基于高分七號衛(wèi)星影像的空三加密優(yōu)化方案探索

程小河，段文華

（1.自然資源部重慶測繪院，重慶 401120）

近年來，各省市1∶10 000 基礎(chǔ)地理信息資源建設(shè)大多基于航攝影像開展，但航空攝影受限于地形、氣象、空域申請等影響，周期往往較長且成本高昂，后續(xù)空三加密處理工作量大，在地形復(fù)雜區(qū)域尤其突顯，在西藏等邊境地區(qū)甚至還存在嚴(yán)格的禁飛區(qū)域。我國于2019-11-03 成功發(fā)射高分七號衛(wèi)星，搭載了雙線陣立體相機(jī)、激光測高儀等有效載荷，突破了亞米級立體測繪相機(jī)技術(shù)，能夠獲取高空間分辨率光學(xué)立體觀測數(shù)據(jù)和高精度激光測高數(shù)據(jù)，2020-08-20正式投入使用。高分七號衛(wèi)星影像包括0.8 m 分辨率前視影像、0.65 m 分辨率后視影像和3.2 m 分辨率多光譜，前視影像和后視影像可以構(gòu)成同軌立體，能夠?yàn)槲覈酥寥虻匦蔚孛怖L制出誤差在1 m 以內(nèi)的立體地圖，將為各省市基礎(chǔ)地理信息資源建設(shè)的推進(jìn)提供影像基礎(chǔ)，能夠大大的提高地理信息數(shù)據(jù)的更新效率[1]。

高分七號衛(wèi)星具有高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高定位精度的對地觀測能力，其影像紋理特征清晰，光譜信息豐富，實(shí)現(xiàn)了我國民用1∶10 000比例尺衛(wèi)星立體測圖，能在國土測繪、城鄉(xiāng)建設(shè)、統(tǒng)計(jì)調(diào)查等方面發(fā)揮重要作用。高分七號衛(wèi)星影像的內(nèi)符合精度，以及高分七號衛(wèi)星部分區(qū)域獲取的影像景內(nèi)存在像素級拼換錯位，對空三加密及后續(xù)應(yīng)用具有重要影響。本文通過開展不同控制條件下的加密實(shí)驗(yàn)和影像拼痕處理前后的加密精度對比，檢測高分七號立體衛(wèi)星影像的內(nèi)符合精度，探索優(yōu)化高分七號衛(wèi)星影像空三加密的控制點(diǎn)布設(shè)方案，并嘗試了影像拼痕的解決方法，為高分七號衛(wèi)星影像在地理信息資源建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

收集到傳感器校正后的多景高分七號立體衛(wèi)星影像[2]和部分精度檢測資料，并實(shí)地布測了足夠的像控點(diǎn)和檢測點(diǎn)。

1）影像數(shù)據(jù)。限于國內(nèi)高分七號立體衛(wèi)星影像還未大批量推送，本次選用了重慶地區(qū)和西藏地區(qū)的多景高分七號衛(wèi)星影像開展實(shí)驗(yàn)。其中重慶實(shí)驗(yàn)區(qū)選用了相鄰軌道的8 景連片影像，橫跨渝北、渝中、巴南和綦江等多個區(qū)縣，以丘陵地和山地為主。軌道間影像重疊度約79.4%，同軌衛(wèi)片重疊度約12.4%。影像質(zhì)量較好，無大面積云影和明顯影像拼痕。

西藏實(shí)驗(yàn)區(qū)選用了定日縣城所在的一景影像，東面包含定日縣城及周邊村莊，多河流溝谷，主要為山地地形，西北和西南面多冰川雪山，為高山地地形。影像存在多處明顯的拼換錯位，拼痕沿軌道方向貫穿整景影像。經(jīng)立體檢測，拼痕處平面錯位平均約2 m，高程斷層平均約3 m。

2）控制和檢測數(shù)據(jù)。重慶實(shí)驗(yàn)區(qū)按區(qū)域網(wǎng)均勻分布24 個平高像控點(diǎn)，利用重慶市CORS 站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK 測量，平面和高程測量精度均優(yōu)于±5 cm。采用已有1∶2 000 數(shù)字地形圖作為精度檢測資料。

西藏實(shí)驗(yàn)區(qū)采用GPS 精密單點(diǎn)定位方式布測了11 個平高像控點(diǎn)，并聯(lián)測周邊已知二等水準(zhǔn)進(jìn)行高程異常改正，經(jīng)聯(lián)測已有B 級GNSS 點(diǎn)進(jìn)行精度檢測，平面測量精度達(dá)±10 cm，高程測量精度達(dá)±20 cm[3]。另外實(shí)測了80 余處平面檢測點(diǎn)，主要為城區(qū)和村莊內(nèi)房角、田角和通信桿處，以及30 余高程檢測點(diǎn)，分布于田地、院壩、路口和山坡上。

2 加密實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)方案。采用中國測繪科學(xué)研究院研發(fā)的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid 開展加密實(shí)驗(yàn)。

重慶實(shí)驗(yàn)區(qū)基于高分七號立體衛(wèi)星影像構(gòu)建的區(qū)域網(wǎng)，開展無控、2 控制、4 控制、6 控制、8 控制、10 控制和15 控制的區(qū)域網(wǎng)加密實(shí)驗(yàn)，像控選取方案見圖1。另選用其中1 景開展無控和4 控制的單模型定向加密實(shí)驗(yàn)。

西藏實(shí)驗(yàn)區(qū)針對原始影像和拼痕處理后影像進(jìn)行無控和6 控制單模型定向加密實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前先對前、后視衛(wèi)星影像進(jìn)行人工修復(fù)，將明顯拼痕分割的各影像分塊，以左上角影像分塊為基礎(chǔ)進(jìn)行逐塊拼換，確保像素級拼換正確。

2）加密流程。先對原始衛(wèi)星影像進(jìn)行預(yù)處理，得到立體衛(wèi)星影像及對應(yīng)的RPC 軌道參數(shù)。通過區(qū)域網(wǎng)構(gòu)建、連換點(diǎn)測量、控制點(diǎn)測量、反復(fù)平差與粗差剔除等步驟完成空三加密，重新計(jì)算和輸出影像RPC 軌道參數(shù)，得到加密成果[4]。

重慶實(shí)驗(yàn)區(qū)自由網(wǎng)加密時，每景立體像對匹配連換點(diǎn)約5 000 個，相鄰模型之間的連換點(diǎn)數(shù)量大于25 個，像點(diǎn)殘差均小于0.3 個像素。所有像控點(diǎn)的量測點(diǎn)位均在立體環(huán)境下進(jìn)行了嚴(yán)格檢查，不同控制條件下平差后定向點(diǎn)平面和高程誤差均符合空中三角測量規(guī)范[5]中丘陵地限差要求。單景單模型定向時，連換點(diǎn)為2 849 個，像點(diǎn)殘差均優(yōu)于0.3 個像素，平差后基本定向點(diǎn)平面位置誤差優(yōu)于0.6 m，高程誤差優(yōu)于0.3 m。

西藏實(shí)驗(yàn)區(qū)模型內(nèi)連換點(diǎn)均在1 000 個以上，像點(diǎn)殘差均優(yōu)于0.3 個像素。影像拼痕修復(fù)前基本定向點(diǎn)平面誤差優(yōu)于1.5 m，高程誤差最大達(dá)3.6 m，高程誤差超出規(guī)范要求；影像拼痕修復(fù)后基本定向平面誤差優(yōu)于1.0 m，高程誤差優(yōu)于1.2 m。加密工藝流程見圖2。

圖1 區(qū)域網(wǎng)加密像控選取方案

圖2 空三加密工藝流程圖

3）精度檢測。無控加密成果，利用實(shí)測像控點(diǎn)與同名加密點(diǎn)計(jì)算偏差值，并以偏差值的平均值作為系統(tǒng)誤差，統(tǒng)計(jì)偏差值的平面和高程偶然中誤差作為無控加密成果內(nèi)符合精度，如表1 和表3 中無控條件下平面中誤差和高程中誤差。

有控加密成果，采用恢復(fù)立體模型后利用檢測資料進(jìn)行同名點(diǎn)精度檢測。重慶實(shí)驗(yàn)區(qū)利用1∶2 000 數(shù)字地形圖作為檢測數(shù)據(jù)，西藏實(shí)驗(yàn)區(qū)利用實(shí)地實(shí)測檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測[6]。

經(jīng)檢測，重慶實(shí)驗(yàn)區(qū)采用無控和稀少控制加密方式的成果精度見表1，不同控制條件加密的成果精度見表2，西藏單模型加密成果精度見表3。

表1 重慶無控和稀少控制加密成果精度檢測/m

表2 重慶不同布控方案加密成果精度檢測/m

表3 西藏單模型加密成果精度檢測/m

3 分析結(jié)論

通過對不同控制條件下加密成果的檢測精度進(jìn)行比對分析，能較為明確的得出如下結(jié)論：

1）正常高分七號立體衛(wèi)星影像的內(nèi)符合精度良好，平面和高程相對位置精度均優(yōu)于1 m。不同景的系統(tǒng)偏移值都不相同，利用稀少控制參與加密可消除絕大部分系統(tǒng)誤差，加密結(jié)果滿足1∶1 萬山地和高山地的測圖精度。分析數(shù)據(jù)詳見表1。

2）存在明顯拼痕的高分七號立體衛(wèi)星影像內(nèi)符合精度受損嚴(yán)重，通過足夠的像控點(diǎn)加密后平面精度可優(yōu)于1 m，但高程精度大幅降低，檢測精度在3 m 左右。通過人工對原始影像重新拼換消除裂痕后重新加密，高程精度得到顯著提升，滿足1∶1 萬丘陵、山地和高山地地形類別的測圖精度。分析數(shù)據(jù)詳見表3。

3）同等控制密度條件下，區(qū)域網(wǎng)加密精度要優(yōu)于單模型加密精度，尤其是高程精度提升明顯。區(qū)域網(wǎng)加密采用四角布控方案，可滿足1∶1 萬丘陵、山地和高山地的測圖精度，采用15 個像控點(diǎn)布設(shè)方案時達(dá)到平地測圖精度，增加像控點(diǎn)對區(qū)域網(wǎng)加密平面精度影響不顯著，對高程精度提升效果顯著。單模型4 個像控點(diǎn)定向可滿足1∶1 萬丘陵、山地和高山地地形類別的測圖精度。分析數(shù)據(jù)詳見表2。

4 結(jié) 語

高分七號衛(wèi)星影像是我國首個民用亞米級光學(xué)立體影像，對我國各省市大中比例尺地理信息資源建設(shè)具有意義重大，在中國實(shí)景三維建設(shè)、西藏自治區(qū)1∶10 000基礎(chǔ)地理信息資源建設(shè)與更新工程等多個國家和地方基礎(chǔ)測繪項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，并隨著“十四五”規(guī)劃的開展，其應(yīng)用范圍會越來越廣，將逐步取代測繪中很多應(yīng)用[7]。本文提出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論將有助于優(yōu)化高分七號立體衛(wèi)星影像開展空三加密時的像控點(diǎn)布設(shè)，尤其為像控測量困難區(qū)域提供了指導(dǎo)方案，同時也提供了針對少量高分七號衛(wèi)星影像存在拼換錯位現(xiàn)象的可行處理辦法。