資源三號(hào)衛(wèi)星在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
——以山西省為例

于　頌，陳　峰，張　錦

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

?

資源三號(hào)衛(wèi)星在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
——以山西省為例

于頌1，陳峰1，張錦2

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

Applied Research of ZY-3 Satellite in Regional Geological Disaster Emergency Monitoring——Taking Province Shanxi as an example

YU Song，CHEN Feng，ZHANG Jin

摘要：遙感技術(shù)已成為當(dāng)前應(yīng)對(duì)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的一種重要技術(shù)手段。本文將資源三號(hào)衛(wèi)星遙感影像應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，研究了資源三號(hào)衛(wèi)星區(qū)域RPC參數(shù)的修正方法，并聯(lián)合DEM和控制點(diǎn)建立了區(qū)域影像快速正射糾正的方法流程；利用長治地區(qū)的資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行了正射糾正試驗(yàn)與分析，總體滿足區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)對(duì)遙感影像的精度要求。利用該方法制作完成的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域遙感影像已應(yīng)用于山西省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)項(xiàng)目中并取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害；資源三號(hào)；RPC參數(shù)修正；正射糾正

資源三號(hào)衛(wèi)星是我國一顆重要的高分辨率測(cè)繪衛(wèi)星，能滿足1∶50 000測(cè)圖的精度要求[1-2]，已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪立體測(cè)圖、大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新、國土資源調(diào)查等領(lǐng)域，是非常重要的影像數(shù)據(jù)資源。如何將資源三號(hào)衛(wèi)星影像應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)并對(duì)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，已成為當(dāng)前亟待解決的重要課題。本文以山西省為例，將詳細(xì)闡述資源三號(hào)衛(wèi)星在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用。

一、區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)

山西省區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)將綜合運(yùn)用航空航天遙感、衛(wèi)星通信、GIS等高新技術(shù)手段，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)快速獲取地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域本底遙感影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合無人機(jī)遙感技術(shù)快速獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程傳輸和服務(wù)一體化的應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)體系(如圖1所示)，為全省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的遙感監(jiān)測(cè)和應(yīng)急救災(zāi)輔助決策提供機(jī)動(dòng)靈活、快速響應(yīng)的應(yīng)急測(cè)繪保障。

目前山西全省范圍內(nèi)約有2500 km2的重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，地質(zhì)災(zāi)害種類繁多且分布范圍較廣，大部分區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)普遍存在現(xiàn)勢(shì)性較差、比例尺較小、數(shù)據(jù)不完整等問題。一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，受災(zāi)地區(qū)的交通、通信隨時(shí)都有可能中斷，將直接影響到搶險(xiǎn)救災(zāi)的速度與效率。而衛(wèi)星遙感技術(shù)是全面掌握災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)及周邊地區(qū)信息最快、最有效的途徑。本文將資源三號(hào)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，研究建立地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域正射遙感影像快速制作方法流程，為第一時(shí)間快速尋找有利的營救生命線、打通外界與受災(zāi)區(qū)域的救災(zāi)通道提供影像支撐。

圖1　區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

二、資源三號(hào)衛(wèi)星區(qū)域影像快速正射糾正

1. 區(qū)域RPC模型參數(shù)修正

RPC模型的實(shí)質(zhì)是有理函數(shù)模型(rational function model,RFM)，RPC模型將地面點(diǎn)大地坐標(biāo)D(緯度φ、經(jīng)度λ和高程h)與其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)d(L,S)用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來，并將地面坐標(biāo)和像點(diǎn)坐標(biāo)正則化到-1～1之間，增強(qiáng)了參數(shù)求解的穩(wěn)定性，比值多項(xiàng)式的定義詳見文獻(xiàn)[3—5]。

資源三號(hào)衛(wèi)星區(qū)域影像的RPC模型參數(shù)[6]的修正可采用兩種方式：一種方式是利用文獻(xiàn)[7]的方法直接計(jì)算RPC模型參數(shù)，該方法需要建立空間格網(wǎng)并計(jì)算大量的控制點(diǎn)來求解RPC模型中的80個(gè)系數(shù)，且參數(shù)間可能存在相關(guān)性，求解比較困難[7]；本文采用另外一種方式：通過區(qū)域影像4個(gè)角的坐標(biāo)信息來計(jì)算影像的正則變換參數(shù)，而無需重新計(jì)算RPC模型的80個(gè)系數(shù)，該方法僅利用4個(gè)角的控制點(diǎn)計(jì)算8個(gè)正則變換參數(shù)即可取得較高的精度[8]。區(qū)域RPC模型參數(shù)的修正方法如下：

1) 通過RPC模型正反算獲取區(qū)域影像4個(gè)角的像點(diǎn)坐標(biāo)和地面經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2) 重新計(jì)算區(qū)域影像范圍內(nèi)的8個(gè)正則變換參數(shù)：地面坐標(biāo)的正則平移參數(shù)和像點(diǎn)坐標(biāo)正則比例參數(shù)。計(jì)算過程詳見參考文獻(xiàn)[9—10]，這里n=4。

3) 將RPC文件中對(duì)應(yīng)的參數(shù)替換為經(jīng)上述方法計(jì)算得到的8個(gè)正則變換參數(shù)，與RPC模型的4個(gè)多項(xiàng)式的80個(gè)系數(shù)共同保存為新的RPC文件。

2. 快速正射糾正

利用本文方法計(jì)算得到的RPC文件并采用“RPC模型+控制點(diǎn)+DEM”的模式對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星區(qū)域影像進(jìn)行正射糾正。采用相同的糾正模型及對(duì)應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)先對(duì)區(qū)域全色影像進(jìn)行正射糾正，以全色影像糾正結(jié)果為控制基礎(chǔ)，對(duì)區(qū)域多光譜影像通過同名點(diǎn)匹配進(jìn)行糾正。整個(gè)正射糾正方法流程如圖2所示。

圖2　正射糾正流程

三、試驗(yàn)分析及應(yīng)用

1. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1) 資源三號(hào)數(shù)據(jù)

覆蓋長治地區(qū)的某一景資源三號(hào)遙感衛(wèi)星原始影像，大部分為山區(qū)、丘陵，接收時(shí)間和生產(chǎn)時(shí)間均為2014年5月26日，數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正和傳感器校正處理，未作系統(tǒng)幾何糾正處理的LEVEL1A級(jí)產(chǎn)品，附帶RPC文件。原始影像大小為24 530×24 468，目標(biāo)影像大小為11 138×7505，其位置關(guān)系如圖3所示。

圖3　原始影像與目標(biāo)影像范圍及位置關(guān)系

(2) DOM數(shù)據(jù)

目標(biāo)區(qū)域范圍DOM數(shù)據(jù)為彩色航片，分辨率為0.5 m，img格式，坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系，用來作為水平參考影像。

(3) DEM數(shù)據(jù)

目標(biāo)區(qū)域范圍山西省高精度數(shù)字高程模型的地面采樣間距為3 m，img格式，坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系，用來作為水平參考影像。

2. 區(qū)域RPC參數(shù)修正

利用原始數(shù)據(jù)附帶的RPC文件，根據(jù)上文所述方法計(jì)算獲得目標(biāo)區(qū)域影像RPC文件，如圖4所示。利用這兩個(gè)RPC分別對(duì)全景影像和目標(biāo)區(qū)域影像進(jìn)行無控制點(diǎn)校正試驗(yàn)，校正后將目標(biāo)區(qū)域影像反拉伸灰度值，并與校正后整幅影像進(jìn)行疊加分析，結(jié)果兩幅影像相同區(qū)域位置高度套合，表明利用該方法計(jì)算的區(qū)域影像RPC參數(shù)有效，可以用于正射糾正。

圖4　RPC參數(shù)

3. 正射糾正處理

采用ERDAS LPS模塊對(duì)影像進(jìn)行快速和精確的正射校正，將區(qū)域影像與參考影像校正至相同坐標(biāo)系統(tǒng)下。主要處理過程如下:

1) 定義橢球：在ERDAS軟件安裝目錄下的spheroid.tab文件中將1980西安坐標(biāo)系采用的IAG 75橢球體參數(shù)添加并保存，然后利用該軟件的自定義坐標(biāo)系功能，創(chuàng)建1980西安坐標(biāo)系。

2) 傳感器模型選擇：ERDAS軟件自帶的傳感器模型中沒有資源三號(hào)的模型，這里選擇IKONOS模型來替代，在RPC模型基礎(chǔ)上選擇二次多項(xiàng)式模型來輔助提高糾正的精度。

3) 控制點(diǎn)采集與布控：在RPC模型基礎(chǔ)上，結(jié)合水平和垂直參考數(shù)據(jù)，選擇少量控制點(diǎn)即可滿足精度，而二次多項(xiàng)式求解至少需要6個(gè)控制點(diǎn)，因此這里選取均勻分布的固定不變的同名地物GCP點(diǎn)9個(gè)，主要為地面道路交叉點(diǎn)、水庫堤壩、鹽田通道、庫塘邊堤等明顯地物特征，誤差控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)。

4) 利用上述方法步驟將全色影像進(jìn)行正射糾正，以糾正好的全色影像為匹配對(duì)象對(duì)多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)糾正，糾正模型及DEM數(shù)據(jù)的選取與對(duì)應(yīng)的全色影像一致，控制點(diǎn)采集的位置分布均勻，且一般不少于15個(gè)，其殘差中誤差在0.5個(gè)像素以內(nèi)，最后都采用雙線性插值法進(jìn)行重采樣。

5) 采用Pan sharpening方法進(jìn)行影像融合。

4. 試驗(yàn)結(jié)果分析

在影像上均勻選取12個(gè)均勻分布的檢查點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)定分析，在不同方向的平均點(diǎn)位中誤差見表1。

表1　檢查點(diǎn)殘差與精度評(píng)價(jià)結(jié)果　像素

從表1中可以看出，檢查點(diǎn)的(X,Y)和平面最大殘差都在0.5個(gè)像素以內(nèi)；(X,Y)和平面中誤差都在0.3個(gè)像素以內(nèi)，總體滿足區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)對(duì)遙感影像的精度要求。

5. 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用

當(dāng)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)時(shí)，如何快速獲取該區(qū)域的影像并進(jìn)行正射處理，為應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作提供現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情信息將成為首要任務(wù)。本文的方法為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域正射影像的制作提供了一種快速有效的方法途徑，研究的成果已在山西省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過正射處理的資源三號(hào)衛(wèi)星區(qū)域影像已成為該系統(tǒng)的多源遙感影像數(shù)據(jù)之一，同時(shí)也是全省重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)區(qū)域的主要基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)源，能在第一時(shí)間為系統(tǒng)提供突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域影像，疊加各類地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息的疊加分析(如圖5所示)、GPS軌跡顯示(如圖6所示)、三維可視化分析(如圖7所示)等，為區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作提供了影像數(shù)據(jù)支撐。

圖5　遙感影像與地質(zhì)災(zāi)害信息疊加分析

圖6　GPS軌跡顯示

圖7　三維可視化分析

四、結(jié)束語

本文首先介紹了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的技術(shù)體系，將資源三號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用于全省地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)工作中，研究了資源三號(hào)區(qū)域影像RPC模型參數(shù)的修正方法，建立了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害正射影像的快速生產(chǎn)技術(shù)方法流程。研究成果已成功應(yīng)用于山西省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)中，不僅豐富了該系統(tǒng)的多源影像數(shù)據(jù)庫，而且為重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析提供了影像數(shù)據(jù)支撐，已經(jīng)在多次區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)演練和實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用，取得了較好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐新明,張過,祝小勇,等.資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構(gòu)建與精度初步驗(yàn)證[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(2): 191-198.

[2]白穆,張勤,吳曉春.資源三號(hào)影像質(zhì)量及測(cè)圖應(yīng)用評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪通報(bào),2014(12):82-85．

[3]GRODECKI J,DIAL G. IKONOS Geometric Accuracy of IKONOS: Zoom in[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004,42(1):209-214．

[4]CHEN C,DEREN L,ZHU Q.Practical Research of IKONOS-2 Geopositioning and Its Accuracy in Tibet of China[J].Geo-Spatial Information Science,2005,1(1):33-38.

[5]張過. 缺少控制點(diǎn)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像幾何糾正[D].武漢:武漢大學(xué), 2005.

[6]潘紅播,張過,唐新明,等.資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品幾何模型[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2013,42(4)：516-522.

[7]張過,李德仁. 衛(wèi)星遙感影像RPC參數(shù)求解算法研究[J].中國圖形圖象學(xué)報(bào),2007,12(12)：2080-2088.

[8]HU Y,TAO C.Updating Solutions of the Rational Function Model Using Additional Control Information[J].Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2002, 68(7): 715-724.

[9]XIONG Z,ZHANG Y. Bundle Adjustment with Rational Polynomial Camera Models Based on Generic Method. [J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(1):190-202.

[10]陳峰,張錦,曾波.基于圖像代數(shù)的資源三號(hào)衛(wèi)星居民地要素變化檢測(cè)方法及其有效性評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪通報(bào),2015(5):38-41.

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)04-0068-04

作者簡(jiǎn)介：于頌(1974—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)方面的工作。E-mail：yusong8@sina.com

基金項(xiàng)目：山西省測(cè)繪地理信息科技項(xiàng)目(2013K-5)；“山西省突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)”項(xiàng)目

收稿日期：2015-03-06

引文格式： 于頌，陳峰，張錦. 資源三號(hào)衛(wèi)星在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以山西省為例[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(4)：68-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0123.