基于“高分一号”数据的地理国情普查DOM制作研究

黄磊

(重庆市勘测院,重庆 400020)

基于“高分一号”数据的地理国情普查DOM制作研究

黄磊∗

(重庆市勘测院,重庆 400020)

高分一号(GF-1)卫星影像数据的获取意味着国产高分遥感卫星技术的进步,而地理国情普查对其数据的应用更意味着GF-1卫星影像数据已可用于国家级重大项目。基于地理国情普查项目中“国情国力”的重大调查任务,如何更好利用GF-1卫星影像数据生产出高精度的数字正射影像成为研究的重点,同时,如何在重庆这种特殊的山地城市中获得满足要求的数字正射影像更是研究难点。本文以此为契机,对基于高分数据的数字正射影像生产中的精度问题进行了相关的实验研究。

高分一号;数字正射影像;地理国情普查;山地城市

1　引 言

2013年4月26日,我国首颗高分卫星——高分一号(以下简称GF-1)的升空,预示着我国“高分辨率对地观测系统”正式启动。该卫星利用了高空间分辨率、多光谱等各种光学遥感关键技术,全面提升了我国获取高分辨率对地观测数据的自主能力。同年,我国启动了全国第一次地理国情普查,该项目需要大量的影像数据作为支撑。GF-1卫星不但具备传统对地观测卫星的客观、宏观、快速获取的优势,还具备了高分辨率特点。因此,在全国第一次地理国情普查中,指定GF-1影像为主要的数字正射影像图制作影像源,这也预示着国产高分辨率影像在国家重大专项中的应用。

2　数字正射影像图与地理国情普查

数字正射影像图(Digital Orthophote Map,简称DOM)是指利用DEM对航空及航天影像进行正射纠正、配准、融合、调色、镶嵌等,且按照一定规则进行裁切而生成的数字正射影像数据集。DOM同时包含了地图的几何特征和影像特征,这也是DOM应用于地理国情普查的基础和前提。

地理国情普查在数据源选取过程中所要求的最低分辨率为2 m,而GF-1卫星影像所能达到的最优融合分辨率为2 m,这点已经满足了影像数据源的要求。在数字正射影像制作过程中,针对地理国情普查项目,数据正射影像平面精度和数字正射影像接边限差均如表1所示。

数字正射影像平面精度和影像接边限差　表1

如何基于GF-1卫星影像,制作出满足要求的数字正射影像也是一个探索的过程。本文以此为契机,利用已有的正射影像制作经验对其进行了实验,为其接下来的各项应用做出示范。

3　数字正射影像制作技术流程

DOM的制作主要分为前期数据准备、整理,然后利用已有的控制点信息,并结合DEM进行数据的纠正、配准、融合,并对成果进行色彩的调整、拼接、分幅裁切等工作,最终形成规范的DOM成图数据。

本次地理国情普查DOM制作所涉及的数据源较为广泛,并且对于GF-1数据的高精度DOM制作虽然有了相关研究[1],但是针对地理国情所需精度和山地城市特殊地形的DOM生产研究还有所欠缺。本文依据此次工作的研究过程,对GF-1数据DOM制作的几种技术进行介绍。

3．1全色影像纠正法

利用所收集的控制点资料、DEM数据,先对全色波段影像进行正射纠正,再利用多光谱数据与全色波段的同名点匹配进行配准,最后进行融合、调色处理,生成该景数据的DOM数据。主要的技术流程如图1所示。

该方法是目前卫星DOM制作的常用方法,该方法对于数据的获取要求较为宽泛。在实际生产中对于成果精度的控制较为不易,需要在全色纠正、多光谱匹配方面进行严格的残差控制,这样才能保证成果的平面与高程精度。对于某些全色波段与多光谱波段同步获取的卫星影像数据如WorldView,可以利用遥感影像处理软件进行自动配准功能,且经过匹配点筛选就能完成高精度配准。可GF-1卫星数据的自动匹配结果难以满足成果要求,需要手动配准。

图1　DOM制作流程一

3．2融合影像纠正法

可以将进行预处理的全色与多光谱影像进行融合,利用全色波段影像进行控制点选取与采集,利用采集好的控制点对融合后数据进行正射纠正,再进行调色,成图输出。该技术流程如图2所示。

图2　DOM制作流程二

如果卫星影像的全色波段与多光谱波段获取时间同步,且采集效果较好,例如Worldview卫星影像,则该方法可降低多光谱配准的难度,提高DOM制作效率,是高效制作DOM的方法之一。

3．3全色、多光谱影像分类纠正法

从控制点资料中选取有效控制点,并结合DEM数据,对全色波段和多光谱数据进行分别正射纠正,并在纠正后将其进行融合、调色成图,最后得到所需的DOM影像。其技术流程如图3所示:

图3　DOM制作流程三

该方法主要适用于来自山区的异源全色与多光谱数据的DOM制作,针对多光谱与全色配准有一定难度,利用物理模型进行分别纠正保证精度后进行融合[2]。针对重庆市的山地城市特点,对该方法给予了较大的期望,但是GF-1数据的实际情况需要验证后才能判断是否适合。

4　高分一号DOM制作对比

地理国情普查对DOM数据的精度要求较高。要求生产出来的DOM既要满足表1所示的位置精度,还需要满足融合后影像中多光谱影像和全色波段影像的套合情况,影像不能有重影,针对重庆地形,特别是山谷、山脊、高房子不能有重影。如果不能达到要求,就需要重新制作。

4．1研究区选取

重庆是一个典型的山地城市,为了使研究结果具有代表性,要求研究区域的地形、地貌类型比较能代表重庆的地形特征。而山地城市的高建筑、树木遮挡、地形起伏变化等导致的影像几何纠正精度[3]问题,为高分一号在重庆区域的DOM制作提出了新的挑战。本论文选用了以下2景影像(用A、B表示)进行对比研究,如图4所示。

4．2不同纠正方式的像控点采集选取

影像纠正所采用的是已有的像控点数据,但是由于GF-1卫星的分辨率不能完全判断出所有的像控点准确位置,因此选取了合理的像控点进行反刺。如图5所示。

图4　原始GF-1多光谱影像(左A,右B)

图5　A、B影像全色波段的像控点分布

像控点的选取除了考虑已有像控点位置的准确刺点,还需考虑不同成图技术路线里多光谱影像像控点的可选位置,尽可能地减少像控点位置所带来的成图差异。4．3 DOM成果对比

为了维持三种技术流程实验过程的稳定性,在进行DOM生产过程中分别选用了相同的控制点[4],且全色波段影像纠正过程中,控制点容差都在1以内,其中A影像为0．9312,B影像为0．9059,该精度已经满足了DOM制作精度要求,并且纠正误差在地理国情生产规范标准以内,位置精度可以满足下一步生产使用。此处成果的对比主要从DOM成果最终效果出发,而全色波段控制点选取和纠正已满足了位置精度要求,因此,接下来将以对多种技术方式进行多光谱配准融合后的成图。

(1)全色影像纠正法

利用该方法在对全色波段影像进行纠正后就进行多光谱配准,由于影像分辨率和山地地形的限制,多光谱配准的纠正控制点分布如图6所示。

图6　A、B影像多光谱波段的控制点分布

其中二者的控制点残差分别为:0．465 9和0．398 9,也达到了多光谱配全色的残差要求,在进行配准之后,影像融合效果如图7所示。

利用该方法进行DOM制作,分别从多光谱与全色波段融合偏差方面进行判断。从局部细节图中可以看出,两景影像模糊重影情况都在1个像元以内,DOM成果可以满足影像的判读和解译,满足地理国情对DOM成果影像的要求。

图7　方法一中A、B影像融合后DOM成果

(2)融合影像纠正法

针对现有有些卫星影像能够直接进行全色与多光谱融合,且效果优质的情况。本文也进行了该方法的测试,首先进行直接融合,然后在利用全色波段所提供的准确控制点信息进行融合后影像纠正。A和B影像融合后整体与局部特征结果如图8所示。

图8　方法二中A、B影像融合后影像

通过统计对比,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,且两个影像的套合精度变化差异大。因此没有进行继续纠正的必要性,实验证明该方法无法适用于GF1号卫星。

(3)全色、多光谱影像分类纠正法

该方法是在保证全色和多光谱影像的各自纠正精度基础上进行DOM制作。首先是对全色波段影像进行纠正,该步骤成果与方法一所纠正的全色波段成果一致。然后是多光谱影像纠正,影像像控点分布情况如图9所示。对于多光谱而言,影像分辨率相对于全色波段较低,因此像控点寻判尤为困难,且加上重庆这种山地城市特点,植被覆盖率高,也增大了刺点难度。例如A多光谱影像像控点蓝色标记所示,这些像控点在全色波段上可以精确定位,而多光谱影像却无法判断准确位置,所以多光谱影像上所能使用的有效像控点只剩下图9所示,其中A的控制点残差为0．542 4, B的控制点残差为0．845 1。

将纠正后的全色波段影像和多光谱影像进行融合,融合结果局部细节如图10所示。

图9　A、B影像多光谱波段的控制点分布

图10　方法二中A、B影像融合后影像局部图

从局部细节图上可以看出很多地方都存在影像重影,这样的DOM成果是无法满足生产使用的,局部地方重影偏差高达30 m。这样的DOM将会严重影响地物判读,且融合精度也无法满足DOM制作规范。该方法如果需要提高精度,需要加大有效控制点范围和数量,但是由于数字像控的推进和高性能集群式影像处理系统已大量减少了像控点的使用量,因此改变起来耗费比较大,因此该方式不太适应当前生产模式。

5　总 结

此次研究所采用的高分一号影像具有重庆山地城市特点,其中控制点选取和纠正流程的测试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制作难度大。通过反复研究与测试,最终选择利用全色纠正、多光谱配准以及融合法进行DOM制作,且只有该方法能满足GF-1在山地城市区域DOM制作的精度要求。另外两种技术路线目前也已在其他高分遥感卫星数据DOM制作中有了相关应用,但尚不能满足本实验区的地形要求,无法制作满足规范要求的DOM成果,因此无法采用。但是,随着我国高分遥感卫星技术的发展,相信以后的国产高分卫星将会适应各种处理方式,提高生产效率。

[1] 周亦．利用高分一号卫星数据制作数字正射影像[D]．吉林:吉林大学,2014．

[2] 周亦,李琦,马熹肇等．土地利用动态遥感监测中不同数据源正射影像制作关键技术浅析[J]．矿产勘查,2011,2 (6):827～833．

[3] 余树影,王海燕,韩鹏飞等．浅谈遥感影像纠正方法及精度分析[J]．测绘技术装备,2010,12(2):22～23．

[4] 朱岩丽,徐敏,马治．基于WorldView-2遥感卫星影像局部控制纠正精度分析[J]．测绘与空间地理信息,2014, 37(10):170～173．

[5] 陈奇．利用GeoEye影像制作卫星正射影像图的实践[J]．江西测绘,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

黄磊(1987—),男,工程师,硕士,主要从事遥感影像处理与地理信息挖掘应用。

住房与城乡建设科学技术计划项目(2015-K8-009)