資源三號衛(wèi)星圖像處理關鍵技術及其在煤田地質(zhì)勘查中的應用

■陳香菱 劉俊蓉 牛軍強

（中煤航測遙感集團有限公司陜西西安710199）

資源三號衛(wèi)星圖像處理關鍵技術及其在煤田地質(zhì)勘查中的應用

■陳香菱 劉俊蓉 牛軍強

（中煤航測遙感集團有限公司陜西西安710199）

資源三號衛(wèi)星是我國第一顆民用高分辨率衛(wèi)星，在各行業(yè)中應用日趨廣泛。本文主要介紹其圖像處理關鍵技術，并以西藏自治區(qū)那曲地區(qū)巴青煤田地質(zhì)勘查區(qū)為例，介紹其在煤田地質(zhì)勘查中的應用，為煤田地質(zhì)勘查中的遙感應用提供了一套技術流程和方法。

資源三號衛(wèi)星 高分辨率 煤田地質(zhì)勘查 DEM圖像融合

0　引言

資源三號測繪衛(wèi)星（ZY3）是我國第一顆自主民用高分辨率立體測圖衛(wèi)星。截止2014年底，有效數(shù)據(jù)中國覆蓋范圍約1128萬km2，有效數(shù)據(jù)全球覆蓋范圍達5985萬km2。我國長期以來存在的基礎地理信息數(shù)據(jù)源獲取的瓶頸問題得到有效緩解[1]。各項應用情況表明，資源三號測繪衛(wèi)星影像在空間分辨率、定位精度與時效性等方面代表了我國自主民用遙感衛(wèi)星的領先水平，可以服務于基礎測繪、國土、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、減災、地質(zhì)勘查、規(guī)劃等各行業(yè)影像的數(shù)據(jù)需求，具有廣闊的應用前景。

本文以西藏自治區(qū)那曲地區(qū)巴青煤田地質(zhì)勘查區(qū)為例，介紹資源三號衛(wèi)星圖像在煤田地質(zhì)勘查中的應用，為煤田地質(zhì)勘查提供更便捷的技術手段。如何能將圖像更好的應用于煤田地質(zhì)勘查，主要取決于其圖像處理關鍵技術及應用方法。

1　資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征

1.1衛(wèi)星簡介

資源三號衛(wèi)星是太陽同步衛(wèi)星，可對地球南北緯84度以內(nèi)地區(qū)實現(xiàn)無縫影像覆蓋，回歸周期為59天，重訪周期為5天，設計工作壽命為5年，具有全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力。

1.2衛(wèi)星載荷

衛(wèi)星配置有1臺地面分辨率優(yōu)于2.1m的正視全色TDI CCD相機，2臺地面分辨率優(yōu)于3.5m的前視、后視全色TDI CCD相機，1臺地面分辨率優(yōu)于5.8m的正視多光譜相機。

1.3數(shù)據(jù)特點

（1）立體觀測與資源調(diào)查兩種觀測模式

衛(wèi)星具備立體測繪和資源調(diào)查兩種觀測模式。立體測繪觀測模式是指ZY3搭載的前正后視全色相機，推掃成像形成三線陣立體像對；資源調(diào)查觀測模式是指ZY3搭載的正視全色和多光譜相機，推掃成像形成平面影像。

（2）定位精度高

資源三號影像有控制定位精度優(yōu)于1個像素。前后視立體像對幅寬52km，基線高度比0.85～0.95，可滿足1:50000比例尺立體測圖需求；正視影像2.1m,可滿足1:25000比例尺地形圖更新需求。在無控制點的情況下，平面可達50m，高程高達30m；在加入控制點的情況下，平面和高程精度都可以控制到5m以內(nèi)[2]。

（3）影像信息量豐富

資源三號衛(wèi)星提供的影像數(shù)據(jù)的量化值為10位，增加了影像的信息量，有利于影像的目視判讀、自動分類和影像匹配精度提高。

1.4成像幾何模型

為便于資源三號測繪衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理，衛(wèi)星中心提供數(shù)據(jù)的時候，在嚴密幾何模型的基礎上構(gòu)建了資源三號的測繪衛(wèi)星的RFM模型[3]。模型將地面點大地坐標與其對應的像點坐標用比值多項式關聯(lián)起來，如式（1）所示，采用最小二乘平差原理解求，從而獲得資源三號測繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品的模型參數(shù)RPC。RPC描述了物方坐標到像方坐標的變換公式。像方坐標到物方坐標的變換公式可以通過迭代的方式進行求解。

其中，X是像點列方向歸一化的坐標，Y是像點行方向歸一化的坐標，P是像點所對應的歸一化之后的經(jīng)度，L是像點所對應的歸一化之后的緯度，H是像點所對應的歸一化之后的大地高。NumL、DenL、NumS、DenS均為三次多項式。

2　圖像處理關鍵技術

資源三號衛(wèi)星圖像處理過程中只有綜合考慮校正精度、多光譜與全色融合效果、對地物信息的反映程度等一系列因素，才能夠得到理想的圖像處理結(jié)果。因此，圖像處理方法包括三個關鍵技術——DEM精度、融合方法及色彩增強主要遵循的原則。

2.1圖像處理關鍵技術

（1）DEM精度

數(shù)字高程模型，簡稱DEM，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。DEM精度主要指DEM分辨率，它是刻畫地形精確程度的一個重要指標，同時也是決定其使用范圍的一個主要的影響因素。DEM的分辨率是指DEM最小的單元格的長度。因為DEM是離散數(shù)據(jù)，所以（X、Y）坐標其實都是一個個的小方格，每個小方格標識出其高程。這個小方格的長度就是DEM的分辨率。分辨率數(shù)值越小，分辨率就越高，刻畫的地形程度就越精確。用DEM對影像進行正射校正，DEM的精度直接影響到所校正影像的精度。

（2）融合方法

圖像融合是以圖像為主要研究內(nèi)容的數(shù)據(jù)融合技術，是把多個不同模式的圖像傳感器獲得的同一場景的多幅圖像或同一傳感器在不同時刻獲得的同一場景的多幅圖像合成為一幅圖像的過程。經(jīng)過圖像融合，既豐富了圖像的地物信息，又提高了圖像的分辨率。

目前主要的圖像處理軟件有ERDAS IMAGINE、ENVI、PCI、PhotoShop等，主要融合方法有Brovey變換、主成分變換、小波變換、HIS變換、Gram-Schimdt光譜銳化等[4-5]。通過筆者大量試驗分析、工作總結(jié)，認為Gram-Schimdt光譜銳化和主成分變換是適合資源三號衛(wèi)星圖像融合的主要方法，ERDAS IMAGINE是最適合的圖像融合軟件。

（3）色彩增強主要遵循的原則

通常一個區(qū)域需要幾景或多景影像才能覆蓋，多景影像經(jīng)常時相不盡一致，色彩也有一定差異，尤其對于冬夏兩個季節(jié)的影像，色彩差異巨大。因此，色彩增強主要遵循的原則是，在最大限度保留地物真實信息的基礎上，將不同時相的影像色彩調(diào)至幾近一致。

2.2圖像處理流程

資源三號衛(wèi)星圖像處理主要分四步來進行：多光譜及全色圖像正射校正、多光譜與全色圖像融合、融合圖像的色彩調(diào)整與鑲嵌、拼接圖像幾何校正（圖2.1）。以下是對這四部分的操作方法分別進行詳述。

（1）正射校正

對于煤田地質(zhì)勘查來說，一般對遙感圖像的精度要求是1: 50000，若可以收集到勘查區(qū)優(yōu)于1:50000的地形圖，可以選擇用自制DEM對影像進行正射校正，否則對于資源三號衛(wèi)星圖像，采用全國30m DEM進行正射校正，可滿足對1:50000煤田地質(zhì)勘查的精度要求。本次所用數(shù)據(jù)為全國30m DEM，采用ENVI軟件對多光譜和全色分別進行正射校正。

（2）圖像融合

用ERDAS IMAGINE軟件，采用Gram-Schimdt光譜銳化或主成分變換方法將多光譜和全色進行融合，既能使融合圖像得到更真實的色彩信息，又能具有更好的清晰度。因此本次亦采用該方法對圖像進行融合。

（3）圖像色彩調(diào)整與鑲嵌

圖像鑲嵌是指將多景圖像通過軟件處理，無縫拼接在一起。PhotoShop軟件二次開發(fā)的程序中可以識別圖像的坐標信息，因此可以將勘查區(qū)所涉及的4景ZY3圖像導入PhotoShop同一文件中，即可實現(xiàn)4景圖像的無錯位拼接，再對4景圖像按照色彩增強主要遵循原則進行色彩調(diào)整，然后劃分鑲嵌線，實現(xiàn)圖像的無色差、無縫拼接。最后對拼接后圖像做交互式拉伸、直方圖匹配等二次色彩增強處理，使其能最大化的反映所研究地物信息。

（4）圖像幾何校正

圖2.1　基于ENVI、ERDAS、Photoshop的ZY3影像處理流程圖

應用ERDAS軟件圖像校正模塊，均勻選取地面控制點(GCPS)，對拼接后影像進行幾何精校正。校正后誤差小于1mm，滿足勘查區(qū)1:50000圖像精度要求。

3　在煤田地質(zhì)勘查中的應用

作為煤田地質(zhì)勘查的重要輔助手段之一，遙感圖像具有其他方法不可替代的優(yōu)勢。可以在未進行野外地質(zhì)調(diào)查的情況下從宏觀上劃分出勘查區(qū)的地貌、地層、構(gòu)造等，隨著遙感圖像分辨率的提高，趨于細微的地層、構(gòu)造等信息也可以一目了然于圖像上。

通過選取精確的DEM數(shù)據(jù)、合理的圖像融合及圖像增強方法制作出的西藏自治區(qū)那曲地區(qū)巴青煤田地質(zhì)勘查區(qū)資源三號衛(wèi)星圖像色彩均衡，色調(diào)差異明顯，影紋結(jié)構(gòu)和影像構(gòu)造清晰，可以充分反映該區(qū)的地形地貌、水系、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特征?，F(xiàn)以四幅圖像為例，介紹其典型地貌、地層及構(gòu)造的遙感影像特征。

典型地貌遙感影像特征：圖3.1是勘查區(qū)索曲河谷的遙感影像，為河流侵蝕溝谷地貌。從圖中可以看到中間地勢較低溝谷中的典型水蝕河谷、河漫灘和“S”型河道。

典型地層遙感影像特征：圖3.2及圖3.3是勘查區(qū)典型的地層影像。圖3.2中可以看到明顯的砂巖平行層理以及呈NEE-SWW的走向。圖3.3古近系（E1-2n）地層呈棕紅色，可見層理，第三系（T3j）地層呈淺黃綠色，溝谷切割強烈，明顯的色彩差異及不同的紋理特征可以劃分出兩側(cè)不同的地層。

斷裂構(gòu)造遙感影像特征：圖3.4是勘查區(qū)F23斷層遙感影像，從遙感影像可以看到明顯的斷層三角面及被錯斷的兩翼地層。

4　結(jié)束語

資源三號衛(wèi)星是我國第一顆民用高分辨率衛(wèi)星，近年來越來越廣泛的被應用于煤田地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)等勘查中去，遙感圖像作為各類地質(zhì)勘查的重要輔助手段之一，隨著其分辨率的提高及日趨成熟的處理技術和處理精度的提高，將會在地質(zhì)勘查乃至其他行業(yè)中起到越來越重要的作用。

[1]資源三號測繪衛(wèi)星2014年度數(shù)據(jù)報告,http://sjfw.sasmac.cn/zy2014/zy2014.html.

[2]董杰,李學東,黃炎等.基于ArcGIS的資源三號測繪衛(wèi)星影像底圖快速處理方案研究 [C].福建廈門:中國遙感應用協(xié)會專家委員會,2014:20-27.

[3]潘紅播,張過,唐新明,周平,蔣永華,祝小勇,江萬壽,許妙忠,李德仁.資源三號測繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品幾何模型 [J].測繪學報,2013,04:16-22.

[4]吳曉萍,楊武年,李國明.資源三號衛(wèi)星正視全色與多光譜影像融合及評價 [J].物探化探計算技術,2014,1:113-119.

[5]黃先德,周群,王興.資源三號衛(wèi)星全色與多光譜影像融合方法 [J].測繪通報, 2015,1:109-114.

TP751[文獻碼]A

1000-405X（2016）-7-339-2

陳香菱（1984～），女，2009年畢業(yè)于山東科技大學礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，碩士研究生，工程師，研究方向為遙感地質(zhì)、煤田地質(zhì)。