Acquisition Method for 1:50000 Fundamental Geographic Information in Prince Charles Mountains
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摘要: 南极查尔斯王子山脉实地科学考察的顺利开展需要该区域1:50 000基础地理信息数据作为支撑。国产高分辨率资源三号立体影像为基础地理信息数据的获取提供了必要的遥感数据支持。充分利用资源三号立体数据，在冰、云和陆地高程卫星（the ice, cloud, and land elevation satellite, ICESat）上的地学激光测高系统（Geoscience Laser Altimeter System, GLAS）等多源遥感信息的辅助下，制作了南极查尔斯王子山脉1:50 000基础地理信息成果，并对其进行了精度分析。分析结果表明，数字高程模型（DEM）的高程精度优于5.31 m，数字正射影像图（DOM）成果与南极洲陆地卫星影像镶嵌图比较的较差中误差为16.30 m。因此，在南极地区利用资源三号立体数据集成各种遥感数据制作1:50 000基础地理信息成果是高效实用的。Abstract: To ensure the implementation of on-site scientific investigation in Prince Charles Mountains of Antarctica, the 1:50 000 Fundamental Geographic Information is an urgent need. Domestic ZY-3 high resolution stereographic satellite imagery provides remote sensing data support for producing fundamental geographic information. Combining this imagery with ICESat GLAS laser altimetry data and other multi-source remote sensing information, we produced 1:50 000 fundamental geographic information for the Prince Charles Mountains in Antarctica using ZY-3 Stereographic Data, and analyzed the accuracy. Our results show that the vertical precision of Digital Elevation Model was better than 5.31m, and the RMSE for the differences between Digital Orthophoto Map and Landsat Image Mosaic of Antarctica was 16.30m. Therefore, our acquisition method can be considered as an effective and practical method for producing 1:50 000 fundamental geographic information based on ZY-3 Stereographic Data integrating imagery with multi-source remote sensing information from Antarctica.
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Keywords:
- ZY-3 /
- Prince Charles Mountains /
- ICESat GLAS /
- DEM /
- DLG /
- DOM
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地球两极是地球的两大冰雪圈，其动态过程与全球气候、环境变化密切相关。我国于1983年加入了《南极条约》，并在《南极条约》及以其为基础的南极条约体系下开展科学考察，为促进国际南极科学研究和保护南极环境做出了贡献。迄今为止，我国已在南极建立了长城站、中山站、昆仑站、泰山站共4个科学考察站。泰山站位于东南极内陆冰盖腹地，居中山站与昆仑站之间的伊丽莎白公主地，是南极内陆考察度夏站之一。其主要目标是为南极最高海拔科考站昆仑内陆站提供进一步能力支撑，还将成为南极格罗夫山和查尔斯王子山脉考察的重要支撑平台。
根据国家《中国极地考察事业“十一五”发展规划》安排，在2015年之前将对南极半岛、威德尔海、查尔斯王子山脉进行矿产资源调查和评估，为保证调查的顺利进行，需要这些区域的基础地理信息数据作为保障。1∶50 000基础地理信息数据在极地科学考察中一直发挥着重要的作用，主要供各研究领域的研究人员勘察、规划、设计、科研使用，同时也可作为编制更小比例尺地形图或专题地图的基础资料。
通过遥感技术获得的基础地理信息数据和信息，是研究地球两极可视地貌，监测极地冰雪环境变化，研究极区物质平衡的最可行有效的技术手段。当前现存的南极查尔斯王子山脉的基础地理信息数据主要包括美国宇航局(NASA)和美国地质勘探局利用LandSat卫星影像和MODIS卫星影像绘制的高清晰度南极洲陆地卫星影像镶嵌图(LandSat image mosaic of Antarctica, LIMA)，空间分辨率为15 m, 水平定位精度总体评价为54 m[1]。澳大利亚南极局制作的1∶1 000 000全南极地形图, ERS-1测高数据生成的DEM[2], RadarSat南极制图计划提取的全南极RAMP(RadarSAT Antarctic Mapping Project)DEM和NASA与日本经济产业省(the ministry of economy, trade and industry, METI)共同推出的先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model, ASTER GDEM)，其中ERS-1 DEM的空间分辨率为5 km，高程精度总体评价为0.81 m，在网格表面坡度小于0.4°时高程精度优于1.5 m，网格表面坡度大于0.65°时高程精度不可靠[2, 3]；RAMP DEM的空间分辨率为200 m，在崎岖山地高程精度为100 m，在坡度较大和沿海区域高程精度为15 m，冰架上的高程精度可以达到1 m，冰盖内部坡度较小地区的高程精度为7.5 m，坡度较陡地区的高程精度为17.5 m，81.5°S以南区域的高程精度为50 m[4]；ASTER GDEM是迄今为止该地区最高空间分辨率的数字高程模型，其空间分辨率为30 m，高程精度总体评价为20 m[5]，但在本研究区的粗差点较多，高程精度较低。
为了满足近期我国对南极露岩区域查尔斯王子山脉的科学考察对1∶50 000基础地理信息数据的需求，本文试图利用我国首颗民用高分辨率立体测图卫星资源三号立体影像，在ICESat GLAS等多源遥感信息的辅助下，获取该地区1∶50 000基础地理信息数据，包括数字线划图(DLG)、数字正射影像图(DOM)和数字高程模型(DEM)。在利用资源三号立体影像提取基础地理信息数据的过程中，选择部分ICESat GLAS卫星测高数据作为控制成果，以提高DEM的精度。分析表明，在南极查尔斯王子山脉地区，以资源三号立体影像为基础数据源，综合利用各种遥感数据获取1∶50 000基础地理信息是可行的、实用的，利用ICESat GLAS测高数据作为控制成果后，所获取的DEM精度得到提高。
1 资源三号和ICESat GLAS的基本特性
资源三号测绘卫星是中国首颗民用高分辨率光学立体测图卫星，主要搭载有1台地面分辨率为2.1 m的高分辨率正视全色延时积分成像(TDI CCD)相机，两台地面分辨率优于3.6 m的前后视全色TDI CCD相机和1台地面分辨率优于6.0 m的正视多光谱相机。其中3台全色相机按照前视22°、正视和后视22°设计安装，构成了三线阵立体测图相机；多光谱相机包含红、绿、蓝和红外4个谱段，用于与正视全色影像融合和地物判读与解译。为了保证卫星影像的辐射质量，4台光学相机的影像都是按照10 bit进行辐射量化。唐新明等以资源三号卫星第一景图像为实验数据，通过基于有理函数模型区域网平差的方式对图像做了初步的几何精度验证，得出在实验区四角布设控制点的情况下，数字表面模型(DSM)高程精度优于2 m，DOM平面精度优于3 m的验证结果[6, 7]。李德仁以覆盖辽宁大连和河南洛阳的图像为实验数据进行验证，结果表明，资源三号卫星数据在经过处理后，无控制点的定位精度优于15 m，带控制点的高程定位精度优于3 m，平面定位精度优于4 m[8]。刘斌等以北京市房山区的图像为实验数据，在无控制点的情况下，研究得出资源三号卫星的平面定位精度为28.121 m，高程定位精度为2.496 m；应用少量控制点的条件下，平面定位精度优于1.506 m，高程定位精度优于2.895 m[9]。
搭载在ICESat上的GLAS是第一颗卫星激光雷达测量仪器，可用于获取冰面和地面高程、冰盖拓扑、陆地拓扑、植被分布和云和气溶胶等大气参数值，从而测量冰被地形和相应的温度变化，同时也可监测云层和大气的特性。该卫星测高数据有±13.8 cm的垂直精度, 其地理定位精度优于20 cm, 激光光束在地面形成直径约70 m的光斑[10, 11]。
ICESat GLAS卫星测高数据的平面定位精度和高程定位精度都远优于资源三号卫星影像。
2 研究区域及数据收集
2.1 研究区域
查尔斯王子山脉位于中山站西偏南，离中山站最近处约320 km，最远处约740 km，包括阿托斯岭、波尔朵斯岭和阿拉米斯岭。这些山连同其他散布的山脉一起形成了长约482 km的弧，从北面的斯塔莱特山附近一直延伸至南部的古德斯皮德冰原岛峰群，呈东北-西南走向。向印度洋一面，已发现大量的铁矿矿脉，露天铁矿石绵延120 km，厚100 m，含铁量为30%~38％。受海拔高、空气稀薄，冰雪表面对太阳辐射的反射等因素影响，全测区气候条件极差，每年12月到次年2月为南极夏季，气温在-15~-40℃，每天多为7~8级大风，最大风力达12级以上。测区部分为丘陵地，其余为冰雪地。具体如图 1所示。
2.2 研究区域数据收集与分析
本文收集了研究区范围内可获取的资源三号立体影像和ICESat GLAS激光测高数据全部历史数据，同时还收集了本区域LIMA、ASTER GDEM 2和RAMP DEM等相关数据。
2.2.1 资源三号
在本研究中，使用的资源三号立体影像的获取时间为2013年1月10日~1月30日。太阳方位角等有关资源三号立体影像更详细的信息参见表 1。
表 1 资源三号影像信息(部分)Table 1. Information of ZY-3 Imageries (Part)影像景号 获取时间 太阳方位角/(°) 影像中心/(°) 影像信息 纬度 经度 最小值 最大值 标准差 ZY3_01a_hsnbavp_040412 20130124 30.193 -73.235 61.769 0.00 1 229.00 117.322 ZY3_01a_hsnfavm_040412 20130124 30.154 -73.256 61.719 251.00 1 423.00 195.985 ZY3_01a_hsnfavp_040412 20130124 30.124 -73.232 61.723 0.00 1 227.00 87.149 ZY3_01a_hsnnavp_040412 20130124 30.162 -73.226 61.774 0.00 2 374.00 282.868 2.2.2 ICESat GLAS数据
ICESat GLAS的业务化产品可以从美国国家冰雪数据中心免费获取。本文的研究采用GLA12数据，获取的数据产品为二进制格式，参照文献[12]描述的数据处理方法，采用NSIDC GLAS测高信息提取工具(NSIDC GLAS Altimetry elevation extractor Tool, NGAT)将格式转换为文本格式，经过提取后可得各高程点的经度、纬度、高程和大地水准面差距等信息。然后利用IDL参考椭球转换工具将高程值由TOPEX/Poseidon参考系转化为WGS84参考系。ICESat GLAS激光测高数据用于验证在无控制点的情况下资源三号卫星的高程定位精度，以及作为控制成果优化DEM产品的高程精度。ICESat在研究区域的地面轨迹如图 2所示。
2.2.3 ASTER GDEM
ASTER GDEM是采用全自动化的方法对ASTER存档数据进行处理生成的，可以从日本地球遥感数据分析中心(ERSDAC)或NASA的美国陆地过程分布式活动档案中心(LP DAAC)免费下载这些数据。根据ASTER GDEM的产品介绍，该产品总体上的垂直精度达20 m，水平精度达30 m。而事实上，有些区域数据的数据精度已经远优于这个数值，但在南极地区由于受云遮挡等因素影响，数据中异常较多。利用文献[13]中描述的方法，以坡度信息为依据剔除ASTER GDEM中的粗差。而后，以ICESat GLAS激光测高数据和RAMP DEM作为参考数据，对研究区域内ASTER GDEM进行修正，修正后的ASTER GDEM可用于辅助生产DEM数据。修正前后的ASTER GDEM数据如图 3所示。
3 1:50 000基础地理信息获取方法与结果分析
3.1 总体设计
3.1.1 地图分幅与编号
研究区基础地理信息产品的分幅和编号采用国际地图分幅和编号标准，由于研究区位于60°S~76°S之间，其所在1:1 000 000地形图范围经差为12°，纬差为4°，编号为SS41-42。将研究区所在1:1 000 000地形图划分为24行24列，共576幅1:50 000地形图，每幅1:50 000地形图的范围为经差30′、纬差10′。在实际生产作业中，由于高纬度地区的图幅面积较小，可合幅编辑并进行管理。
3.1.2 投影和坐标系统
南极地区常用的地图投影方式包括极方位立体投影、横轴墨卡托投影、兰伯特正形圆锥投影等，而我国的1:50 000基本比例尺地形图所采用的投影为高斯-克吕格投影。为了实现与国际极地地理信息数据资源的共享并满足我国科学考察人员的科考作业和研究需求，本文分别采用兰伯特正形圆锥投影和高斯-克吕格投影制作南极测绘地理信息产品。
3.2 数据处理与分析
3.2.1 数据处理流程
使用VirtuoZo SAT软件对资源三号卫星立体数据进行处理，在ICESat GLAS激光测高数据的辅助下，恢复测区范围内的立体模型，从而获取1:50 000 DEM、DLG和DOM等基础地理信息产品。由于部分区域被冰雪覆盖，利用资源三号卫星影像无法恢复立体模型，因此利用修正后的ASTER GDEM补充该区域的DEM数据。具体处理流程如图 4所示。
3.2.2 资三无控高程定位精度评估
结合2009年获取的ICESat GLAS激光测高数据，对无控制点情况下的资源三号卫星立体数据的高程定位精度进行了评估。在假定两数据集的地理精度一致的条件下，图 5(a)、5(b)给出了资源三号立体影像ZY-3 DEM的精度统计图，其中横轴代表采样点序号，左纵轴代表ICESat GLAS卫星测高数据和ZY-3高程在采样线上的高程，右纵轴代表ICESat GLAS卫星测高数据和ZY-3高程之间的高差。由于ICESat GLAS卫星测高数据的精度远高于ZY-3 DEM数据，可假定ICESat GLAS卫星测高数据为真值，高差统计结果就是ZY-3高程的误差。经统计，在无控制点的情况下，基于资源三号卫星立体影像提取的ZY-3的高程定位精度中误差为11.98 m。
3.2.3 基础地理信息数据成果及精度分析
基于上述对资源三号立体数据在无控制点的条件下高程定位的精度分析，本研究分别选取4个地形变化较为明显的子区域，区域大小为500 m×500 m。利用文献[14]中提出的最小高差算法(Least Z-Difference, LZD)，将各子区域内的ZY-3 DEM匹配至由历年ICESat GLAS卫星测高数据组成的数据集上，作为控制成果，用以提高获取基础地理信息数据成果的准确性。同样选择轨迹A和轨迹B上的ICESat GLAS卫星测高数据用以评价最终成果的高程精度。图 6比较了所获取的成果DEM与ZY-3无控DEM在轨迹A、B上的高程精度。可以看出，成果DEM的高程精度明显优于ZY-3无控DEM的高程精度。经统计，以ICESat GLAS卫星测高数据作为控制成果后，高程成果的定位中误差提升至5.31 m。
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图 5 轨迹A、B上ICESat GLAS卫星测高数据与无控ZY-3高程比较Figure 5. Comparison Between ICESat GLAS Satellite Altimetry Data and ZY-3 Elevation Without Control Points on Tracking A and Tracking B![]()
图 6 成果DEM与ZY-3无控DEM的精度比较Figure 6. Comparison Between Accuracy of DEM Products and ZY-3 Elevation Without Control Points同时将本幅DOM与LIMA数据进行比较，选择47处同名点进行精度分析，经统计，平面位置较差最小值为0.14 m，最大值为33.54 m，中误差为16.30 m。
图 7(a)、7(b)、7(c)分别是所制作的研究区内1幅1:50 000 DEM、DLG和DOM等基础地理信息产品的实例。
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图 7 研究区内1:50 000基础地理信息产品实例Figure 7. Example of 1:50 000 Fundamental Geographic Information in Research Area4 结语
本研究充分利用资源三号卫星立体影像数据开展南极查尔斯王子山脉1:50 000基础地理信息获取研究，研究过程中集成ICESat GLAS激光测高数据、ASTER GDEM和RAMP DEM数据等多源遥感和地理信息数据，获取了南极查尔斯王子山脉1:50 000基础地理信息。结果表明，资源三号卫星立体影像数据是获取南极1:50 000基础地理信息的有效基础数据，利用ICESat GLAS卫星测高数据作为控制点可以提高ZY-3 DEM的高程精度。精度分析表明，南极查尔斯王子山脉1:50 000 DEM的绝对精度的中误差为5.31 m。由于缺乏地面控制点，南极查尔斯王子山脉1:50 000基础地理信息成果的平面位置绝对精度无法进行评估，但相对于LIMA的平面位置较差中误差为16.3 m。所获取的南极查尔斯王子山脉1:50 000基础地理信息成果将为我国南极科考队员在该区域开展实地科学考察、科学研究和地质调查提供地理信息数据支撑。
致谢: 感谢NSIDC中心提供的ICESat GLAS测高数据。 -
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图 5 轨迹A、B上ICESat GLAS卫星测高数据与无控ZY-3高程比较
Figure 5. Comparison Between ICESat GLAS Satellite Altimetry Data and ZY-3 Elevation Without Control Points on Tracking A and Tracking B
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图 6 成果DEM与ZY-3无控DEM的精度比较
Figure 6. Comparison Between Accuracy of DEM Products and ZY-3 Elevation Without Control Points
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图 7 研究区内1:50 000基础地理信息产品实例
Figure 7. Example of 1:50 000 Fundamental Geographic Information in Research Area
表 1 资源三号影像信息(部分)
Table 1 Information of ZY-3 Imageries (Part)
影像景号 获取时间 太阳方位角/(°) 影像中心/(°) 影像信息 纬度 经度 最小值 最大值 标准差 ZY3_01a_hsnbavp_040412 20130124 30.193 -73.235 61.769 0.00 1 229.00 117.322 ZY3_01a_hsnfavm_040412 20130124 30.154 -73.256 61.719 251.00 1 423.00 195.985 ZY3_01a_hsnfavp_040412 20130124 30.124 -73.232 61.723 0.00 1 227.00 87.149 ZY3_01a_hsnnavp_040412 20130124 30.162 -73.226 61.774 0.00 2 374.00 282.868 
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