基于資源三號(hào)衛(wèi)星影像的制圖研究

陳卓寧，韓 鎮(zhèn)

（1.中國(guó)地圖出版社，北京 100054；2.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

一、引 言

2012年1 月9 日，資源三號(hào)衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，它是我國(guó)首顆民用高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星，主要搭載有一臺(tái)地面分辨率為2.1 m的正視全色延時(shí)積分成像（TDI CCD）相機(jī)，兩臺(tái)地面分辨率為3.5 m的前、后視TDI CCD相機(jī)，以及一臺(tái)地面分辨率為5.8 m的多光譜相機(jī)。資源三號(hào)衛(wèi)星集測(cè)繪和資源調(diào)查功能于一體，用于長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速地獲取覆蓋全國(guó)的高分辨率立體影像、多光譜影像及輔助數(shù)據(jù)，生產(chǎn)全國(guó)基礎(chǔ)地理信息1∶5萬(wàn)測(cè)繪產(chǎn)品，開展1∶2.5萬(wàn)及更大比例尺地圖的修測(cè)和更新，開展國(guó)土資源調(diào)查和監(jiān)測(cè)［1］。

最新編制的《南京市地圖集》中運(yùn)用了部分資源三號(hào)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖制作，同時(shí)運(yùn)用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行了大量的道路更新和居民地更新，效果很好。在編制該地圖的過(guò)程中，積累了一些基于遙感影像的制圖技術(shù)，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，提出有效方法來(lái)提高影像數(shù)據(jù)在地圖編制方面的運(yùn)用。

遙感影像地圖通常指以遙感影像和相關(guān)的地圖符號(hào)來(lái)展示制圖對(duì)象地理空間分布和環(huán)境狀況的地圖形式，它具有信息量豐富、直觀、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)能進(jìn)行量算等優(yōu)點(diǎn)。本文討論了地圖制圖的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提出了一種用于資源三號(hào)衛(wèi)星影像制圖的有效方法，總結(jié)了通用和專題影像圖的應(yīng)用領(lǐng)域。

二、試驗(yàn)區(qū)域和影像數(shù)據(jù)

1.測(cè)試區(qū)域

本文中試驗(yàn)區(qū)域選用江蘇省南京周邊，該地區(qū)地勢(shì)較平，起伏較緩，屬于亞熱帶氣候區(qū)，氣候溫和。

2.影像數(shù)據(jù)

為了完成試驗(yàn)任務(wù)，選取了從2012年3月到2013年2月間的25景資源三號(hào)衛(wèi)星影像，每一景影像包括前視、后視、正視全色影像和多光譜影像的傳感器校正產(chǎn)品（SC級(jí)），如圖1所示。

圖1 部分資源三號(hào)SC級(jí)影像

三、原理和工作流程

為了實(shí)現(xiàn)高效地制圖，影像地圖制作過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)步驟都必須關(guān)注。

圖2描述了基于資源三號(hào)衛(wèi)星影像制圖的流程。首先，為了獲得高精度的圖像定向參數(shù)，需要利用資源三號(hào)SC級(jí)影像提供的有理函數(shù)模型（RFM）進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差；然后，利用優(yōu)化過(guò)的數(shù)字高程模型對(duì)SC產(chǎn)品經(jīng)過(guò)圖像的幾何校正得到幾何校正產(chǎn)品（GTC）；其次，通過(guò)影像融合、鑲嵌、匹配生成測(cè)試區(qū)域的正射影像；最后，充分利用其他輔助信息來(lái)表現(xiàn)數(shù)字正射影像，以使地圖測(cè)圖的效果更加優(yōu)化［2-3］。

根據(jù)以上的原理和過(guò)程的總結(jié)，圖2詳細(xì)描述了使用資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行地圖制圖的詳細(xì)流程與細(xì)節(jié)。

圖2 資源三號(hào)衛(wèi)星影像制圖流程

四、試驗(yàn)與結(jié)果

1.區(qū)域網(wǎng)平差

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像的RFM模型采用與地面無(wú)關(guān)的模式，采用傳感器校正產(chǎn)品的嚴(yán)密幾何成像模型，存在一定的系統(tǒng)性誤差。因此可以通過(guò)影像自身之間的約束關(guān)系和一定數(shù)量的控制點(diǎn)補(bǔ)償有理函數(shù)模型的系統(tǒng)誤差來(lái)提高定位精度，即基于有理函數(shù)模型的區(qū)域網(wǎng)平差［1］。有理函數(shù)模型文件與SC級(jí)影像一同提供，此處的區(qū)域網(wǎng)平差是依據(jù)有理函數(shù)模型進(jìn)行的。

由于遙感影像與地物之間存在幾何畸變，因此在使用遙感影像進(jìn)行制圖之前，需要先對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正。在遙感影像和參考地形圖或DOM影像上選擇同名點(diǎn)對(duì)作為控制點(diǎn)，采用較常用的二次多項(xiàng)式法進(jìn)行幾何精校正，即使遙感影像經(jīng)過(guò)幾何校正，也不能保證各局部的精度完全一致，對(duì)于地形起伏明顯的地區(qū)，幾何精度的誤差較明顯［4］。選取控制點(diǎn)時(shí)要保證在遙感影像上點(diǎn)位均勻分布，位置相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)量在20個(gè)左右。校正后的控制點(diǎn)殘差在1個(gè)像素以內(nèi)。圖3是經(jīng)幾何校正后的影像。

圖3 幾何校正結(jié)果

2.數(shù)字正射影像制作

（1）多光譜波段組合

選取相關(guān)系數(shù)較小的3個(gè)波段，信息獨(dú)立，信息重疊小，并且包含較多信息量?？紤]到資源三號(hào)多光譜影像包含近紅外波段，文中試驗(yàn)采用3、2、1波段組合，形成真彩色影像。在影像中植被為紅色，水體為黑色，裸土為褐色，裸巖為灰色，各種地物較易分辨。圖4為資源三號(hào)多光譜影像3、2、1波段組合的結(jié)果。

圖4 多光譜影像波段組合結(jié)果

（2）影像融合

影像融合是對(duì)不同空間分辨率的全色影像和多光譜影像進(jìn)行融合處理，使融合后的影像同時(shí)具有多光譜和高分辨率的特征，有效地將高空間分辨率全色影像和低空間分辨率的多光譜影像融合起來(lái)，對(duì)影像上地物的識(shí)別意義重大。影像融合之前需要進(jìn)行影像配準(zhǔn)，本文是以全色波段為基準(zhǔn)，對(duì)多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)，控制點(diǎn)精度保持在0.5個(gè)像素之內(nèi)。影像融合的方法主要有HIS變換、小波變換、K-T變換、pansharp等［5］，本文采用 pansharp融合方法對(duì)影像進(jìn)行融合。圖5為資源三號(hào)影像融合效果。

圖5 影像融合效果

（3）影像拼接與剪裁

在遙感影像圖的制作過(guò)程中，會(huì)遇到將多幅影像拼接或?qū)⒛骋环跋襁M(jìn)行剪裁的情況，拼接步驟如下:①選定待拼接圖像的重疊區(qū)域，并刪除兩幅影像之間的不相關(guān)信息，保證兩幅影像重疊區(qū)內(nèi)光譜值的差異均屬于系統(tǒng)差值；②分別統(tǒng)計(jì)兩幅影像重疊區(qū)內(nèi)3個(gè)波段的光譜特征參數(shù)，確定灰度變換方式，使地物的灰度值與標(biāo)準(zhǔn)圖像中相同地物的平均灰度值接近；③ 灰度變換后，為了進(jìn)一步改善接縫處效果，對(duì)接縫線附近一定范圍內(nèi)的像元進(jìn)行灰度值加權(quán)平滑，進(jìn)一步提高了圖像效果。

根據(jù)地圖制圖的區(qū)域要求可以對(duì)拼接后的大區(qū)域遙感影像進(jìn)行裁剪。

3.數(shù)字線劃圖更新

在城市地圖制作中，對(duì)基礎(chǔ)的地形數(shù)據(jù)，尤其是道路、河流、居民地等要素更新的需求越來(lái)越大，這就對(duì)道路、河流、居民地等要素的精度、現(xiàn)勢(shì)性提出了更高的要求，利用數(shù)字正射影像對(duì)道路、河流、居民地等要素進(jìn)行更新是目前通用的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法。由于地面上每一點(diǎn)都經(jīng)過(guò)投影差改正，因此對(duì)于道路、河流、居民地?cái)?shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，完全滿足地圖制圖的精度要求。利用數(shù)字正射影像與原有的矢量數(shù)據(jù)疊加，在數(shù)字正射影像上直接提取數(shù)據(jù)，即可完成道路、河流、居民地等數(shù)據(jù)的制圖更新。圖6描述了利用資源三號(hào)影像進(jìn)行制圖的結(jié)果。

圖6 資源三號(hào)影像制圖成果圖展示

五、結(jié)束語(yǔ)

利用資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作遙感影像地圖表明資源三號(hào)衛(wèi)星影像能用于城市道路和居民地的更新，可滿足城市地圖更新的需求。這也驗(yàn)證了本文中制圖方法的有效性、適用性和正確性。

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