资源三号卫星影像在省级基础测绘中的应用

徐建国，孙亚萍，彭桂花

(甘肃省测绘工程院，甘肃 兰州 730000)

基础测绘是国家经济建设、国防建设和社会发展的基础性、公益性、先行性事业，是促进区域经济协调发展、加快产业转型升级、构建资源节约、生态保护和环境治理的重要工具。按照《甘肃省“十三五”基础测绘规划》要求，到2020年，实现省域国土面积省级基础测绘首轮更新，成果现势性保持在5年之内。本文以甘肃省张掖市1∶10 000的地形图测绘与更新为例，以高分辨率遥感影像一体化测图系统PixelGrid6.1为主要的软件平台，介绍了利用ZY-3卫星影像实现基础测绘更新的技术流程和方法[1]。

1 区域概况及资料情况

张掖市无图区域主要位于祁连山北麓，山体走势总体西北高东南低，平均海拔约3 200 m，终年积雪，山势陡峭，有冰川覆盖，地形类别为高山地，属于航空摄影特别困难区域，像控点施测难度极大，导致长期以来是1∶10 000地形图的空白区域。此次空三加密所使用的ZY-3卫星影像的基本参数：获取时间为2018年1月至2018年3月，地面分辨率为3.5 m，全色同轨立体，模型重叠度为16%～56%。

已有控制点成果包含三角点成果、像控点成果，平面坐标系统均为2 000国家大地坐标系，高程为1 985国家高程基准。按照布点要求，共使用三角点17个，像控点157个。

2 空三加密

航空影像的空三加密是指利用少量地面控制点来计算一个测区中所有影像的外方位元素和所有加密点的地面坐标。资源三号测绘卫星影像产品是对L0级产品经辐射校正和传感器校正处理后形成的影像产品，带有严密成像几何模型和有理函数多项式参数(RPC)模型，但未作系统几何纠正[2-3]。资源三号卫星全色立体影像的空三加密是利用影像不同视角之间的约束，通过较少控制点对影像进行区域网平差，解求各像片的仿射变换参数和地面点的坐标，得到经过几何纠正的RPC文件。以高分辨率遥感影像一体化测图系统PixelGrid6.1为主要的软件平台，空三加密总体流程如图1所示。

图1 资源三号卫星影像空三加密流程

2.1 像控点布设方案

依据规范要求和ZY-3影像的特点，像控点的布设按照区域网布设的原则。即像控点尽量布设在一个加密分区的四角和凸凹转角处，内部均匀布设，且相邻两景之间必须有像控点分布[3]，根据这一原则，本次项目中共布设了311个像控点。将控制点文件导入模型以后，剔除因地物发生变化和时相的不同而导致点位无法准确判读的点，最后实际利用了174个控制点作为像控点和检查点使用。在作业开始前，采取不同的像控点布设方案，然后利用多余控制点作为检查点来分析评价区域网平差精度与像控点的数量、分布等的关系[4]。在本次项目中像控点的布设采用了3种方案：方案1，像控点位于影像4角；方案2，4个角点加影像中部的2点；方案3，在影像上按照3行3列均匀分布。

2.2 数据准备

空三加密需要准备的数据包括影像数据、已有DEM数据、像控点文件，具体如下。

影像数据：ZY-3卫星立体影像共26景、13个前后视同轨立体模型，面积约2.52万km2，每景包含16bit存储的全色影像数据(TIFF格式)、用于快速查看预览的影像快视图(JPEG格式)、卫星姿态及轨道参数文件(后缀为RPC的文本格式)、卫星影像覆盖范围(地理坐标系、SHP格式)以及影像元数据文件(XML格式)。

已有DEM数据：30mSRTM-DEM数据库，用于获取在参数求解过程中作为约束条件的高程值。

控制点文件：根据加密软件需要，首先将控制点成果的平面坐标转换为经纬度坐标，然后按照软件所需格式将控制点文件进行格式转化[5]。

2.3 影像预处理

在PixelGrid6.1的卫星(SAT)模块中新建工程，加载所有的卫星影像，并对影像进行预处理，将ZY-3卫星影像转换成PixelGrid6.1软件系统要求的RAW格式，完成卫星影像的初始定向。工程建立后，将已有的DEM数据导入，设置加密所需的DEM参考数据库。

2.4 连接点自动转刺

全自动连接点转刺过程完成影像压缩、影像增强、金字塔影像生成、特征信息提取、使用多视影像匹配算法自动提取密集连接点等步骤。由于本次作业采用的ZY-3卫星是由前视和后视组成的立体像对，影像之间的颜色和纹理存在一定的差异，因此在对影像提取特征点之前，应先对影像进行滤波，以增强和锐化影像的纹理信息，增加影像的信噪比，从而提高影像匹配的精度和可靠性。为了进一步提高影像匹配结果的可靠性，应采用由粗到精的金字塔影像匹配策略。一方面保留影像大的整体结构特征，增大影像的拉入范围；另一方面，在匹配过程中，高一层影像上的匹配结果可以作为下一层影像的参考，从而使下一层影像上匹配的搜索范围变小，以提高匹配的效率。为便于后续的平差计算，需保证影像有分布均匀的一定数量的连接点，为保证连接点均匀分布，影像特征点提取点数设置相邻两点之间不应小于8 000个像素。

2.5 区域网平差

采取基于有理函数模型RFM的光学卫星影像区域网平差[5]算法，基于RFM的ZY-3影像区域网平差是通过建立某种数学模型，将RPC系统误差补偿模型中的参数与加密点的地面坐标一并求解，同时获取两者的改正数，最终得到高精度的定位信息。首先，利用连接点进行相对定向的区域网平差，剔除粗差，直至连接点粗差剔除到1个像素以内，引入控制点参与绝对定向的区域网平差。剔除粗差后，注意查看连接点是否分布均匀，是否满足要求，对于连接点匹配不均匀或无连接点的区域，需手工增加连接点。

2.6 精度评价与成果输出

生成平差结果报告，检查空三加密精度是否符合要求，当像控点、检查点精度符合规范要求时，输出空三加密成果。

2.6.1 精度对比分析

3种像控点布设方案分别进行区域网平差解算后，其相应的区域网平差结果见表1。

表1 ZY-3卫星影像加密区区域网平差精度统计

由表1可以看出：对于不同控制点布设方案，结果相差不大，平面和高程都能满足1∶10 000成图比例尺的平差精度要求，综合3种方案的平面与高程结果，项目选择方案2为最终的平差方案。

为了进一步验证加密成果的可靠性，在导入卫星影像区域网平差结果建立的立体模型上对控制点、部分检查点人工进行量测，然后利用下列平差公式进行中误差计算。均方根中误差如式(1)：

(1)

式中：n表示总点数。

中误差如式(2)：

(2)

表1～2的统计结果均符合表3的精度指标，满足规范要求，可以将成果输出并提交下一道生产作业工序。

表2 人工立体量测的定向点、检查点均方根中误差精度统计

表3 卫星影像区域网平差1∶10 000测图精度要求m

2.6.2 成果输出

空三加密成果：影像文件、影像参数文件、空三加密后影像RPC参数、种子点文件。

2.7 DEM全自动生成

利用满足精度要求的空三加密成果，以及ZY-3卫星影像前、后视立体影像生成用于匹配DEM数据的核线影像，可在核线影像上采集部分特征点、线，用于辅助DEM数据的匹配，在利用密集点匹配技术获取大量同名点后，基于RFM的空间前方交会得到地面点坐标，通过不规则地面点内插即可得到DEM。PixelGrid软件在匹配DEM时将自动匹配的大量特征点、线进行融合，并在局部影像范围内进行微细地貌的自动提取及匹配[6]，因此，获得的DEM不但很好地表达了成像地区的总体地形，地形较为破碎地区的微细地貌也得以表达。ZY-3卫星立体影像匹配出的测区DEM数据(替换云影后)如图2所示。

图2 ZY-3卫星影像匹配DEM数据

2.8 问题及处理

1)区域网平差时，如果使用了定向参数平差，会导致连接点中误差以及残差变大，主要是由于原始卫星影像自身定位精度较差的缘故，因此，应在数据导入时检查影像的初始定位精度，如果发现初始精度较差的影像且无替换影像必须使用此影像时，平差过程中不能将定向参数参与平差。

2)由于影像分辨率较低，内业转刺时难以精确的转刺到卫星影像上，刺偏一个像素，平面位置就相差3米以上。因此，要提高ZY-3卫星影像区域网平差精度，应侧重于提高像控点测量精度和转刺精度，而不是提高测点数量[7]。

3 结 语

相比航空摄影测量，资源三号卫星的优势主要是：不受区域限制，可长时间、周期性甚至按照客户需要实时对地面进行观测；卫星数据获取的光谱波段较为丰富，适合进行光谱分析；方便进行多时相数据比较分析；数据涵盖面积大等。对于航摄困难的无图区域，利用ZY-3立体影像进行空三加密、匹配满足精度要求的DEM数据，能够快速填补空白区域，确保张掖市基础测绘1∶10 000数字产品的现势性和完整性，满足张掖市经济社会发展和重点工程项目对测绘地理信息的需求。为张掖市重大项目的实施提供测绘保障，有效提升测绘地理信息工作服务大局、服务社会、服务民生的能力和水平。

本项目首次将ZY-3卫星用于省级基础测绘项目，为我省无图区域的生产提供了思路与方法。