1、国产卫星遥感数据在电力选线中的适用性研究 熊宝武 王帅 赵斌彬 谭玉敏 吴春生 北京航空航天大学交通科学与工程学院 中国电力科学研究院 国网河北省电力公司 摘 要： 国产卫星遥感数据以其大范围同步观测、综合成本较低等特点在电力选线中具有潜在的应用优势。本文以某 220 k V 架空输电线路设计为例, 对高分二号正射影像进行无控定位精度和有控定位精度分析比较, 以及对资源三号影像进行区域网平差, 统计分析其在无控制点和有控制点情况下的平差精度。研究表明:高分二号卫星影像在有控制点的情况下其纠正精度完全能够满足 110 000 全地形比例尺精度要求, 利用资源三号影像制作 DSM 的高程精度能够满
2、足山区110 000 地图比例尺要求。综合电力选线相关规程中对选线各阶段的比例尺要求, 国产高分二号和资源三号联合应用, 完全能够满足山地地区的电力选线的可研性和初设阶段的平面及高程精度需求。关键词： 高程精度; 平面精度; 比例尺; 电力选线; 作者简介：熊宝武 (1992-) , 男, 满族, 河北保定人, 测绘与遥感应用专业硕士研究生, 主要研究方向为遥感与 GIS 应用。收稿日期：2017-09-07基金：国家电网公司科技项目“卫星遥感影像辅助选线的数据处理理论和方法研究” (合同号:GCB17201600036) 资助Applicability in Domestic Satelli
3、te Remote Sensing Datain Power Line SelectionXIONG Bao-wu WANG Shuai ZHAO Bin-bin TAN Yu-min WU Chun-sheng School of Transportation Science and Engineering, Beihang University; China Electric Power Research Institute; State Grid Corporation of Hebei Province; Abstract： Satellite remote sensing data
4、has potential application advantages in power line selection due to its large range of synchronous observation and lower comprehensive cost. Taking a 220 k V overhead transmission line design as an example, the paper analyzes and compares the no positioning accuracy and controlled positioning accura
5、cy of GF-2 satellite image, while statistics the adjustment accuracy of ZY-3 satellite image taken regional network adjustment with or without control points. The research shows that the correction accuracy of the GF-2 satellite images in the control condition can meet the requirements of 1 10 000 f
6、ull terrain scale, while the elevation accuracy of ZY-3 satellite image made into DSM can meet the requirements of 1 10 000 map scale in mountain area. Studying the requirements of power line selection for each stage in rules relating to power line selection, the paper shows that the combined applic
7、ation of domestic GF-2 plane accuracy; scale; power line selection; Received： 2017-09-070 引言架空输电线路属长距离线状工程, 卫星遥感以其大范围同步观测、高时效性、全天候工作等特点在电力选线中的应用优势明显, 已经有很多不同层次的应用研究。如翁永玲1等利用 Quick Bird 数据和 IRS-P5 卫星立体像对, 综合分析各类地理要素及输电线路径设计规范, 对 2 条输电线路径进行了优选, 研究表明:遥感及 GIS 技术为输电线路径初选及优化提供了经济、高效快速的技术方法;吕建升2提出了采用遥感技术辅助
8、勘测工作的方法, 对影像进行监督分类并对地层及构造信息进行目视解译, 制作较大比例尺的地质图叠加 DEM 进行三维地表展示, 大大便利了电力勘测工作的进展;江峻毅3等对资源三号卫星影像进行处理后利用中心断面图可以较好地进行输电线路路径优化选线, 但也表明其存在清晰度不足的缺陷, 建议以 Google Earth 进行补充;陈隽敏4针对难以获取基础地理信息的区域, 介绍了利用 ASTRE Global DEM 数据和 Google Earth 制作遥感影像地图的方法, 还对资源三号测绘卫星传感器产品级的数据处理与分析方法做了研究, 初步探讨了资源三号卫星影像数据在电力工程应用中的可行性及适用性5
9、。上述学者关于卫星遥感在电力选线中的研究倾向于应用国外高分辨率卫星数据或单独利用资源三号立体像对构建 DEM, 从而进行遥感制图或遥感地物分类, 并没有综合应用国产卫星数据辅助电力选线的探究。随着国产遥感技术的快速发展, 研究综合利用国产高分遥感和立体测绘卫星数据用于大范围电力线路选择的可行性, 以在降低遥感数据费用的同时拥有足够的数据获取自主性, 具有迫切的必要性。电力选线中的遥感应用关注可获取地形信息的地图精度, 包括平面精度和高程精度, 本文以目前国产遥感卫星中具有代表性的亚米级高分二号数据和立体测图卫星资源三号数据进行研究, 分别分析其在无控和有控情况下的制图精度, 结合电力选线相关规
10、范中对选线各阶段的制图比例尺要求, 探讨多源国产卫星数据精度在电力选线工程中的阶段适用性。1 卫星参数及数据处理流程1.1 资源三号卫星参数及处理流程资源三号卫星是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星, 卫星集测绘和资源调查功能于一体, 其搭载的前、后、正视相机可以获取同一地区三个不同观测角度立体像对, 能够提供丰富的三维几何信息, 实时或准实时将图像数据传回地面, 为国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通、国家重大工程等领域的应用提供服务。就电力板块而言, 该卫星最突出和最优越的特性为高分辨率立体测绘卫星, 能按照客户需求实时获取全球大部分区域的全色或多
11、光谱影像, 在进行有控或无控条件下的定向后, 进行立体测图。其影像技术参数见表 1。资源三号数据处理流程如图 1 所示。首先将资源三号前、中、后视数据一起匹配构建 DSM, 然后进行相对定向和连接点的匹配, 并人工进行点位确认和检查, 删除误差较大的点, 进行自由网平差;之后进行控制点选择, 通过将全部控制点设置为检查点来检查试验区的无控精度, 部分设为检查点, 其余作为控制点做区域网平差来评价试验区的有控精度。由于资源三号的前、后视的空间分辨率为 3.5 m, 因此构建区域 DSM 格网最大精度选择 5 m 较为合适。表 1 资源三号卫星影像基本参数 Tab.1 Basic paramete
12、rs of ZY-3 satellite 下载原表 图 1 资源三号数据处理流程 Fig.1 ZY-3 satellite processing flow 下载原图针对资源三号的制图精度, 一些学者已做过相关研究。翟群英6等基于不同地形类别的资源三号卫星影像数据进行精度比对分析, 表明无地面控制点参与定向的 RPC 精度无法满足 150 000 数据生产的要求, 但在影像四角布设控制点后, 平差后平面中误差为 2.61 m, 最大平面误差为 5.5 m, 精度可满足 150 000 比例尺要求, 并不需要进行外业测量, 效果最优;唐新明7等利用大连地区资源三号卫星影像, 在采用仿射变换 RPC
13、 模型参数精化时, 选用四角布控方案可以获得最高的平差精度, 平面精度达到 3.2 m, 高程精度 1.8 m, 完全满足150 000 相关精度要求, 其高程精度甚至已满足 110 000 制图比例尺精度要求;黄谊珍8利用资源三号卫星影像生产 110 000DOM, 并对山地及高山地地区进行了精度对比分析和方法探索。实验结果显示高山地和山地地区满足110 000 生产技术规程中的相关要求;张济勇9等利用资源三号单景影像进行了区域网平差试验, 试验表明:在控制点个数为 4 个时, 平面中误差已达到1.94 m, 高程中误差达到 0.98 m, 认为采用资源三号影像可以进行风电场测图;陈世培10
14、等通过试验证明, 使用资源三号卫星立体遥感影像可以满足 110 000 基本比例尺地形图在丘陵、山地地区的立体测图要求, 而平地地区由于精度要求较高, 并不能满足其要求。可见, 资源三号卫星遥感影像对于像山区等获取基础资料困难且不易到达区域的测图工作具有较强的适应性和推广性。1.2 高分二号卫星参数及处理流程高分二号卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于 1 m 的民用光学遥感卫星, 成功实现了全色 0.8 m、多光谱 3.2 m 的空间分辨率, 以及优于 45 km 的观测幅宽, 综合性能达到世界先进水平。与现有的资源类遥感卫星相比, 高分二号卫星的米级空间分辨率、高辐射精度、高定位精度和快
15、速姿态机动能力能更好地满足项目要求, 其卫星参数见表 2。表 2 高分二号卫星影像基本参数 Tab.2 Basic parameters of GF-2 satellite 下载原表 利用 PCI Geomatica2015 软件 Ortho Engine 模块对高分二号数据进行正射纠正, 具体流程如图 2 所示。首先进行相邻影像的连接点匹配, 剔除粗差较大的点 (一般剔除大于 1.5 个像素的点) , 然后人工交互加入控制点, 将全部控制点作为检查点用来探究试验区的无控精度, 将控制点部分作为检查点其余作为控制点, 来研究试验区的有控精度, 最后进行正射校正采用的 DEM, 一般可选择 30
16、 m ASTER DEM 或其他更高精度的 DEM 数据。关于高分二号数据制作 DOM 能达到的平面精度研究较少, 樊文锋11等利用收集到的外业像控、加密控制和地图采集控制资料, 对试验区高分二号影像进行了基于 RFM 模型的数字正射纠正处理, 统计分析了高分二号影像数据的无控制定位精度和不同控制方案下的纠正精度, 验证了高分二号卫星影像在每景不低于一个控制点的情况下其纠正精度能够满足全地形 110 000 比例尺地形图和山地 15 000 比例尺地形图更新要求;江威12等选择北斗卫星导航系统和GPS 野外测量获取控制点和检查点, 采用像方平移、像方漂移和像方仿射变换3 种方法对有理函数模型进
17、行误差补偿, 验证分析控制点测量精度、分布、数目以及纠正方法对 GF-2 全色影像纠正的影响, 并分析了北斗应用于全色影像正射纠正的潜力, 实验结果表明, 高分二号全色影像能够利用 GPS 和北斗 RTK 模式控制测量下的少量分布均匀高精度控制点达到较高纠正精度, 满足实际应用需求。由此可见, 应用高分二号卫星数据制作数字正射影像图能达到的平面精度一般可以满足 110 000 制图比例尺精度要求。图 2 高分二号正射校正流程 Fig.2 GF-2 satellite ortho correction flow 下载原图2 研究区及实验数据本次试验选定某 220 k V 架空输电线路进行研究,
18、全长约 90 km, 范围在东经约 114.674.94, 北纬约 38.7839.36。研究区地貌特征以山地为主, 平均高程 842 m, 最大高程 1 547 m, 区内水系较少, 植被覆盖范围较大。收集研究区内冬夏两季资源三号数据各 4 景, 包括正视 2.1 m 分辨率全色影像, 前、后视 3.5 m 分辨率全色影像, 正视 5.8 m 分辨率多光谱影像, 用来制作数字表面模型并评价其高程精度;冬夏两季高分二号数据各 6 景, 包括 0.8 m 分辨率全色影像和 3.2 m 多光谱影像, 用来制作数字正射影像并评价其平面精度。选择冬夏两个季节的影像, 一是为了增加研究的数据量, 提高研
19、究结果的可信度;二是研究不同季节对影像精度可能存在的影响, 其中夏季数据获取时间为610 月份, 研究区内植被茂盛, 冬季数据获取时间为 11 月至次年 5 月份, 研究区内植被凋零。为保证影像的现势性, 选取的均为 2015 年以后的影像。研究区内的控制点来自地理国情控制点, 多数来源于 12 000 外业像控点, 部分来于外业 11 万实测点, 控制点多位于道路交叉口, 点位清晰, 容易辨认, 精度较高, 能够满足本实验精度要求。最后收集到研究区控制点共 22 个, 总体分布及部分控制点示例如图 3 所示。图 3 总体控制点分布及示例 Fig.3 Overall control point
20、s distribution and examples 下载原图通过分别研究在有控制点和无控制点情况下资源三号制作 DSM (如图 4 左所示) 达到的高程精度和高分二号制作 DOM (如图 4 右所示) 达到的平面精度, 探讨两种国产卫星数据综合应用在电力选线中的适用性。其中正射影像平面精度依据基础地理信息数字成果 15 000110 000 125 000 150 000 1100 000 数字正射影像图 (CHT 9009.22010) 规定, 高程数据精度依据国家基本比例尺高程数据精度规定。图 4 资源三号生产 DSM 图 (左) /高分二号生产 DOM 镶嵌图 (右) Fig.4 D
21、SM produced by ZY-3 satellite (left) /DOM mosaic produced by GF-2 satellite (right) 下载原图3 制图精度结果及分析3.1 资源三号数据精度评价对试验区冬夏两季资源三号数据影像分别进行无控和有控条件下的区域网平差, 生成的 5 m 格网 DSM 精度见表 3。表 3 资源三号构建 DSM 匹配误差 (单位:m) Tab.3 Matching error of ZY-3 satellite building DSM (unit:m) 下载原表 由表 3 可知, 在无控制点的情况下, DSM 进行自由网平差之后的平面
22、精度可以达到 7.4 m, 高程精度可以达到 5.6 m, 检查点平面最大误差为 39 m, 高程为16.7 m;而加入了控制点之后, DSM 的区域网平差精度平面达到 3.4 m, 高程精度达到 2.2 m 以下。依据国家基本比例尺高程数据精度要求, 有控条件下可以满足山地及高山地地区的 110 000 比例尺高程精度 (高程中误差不超过 2.5 m) 要求, 或平地地区的 150 000 比例尺高程精度 (高程中误差不超过 3 m) 要求;无控条件下由于存在着较大的系统误差, 不能满足相关精度要求;同时冬夏两季数据的精度差别不大, 季节对高程精度影响不明显。3.2 高分二号数据精度评价利用
23、 PCI 软件对批量高分二号全色数据进行正射纠正, 有控和无控条件下的精度见表 4。表 4 高分二号卫星正射纠正精度 (单位:像素) Tab.4 Correction accuracy of GF-2satellite (unit:pixels) 下载原表 由表 4 可知, 无控条件下的高分二号平面精度约为 50 m, 误差较大, 不能满足相关比例尺要求。但是在合理布设控制点的情况下, 平面精度可以达到 1 m 左右, 完全能够满足 110 000 全地形比例尺精度地物采集和更新要求;同时, 在无控条件下冬季影像数据平面精度比夏季数据较差, 而有控条件下精度差别不大, 两个季节的影像数据均能满
24、足 110 000 制图比例尺平面精度要求。4 结束语基于资源三号三线阵数据构建的 5 m 格网数字表面模型在有控制点的情况下其高程精度可以达到 2.2 m, 可满足山地及高山地地区的 110 000 制图比例尺或平地地区 150 000 高程精度要求;国产亚米级高分二号数据在少量控制点的情况下平面精度达到约 1 m, 完全可以满足全地形 110 000 比例尺精度要求, 因此, 依据110750 k V 架空输电线路设计规范遥感地质调查技术规程GB50741-2012 1 000 k V 架空输电线路勘测规范等规范中关于电力选线不同阶段的比例尺精度要求, 联合应用资源三号和高分二号卫星遥感数
25、据, 快速获取线路影响区坡度、建筑物、水体、农田、道路、地质灾害点等选线关键要素信息, 可以满足山区电力选线应用中可研和初设阶段的数据精度需求, 大大提高了工作效率, 节省了人力物力。参考文献1翁永玲, 范兴旺, 胡伍生, 等.多源遥感数据及 GIS 技术在输电线路径优选中的应用研究J.东南大学学报:自然科学版, 2013, 43 (S2) :269-274. 2吕建升.遥感技术在境外电力勘测工程的应用J.电力勘测设计, 2015, 24 (4) :15-18. 3江峻毅, 胡守超, 吕东东.资源三号卫星影像在电力工程勘测设计中的应用测试J.测绘与空间地理信息, 2015, 38 (1) :1
26、63-165. 4陈隽敏.利用 ASTER Global DEM 和 Google Earth 卫星遥感影像辅助电力工程选址选线J.湖北电力, 2011, 35 (5) :71-74. 5陈隽敏.资源三号正射影像和 DEM 制作及电力工程适用性分析J.南方能源建设, 2015, 2 (S1) :207-211, 229. 6翟群英, 苟卫涛, 余树影, 等.资源三号卫星影像在 150 000 数据生产中的应用J.测绘技术装备, 2014, 16 (1) :25-27. 7唐新明, 张过, 祝小勇, 等.资源三号测绘卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证J.测绘学报, 2012, 41 (2)
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