算制作各种比例尺专题图所需卫星遥感图像的空间分辨率。遥感图像的空间分辨率、波谱分辨率、时间分辨率是遥感图像信息的基本属性。其中空间分辨率的选择是关键,主要依据是制图比例尺的大小,一般来说,为了保持地表细节的清晰度,比例尺越大,要求影像的空间分辨率也越高。对一个给定分辨率的遥感影像来说,空间分辨率过高则信息和数据冗余,空间分辨率过低,不适合该比例尺的制图。空间分辨率或比例尺的选择同时也要考虑影像所包含的地物内容和纹理特征,如果制图内容是以大面积的流域、海域和植被为主,可以适当降低分辨率,或提高比例尺的大小。如制作15000的专题规划的城区图,对细节要求不高,更关注地物的整体布局,此时就不必选择太高分辨率的影像。如果以星载影像为数据源,常用几种方法算得的分辨率分别为1.321.250.2~1米,综合分析之后可知选择1.32米左右的即可。综合分析各计算方法和实际制图应用得表4

 

4  成图比例尺对卫星遥感空间分辨率的要求

比例尺

15000

110000

125000

150000

1100000

影像分辨率

OrbView5(0.41)

WorldView(0.5)

QuickBird-2(0.61)

EROSB(0.7)

EROSC(0.7)

Pleiades-1(0.7)

Pleiades-2(0.7)

OrbView3(1)

KOMPSAT-2(1)

ResursDK-#1(1)

IRS Cartosat2(1)

IKONOS-2(1)

EROSA1(1.8)

RoCSat2(2)

THOES(2)

资源102C(2.36)

SPOT-5(2.5)

TopSat(SSTL)(2.5)

Cartosat 1(2.5)

RazakSat(2.5)

ALOS(2.5)

资源3号(2.5

资源3号(4

北京1号(4

CBERS-3(5)

CBERS-4(5)

IRS1C(6)

IRS1D(6)

IRSResourceSat-1(6)

IRSResourceSat-2(6)

KOMPSAT-1(6.6)

SPOT-4(10)

资源3号(10

Landsat-7(15)

资源1-0119.5

资源1-02B20

结论

通过探讨地图比例尺与遥感影像空间分辨率的关系,可以确定遥感制图所要达到的实际空间分辨率的范围。通过计算实例和参考目前的一些实际应用项目,也表明了通过公式计算推导得出基于固定比例尺选择合适分辨率的影像是切实可行且具有实际应用价值。对于大比例尺成图一般采用机载影像,对于中小比例尺成图,一般选用星载影像。当采用机载影像时,直接按照规范选择即可,当选择星载影像时,需同时考虑精度,经济等问题。一般采用同时考虑人眼分辨率和最小地物尺度方法,这种方法最终给出的是基于固定制图比例尺和一定人眼分辨率条件下,最小分辨率到最小地物尺度的范围,在这范围内的影像的可选择性较多,且精度较其他方法更好、更可靠,从而指导遥感制图影像的合理选择。但星载影像也有一些问题,第一:遥感影响获取相对困难,主要是因为光学遥感受气候条件影响较为严重且获取周期较长,很难满足实际生产的需要而航片又较昂贵。第二:目前大面积采用卫星影像更新大比例尺地形图的试验还缺乏权威的认定。第三:卫星影像的质量指标及评定还需有规范制约;如商用高分辨率卫星数量有限,预订卫星影像要受订单市场影响。第四:在目前阶段,还未取得大量可靠的综合统计数据时,不宜过度夸大用卫星影像完全取代航摄资料的作用。以上方法只是针对光学影像,对于雷达影像方面选择分辨率考虑因素更加复杂,但基于其成像特点,将来的应用前景更为广阔,尚需进一步的探讨。

 参考文献

[1] 刘顺喜,尤淑撑,张定祥.土地资源管理对我国后续资源卫星数据空间分辨率的需求分析[J].国土资源遥感,200358(4)6-8.

[2] 王宜礼.我国资源卫星资料应用对空间分辨率的要求[J]. 国土资源遥感,200252(2)1-3.

[3] 杨清华,齐建伟,孙永军.高分辨率卫星遥感数据在土地利用动态监测中的应用研究[J].国土资源遥感,200150(4)20-27.

[4] 杨冀红,孙毅,刘顺喜.高分辨率卫星遥感影像数字化更新县级土地利用基础图件的试验研究[J].中国土地科学,200216(3)41-45. 

[5] 潘家文,朱德海,严泰来,等.遥感影像空间分辨率与成图比例尺的关系应用研究[J].农业工程学报,2005(9)124128

 

Compare and analysis the relation of optical remote sensing image resolution ratio and plotting scale

Li Hui

( The First Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, NASG, 334 Youyi East Road, Xian, Shaanxi Province 710054, China)

    Abstract: Specific to the problem how to select suitable remote-sensing imageresolution ratio  using in map-making and cartographical surveying we discuss the relation of resolution ratio and plotting scaleSummarized and analyzed the way of basing on plotting scale to select the remote-sensing image in space remote sensing and aerial remote sensing at present and concluded the frequently-used 4 methods。 On the base of the Aerial standard, empirical formulathe equal of the error the min features scale and visual resolution constitute the 4 methodsRefer to the above methodswe could gain the reasonable resolution ratio of remote-sensing imageConsidering to the settled plotting scaleseparately calculate the resolution ratio to analysis and contrast The result of the experiment shows that we could be able to confirm the range of the actual spatial resolution by plotting scalewhich could conduct us to choose the remote-sensing image accuracyly and efficientlyThe result is useful and important to applying in the production

    Keywords: Cartography and geography information system;  plotting scale; remote sensing

Tags:地图学与地理信息系统,制图比例尺,遥感  
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