卫星遥感制图最佳影像空间分辨率与地图比例尺关系探讨.doc

测绘科学Sc ience of Su rveying and M app ingVo l134 No14J u l1第 34卷第 4期2009年 7月卫星遥感制图最佳影像空间分辨率与地图比例尺关系探讨龚明劼 , 张鹰 , 张芸(南京师范大学地理科学学院 ,南京 210046)【摘 要 】选择适宜空间分辨率的遥感影像来达到地图成图的精确度并且最大程度反映地物的信息是卫星遥感制图需要解决的一个重要问题 。本文重点分析了地图比例尺与遥感影像空间分辨率的关系 , 指出在选择制图影像空 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 , 提出了估算最佳影像空间分辨率的公式 R = (L M ) / 2Rm in , 并通过实例验证了该公式的可行性 。【关键词 】遥感制图 ; 地图比例尺 ; 空间分辨率【文章编号 】1009 22307 ( 2009 ) 04 20232 203【中图分类号 】 P282【文献标识码 】A对 /m ) , H 为摄影高度 (m ) , R s为系统分辨率 (线对 /m ) , f为成像仪焦距 (mm ) 。而实际空间分辨率 R (m )即图像能够识别的地面上两个目标的最小距离可以通过 R g / 2 求得 。由此可得 , 如果 R g = 1 线对 /m , 那么其实际空间分辨率 R =R g /2 = 015m。212 地图比例尺与遥感空间分辨率关系的探讨21211 地图比例尺与遥感空间分辨率的对应关系研究地图比 例 尺 与 遥 感 空 间 分 辨 率 的 对 应 关 系 问 题 ,首先需要了解人的视觉分辨率 。人的视觉分辨率是指人眼明视距离 ( 25 cm ) 能分 辨 的 空 间 两 点 之 间 的 最 短 距 离 , 各种资料对这个数值有不同的看法 : 新编地图学教程 中指出两点的最短距离为 01075mm , 在制图时建议将分辨率取为 011mm , 限差定位 012mm; 李书楷 3 在 遥感时空信息集成技术及其应用 一书中指出用 L and sa t TM 制作专题地图时均以 012mm 作为适宜专题制图的像元空间分辨率 。综上 , 我们先将人的视觉分辨率定为 011012mm。根据以上分析 , 我们 选 取 011 012mm 的 视 觉 分 辨 率设置公式 , 评估各类地图比例尺的精度 。在测量工作中 称相当于 011012mm (人的视觉分辨率 )的实地水平距离为比例尺的精度 4 。1 引言随着遥感新技术的崛起 , 传统地图制图发生了深刻的 变革 , 逐步形成了一个新的分支 遥感制图学 , 使地图 的资料来源 、现势性 、制图工艺都发生了明显的变化 , 主 要表现在以下几个方面 : 覆盖范围大 , 为短时期内编制 大范围中 、小 比 例 尺 地 图 提 供 资 料 ; 信 息 的 时 效 性 强 , 当前我国城市进入快速发展时期 , 过去旧的城市地图已无 法满足城市发展的需要 , 利用卫星遥感的高空间分辨率影 像可很快地实现比例尺为 1 5 000 1 50 000 的城市地图更新 1 ;制图的经济性 , 与传统方法相比 , 运用遥感手段制图具有视野广 、速度快 、质量高 、成本低等优点 。在遥感制图中 , 选用适宜的空间分辨率遥感影像十分重要 , 这关系到地图成图的精确度以及地物信息的丰富程度 。在制作地图时 , 工作者往往是根据多年的经验选择相应空间分辨率的遥感影像 , 缺少科学的分析 , 有时可能因为选用不当 , 空间分辨率偏低难以达到要求 , 或空间分辨率过高使得制图成本增加 。如何选取最佳空间空间分辨率对遥感制图有着重要的意义 。2 地图比例尺与遥感影像空间分辨率的关系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 。211 地图比例尺 、遥感空间分辨率的定义地图比例尺是指图上距离与实地距离之比 , 一般用 1 /M 表示 。 1 1 000 000、 1 500 000、 1 250 000、 1 100 000、1 50 000、1 2 5 000、 1 10 000、 1 5 000、 1 2 000、 1 1 000、1 500是我国十一种基本地形比例尺 。比例尺不但反映了空间尺度 , 还隐含着对地图测量精度和内容详细程度的说明 。遥感图像的空间分辨率 , 是指像素所代表的地面范围的大小 , 即像素的瞬时视场 , 或指地面物体能分辨的最小单元 2 。例如 L and sa t7 ( ETM + ) 遥 感 影 像 除 全 色 波 段 外 , 各波段一个像素代表地面 2815m 2815m , 空间分辨率粗 略为 30m。A = L / ( 1 /M )( 1 )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 , 见表 1。表 1 比例尺精度比例尺1 10 0001 50 0001 100 000 1 250 000 1 500 000 1 1 000 000L 1 = 011mm比例尺125101020255050100100200精度 (m ) L 2 = 012mm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 :R g A( 2 )同样 , 我们可以通过上述方法 , 根据遥感影像的空 间分辨率确定遥感图像成像的最佳比例尺 。目前常用的星载 遥感技术系统 , 见表 2。表 2 常用星载遥感技术系统遥感影像中 , R g = R s f , 其中 R g 为空间分辨率 (线HL and sa t4 , 5( TM )L and sa t7( ETM + )SPO T (多光谱 )SPO T (全色 )作者简介 : 龚明劼 ( 19822) , 男 , 江苏南京人 , 硕士 , 主 要从 事 海 洋 遥 感 与G IS的研究 。E2m a il: snakegm jm sn1com系统IKONO S2CB ER S01450173016301890155121511113 , 890 ,119151915 , 2587718 , 15626 d光谱覆盖 01452135 014521350150189015101730145019范围 /m 1105121501520198波段数地面覆盖范围 / km空间分辨率 /m覆盖周期7314185185606011收稿日期 : 2008203 205基金项目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项目 ( 50339010 ) ; 国 家自然科 学 基 金 项目 ( 40606044)30 , 12030 , 15 , 602035次/ 26 d1035次/ 26 d1 , 416 d16 d13 d根据公式 ( 1 ) 和 ( 2) , 可以推出 :1 / M L / R g分别取 L1 = 011mm , L2 = 012mm , 带入公式 ( 3 )得出表 3。要考虑以下几点 :1) 遥感图像的三个分辨率是制图的基础 。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 , 根据 R g L / B ,初步估算适合空间分辨率 , 然后同过表 4 和图 1 进一步确定最佳实际空间分辨率 R。2) 结合工作任务 , 适当放宽对遥感影像空间分辨率的要求 。一者考虑最小地物 ; 二者对地物的识别可以从研 究( 3)可 以表 3 不同平台信息源适于制图精度的比例尺对比内容L and sa tM SSSPO TTML 1 = 011mmL 2 = 012mm最佳制图比例尺1 1600 0001 800 0001 600 0001 300 0001 400 0001 200 000 8 对象的地学特性 、生态特性及综合特性分析, 地物的空间信息和属性 信 息 在 不 同 尺 度 上 的 特 点 和 需 求 是 不 同 的 ,任何尺度都是相对的 9 。如制作城市交通地图要求高空间对比表 2与表 3可得 :分辨率的遥感图像 , 而制作城市旅游图 , 要求则相对较低 。1)在表 3中 , L 取值为 011mm 时 , 得出的成图比例3 实例分析遥感影像信息在制图上的应用 , 目前主要是用于地 形图的修编与更新 、影像地图的制作和专题地图的编制 。其中以遥感 资 料 的 专 题 制 图 为 当 前 的 主 要 特 点 。本 文 选 用L and sa t卫星的 15m 空间分辨率和 30m 空间分辨率的遥感影尺与实际应用的比例尺相差很大 ; L 为 012mm 时 , 成图比例尺与实际应用情况的差距相对缩小 , 与最大适中比例尺 呈现约 1 /2的关系 。2) 若 制 作 挂 图 , 不 在 25 cm 的 明 视 范 围 内 , 取 L =014mm 以远看 , 则 M SS、 TM、 SPO T遥 感 影 像 适 用 的 最 佳 比例尺分别为 1 400 000、 1 150 000、 1 100 000 , 与实际应用情况更加接近 。当然 , 如要求制图的高精度 , 特别是大比例尺地形图的绘制 , L 取为 011mm。例如 IKONO S卫星遥 感的空间分辨率为 11000m 01010m , 纠正后的影像可用于1 10 000比例尺地形图的测绘 5 。因而 , 可以把人眼的分辨率定为 011 014mm , 根据 R= R g /2 , 将公式 ( 3 ) 转换 , 可得 :像 , 按照实际需要将连云港台北盐场图像信息分为 : 水库 、养殖区 、道路 、蒸发区 、制卤区 、结晶区 、其他等七类 (见图 2和图 3) , 并且同时制作了 1 100 000的专题图进行对比 。R L / ( 1 /M ) / 2 = ( L M ) / 2( 4)可以确定不同成图比例尺的地图对遥感影像空间分辨率的要求 , 见表 4。表 4 比例尺对应的影像空间分辨率范围图 2 15m 空间分辨率图像分类图 3 30m 空间分辨率图像分类比例尺1 10 0001 50 0001 100 0001 250 000实际空间分辨率 R (m ) 015 2215 101215 50我们应用公式 R = (L M ) / 2Rm in 进行估算 , 通过 (L M ) / 2计算得出 , 适应 1 100 000 成图要求的影像空间分辨率应大致控制在 5m 20m , 由于盐田区域的划分为 本专题图的重点表现内容 , 所以将盐田生产面积划分边界的河流和道路的宽度作为 Rm in的取值 范围 , 这些河流和 道路宽度约为 20m 30m , 为了使专题图的信息更加精确 , 我们确定 Rm in为 20m , 最后通过表 4和图 1进一步确认得出影像的最佳空间分辨率为 5m 20m 之间 。通过上图对比 , 可以看出 :1) 蒸发 区 和 结 晶 区 所 占 面 积 比 较 小 , 且 分 布 比 较 零 散 , 因此在识别过程中难度比较大 , 这点在 15m 空间分辨率的遥感影像上的表现明显好于 30m 的遥感影像 。2) 图中红框处的水库信息和作为划分边界的道路信息 在 15m 空间分辨率的影像上能明显表示出来 , 而在 30m 的影像上则由于空间分辨率 过低并且大于 Rm in , 水库信息 被养殖区的边界掩盖 , 道路 边界较模糊 , 将小 于 Rm in的信 息基本完全淹没 。经过比较得出 , 空间分辨率为 15m 的影像制作的专题图能更实际的反应真实情况 , 而 30m 空间分辨率的影像则显得空间分辨率过低 , 和我们应用公式的确认的最佳空间 分辨率范围相符 。4 结束语通过探讨地 图 比 例 尺 与 遥 感 影 像 空 间 分 辨 率 的 关 系 , 考虑最小地物的尺度 , 可以确定遥感制图所要达到的实际 空间分辨率 R 的范围 : R = ( L M ) / 2 Rm in 。比较 连 云港台北盐场处理和分类结果和专题图制作 , 可以明显地 表明遥感图像空间分辨率对地物信息的识别有着重要的影 响 , 证实了通过公式计算推导得出最佳空间分辨率选择合5 20通过 表 4 我 们 可 以 看出 , 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 就越高 6 。对 于 一 个 固 定 空 间分辨率的遥感影像来说 ,若空间 分 辨 率 过 高 则 存 在信息 和 数 据 的 冗 余 ; 空 间分辨 率 过 低 , 不 适 合 进 行 该比 例 尺 的 制 图 。空 间 分图 1 成图比例尺对遥感图像空间分辨率的需求辨率以及比例尺的选择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 为 主 ,可以选择空间分辨率较低的影像 , 或降低成图比例尺的大小 。通过以上地图比例尺对卫星遥感图像空间分辨率的需求的讨论可得出图 1。图中白色部分表示最佳的制图比例尺范围 , 灰色部分则表示该空间分辨率过高 , 虚线部分表示 空间分辨率低 , 不适合进行该比例尺的制图 。21212 最小地物与空间分辨率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 , 图 像 信 息 才 能 全 部 被 人 识 别 。空间分辨率越高 , 地物的细节将表现的更 加明显 。设 Rm in为最小地物的直径 , 则( 5)R Rm in将公式 (4) 与公式 (5) 进行合并 , 因而遥感制图所选用的遥感影像空间分辨率的范围为 R = (L M ) / 2 Rm in 。213 遥感影像空间分辨率的选择在遥感制图时 , 选用最佳空间分辨率的遥感影像 , 需适的影像是切实可行的 。(下转第 60页 )60测绘科学第 34卷Ka inz W 1 Logica l Con sistency C / / Gup till S C, Mo rrison J L ( ed s1) , E lem en ts of Sp a tia l D a ta Q ua lity1O xfo rd: Pe rgamon P re ss, 19951Se rvigne S, U beda T, Pu rice ll A1 A M e thodo logy of Sp a2 tia l Con sistency Imp rovem en t of Geograp h ic D a taba se s J 1 Geo info rm a tica, 2000, 4 ( 1 ) 1Egenhofe r M J , C lem en tin i E1 Eva lua ting Incon sistenc ie samong M u ltip le R ep re sen ta tion s C / / P roceed ings of the 6 th In te rna tiona l Sympo sium on Sp a tia l D a ta H an2 d ling, Ed inbu rgh, Scotland, 19941邬伦 , 张毅 1 分布式多空间数据库系统 的集成技术 J 1地理学与国土研究 , 2002 , 18 ( 1 ) 1艾廷华 , 毋河海 1 相邻多边形共享边界 的一致化改正 J 1武汉测绘科技大学学报 , 2000, 25 ( 5 ) 1刘文宝 , 夏宗国 , 崔先国 1 G IS结点捕捉的广义算法及误差传播模型 J 1测绘学报 , 2001, 30 ( 2) 1邓敏 , 刘文宝 , 冯学智 1 G IS中地理边 线不一致性的处理 J 1遥感学报 1 2005, 9 ( 4 ) 1邓敏 , 钮沭联 , 李志林 1G IS空间目标 的广义 Hau s2do rff距离模型 J 1武汉大学学报 , 2007, 32 ( 7) 1刘万增 , 陈军 , 等 1 线目标空间冲突自动检测方法研究 J 1中国矿业大学学报 , 2006 , 35 ( 6 ) 1陈军 , 等 1线目标间拓扑关系的细化计算方法 J .测绘学报 , 2006, 35 ( 3) 1Gong Peng, M u L an1E rro r D e tec tion in M ap D a taba se s:a Con sistency Check ing App roach J 1Geograp h icInfo rm a ti2 on Sc ience s, 2000, 6 ( 2) 1郜允兵 , 谢传节 1 W eb空间数据编辑中数据一致性 保护机制 J 1测绘信息与工程 , 2007, ( 01) 1 陈佳丽 , 易宝林 , 任艳 1 基于对象匹配方法的多重 表达中的一致性处理 J 武汉大学学报 (工学版 ) ,2007, ( 3) 1Robe rt L au rin i1 Sp a tia l m u ltida taba se topo logica l con2tinu ity and indexing: a step towa rd s seam le ss G IS da ta in te rop e rab ility J 1 IN T1 J1Geograp h ica l Info rm a tion System1 1998, 12 ( 4) 1 4 11 12 5 13 6 14 15 7 16 8 9 17 10 Re sea rch sta tu s an d a dvan ce on m u lt i2source spa t ia l da ta in con s isten cyA b stra c t: Sp a tia l da ta qua lity ha s becom e a top ic re sea rch in the in te rna tiona l geograp h ic info rm a tion system s1 The focu s of G IS sp a tia l da ta qua lity re sea rch ha s changed the po sition accu racy and p rec ision a ttribu te in to the m u lti2sou rce s sp a tia l da ta incon sistency in recen t yea rs1 B a sed on the study re su lts of m u lti2sou rce s sp a tia l da ta incon sistenc ie s, sp a tia l da ta incon sistency such a s exp re ssion mode s, m ea su rem en t m e thod s and p roce ssing stra tegie s wa s in ten sive ly ana lyzed, and a new m ea su rem en t m e thod fo r sp ace incon sisten2 cy ca lled m ea su rem en t m e thod s of geom e tric ad jacency degree ba sed on a rea comp u ta tion wa s p ropo sed in th is p ap e r1 The de ta iled m ea su rem en t fo rm u la and de riva tiona l p roce ss wa s given1 F ina lly, the p ro sp ec t of in te lligen t hand ling of the m u lti2sou rce s sp a tia l da ta incon sistenc ie s wa s reviewed1Key word s: m u lti2sou rce s sp a tia l da ta; incon sistency; topo logica l re la tion sh ipLU W ei , X IE S hun 2ping , D EN G M in ( Schoo l of Geograp h ic & O ceanograp h ic Sc ience s, N an jing U n ive rsity, N an jingCen tra l Sou th U n ive rsity, Changsha 410083 , Ch ina)210093, Ch ina; D ep a rtm en t of Su rveying and Geo info rm a tic s,(上接第 233页 )新 110 000比例尺数字地形图的研究 J 1 测绘科学 , 20061郭仕德 , 林旭东 1 高空间分辨率遥感环境制图的几个关键 技 术 研 究 J 1 北 京 大 学 学 报 自 然 科 学版 , 2004, ( 1) 1H ay G J , N iemm an K O , Goodenough D G1 Sp a tia l th re sho ld s, im age2ob jec ts and up sca ling: a m u lti2sca le e2 va lua tion J 1 R emo te Sen sing of Environm en t, 1997,62: 12191傅肃性 , 张崇厚 , 傅俏燕 1 遥感专题制图背景参 数 的应用分析 J 1地球信息 , 1997 , ( 3) 1王红 , 赵红蕊 , 高劲松 1 遥感图像成图尺度问题 初 探 J 1地矿测绘 , 2004 , 20 ( 8 ) 1参考文献 6 1 孙成忠 , 李成名 , 洪志刚 1 基于卫星遥 感影像的城市地 图 快 速 更 新 技 术 J 1 测 绘 通 报 ,( 12 ) 12002 , 7 2 梅安新 , 彭望 1遥感导论出版社 , 20011 3 李书楷 1遥感时空信息集成技术及其应用京 : 科学出版社 , 20031 4 潘正风 , 杨正 尧 1 数 字 测 图 原 理 与 方 法汉 : 武汉大学出版社 , 20011M 1北京 : 高等教育M 1北 8 M 1 武 9 5 简灿良 , 阮红利 1 利用高分辨率的遥感 卫星影像更The d iscu ss ion