[科普中国]-影像比例尺

影像比例尺是指影像上任一线段与其在地面上的实际长度之比。对于理想条件下的中心投影影像，即像片水平，地面水平且无起伏，其影像比例尺可用焦距与航高之比来表达。此时整幅影像具有统一的比例尺，但实际上不存在。由于地形起伏和传感器姿态不稳定，影像上各点比例尺是不同的。只能采用平均比例尺或近似比例尺。这种影像不能用来定量分析和量测。航天遥感影像中的陆地卫星影像，因轨道高度和姿态相对稳定，可看作是具有统一比例尺的影像。比例尺严格统一的影像，一般是经过精确几何纠正的正射像片或正射影像图，可直接用于各种量测和计算。影像比例尺作为影像反映地面景物详细程度的量度，在影像分析、判读和制图中是一个重要参数。比例尺越大，反映地物越详细准确，反之越概略、越综合。

遥感影像空间分辨率与成图比例尺的关系应用对遥感影像空间分辨率与成图比例尺的关系进行了研究，提出对应数学表达式。并分别对两种常用的高分辨率遥感影像IKONOS和QUICKBIRD进行了试验，以RTKGPS测量值作为真值，精校正遥感影像与真值的差作为遥感影像的实地误差，计算出影像几何校正系数，从而得到两种分辨率遥感影像可以制作的合理成图比例尺。1

遥感影像空间分辨率与成图比例尺的数学关系1、资料：

采用的遥感影像为中国农业大学地区的2001年4月IKONOS分辨率为1m全色波段影像和4m多光谱融合影像 ，及其1∶2000比例尺扫描地形图 ；苏家坨地区的2002年QUICKBIRD分辨率为0.61m全色波段影像和2.44m多光谱融合影像 ，及其1∶500比例尺扫描地形图。采用的软件为美国RSI公司研制的ENVI和武汉中地信息有限公司研制的 MapGIS。

2、数学式的建立：

几何校正系数C是一个待定变量。以RTK GPS( Real Time Kinematic GPS)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。C值确定后，可以计算出此遥感影像可以制作的合理成图比例尺。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。

遥感影像空间分辨率愈高，可以制作的成图比例尺愈大。不仅得到成图比例尺与遥感影像空间分辨率有关，而且只要遥感影像空间分辨率一经确定，就可以计算其合理的成图比例尺，也可以得到对遥感影像进行纠正的地形图应当选取多大比例尺，为遥感制图提供参考。1

数据处理1、扫描地形图的地理编码：

将两种地形图以300DPI的分辨率进行扫描，然后选择公里网格点作为控制点，根据所选控制点的北京地方坐标与扫描地形图图像的像元坐标拟合多项式 ，用拟合多项式对地形图进行地理编码。

2、遥感影像的几何校正：

遥感影像采用地形图为标准坐标空间，采取同名点对遥感影像进行几何精校正，选择地形图上不变的明显地物标志 (如线状地物交叉点 )作为控制点，首先在遥感影像的四个角选取控制点，然后均匀加密，以确保均方根差小于1个像元，每标准分幅选取25个左右的控制点，然后采用二元二次多项式进行空间几何位置变换，最后采用三次卷积方法对原始影像进行灰度重采样，得到带有标准地理坐标的遥感影像。1

3、RTK GPS实地测量：

RTK GPS实地测量定位中误差一般为±10mm ，D、E级网中最弱相邻点的相对点位中误差不得超过5cm，其精度完全符合精度要求，具有一定的可操作性。

根据遥感影像上选择的控制点，采用RTK GPS到实地进行测量。实地测量前，充分做好各项准备工作，如仪器、人员、天气状况等，并根据星历文件做好星历预报，安排最佳的测量时间，以保证外业数据测量的精度和可用性；实地测量时，如果所选的控制点发生变化或者难以定位，根据实际的状况更改控制点的位置或添加新的控制点。1

结果分析1、点位精度分析：

从两研究区域中分别选取18个控制点，分别测算它们在精校正后遥感影像上的坐标和RTK GPS实地测量坐标值。

分辨率为1m的遥感影像可以制作的最大成图比例尺为1∶4430，按国家标准分幅，成图比例尺可达1∶5000。

分辨率为0.61m的遥感影像可以制作的最大成图比例尺为1∶2721，按国家标准分幅，成图比例尺基本可达1∶2500。

2、面积误差分析：

为了检验成图比例尺的准确程度，从两研究区域各选取10个图斑，分别测算它们在校正后遥感影像的面积和 RTK GPS实地测量的面积，比较其差值是否符合允许的误差精度。

1m分辨率遥感影像的图斑面积精度可以满足1∶5000比例尺图件的精度要求。

0.61m分辨率遥感影像的图斑面积精度基本可以满足1∶2500比例尺图件的精度要求。1

应用遥感影像制作矿区大比例尺地形图在专业的遥感和地理信息系统软件平台支持下，利用Aster立体像对和IKONOS高分辨率遥感影像分别提取矿区地形信息和地物信息，结合矿区的实际特点，参照地形图制作规范对矿区大比例尺地形图的制作进行了分析和探讨，结果表明利用遥感影像进行矿区大比例尺地形图制作不但周期短、速度快、时效性强，而且精度完全能够满足生产需要，是一种实用可行的方法。2

遥感图像预处理由于遥感系统空间、波谱、时间以及辐射分辨率的限制，很难精确地记录复杂地表的信息，因而误差不可避免地存在于数据获取过程中。这些误差降低了遥感数据的质量，从而影响了遥感图像分析的精度。因此，在实际图像分析和应用之前，有必要对遥感原始图像进行预处理。

选择1∶10000的矿区范围地形图作为控制资料，在地形图和遥感影像图像上选择同名控制点，对矿区的 IKONOS影像进行了几何校正，然后根据矿区的实际地物的光谱特征进行不同波段的合成比对试 验，最后选择IKONOS影像的R( B3)、G( B4)、B( B2) 波段进行合成，并利用KONOS的全色波段与合成的多光谱波段进行融合，得到了空间分辨率为1m的IKONOS影像图。2

矿区DEM 数据生成及等高线提取基于卫星遥感图像提取DEM的技术是当前遥感技术发展的一个重要方向。利用立体像对提取DEM不仅效率高，且具有数据更新快及人力物力耗费少等突出优点。借助ASTER—DTM软件对ASTER遥感影像的立体像对进行DEM提取，ASTER—DTM是 一 种基于IDL语言专门针对ASTER数据自动生成DTM的模块，ENVI环境中运行。该软件在保证精度的前提下，可对图像中具有线状或面状特征的地物进行精确识别和拟合，以自动提取两幅影像中的同名点，然后根据数字摄影测量的原理生成DEM数据。2

矿区地物信息提取矿区地形图的要求，以GIS软件为矿区地物信息提取的主要平台，分析IKONOS影像的地物特征，并将遥感影像与矿区原有地形图进行参考比对，通过不同地物信息在遥感图像上显示出的特征影像单元体建立目视解译标志，以解译标志为判别模式，并通过这种标志的目视解译应用，在数字图像上采用人机交互勾绘的方式精确地确定地物位置或追索边界。并根据地形图制作相关标准，对每个图层的图斑采用不同的符号和颜色表示类型，实现不同地物信息解译提取、分类编码与编图。基于研究区域的实际情况，对区内的居民地、道路、水体和矿点等4 种地物信息进行了提取。2

矿区1∶10000地形图制作参考1∶10000地形图制图规范的要求和内容，利用解译的地物信息和提取的矿区等高线，进行了矿区1 ∶10 000地形图的制作。地形图采用高斯-克吕格投影，平面坐标系统采用1980西安坐标系； 高程采用1985国家高程基准。按照规范要求将生成的等高线进行修改，将穿过房屋、河流、湖泊的等高线在此位置剪短，并在等高线上标注该等高线的海拔高度。参照规范，基本等高距设定为5m，并加计曲线加粗，在明显地物点和地形特征点上选取高程注记点，其密度为图上每100cm2 内，平地，丘陵地10 ～ 20个；山地、高山地及地形特征点稀少地区8 ～ 15个。等高线注记图上每100cm2内1 ～ 3个。其他地形图的符号和注记规格按GB5791—1986 1 ∶5000、1∶ 10000地形图图式要求执行。2

矿区地形图精度分析在完成1∶10000 地形图制作后，必须进行检核和精度评定。在制作的地形图与矿区原有地形图上选取15个同名点，将其坐标数据进行比较，经统计分析得到精度结果。

因为1∶10000地形图图上单点定位绝对精度为士5.0m，所以这项精度指标已经达到了1∶10000 地形图图上单点定位绝对精度的要求，而高程中误差±6.962m也能满足矿区1∶10000 地形图的要求。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所