衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法及其在礦山監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用

何中海，趙煒，熊麗媛，鐘紅梅

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衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法及其在礦山監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用

何中海，趙煒，熊麗媛，鐘紅梅

（四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，成都 610061）

本文通過(guò)對(duì)資源一號(hào)02C衛(wèi)星HR全色與PMS多光譜數(shù)據(jù)的研究分析，建立了適合02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理方法與流程。同時(shí)分析了資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦山調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用潛力，提出了數(shù)據(jù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題。

02C衛(wèi)星；數(shù)據(jù)處理；礦山監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

2011年12月22日，我國(guó)成功將“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星送入太空。02C衛(wèi)星是根據(jù)國(guó)土資源主體業(yè)務(wù)需求定制的第一顆國(guó)產(chǎn)高分辨率業(yè)務(wù)衛(wèi)星，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高分辨率遙感數(shù)據(jù)空白[1]。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局航空物探遙感中心在2012年8月組織開(kāi)展了相關(guān)的數(shù)據(jù)應(yīng)用培訓(xùn)和推廣會(huì)議，并與三十多家地勘單位、科研院所和有關(guān)高校簽訂了02C數(shù)據(jù)應(yīng)用協(xié)議。

1 02C衛(wèi)星影像質(zhì)量評(píng)價(jià)

02C衛(wèi)星PMS數(shù)據(jù)共有4個(gè)波段，其中全色波段空間分辨率為5m，其余三個(gè)波段（綠、紅及近紅外波段）均為10m分辨率；此外，還有2.36m分辨率的HR數(shù)據(jù)，光譜范圍是0.51~0.8 μm[1]。

1.1 信息量和清晰度

目視效果上，PMS數(shù)據(jù)分辨率、影像紋理清晰度偏低，紋理邊緣模糊，02C衛(wèi)星的HR數(shù)據(jù)分辨率較高，影像清晰度較好，建筑物、城市街道、橋梁等地物清晰可見(jiàn)，地物層次、紋理信息較豐富。

1.2 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍

02C衛(wèi)星HR全色波段數(shù)據(jù)的灰度范圍比較差，其有效灰度響應(yīng)范圍多在75～152間，其灰度動(dòng)態(tài)度為30.1％；PMS數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)動(dòng)態(tài)灰度范圍同樣較窄，并且分布于灰度值較低區(qū)域，波段間相關(guān)性較高，其有效灰度響應(yīng)范圍多在60～123間，其灰階動(dòng)態(tài)度僅為24.7％。無(wú)論是HR數(shù)據(jù)還是PMS數(shù)據(jù)都需要通過(guò)信息增強(qiáng)的手段來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍的提升，以提升圖像的信息層次，這在后期的信息增強(qiáng)中需要進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.3 條紋噪聲水平分析

02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)PMS相機(jī)拍攝的全色圖像和多光譜圖像質(zhì)量明顯高于HR相機(jī)拍攝的圖像。其中，HR數(shù)據(jù)主要地類特征較明顯，但由于成像掃描痕跡噪聲和大氣噪聲的影響，數(shù)據(jù)局部存在條紋噪聲（圖1）。02C衛(wèi)星HR數(shù)據(jù)的條紋噪聲程度在各波段中沒(méi)有規(guī)律，可通過(guò)濾波的手段進(jìn)行條紋噪聲的去除，但是會(huì)對(duì)圖像的細(xì)節(jié)造成損失。鑒于其在與多光譜融合后噪聲對(duì)整幅圖像質(zhì)量的影響不大，可不作處理。

1.4 多光譜數(shù)據(jù)成像同步性分析

未作任何處理的MS數(shù)據(jù)綠、紅、近紅外波段之間不存在偏差，合成圖像不會(huì)出現(xiàn)重影現(xiàn)象。但是P波段5m全色圖像、HR高分辨率圖像與MS多光譜數(shù)據(jù)間的成像同步性較差，會(huì)出現(xiàn)影像之間的錯(cuò)位，特別是在山區(qū)地帶最為明顯。

1.5 數(shù)據(jù)幾何畸變分析

將02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)與多種較為成熟的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)（IKONOS、QuickBird等）進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，02C數(shù)據(jù)基本不存在幾何畸變，只有在冰雪覆蓋的高反射率的區(qū)域，存在較為明顯的地物畸變以及過(guò)飽和或局部數(shù)據(jù)缺失等現(xiàn)象（圖2）。

1.6 HR雙相機(jī)拼接數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

HR拼接數(shù)據(jù)是由兩臺(tái)相機(jī)數(shù)據(jù)（HR1和HR2）拼接而成的，對(duì)HR拼接數(shù)據(jù)接邊處兩側(cè)影像一致性、地物錯(cuò)位情況進(jìn)行了目視檢查，數(shù)據(jù)基本無(wú)地物變形及錯(cuò)位情況。

2 02C數(shù)據(jù)處理方法

目前，主流的遙感處理軟件（ENVI、ERDAS、PCI等）沒(méi)有專門針對(duì)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理模塊，需要根據(jù)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理和流程的研究。根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)以及一系列的對(duì)比研究，對(duì)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理流程中的主要步驟總結(jié)如下：

2.1 影像正射校正

由于HR、PMS數(shù)據(jù)之間的同步性較差，特別是高落差的山區(qū)地形對(duì)它們之間的匹配程度影響較大，為此，在HR和PMS各波段匹配之前，需要對(duì)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正。由于02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)帶有PRC參數(shù)，可采用RPC有理多項(xiàng)式方法來(lái)進(jìn)行校正。當(dāng)無(wú)控制點(diǎn)時(shí)直接利用RPC文件進(jìn)行正射校正，當(dāng)有控制點(diǎn)信息時(shí)，采用PRC文件結(jié)合控制點(diǎn)信息進(jìn)行精確的正射校正。

2.2 影像匹配

檢查正射校正后的HR和PMS影像數(shù)據(jù)之間的匹配程度，當(dāng)它們之間的錯(cuò)位小于一個(gè)象元時(shí)不需要進(jìn)行影像波段之間的匹配工作。但大多數(shù)情況下都需要進(jìn)行影像匹配。影像之間的匹配主要有兩個(gè)階段。首先是PMS波段中紅、綠、近紅外MS波段與全色P波段之間的匹配，其次是HR波段與PMS波段之間的匹配。匹配的方法主要利用自動(dòng)配準(zhǔn)技術(shù)，遵循利用高分辨率圖像作為基準(zhǔn)圖像校正低分辨圖像的原則。由于數(shù)據(jù)間匹配程度較差的地區(qū)多在山區(qū)，而且錯(cuò)位扭曲的方式不規(guī)律，并不呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，在匹配模型的選擇上采用小樣條函數(shù)或者線性橡皮拉伸效果較好，匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)根據(jù)匹配誤差來(lái)進(jìn)行確定。而在匹配波段的選擇上，選用HR數(shù)據(jù)與紅、綠波段進(jìn)行匹配效果較好。

2.3 影像融合

為了結(jié)合高空間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢(shì)，需要進(jìn)行融合處理工作。02C數(shù)據(jù)具有5m的P全色和2.36米的HR全色數(shù)據(jù)，可以生成兩種分辨率的融合結(jié)果。其中，為了更多的保留數(shù)據(jù)的信息與細(xì)節(jié)，在進(jìn)行融合之前，HR數(shù)據(jù)和PMS數(shù)據(jù)都不進(jìn)行色彩調(diào)整工作，融合方法采用高分辨率數(shù)據(jù)融合中具有高保真效果的Pansharping或者Gram-Schmidt方法[2]，以更好地保留和平衡光譜信息和空間信息。

2.4 波段組合以及信息增強(qiáng)

由于02C數(shù)據(jù)缺少Blue（藍(lán)色）波段，因此直接進(jìn)行波段組合的效果不利于目視解譯。為了模擬真彩色圖像，采用紅、近紅外和綠波段的平均值來(lái)替代藍(lán)色波段進(jìn)行波段組合效果較好，所表現(xiàn)的地物的差異最大，包含的信息量最豐富，而且模擬真彩色的效果和地物色彩非常接近，便于地類解譯。

波段組合后生成的圖像受到02C數(shù)據(jù)顯示動(dòng)態(tài)范圍較窄的影響，圖像效果不理想，信息細(xì)節(jié)不明顯，需要進(jìn)行相應(yīng)的信息增強(qiáng)處理工作。主要是進(jìn)行色彩增強(qiáng)，拉大不同地類之間的色彩反差，同時(shí)突出紋理細(xì)節(jié)和加強(qiáng)紋理能量，消除蒙霧和提高亮度，以有利于地類圖斑的目視解譯。

3 02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)在礦山監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力

SPOT-5數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)近些年的礦山調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用廣泛。02C的HR融合影像采樣間隔為2.5m，與融合后的SPOT 數(shù)據(jù)采樣間隔相同。本文通過(guò)對(duì)比二者的幾何精度、礦山監(jiān)測(cè)解譯方面的能力等方面來(lái)分析02C衛(wèi)星在礦山監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用潛力。

3.1 幾何精度對(duì)比

本文采用1C級(jí)02C衛(wèi)星HR融合數(shù)據(jù)與1級(jí)SPOT-5融合數(shù)據(jù)分別選取均勻分布的20個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行糾正。02C衛(wèi)星HR融合數(shù)據(jù)采用二次有理函數(shù)模型進(jìn)行糾正，SPOT-5數(shù)據(jù)采用嚴(yán)格軌道模型進(jìn)行糾正，高程數(shù)據(jù)均采用1:5萬(wàn)地形圖生成的DEM。在糾正結(jié)果上選取了8個(gè)同名地物點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，以糾正控制資料為理論值進(jìn)行對(duì)比分析整景影像的中誤差，作為影像的校正精度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯琒POT-5數(shù)據(jù)采用25個(gè)控制點(diǎn)平均較差為1.88m，02C衛(wèi)星HR數(shù)據(jù)采用25個(gè)控制點(diǎn)平均較差為2.99m，O2C數(shù)據(jù)的幾何精度較SPOT-5稍差。

表1 02C數(shù)據(jù)與SPOT-5數(shù)據(jù)糾正精度統(tǒng)計(jì)

3.2 解譯能力對(duì)比

3.2.1 融合效果對(duì)比

就試驗(yàn)的融合影像而言，02C的HR融合數(shù)據(jù)各地類之間層次感較強(qiáng)，紋理細(xì)節(jié)比SPOT5數(shù)據(jù)清晰，但02C的HR融合影像色彩偏暗，而SPOT5數(shù)據(jù)色彩偏綠，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 02C衛(wèi)星與SPOT-5數(shù)據(jù)主要解譯要素融合效果對(duì)比

3.2.2 解譯精度對(duì)比

將評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)礦山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中成果圖斑作為評(píng)定基準(zhǔn)，分別與重疊區(qū)域的02C的HR融合數(shù)據(jù)及 SPOT-5融合數(shù)據(jù)的礦山監(jiān)測(cè)解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)主要解譯類別統(tǒng)計(jì)的圖斑數(shù)，隨機(jī)從每類圖斑中抽取50塊進(jìn)行評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以看出，02C的HR融合數(shù)據(jù)的解譯精度在開(kāi)采點(diǎn)和礦山建筑的解譯上要優(yōu)于SPOT-5融合數(shù)據(jù)，而在開(kāi)采面和中轉(zhuǎn)場(chǎng)地的解譯上較SPOT-5融合數(shù)據(jù)弱。

表3 02C衛(wèi)星HR融合數(shù)據(jù)以及SPOT-5融合數(shù)據(jù)的解譯精度統(tǒng)計(jì)表

3.2.3 面積精度對(duì)比

在礦山監(jiān)測(cè)的礦山開(kāi)發(fā)占地成果圖斑中分別從兩種數(shù)據(jù)上隨機(jī)抽取5塊同名圖斑，以數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)圖斑面積作為基準(zhǔn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，結(jié)果列于表4。由表4看出，HR融合數(shù)據(jù)平均差異度在面積真值較小和較大的情況下相對(duì)SPOT-5融合數(shù)據(jù)小，而在中間區(qū)域則相對(duì)變大。

表4 02C衛(wèi)星HR融合數(shù)據(jù)以及SPOT-5融合數(shù)據(jù)的面積精度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論和討論

通過(guò)目視判讀與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)資源一號(hào)02C星HR數(shù)據(jù)和PMS多光譜數(shù)據(jù)的信息量和清晰度、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍、條紋噪聲水平、多光譜數(shù)據(jù)成像同步性、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)對(duì)比分析等幾個(gè)方面進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)得到如下結(jié)論：

1）02C 衛(wèi)星數(shù)據(jù)影像清晰，紋理信息較豐富，數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足專題制圖的需求；

2）02C星數(shù)據(jù)波段間同步性較差，配準(zhǔn)等工作成倍加大了業(yè)務(wù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)處理的工作量，數(shù)據(jù)處理成本增加，在一定程度上阻礙了02C星數(shù)據(jù)的區(qū)域性產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

3）02C星多光譜數(shù)據(jù)的全色波段與其它幾個(gè)波段之間的偏移量在景間分布情況無(wú)規(guī)律，通過(guò)波段間配準(zhǔn)可將匹配誤差降低到1個(gè)像元以內(nèi)。

4）02C星數(shù)據(jù)全色與多光譜的融合采用高保真的GS或者Pansharp方法，藍(lán)色波段采用紅、綠、近紅外三個(gè)波段的平均值替代效果較好。

5）通過(guò) HR融合數(shù)據(jù)與SPOT-5融合數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，可以看出02C的HR融合數(shù)據(jù)與SPOT-5數(shù)據(jù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其能夠滿足礦山監(jiān)測(cè)1∶5萬(wàn)工作區(qū)的調(diào)查要求。

02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為國(guó)內(nèi)第一顆高分辨率民用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在我國(guó)國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、生態(tài)環(huán)境、國(guó)家重大工程等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，但是其仍然存在一些需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。首先就是需要進(jìn)一步提高糾正02C 數(shù)據(jù)的全色波段和多光譜波段間偏差的效率；其次是受波段設(shè)置以及光譜波段分布范圍的限制，在地質(zhì)信息解譯與礦化蝕變信息提取方面能力相對(duì)較弱，需要在后續(xù)應(yīng)用中加大數(shù)據(jù)的針對(duì)性處理與信息提取的力度，才能在一定程度上克服波段設(shè)置造成的不足[3]；最后，需要形成一套完整、科學(xué)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體[4]。

[1] 資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng).產(chǎn)品簡(jiǎn)介[EB/OL].

[2] 趙珍梅, 馬偉, 王潤(rùn)生. 三種高保真遙感影像融合方法效果評(píng)價(jià)與分析[J].地質(zhì)與勘查，2010,46（4）:705～707.

[3] 資源一號(hào)02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng).在軌測(cè)試結(jié)論[EB/OL].

[4] 馬熹肇.資源一號(hào)“02C”衛(wèi)星數(shù)據(jù)在軌測(cè)試分析[D]. 吉林：吉林大學(xué),2012：57～58.

The Application of Satellite Data Processing System to the Mine Monitoring

HE Zhong-hai ZHAO Wei XIONG Li-yuan ZHONG Hong-mei

(Sichuan Institute of Uranium Geology, Chengdu 610061)

This paper puts forward a satellite data processing method and procedure suitable for resource satellite 02C and make an approach to the application of data from the satellite 02C to mine monitoring, putting forward some existing problems.

satellite 02C; satellite 02C; mine monitoring; application

P627

A

1006-0995（2015）01-0138-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.033

2014-03-13

何中海（1986—），男，四川西充縣人，助理工程師，主要從事遙感圖像處理和應(yīng)用方面的研究