基于“高分一號(hào)”數(shù)據(jù)的地理國(guó)情普查DOM制作研究

黃磊

(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

基于“高分一號(hào)”數(shù)據(jù)的地理國(guó)情普查DOM制作研究

黃磊?

(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的獲取意味著國(guó)產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步,而地理國(guó)情普查對(duì)其數(shù)據(jù)的應(yīng)用更意味著GF-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)已可用于國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目。基于地理國(guó)情普查項(xiàng)目中“國(guó)情國(guó)力”的重大調(diào)查任務(wù),如何更好利用GF-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)出高精度的數(shù)字正射影像成為研究的重點(diǎn),同時(shí),如何在重慶這種特殊的山地城市中獲得滿(mǎn)足要求的數(shù)字正射影像更是研究難點(diǎn)。本文以此為契機(jī),對(duì)基于高分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字正射影像生產(chǎn)中的精度問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

高分一號(hào);數(shù)字正射影像;地理國(guó)情普查;山地城市

1　引 言

2013年4月26日,我國(guó)首顆高分衛(wèi)星——高分一號(hào)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GF-1)的升空,預(yù)示著我國(guó)“高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)”正式啟動(dòng)。該衛(wèi)星利用了高空間分辨率、多光譜等各種光學(xué)遙感關(guān)鍵技術(shù),全面提升了我國(guó)獲取高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的自主能力。同年,我國(guó)啟動(dòng)了全國(guó)第一次地理國(guó)情普查,該項(xiàng)目需要大量的影像數(shù)據(jù)作為支撐。GF-1衛(wèi)星不但具備傳統(tǒng)對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的客觀(guān)、宏觀(guān)、快速獲取的優(yōu)勢(shì),還具備了高分辨率特點(diǎn)。因此,在全國(guó)第一次地理國(guó)情普查中,指定GF-1影像為主要的數(shù)字正射影像圖制作影像源,這也預(yù)示著國(guó)產(chǎn)高分辨率影像在國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)中的應(yīng)用。

2　數(shù)字正射影像圖與地理國(guó)情普查

數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophote Map,簡(jiǎn)稱(chēng)DOM)是指利用DEM對(duì)航空及航天影像進(jìn)行正射糾正、配準(zhǔn)、融合、調(diào)色、鑲嵌等,且按照一定規(guī)則進(jìn)行裁切而生成的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集。DOM同時(shí)包含了地圖的幾何特征和影像特征,這也是DOM應(yīng)用于地理國(guó)情普查的基礎(chǔ)和前提。

地理國(guó)情普查在數(shù)據(jù)源選取過(guò)程中所要求的最低分辨率為2 m,而GF-1衛(wèi)星影像所能達(dá)到的最優(yōu)融合分辨率為2 m,這點(diǎn)已經(jīng)滿(mǎn)足了影像數(shù)據(jù)源的要求。在數(shù)字正射影像制作過(guò)程中,針對(duì)地理國(guó)情普查項(xiàng)目,數(shù)據(jù)正射影像平面精度和數(shù)字正射影像接邊限差均如表1所示。

數(shù)字正射影像平面精度和影像接邊限差　表1

如何基于GF-1衛(wèi)星影像,制作出滿(mǎn)足要求的數(shù)字正射影像也是一個(gè)探索的過(guò)程。本文以此為契機(jī),利用已有的正射影像制作經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),為其接下來(lái)的各項(xiàng)應(yīng)用做出示范。

3　數(shù)字正射影像制作技術(shù)流程

DOM的制作主要分為前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、整理,然后利用已有的控制點(diǎn)信息,并結(jié)合DEM進(jìn)行數(shù)據(jù)的糾正、配準(zhǔn)、融合,并對(duì)成果進(jìn)行色彩的調(diào)整、拼接、分幅裁切等工作,最終形成規(guī)范的DOM成圖數(shù)據(jù)。

本次地理國(guó)情普查DOM制作所涉及的數(shù)據(jù)源較為廣泛,并且對(duì)于GF-1數(shù)據(jù)的高精度DOM制作雖然有了相關(guān)研究[1],但是針對(duì)地理國(guó)情所需精度和山地城市特殊地形的DOM生產(chǎn)研究還有所欠缺。本文依據(jù)此次工作的研究過(guò)程,對(duì)GF-1數(shù)據(jù)DOM制作的幾種技術(shù)進(jìn)行介紹。

3．1全色影像糾正法

利用所收集的控制點(diǎn)資料、DEM數(shù)據(jù),先對(duì)全色波段影像進(jìn)行正射糾正,再利用多光譜數(shù)據(jù)與全色波段的同名點(diǎn)匹配進(jìn)行配準(zhǔn),最后進(jìn)行融合、調(diào)色處理,生成該景數(shù)據(jù)的DOM數(shù)據(jù)。主要的技術(shù)流程如圖1所示。

該方法是目前衛(wèi)星DOM制作的常用方法,該方法對(duì)于數(shù)據(jù)的獲取要求較為寬泛。在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于成果精度的控制較為不易,需要在全色糾正、多光譜匹配方面進(jìn)行嚴(yán)格的殘差控制,這樣才能保證成果的平面與高程精度。對(duì)于某些全色波段與多光譜波段同步獲取的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)如WorldView,可以利用遙感影像處理軟件進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)功能,且經(jīng)過(guò)匹配點(diǎn)篩選就能完成高精度配準(zhǔn)?？蒅F-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的自動(dòng)匹配結(jié)果難以滿(mǎn)足成果要求,需要手動(dòng)配準(zhǔn)。

圖1　DOM制作流程一

3．2融合影像糾正法

可以將進(jìn)行預(yù)處理的全色與多光譜影像進(jìn)行融合,利用全色波段影像進(jìn)行控制點(diǎn)選取與采集,利用采集好的控制點(diǎn)對(duì)融合后數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正,再進(jìn)行調(diào)色,成圖輸出。該技術(shù)流程如圖2所示。

圖2　DOM制作流程二

如果衛(wèi)星影像的全色波段與多光譜波段獲取時(shí)間同步,且采集效果較好,例如Worldview衛(wèi)星影像,則該方法可降低多光譜配準(zhǔn)的難度,提高DOM制作效率,是高效制作DOM的方法之一。

3．3全色、多光譜影像分類(lèi)糾正法

從控制點(diǎn)資料中選取有效控制點(diǎn),并結(jié)合DEM數(shù)據(jù),對(duì)全色波段和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分別正射糾正,并在糾正后將其進(jìn)行融合、調(diào)色成圖,最后得到所需的DOM影像。其技術(shù)流程如圖3所示:

圖3　DOM制作流程三

該方法主要適用于來(lái)自山區(qū)的異源全色與多光譜數(shù)據(jù)的DOM制作,針對(duì)多光譜與全色配準(zhǔn)有一定難度,利用物理模型進(jìn)行分別糾正保證精度后進(jìn)行融合[2]。針對(duì)重慶市的山地城市特點(diǎn),對(duì)該方法給予了較大的期望,但是GF-1數(shù)據(jù)的實(shí)際情況需要驗(yàn)證后才能判斷是否適合。

4　高分一號(hào)DOM制作對(duì)比

地理國(guó)情普查對(duì)DOM數(shù)據(jù)的精度要求較高。要求生產(chǎn)出來(lái)的DOM既要滿(mǎn)足表1所示的位置精度,還需要滿(mǎn)足融合后影像中多光譜影像和全色波段影像的套合情況,影像不能有重影,針對(duì)重慶地形,特別是山谷、山脊、高房子不能有重影。如果不能達(dá)到要求,就需要重新制作。

4．1研究區(qū)選取

重慶是一個(gè)典型的山地城市,為了使研究結(jié)果具有代表性,要求研究區(qū)域的地形、地貌類(lèi)型比較能代表重慶的地形特征。而山地城市的高建筑、樹(shù)木遮擋、地形起伏變化等導(dǎo)致的影像幾何糾正精度[3]問(wèn)題,為高分一號(hào)在重慶區(qū)域的DOM制作提出了新的挑戰(zhàn)。本論文選用了以下2景影像(用A、B表示)進(jìn)行對(duì)比研究,如圖4所示。

4．2不同糾正方式的像控點(diǎn)采集選取

影像糾正所采用的是已有的像控點(diǎn)數(shù)據(jù),但是由于GF-1衛(wèi)星的分辨率不能完全判斷出所有的像控點(diǎn)準(zhǔn)確位置,因此選取了合理的像控點(diǎn)進(jìn)行反刺。如圖5所示。

圖4　原始GF-1多光譜影像(左A,右B)

圖5　A、B影像全色波段的像控點(diǎn)分布

像控點(diǎn)的選取除了考慮已有像控點(diǎn)位置的準(zhǔn)確刺點(diǎn),還需考慮不同成圖技術(shù)路線(xiàn)里多光譜影像像控點(diǎn)的可選位置,盡可能地減少像控點(diǎn)位置所帶來(lái)的成圖差異。4．3 DOM成果對(duì)比

為了維持三種技術(shù)流程實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性,在進(jìn)行DOM生產(chǎn)過(guò)程中分別選用了相同的控制點(diǎn)[4],且全色波段影像糾正過(guò)程中,控制點(diǎn)容差都在1以?xún)?nèi),其中A影像為0．9312,B影像為0．9059,該精度已經(jīng)滿(mǎn)足了DOM制作精度要求,并且糾正誤差在地理國(guó)情生產(chǎn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi),位置精度可以滿(mǎn)足下一步生產(chǎn)使用。此處成果的對(duì)比主要從DOM成果最終效果出發(fā),而全色波段控制點(diǎn)選取和糾正已滿(mǎn)足了位置精度要求,因此,接下來(lái)將以對(duì)多種技術(shù)方式進(jìn)行多光譜配準(zhǔn)融合后的成圖。

(1)全色影像糾正法

利用該方法在對(duì)全色波段影像進(jìn)行糾正后就進(jìn)行多光譜配準(zhǔn),由于影像分辨率和山地地形的限制,多光譜配準(zhǔn)的糾正控制點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6　A、B影像多光譜波段的控制點(diǎn)分布

其中二者的控制點(diǎn)殘差分別為:0．465 9和0．398 9,也達(dá)到了多光譜配全色的殘差要求,在進(jìn)行配準(zhǔn)之后,影像融合效果如圖7所示。

利用該方法進(jìn)行DOM制作,分別從多光譜與全色波段融合偏差方面進(jìn)行判斷。從局部細(xì)節(jié)圖中可以看出,兩景影像模糊重影情況都在1個(gè)像元以?xún)?nèi),DOM成果可以滿(mǎn)足影像的判讀和解譯,滿(mǎn)足地理國(guó)情對(duì)DOM成果影像的要求。

圖7　方法一中A、B影像融合后DOM成果

(2)融合影像糾正法

針對(duì)現(xiàn)有有些衛(wèi)星影像能夠直接進(jìn)行全色與多光譜融合,且效果優(yōu)質(zhì)的情況。本文也進(jìn)行了該方法的測(cè)試,首先進(jìn)行直接融合,然后在利用全色波段所提供的準(zhǔn)確控制點(diǎn)信息進(jìn)行融合后影像糾正。A和B影像融合后整體與局部特征結(jié)果如圖8所示。

圖8　方法二中A、B影像融合后影像

通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比,A融合后影像套合精度在14 m以上,B影像的套合精度在24 m以上,且兩個(gè)影像的套合精度變化差異大。因此沒(méi)有進(jìn)行繼續(xù)糾正的必要性,實(shí)驗(yàn)證明該方法無(wú)法適用于GF1號(hào)衛(wèi)星。

(3)全色、多光譜影像分類(lèi)糾正法

該方法是在保證全色和多光譜影像的各自糾正精度基礎(chǔ)上進(jìn)行DOM制作。首先是對(duì)全色波段影像進(jìn)行糾正,該步驟成果與方法一所糾正的全色波段成果一致。然后是多光譜影像糾正,影像像控點(diǎn)分布情況如圖9所示。對(duì)于多光譜而言,影像分辨率相對(duì)于全色波段較低,因此像控點(diǎn)尋判尤為困難,且加上重慶這種山地城市特點(diǎn),植被覆蓋率高,也增大了刺點(diǎn)難度。例如A多光譜影像像控點(diǎn)藍(lán)色標(biāo)記所示,這些像控點(diǎn)在全色波段上可以精確定位,而多光譜影像卻無(wú)法判斷準(zhǔn)確位置,所以多光譜影像上所能使用的有效像控點(diǎn)只剩下圖9所示,其中A的控制點(diǎn)殘差為0．542 4, B的控制點(diǎn)殘差為0．845 1。

將糾正后的全色波段影像和多光譜影像進(jìn)行融合,融合結(jié)果局部細(xì)節(jié)如圖10所示。

圖9　A、B影像多光譜波段的控制點(diǎn)分布

圖10　方法二中A、B影像融合后影像局部圖

從局部細(xì)節(jié)圖上可以看出很多地方都存在影像重影,這樣的DOM成果是無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)使用的,局部地方重影偏差高達(dá)30 m。這樣的DOM將會(huì)嚴(yán)重影響地物判讀,且融合精度也無(wú)法滿(mǎn)足DOM制作規(guī)范。該方法如果需要提高精度,需要加大有效控制點(diǎn)范圍和數(shù)量,但是由于數(shù)字像控的推進(jìn)和高性能集群式影像處理系統(tǒng)已大量減少了像控點(diǎn)的使用量,因此改變起來(lái)耗費(fèi)比較大,因此該方式不太適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)模式。

5　總 結(jié)

此次研究所采用的高分一號(hào)影像具有重慶山地城市特點(diǎn),其中控制點(diǎn)選取和糾正流程的測(cè)試都具有一定的特殊性。山地城市地形起伏大,DEM精度要求高,DOM制作難度大。通過(guò)反復(fù)研究與測(cè)試,最終選擇利用全色糾正、多光譜配準(zhǔn)以及融合法進(jìn)行DOM制作,且只有該方法能滿(mǎn)足GF-1在山地城市區(qū)域DOM制作的精度要求。另外兩種技術(shù)路線(xiàn)目前也已在其他高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)DOM制作中有了相關(guān)應(yīng)用,但尚不能滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)區(qū)的地形要求,無(wú)法制作滿(mǎn)足規(guī)范要求的DOM成果,因此無(wú)法采用。但是,隨著我國(guó)高分遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,相信以后的國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星將會(huì)適應(yīng)各種處理方式,提高生產(chǎn)效率。

[1] 周亦．利用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作數(shù)字正射影像[D]．吉林:吉林大學(xué),2014．

[2] 周亦,李琦,馬熹肇等．土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中不同數(shù)據(jù)源正射影像制作關(guān)鍵技術(shù)淺析[J]．礦產(chǎn)勘查,2011,2 (6):827～833．

[3] 余樹(shù)影,王海燕,韓鵬飛等．淺談遙感影像糾正方法及精度分析[J]．測(cè)繪技術(shù)裝備,2010,12(2):22～23．

[4] 朱巖麗,徐敏,馬治．基于WorldView-2遙感衛(wèi)星影像局部控制糾正精度分析[J]．測(cè)繪與空間地理信息,2014, 37(10):170～173．

[5] 陳奇．利用GeoEye影像制作衛(wèi)星正射影像圖的實(shí)踐[J]．江西測(cè)繪,2014(3):31～34．

The Study about DOM Production of Geographical Conditions Census Based on GF-1 satellite Data

Huang Lei

(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

The capture of GF-1 satellite data means the progress of domestic high resolution remote sensing satellite technology．And,its application in national geographical condition census also means that it can be used in major national projects．Based on the major investigation task of national conditions and strength in geographical conditions census, that how to product the digital orthophoto map by using GF-1 satellite data better becomes a research focus．In the meantime,that how to product the digital orthophoto map which meet the requirement especially becomes a difficult point．Therefore,this study carried on the related research about accuracy problem in the production process of digital orthophoto map．

GF-1 satellite;digital orthophoto map;geographical conditions census;mountain city

1672-8262(2016)01-34-06

P236

B

?2015—07—22

黃磊(1987—),男,工程師,碩士,主要從事遙感影像處理與地理信息挖掘應(yīng)用。

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2015-K8-009)