資源三號(hào)衛(wèi)星影像在邊境地區(qū)的數(shù)字表面模型生產(chǎn)應(yīng)用研究

鄭福海　國(guó)仲凱

摘要：本文主要通過(guò)資源三號(hào)衛(wèi)星影像在邊境地區(qū)的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐，討論基于無(wú)控糾正下的資源三號(hào)衛(wèi)星影像的數(shù)字表面模型快速生產(chǎn)流程及精度情況，并分析其適用條件。研究表明：資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像在空間分辨率、定位精度與時(shí)效性等方面代表了我國(guó)自主民用遙感衛(wèi)星的領(lǐng)先水平，突破了我國(guó)遙感衛(wèi)星的精密定軌定姿技術(shù)、光學(xué)衛(wèi)星幾何檢校技術(shù)

關(guān)鍵詞：資源三號(hào)衛(wèi)星影像；邊境地區(qū)；數(shù)字表面模型；生產(chǎn)應(yīng)用

引言

“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想的提出，契合沿線國(guó)家的共同需求，為沿線國(guó)家優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、開(kāi)放發(fā)展開(kāi)起了新的機(jī)遇之窗?！耙粠б宦贰睉?zhàn)略實(shí)施迫切需要全球地理空間信息的支撐，需要開(kāi)展大規(guī)模全球測(cè)圖工程，而資源三號(hào)等立體測(cè)圖衛(wèi)星以及高精度測(cè)圖技術(shù)的突破口為我國(guó)開(kāi)展境外測(cè)圖奠定了一定的基礎(chǔ)。本文通過(guò)利用資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)，研究資源三號(hào)衛(wèi)星影像可達(dá)到的數(shù)學(xué)精度和要素提取程度，確定各項(xiàng)精度指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)；為基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的獲取提供新的途徑；為縮短測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)周期提供新的方法；為邊遠(yuǎn)地區(qū)和邊境地區(qū)的測(cè)繪生產(chǎn)提供新的思路。

1. 資源三號(hào)衛(wèi)星簡(jiǎn)介及處理

1.1 簡(jiǎn)介

資源三號(hào)衛(wèi)星，是中國(guó)第一顆自主的民用高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星。資源三號(hào)衛(wèi)星已于2012年1月9日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射，同時(shí)搭載有一顆盧森堡小衛(wèi)星，這是長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的第156次發(fā)射。資源三號(hào)衛(wèi)星共裝載四臺(tái)相機(jī)，一臺(tái)2.5m分辨率的全色相機(jī)和兩臺(tái)4m分辨率全色相機(jī)按照正視、前視、后視方式排列，進(jìn)行立體成像，還有一臺(tái)10m分辨率的多光譜相機(jī)，包括藍(lán)、綠、紅和近紅外四個(gè)波段，光譜范圍分別為0.45μm～0.52μm，0.52μm～0.59μm，0.63μm～0.69μm，0.77μm～0.89μm。衛(wèi)星可對(duì)地球南北緯84°以內(nèi)地區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫影像覆蓋，回歸周期為59天，重訪周期為5天。衛(wèi)星的設(shè)計(jì)工作壽命為4年。

1.2 影像處理

資源三號(hào)衛(wèi)星成像傳感器多為線陣CCD傳感器，其獲取的每一掃描行影像與被攝物體之間具有嚴(yán)格的中心投影關(guān)系，隨著平臺(tái)的移動(dòng)，獲取連續(xù)的二維影像，即行中心投影與列平行投影結(jié)合的成像方式，每一掃描行外方位元素隨成像時(shí)刻的不同而變化，求解每一時(shí)刻的外方位元素不太現(xiàn)實(shí)，需要對(duì)成像時(shí)刻的外方位元素用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行合理的內(nèi)插，同時(shí)可以減少未知數(shù)的個(gè)數(shù)，使求解成為可能。較為常用的外方位元素模型有一般多項(xiàng)式模型、定向片模型以及分段多項(xiàng)式模型等。

2. 資源三號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)字表面模型生產(chǎn)與精度分析

2.1 應(yīng)用區(qū)簡(jiǎn)介

全球測(cè)圖工程是在邊境及境外區(qū)域大規(guī)模利用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行地理信息產(chǎn)品測(cè)繪的實(shí)踐應(yīng)用，下面以實(shí)際生產(chǎn)中的某一測(cè)區(qū)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明討論。該測(cè)區(qū)覆蓋1∶5萬(wàn)圖幅400幅，總面積約20萬(wàn)平方公里。共獲取了200景的資源三號(hào)衛(wèi)星影像，獲取時(shí)間為2014年～2016年。

2.2 使用的軟硬件

主要軟硬件設(shè)備包括集群式影像處理系統(tǒng)GEOWAY CIPS軟件及可進(jìn)行圖形、圖像處理的高配置微機(jī)等。

2.3 數(shù)字表面模型生產(chǎn)及精度分析

2.3.1 無(wú)控制區(qū)域網(wǎng)平差

在GEOWAY CIPS軟件中建立工程，首先輸入測(cè)區(qū)參數(shù)等相關(guān)信息，將所有影像引入到工程中，然后自動(dòng)匹配連接點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行控制點(diǎn)的量測(cè)，最后以測(cè)區(qū)所有衛(wèi)星影像為加密單元，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算。

2.3.2 數(shù)字表面模型生產(chǎn)

（1）密集匹配

利用區(qū)域網(wǎng)平差精確求解的衛(wèi)星影像成像模型參數(shù)構(gòu)建立體幾何模型，采用密集匹配算法結(jié)合有效的匹配策略對(duì)立體像對(duì)進(jìn)行匹配，獲取高精度的同名點(diǎn)，獲得物方密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）柵格化

利用密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù) Delaunay 三角剖分方法構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，利用曲面擬合內(nèi)插方法進(jìn)行柵格化處理。

（3）后處理

根據(jù)測(cè)區(qū)地形進(jìn)行平滑處理，消除柵格化成果的高程突變，使數(shù)字表面模型成果表面平滑。

2.3.3 精度分析

后處理完畢后，選取三個(gè)區(qū)域利用立體量測(cè)的檢測(cè)點(diǎn)對(duì)生成的數(shù)字表面模型進(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明數(shù)字表面模型精度滿足1∶50000比例尺規(guī)范要求，結(jié)果見(jiàn)表1。

3. 結(jié)論

通過(guò)試生產(chǎn)情況表明，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像在空間分辨率、定位精度與時(shí)效性等方面代表了我國(guó)自主民用遙感衛(wèi)星的領(lǐng)先水平，突破了我國(guó)遙感衛(wèi)星的精密定軌定姿技術(shù)、光學(xué)衛(wèi)星幾何檢校技術(shù)，具有較高的定位精度，資源三號(hào)衛(wèi)星影像前視、后視形成的立體模型，影像清晰、要素判別清楚，完全能夠滿足1∶50000數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)的精度要求，比較適合邊境地區(qū)數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品的快速生產(chǎn)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭福海，王鐵軍，袁曉宏.基于稀少控制點(diǎn)的SPOT5衛(wèi)星立體條帶影像的生產(chǎn)應(yīng)用研究[J].地理信息世界，2010，8（1）：84—87.

[2] 張力，張繼賢，陳向陽(yáng)，安宏.基于有理多項(xiàng)式模型RFM的稀少控制SPOT—5衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2009，38（4）：302—310.

[3] 藍(lán)曉丹，李春干，杜海波.不同地面控制點(diǎn)采集方法對(duì)SPOT5圖像幾何精校正精度的影響[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2009，28（3）：32—35.

[4] 江萬(wàn)壽，張祖勛，張劍清，三線陣CCD衛(wèi)星影像的模擬研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2002，27（4）：414—419.

[5] 李德仁，王密.“資源三號(hào)”衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)及精度評(píng)估[J].航天返回與遙感，2012，33（3）：1—6.

[6] 秦勇智. SPOT 5衛(wèi)星影像在土地更新調(diào)查中的應(yīng)用——以呼和浩特市賽罕區(qū)土地更新調(diào)查為例[J]. 西部資源， 2014（1）.

[7] 溫超， 劉燕青. 衛(wèi)星影像測(cè)制地形圖的優(yōu)勢(shì)與不足[J]. 西部資源， 2012（3）：161-162.