基于WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像生產(chǎn)地形級地理場景數(shù)據(jù)

劉冬枝,任 毅,朱萬雄

(自然資源部重慶測繪院,重慶 401120)

實(shí)景三維數(shù)據(jù)作為真實(shí)、立體、時(shí)序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時(shí)空信息,是國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施,通過人機(jī)兼容、物聯(lián)感知、泛在服務(wù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實(shí)空間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)互通,為數(shù)字中國提供統(tǒng)一的空間定位框架和分析基礎(chǔ),是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟(jì)重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素。實(shí)景三維中國建設(shè)是面向新時(shí)期測繪地理信息事業(yè),服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)新定位、新需求,對傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型升級,是測繪地理信息服務(wù)的發(fā)展方向和基本模式,已經(jīng)納入“十四五”自然資源保護(hù)和利用規(guī)劃。

按照《自然資源部辦公廳關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國建設(shè)的通知》(自然資辦發(fā)〔2022〕7號)要求,省級自然資源主管部門組織開展地方層面的地形級實(shí)景三維建設(shè),包括:完成優(yōu)于2 m格網(wǎng)DSM、DEM制作,覆蓋省級行政區(qū)域,并以3年為周期進(jìn)行時(shí)序化采集與表達(dá);完成優(yōu)于0.5 m分辨率DOM制作,覆蓋重點(diǎn)區(qū)域,按需進(jìn)行時(shí)序化采集與表達(dá);基于上述工作及已有成果完成基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)制作,覆蓋省級行政區(qū)域。開展實(shí)景三維西藏察隅試點(diǎn)建設(shè),對加快新時(shí)代數(shù)字西藏建設(shè),加強(qiáng)穩(wěn)邊固邊、興邊富民,共同筑牢我國藏東南安全穩(wěn)定屏障,維護(hù)西藏長治久安和推動西藏高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 基于頻率相位匹配輔助的概率松弛控制點(diǎn)匹配方法

基于頻率相位匹配輔助的概率松弛控制點(diǎn)匹配方法[1]如圖1所示,包括影像實(shí)時(shí)相對糾正、多級金字塔頻率相位匹配、原始級別概率松弛匹配及匹配后處理。多級金字塔頻率相位匹配包括金字塔分層、金字塔點(diǎn)位規(guī)劃、特征點(diǎn)提取及基于頻率相位的影像匹配。

圖1 匹配方法流程

(1)將原始影像糾正至參考影像模型框架下。通過原始影像及參考影像的像地轉(zhuǎn)換幾何關(guān)系構(gòu)建實(shí)時(shí)相對糾正模型;獲取參考影像的地理范圍;對原始影像進(jìn)行重采樣,得到參考影像模型框架下原始影像對應(yīng)的糾正影像。

(2)基于金字塔層點(diǎn)位規(guī)劃與多級金字塔頻率相位匹配,計(jì)算原始級別影像對的視差。在參考影像模型框架下,計(jì)算糾正影像和參考影像的重疊區(qū)域;計(jì)算重疊區(qū)域的金字塔級數(shù),在金字塔頂層根據(jù)輸入的預(yù)期控制點(diǎn)數(shù),對匹配點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)位進(jìn)行規(guī)劃;在頂層金字塔利用頻率相位技術(shù)進(jìn)行匹配,計(jì)算影像視差,然后將視差傳遞至下一級,直至得到原始級別影像對的視差。

(3)在原始級別影像上,得到亞像素級的控制點(diǎn)匹配點(diǎn)對。根據(jù)多級金字塔相位匹配計(jì)算的視差修正原始影像視差;在規(guī)劃點(diǎn)位附近提取大量角點(diǎn)特征,利用概率松弛匹配算法,迭代計(jì)算出最優(yōu)匹配點(diǎn);使用最小二乘匹配算法進(jìn)一步精化匹配點(diǎn)位。

(4)利用基本矩陣、單應(yīng)矩陣等幾何約束剔除粗差點(diǎn),得到點(diǎn)位準(zhǔn)確的控制點(diǎn)匹配點(diǎn)集。

2 基于WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像生產(chǎn)地形級地理場景數(shù)據(jù)

基于WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像生產(chǎn)地形級地理場景數(shù)據(jù)的流程如圖2所示[2]。首先利用收集的WorldView-3原始衛(wèi)星帶狀影像數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)及歷史DEM數(shù)據(jù),構(gòu)建立體模型,進(jìn)行有控制的區(qū)域網(wǎng)平差;其次利用更新RPC后的WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像進(jìn)行立體匹配生成DSM數(shù)據(jù),基于DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行水域置平、異常值編輯得到DSM成果;然后基于DSM成果,對建筑、橋梁、植被等非地面區(qū)域進(jìn)行濾波編輯[3],將地表高程降至地面高程,得到DEM成果;最后基于DEM成果,對更新RPC后的WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像進(jìn)行正射糾正、影像融合、影像增強(qiáng)、影像鑲嵌等處理,得到DOM成果。

圖2 地形級地理場景數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

有控制的區(qū)域網(wǎng)平差主要包括連接點(diǎn)匹配、控制點(diǎn)采集和平差解算3個(gè)處理環(huán)節(jié)。連接點(diǎn)匹配采用基于頻率相位匹配輔助的概率松弛控制點(diǎn)匹配方法,設(shè)置連接點(diǎn)匹配類型、匹配方法、匹配等級、格網(wǎng)點(diǎn)間距及匹配搜索范圍等參數(shù),進(jìn)行原始衛(wèi)星影像之間的同名點(diǎn)自動提取?？刂泣c(diǎn)采集中,根據(jù)外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的物方坐標(biāo)及原始衛(wèi)星影像RPC進(jìn)行反算,獲取物點(diǎn)在不同影像上的像方坐標(biāo)點(diǎn),預(yù)測實(shí)際像點(diǎn)位置的概略范圍,根據(jù)外業(yè)點(diǎn)之記手動調(diào)整各點(diǎn)位置。連接點(diǎn)、控制點(diǎn)分布均勻且平差解算的精度均滿足要求,完成有控制的區(qū)域網(wǎng)平差。平差完成后,更新RPC文件再進(jìn)行后續(xù)DSM、DEM及DOM地形級地理場景數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)區(qū)位于察隅縣國道G219周邊的帶狀區(qū)域,約280 km2,地形高差較大,為典型的高山峽谷和山地河谷地貌。收集的2景WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像數(shù)據(jù),包含0.3 m分辨率的全色影像和1.2 m分辨率的4波段多光譜影像[4],拍攝時(shí)間均為2022-08-11,作為地形級地理場景數(shù)據(jù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源;收集到西藏自治區(qū)“十三五”及邊境地區(qū)察隅縣境內(nèi)像控點(diǎn)成果9個(gè),野外像控點(diǎn)補(bǔ)充量測[5]成果8個(gè),用于衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差及成果精度檢核,如圖3所示;收集到2020年實(shí)景三維中國建設(shè)項(xiàng)目DEM成果,作為高程參考資料。

圖3 WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像及控制點(diǎn)分布

采用傳統(tǒng)的灰度匹配、特征匹配、變換域法匹配方法[6-8]進(jìn)行連接點(diǎn)匹配,獲得滿足精度要求的連接點(diǎn)僅幾十個(gè)且分布不均勻。對WorldView-3原始衛(wèi)星帶狀影像數(shù)據(jù)進(jìn)行立體模型構(gòu)建,采用基于頻率相位匹配輔助的概率松弛控制點(diǎn)匹配方法進(jìn)行連接點(diǎn)匹配,設(shè)置連接點(diǎn)匹配類型為模型內(nèi)匹配、匹配方法為相關(guān)匹配、匹配等級為16、格網(wǎng)點(diǎn)間距為100、匹配搜索范圍為500,滿足精度要求的連接點(diǎn)高達(dá)892個(gè)且分布均勻。實(shí)際生產(chǎn)中,可根據(jù)原始衛(wèi)星影像的具體情況調(diào)整格網(wǎng)點(diǎn)間距、匹配搜索范圍,成果對比如圖4所示。

圖4 連接點(diǎn)匹配成果分布對比

根據(jù)外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的物方坐標(biāo)及原始衛(wèi)星影像RPC進(jìn)行反算,獲取物點(diǎn)在不同影像上的像方坐標(biāo)點(diǎn),預(yù)測實(shí)際像點(diǎn)位置的概略范圍,根據(jù)外業(yè)點(diǎn)之記手動調(diào)整各點(diǎn)位置,平差精度滿足要求后更新RPC文件。

對更新RPC后的WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像進(jìn)行立體匹配,生成DSM數(shù)據(jù)?；贒SM數(shù)據(jù)進(jìn)行水域置平、異常值編輯,得到DSM成果?；贒SM成果對建筑、橋梁、植被等非地面區(qū)域進(jìn)行濾波編輯,將地表高程降至地面高程,得到DEM成果?；贒EM成果,對更新RPC后的WorldView-3衛(wèi)星影像進(jìn)行正射糾正、影像融合、影像增強(qiáng)、影像鑲嵌等處理,得到DOM成果。如圖5所示。

圖5 DSM、DEM及DOM地形級地理場景數(shù)據(jù)

項(xiàng)目要求地形級地理場景數(shù)據(jù)DOM成果平面精度相對于高精度檢查點(diǎn)的中誤差應(yīng)滿足山地5.0 m、高山地7.5 m、最大誤差不超過中誤差的2倍的要求。參照內(nèi)業(yè)收集及外業(yè)補(bǔ)充量測的17個(gè)像控點(diǎn),進(jìn)行DOM成果精度檢核。影像1中誤差為0.74 m,最大誤差為1.56 m;影像2中誤差為0.88 m,最大誤差為2.03 m;2景影像DOM成果平面精度均滿足項(xiàng)目要求,甚至可達(dá)1∶2000數(shù)字正射影像的精度要求[9]。

項(xiàng)目要求地形級地理場景數(shù)據(jù)DSM成果高程精度相對于高精度檢查點(diǎn)的中誤差應(yīng)滿足山地4.5 m、高山地6.0 m、最大誤差不超過中誤差的2倍的要求。參照內(nèi)業(yè)收集及外業(yè)補(bǔ)充量測的17個(gè)像控點(diǎn),進(jìn)行DSM成果精度檢核,中誤差為0.96 m,最大誤差為2.05 m,DSM成果高程精度滿足項(xiàng)目要求,甚至可達(dá)到1∶2000數(shù)字高程模型的精度要求[10]。

通過項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)景三維試點(diǎn)成果展示平臺,對基于WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像生產(chǎn)的DSM、DEM及DOM地形級地理場景數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示,如圖6所示。

圖6 地形級地理場景可視化展示

4 結(jié) 語

本文基于WorldView-3衛(wèi)星帶狀影像數(shù)據(jù),生產(chǎn)2 m格網(wǎng)DSM、DEM及0.3 m分辨率DOM的地形級地理場景數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)的灰度匹配、特征匹配、變換域法匹配方法,無法獲得足夠滿足要求的連接點(diǎn)。采用基于頻率相位匹配輔助的概率松弛控制點(diǎn)匹配方法進(jìn)行連接點(diǎn)匹配,充分利用影像的灰度信息、特征信息和頻率域相位信息,并結(jié)合影像實(shí)時(shí)分塊糾正技術(shù)、金字塔頂層點(diǎn)位規(guī)劃和多尺度匹配策略,獲得的滿足精度要求的連接點(diǎn)數(shù)量多且分布均勻。后續(xù)生產(chǎn)的DSM、DEM及DOM地形級地理場景數(shù)據(jù)精度完全滿足要求,為實(shí)景三維西藏察隅試點(diǎn)建設(shè)順利開展提供了技術(shù)支撐,對加快新時(shí)代數(shù)字西藏建設(shè)、維護(hù)西藏長治久安和推動西藏高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。