CN109919835A - 基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于输电线路勘测与选线技术领域，涉及一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，包括：获取多源卫星遥感影像和DEM高程数据；获取多源卫星遥感影像的控制点、检查点、连接点和弱交会连接点；通过弱交会连接点的像方坐标及RPC参数，获得弱交会连接点的物方平面坐标初始值；通过DEM高程数据内插出地面高程值，获得弱交会连接点的物方高程初始值；再根据卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点，结合上述初始值，进行基于多源卫星遥感影像的区域网联合平差，通过平差精度报告评估境外电力选线制图的适用性和满足度。通过本发明实现了多源卫星遥感影像在大面积的电力线路勘测与选线工程中的应用，缩短境外电力选线的工期。

Description

基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法

技术领域

本发明涉及输电线路勘测与选线技术领域，尤其涉及一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法。

背景技术

现阶段的境外电力线路勘测与选线工程中，由于境外工作区面积大，地形十分复杂，依靠单一卫星遥感影像数据难以实现对境外工作区的完全覆盖，因此多源卫星遥感影像的联合使用、引入其它卫星遥感数据是十分必要的。传统的卫星遥感影像区域网平差均是基于相邻影像重叠区域内同名光线对对相交这一基本光线交会的原理实现区域网的构建，从而对区域内所有的卫星遥感影像进行整体平差，而实现上述目标需要区域内的相邻影像间具有较好的几何交会条件，即较大的交会角。

然而，对于多源卫星遥感影像而言，区域内的卫星遥感影像呈弱交会状态，因此弱交会多源卫星遥感影像的区域网平差误差较大，多源卫星遥感影像不能满足境外电力选址、选线制图的精度。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，以解决在境外电力线路勘测与选线的工程中，多源卫星遥感影像部分区域呈弱交会状态，区域网平差的误差较大，使得多源卫星遥感影像不能满足境外电力选址、选线制图的精度的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，包括：

步骤S1：获取多源卫星遥感影像和DEM高程数据；

步骤S2：在所述多源卫星遥感影像中，根据点之记或者控制影像刺出控制点和检查点；

步骤S3：在所述多源卫星遥感影像中，选择相邻卫星遥感影像重叠区域的同名点作为影像间的连接点，所述连接点包括弱交会连接点；

步骤S4：根据所述弱交会连接点的像方坐标及其所在的卫星遥感影像的RPC参数，通过前方交会得到所述弱交会连接点的物方平面坐标，将物方平面坐标值作为所述弱交会连接点的物方平面坐标初始值；

步骤S5：根据所述DEM高程数据内插出地面高程值，并将所述地面高程值作为所述弱交会连接点的物方高程初始值；

步骤S6：根据卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点，结合所述弱交会连接点的物方高程初始值和物方平面坐标初始值，进行基于所述多源卫星遥感影像的区域网联合平差，并输出平差精度报告；

步骤S7：根据电力选线不同阶段比例尺精度的要求，定量评估所述平差精度报告对境外电力选线制图的适用性和满足度。

可选地，所述多源卫星遥感影像包括立体测绘卫星遥感影像和高分辨率卫星遥感影像。

可选地，所述DEM高程数据包括GDEM数据和SRTM数据；

所述GDEM数据和SRTM数据均有预设的投影方式和分带方式。

可选地，所述步骤S2包括：

在所述卫星遥感影像的重叠区域边缘，布设所述地面控制点。

可选地，所述步骤S6包括：

一、根据有理函数模型RFM和像方仿射变换模型列出平面区域网平差的误差方程并构建法方程，利用最小二乘法求解法方程，得到成像模型纠正参数改正值的最小二乘解、每个误差方程的残差，然后更新所有模型的纠正参数；

具体过程为：

基于有理函数模型(RFM)建立仿射变换模型：

其中，Δx和Δy为控制点在影像坐标系中的量测坐标与真实坐标的差值；a₀、a₁、a₂和b₀、b₁、b₂是卫星遥感影像的定向参数，line和sample是控制点在影像坐标系中的行、列号；

构建误差方程：

其中，Δlat和Δlon为地面点坐标改正数；Δa₀、Δa₁、Δa₂和Δb₀、Δb₁、Δb₂是卫星遥感影像的定向参数改正数；为误差方程对定向参数所求的偏导数；为误差方程对地面点坐标所求的偏导数；Fx₀、Fy₀为像点坐标近似值与像点坐标观测值之差；F_x、F_y为像点坐标改正数；

得到误差方程的矩阵形式：

V＝AX+BY-L,P；

其中，V表示像点行坐标与列坐标观测值的残差向量，V的计算公式为：

V＝[v_x v_y]^T；

其中，X为像方坐标系统误差补偿参数的改正数向量，X的计算公式为：

X＝[Δa₀ Δa₁ Δa₂ Δb₀ Δb₁ Δb₂]^T；

其中，Y为连接点对应地面大地坐标的改正数向量，Y的计算公式为：

Y＝[Δlat Δlon Δh]^T；

其中，A为未知数X的系数矩阵，A的计算公式为：

其中，B为未知数Y的系数矩阵，B的计算公式为：

其中，L为常数项，将初值代入后计算得到：

其中，P为权矩阵；

基于最小二乘平差原理构建法方程如下：

二、若平差结果收敛，即平差结果的残差中误差的改变量小于预设的阈值，则平差结束；

若平差结果不收敛，则根据弱交会连接点物方平面坐标对应的DEM高程数据内插出新的高程值，迭代进行下一次的区域网平差，直到解算结果收敛；

三、平差迭代结束后，输出最终计算得到的平差物方精度和像方精度的精度报告，同时得到每张卫星遥感影像的仿射纠正参数和所有连接点的物方坐标。

本发明实施例提出一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，首先获取了多源卫星遥感影像和DEM高程数据，然后获取控制点、检查点、连接点和弱交会连接点，其中，弱交会连接点的物方平面坐标初始值和物方高程初始值用于结合卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点来进行区域网平差并输出平差精度报告，从而获得平差精度报告中的平差结果，用于根据电力选线不同阶段比例尺精度的要求，定量评估多源卫星遥感影像区域网联合平差的精度对境外电力选线制图的适用性和满足度，从而实现了在大面积的电力线路勘测与选线工程中使用多源卫星遥感影像，缩短境外电力选线的工期，节约投资成本，并且针对多源卫星遥感影像进行了基于弱交会多源卫星遥感影像的区域网平差处理，使其满足境外电力选址、选线制图的精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法的实现流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。

在后续的描述中，发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供一种境外电力选线方法，用以减少多源卫星遥感影像的误差，使多源遥感影像满足境外电力选线的精度条件，境外电力选线方法的步骤包括：

S1、获取多源卫星遥感影像和DEM高程数据。

在一个实施例中，所述多源卫星遥感影像包括立体测绘卫星遥感影像和高分辨率卫星遥感影像。

在一个实施例中，所述DEM高程数据包括GDEM数据和SRTM数据；所述GDEM数据和SRTM数据均有预设的投影方式和分带方式。

在具体应用中，多源卫星遥感影像是基于立体测绘卫星遥感影像或高分辨率卫星遥感影像，影像来源于两种以下的传感器：如资源三号(ZY-3)立体测绘卫星遥感影像与高分一号(GF-1)PMS影像。

多源卫星遥感影像所覆盖的区域为试验区，其中，多源卫星遥感影像之间均存在的重叠，但相邻卫星遥感影像之间重叠区域较小。

在具体应用中，多源卫星遥感影像的获取时间应该相同，并且具有环境条件，例如云含量为5％以下时进行获取，以保证地面控制点分布区域没有障碍，从而提高多源卫星遥感影像混合平差的精度。

S2、在所述多源卫星遥感影像中，根据点之记或者控制影像刺出控制点和检查点。

在上述步骤S2中，检查点用于验证最后的平差精度。

在一个实施例中，上述步骤S2的一个实施方式可以为：

在所述卫星遥感影像的重叠区域边缘，布设所述地面控制点；其中，每单条轨道卫星遥感影像中，所述地面控制点个数大于等于2。

在具体应用中，由于试验区的面积通常比较大，因此试验区内部的地面控制点需适量均匀布。

在具体应用中，地面控制点一般选择在平坦地区，尽量减少高程误差，同时是特征明显、清晰可辨的地方，如大的交叉路口、空旷地拐角处等。

在具体应用中，选取高分辨率与高定位精度的特征点作为地面控制点，以减少高程误差。

在实际应用中，对于境外的任务试验区而言，无法实地测量地面控制点，因此可以根据需要布控的大致区域，选取Google Earth影像中分辨率与定位精度较高的特征点作为控制点；如一般选取Google Earth的高空间分辨率遥感影像区域。

因此，若地面控制点选自Google Earth影像，则应尽量分布于参考Google Earth的高分辨率影像区域，如QuickBird、Worldview等高分影像中，多分布于大城市等重点目标区域，应避免分布于参考影像本身精度较差的区域，如空间分辨率较低或接边逢明显等区域。

S3、在所述多源卫星遥感影像中，选择相邻卫星遥感影像重叠区域的同名点作为影像间的连接点，所述连接点包括弱交会连接点。

在上述步骤S3中，多源卫星遥感影像之间存在重叠，重叠的多个点即为连接点，其中，若卫星遥感影像的交会角小于10°，重叠的两个卫星遥感影像则是弱交会状态，此重叠点为弱交会点。

在本发明实施例中，还示例性的提出了三种针对卫星遥感影像弱交会状态的判定方法：

1)选择任意重叠区域的任意一个n度重叠的连接点，统计n度重叠的连接点中的最大基线以及对应的两个摄站物方空间坐标。通过多片前方交会求解连接点的地面点物方空间坐标，若此处无法求解或求解异常则表明该处已为弱交会状态。

2)选择任意重叠区域的任意一个n度重叠的连接点，统计n度重叠的连接点中的最大基线以及对应的两个摄站物方空间坐标。通过两个摄站坐标和地面点坐标之间的三角函数关系，可以求解该连接点处的最大交会角，此时与弱交会状态的阈值进行比较即可判断该点是否处于弱交会状态。

3)给出任意的高程值，根据RFM以及同名点各点坐标反解出该高程对应的大地坐标，接着给定与之前相异的高程值，按照同样的方法解算出其大地坐标。此时，获取了同名点各投影光线上的两个空间点三维坐标，计算各投影光线的空间单位向量，按照两向量夹角公式即可求出其交会角，若该交会角小于10°，则说明卫星遥感影像呈弱交会状态。

S4、根据所述弱交会连接点的像方坐标及其所在影像的RPC参数，通过前方交会得到所述弱交会连接点的物方平面坐标，所述平面坐标值作为所述弱交会连接点的物方平面坐标初始值。

S5、根据所述DEM高程数据内插出地面高程值，并将所述地面高程值作为所述弱交会连接点的物方高程初始值。

S6、根据卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点，结合所述弱交会连接点的物方高程初始值和物方平面坐标初始值，进行基于所述多源卫星遥感影像的区域网联合平差，并输出平差精度报告。

在上述步骤S4至步骤S6中，通过区域网通过区域网平差算法，可以提高多源卫星遥感影像的定位精度，其具体计算过程参见实施例二。

S7、根据电力选线不同阶段比例尺精度的要求，定量评估所述平差精度报告对境外电力选线制图的适用性和满足度。

本发明实施例提供的基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，首先获取了多源卫星遥感影像和DEM高程数据，然后获取控制点、检查点、连接点和弱交会连接点，其中，弱交会连接点的物方平面坐标初始值和物方高程初始值用于结合卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点来进行区域网平差并输出平差精度报告，从而获得平差精度报告中的平差结果，用于根据电力选线不同阶段比例尺精度的要求，定量评估多源卫星遥感影像区域网联合平差的精度对境外电力选线制图的适用性和满足度，从而实现了在大面积的电力线路勘测与选线工程中使用多源卫星遥感影像，缩短境外电力选线的工期，节约投资成本，并且针对多源卫星遥感影像进行了基于弱交会多源卫星遥感影像的区域网平差处理，使其满足境外电力选址、选线制图的精度。

实施例二

在一个实施例中，上述步骤S6中根据卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点，结合所述弱交会连接点的物方高程初始值和物方平面坐标初始值，进行基于所述多源卫星遥感影像的区域网联合平差，并输出平差精度报告的实现流程可以包括：

一、根据有理函数模型RFM和像方仿射变换模型列出平面区域网平差的误差方程并构建法方程，利用最小二乘法求解法方程，得到成像模型纠正参数改正值的最小二乘解、每个误差方程的残差，然后更新所有模型的纠正参数；

具体过程为：

基于有理函数模型(RFM)建立仿射变换模型：

其中，Δx和Δy为控制点在影像坐标系中的量测坐标与真实坐标的差值；a₀、a₁、a₂和b₀、b₁、b₂是卫星遥感影像的定向参数，line和sample是控制点在影像坐标系中的行、列号；

构建误差方程：

其中，Δlat和Δlon为地面点坐标改正数；Δa₀、Δa₁、Δa₂和Δb₀、Δb₁、Δb₂是卫星遥感影像的定向参数改正数；为误差方程对定向参数所求的偏导数；为误差方程对地面点坐标所求的偏导数；Fx₀、Fy₀为像点坐标近似值与像点坐标观测值之差；F_x、F_y为像点坐标改正数；

得到误差方程的矩阵形式：

V＝AX+BY-L,P；

其中，V表示像点行坐标与列坐标观测值的残差向量，V的计算公式为：

V＝[v_x v_y]^T；

其中，X为像方坐标系统误差补偿参数的改正数向量，X的计算公式为：

X＝[Δa₀ Δa₁ Δa₂ Δb₀ Δb₁ Δb₂]^T；

其中，Y为连接点对应地面大地坐标的改正数向量，Y的计算公式为：

Y＝[Δlat Δlon Δh]^T；

其中，A为未知数X的系数矩阵，A的计算公式为：

其中，B为未知数Y的系数矩阵，B的计算公式为：

其中，L为常数项，将初值代入后计算得到：

其中，P为权矩阵；

基于最小二乘平差原理构建法方程如下：

二、若平差结果收敛，即平差结果的残差中误差的改变量小于预设的阈值，则平差结束；

若平差结果不收敛，则根据弱交会连接点物方平面坐标对应的DEM高程数据内插出新的高程值，迭代进行下一次的区域网平差，直到解算结果收敛；

三、平差迭代结束后，输出最终计算得到的平差物方精度和像方精度的精度报告，同时得到每张卫星遥感影像的仿射纠正参数和所有连接点的物方坐标。

实施例三

本发明实施例以实际案例说明区域网平差算法的应用。基本流程为：

首先，获取电力选线不同阶段比例尺精度的要求，然后通过实施例一中的基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，对电力选线制图中多源卫星遥感影像区域网联合平差精度的适用性和满足度进行定量评估。

在具体应用中，上述评估过程具体可以为：获取多源卫星遥感影像区域网联合平差的平面精度及高程精度后，依据中华人民共和国国家标准《数字航空摄影测量空中三角测量规范》(GB/T 23236-2009)的规定，同时依据《GB 50061-2010 66kV及以下架空电力线路设计规范》、《GB 50545-2010110kV-750kV架空输电线路设计规范》等关于电力选线不同阶段比例尺精度的要求，对电力选线制图中多源卫星遥感影像区域网联合平差精度的适用性和满足度进行定量评估。

以境外南苏丹朱巴地区某220kV架空输电线路选线为例，使用数据为GF-1卫星遥感影像和ZY-3卫星遥感影像，联合区域网平差后的结果如下：

表1 GF-1/ZY-3联合区域网平差物方精度结果

依据中华人民共和国国家标准《数字航空摄影测量空中三角测量规范》(GB/T23236-2009)的规定，如表2。

表2检查点误差最大限值

由于南苏丹朱巴地区地势平坦，结合表1及表2可以看出，在9点布控的条件下，GF-1/ZY-3联合区域网平差的平面中误差为7.188m，完全满足1：25000平地成图比例尺的要求。同时，依据《220kV及以下架空送电线路勘测技术规程》(DL/T 5076-2008)及《区域地质调查中遥感技术规定》(DZ/T 0151-2015)等关于电力选线可行性研究、初步设计及施工图设计阶段的比例尺精度要求，9点布控的GF-1/ZY-3联合区域网平差的平面精度完全能够满足南苏丹朱巴地区电力选线的精度需求。在减少野外工作量的同时，大大缩短了电力选线的周期，产生显著的经济效益。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，其特征在于，包括：

步骤S1：获取多源卫星遥感影像和DEM高程数据；

步骤S2：在所述多源卫星遥感影像中，根据点之记或者控制影像刺出控制点和检查点；

步骤S3：在所述多源卫星遥感影像中，选择相邻卫星遥感影像重叠区域的同名点作为影像间的连接点，所述连接点包括弱交会连接点；

步骤S4：根据所述弱交会连接点的像方坐标及其所在的卫星遥感影像的RPC参数，通过前方交会得到所述弱交会连接点的物方平面坐标，将物方平面坐标值作为所述弱交会连接点的物方平面坐标初始值；

步骤S5：根据所述DEM高程数据内插出地面高程值，并将所述地面高程值作为所述弱交会连接点的物方高程初始值；

步骤S6：根据卫星遥感影像的RPC参数、控制点、连接点以及弱交会连接点，结合所述弱交会连接点的物方高程初始值和物方平面坐标初始值，进行基于所述多源卫星遥感影像的区域网联合平差，并输出平差精度报告；

步骤S7：根据电力选线不同阶段比例尺精度的要求，定量评估所述平差精度报告对境外电力选线制图的适用性和满足度。

2.如权利要求1所述的一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，其特征在于，所述多源卫星遥感影像包括立体测绘卫星遥感影像和高分辨率卫星遥感影像。

3.如权利要求1所述的一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，其特征在于，所述DEM高程数据包括GDEM数据和SRTM数据；

所述GDEM数据和SRTM数据均有预设的投影方式和分带方式。

4.如权利要求1所述的一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

在所述卫星遥感影像的重叠区域边缘，布设所述地面控制点。

5.如权利要求1所述的一种基于多源卫星遥感影像联合平差的境外电力选线方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

一、根据有理函数模型RFM和像方仿射变换模型列出平面区域网平差的误差方程并构建法方程，利用最小二乘法求解法方程，得到成像模型纠正参数改正值的最小二乘解、每个误差方程的残差，然后更新所有模型的纠正参数；

具体过程为：

基于有理函数模型(RFM)建立仿射变换模型：

其中，Δx和Δy为控制点在影像坐标系中的量测坐标与真实坐标的差值；a₀、a₁、a₂和b₀、b₁、b₂是卫星遥感影像的定向参数，line和sample是控制点在影像坐标系中的行、列号；

构建误差方程：

其中，Δlat和Δlon为地面点坐标改正数；Δa₀、Δa₁、Δa₂和Δb₀、Δb₁、Δb₂是卫星遥感影像的定向参数改正数；为误差方程对定向参数所求的偏导数；为误差方程对地面点坐标所求的偏导数；Fx₀、Fy₀为像点坐标近似值与像点坐标观测值之差；F_x、F_y为像点坐标改正数；

得到误差方程的矩阵形式：

V＝AX+BY-L,P；

其中，V表示像点行坐标与列坐标观测值的残差向量，V的计算公式为：

V＝[v_x v_y]^T；

其中，X为像方坐标系统误差补偿参数的改正数向量，X的计算公式为：

X＝[Δa₀ Δa₁ Δa₂ Δb₀ Δb₁ Δb₂]^T；

其中，Y为连接点对应地面大地坐标的改正数向量，Y的计算公式为：

Y＝[Δlat Δlon Δh]^T；

其中，A为未知数X的系数矩阵，A的计算公式为：

其中，B为未知数Y的系数矩阵，B的计算公式为：

其中，L为常数项，将初值代入后计算得到：

其中，P为权矩阵；

基于最小二乘平差原理构建法方程如下：

二、若平差结果收敛，即平差结果的残差中误差的改变量小于预设的阈值，则平差结束；

若平差结果不收敛，则根据弱交会连接点物方平面坐标对应的DEM高程数据内插出新的高程值，迭代进行下一次的区域网平差，直到解算结果收敛；

三、平差迭代结束后，输出最终计算得到的平差物方精度和像方精度的精度报告，同时得到每张卫星遥感影像的仿射纠正参数和所有连接点的物方坐标。