资源三号卫星影像在复杂艰险山区铁路制图中的应用

刘志鹏 王 义

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

资源三号卫星是中国第一颗自主发射的民用高分辨率立体测绘卫星,该卫星摄影范围较宽,单景影像覆盖面积达50km×50km。资源三号卫星历经两代,其中,其前后视立体影像分辨率由3.5m提升到2.5m,中视空间分辨率为2.1m。通过资源三号卫星影像的逐步推广应用,基本实现了国产遥感卫星从“有”到“好用”,从示范应用到业务化运行的根本转变[1]。然而,将资源三号卫星影像应用于复杂艰险山区铁路制图的研究相对较少。

另一方面,我国西南地区地形复杂,气象条件较差,常年云雾弥漫,航空摄影极其困难。国外高分辨率卫星影像虽然能满足大、中比例地形图制作,但存档数据较少,覆盖长大铁路干线项目的范围有限。为了解决该区域摄影资料缺乏等问题,利用多景资源三号02号卫星影像,研究在无像控条件下的数字正射影像图的快速制作方法,并验证布设少量控制点制作1∶10000地形图精度的可靠性。

2 RPC参数介绍

有理函数模型简称RFM(Rational Function Model),是通用传感器模型中的一种,它的实质是通过复杂的数学模型来描述严格成像过程,建立物方空间坐标与像方像点坐标的直接对应关系。RFM可以有效针对卫星轨道参数、传感器属性等涉密参数进行封装,用户可在不知道相关信息的前提下,直接根据RFM模型及参数解算出像点的空间坐标,从而进行各种应用。RFM 一般采用 RPC参数(Rational Polynomial Coefficients,有理多项式系数)来表示。

式中,a0…d19为参数文件中提供的有理多项式参数;xn,yn为图像上对应点的规格化坐标[2]。

RPC文件中详细说明了影像中心点地理坐标,平面坐标用经纬度表示,高程为大地高,影像的行列数以像素为单位,公式中罗列了物方与像方坐标转换的80个有理函数系数。通过定向或者空三加密即可求出任意像点的大地坐标[3]。

3 资源三号卫星影像处理流程

资源三号卫星影像RPC参数文件格式与常用的Ikonos、Worldview 、Geo-eye、Irs-P5、Quickbird等卫星影像一致[4],预处理及空三加密方法与这几种卫星影像相同。具体处理流程见图1。

图1 资源三号卫星影像处理流程

4 影像预处理及自由网空三加密

4.1 影像预处理流程

资源三号卫星影像数据以16位存储,影像数据量较大,灰度较暗。必须利用PhotoShop、Eardas等软件进行灰度拉伸,以提高亮度和对比度,增强人眼辨识度。并利用Rescale模块对影像进行降位处理,从16位降位到8 位,降位后几何精度不变,但影像数据量减少1/2,以方便快速打开影像,实施漫游测图[5]。

资源三号卫星影像为同轨成像模式,为恢复立体模型,一般需对影像及RPC参数作90°旋转。可利用自主开发软件实施影像及RPC参数旋转,当RPC参数与影像完全匹配时,可进行立体测图。

4.2 自由网空三加密

卫星影像RPC参数是对卫星影像的粗略定位,若定位精度不高,必须利用空三加密、模型连接、像控点控制,区域网平差等方法提高定位精度,从而达到对RPC参数重新纠正的目的[6]。

针对四川某铁路项目,购买了3景资源三号卫星影像,开展卫星影像区域网空三加密及制图研究工作,首先利用ERDAS的IMAGINE Photogrammetry软件对资源三号卫星影像作空三处理,卫星模型选择ZY-3 RPC,设置测图坐标系、中央子午线及投影方式。

然后,加载卫星影像,选择与影像匹配的RPC地理定位数据,通过Compute Pyramids and Statistics模块批量建立金字塔影像,并设置匹配策略,匹配点个数设置为整幅影像点的1/10,立体像对自动匹配连接点,匹配完成后,剔除大于1个像素的粗差点,并补充适当人工点,调整上下视差,使其符合限差要求。调整后,像点残差精度报告见表1。

表1 像点坐标精度报告 像素

由表1可知,在全自动匹配情况下,影像匹配中误差为0.4个像素,最大误差为0.7个像素,匹配效果较好。证明前、后两视角影像姿态都较稳定,可以用于后续测图工作。利用Geometric Calibration下的 RPC Generation模块纠正RPC参数,输出准确的RPC参数,从而完成自由网平差[7]。

基于RPC参数进行自由网平差解算,平面坐标为地理坐标系,格式为经纬度,测图时需对该坐标进行投影转换[8];其高程为大地高,需通过EGM2008高程模型对测区作高程异常改正,将高程纳入到正常高系统,从而提高无控测图精度[9]。

5 数字正射影像制作

通过自由网平差后,资源三号卫星影像可以制作成数字正射影像刺点及调绘片,数字正射影像附有坐标,以外业导航寻路,从而提高作业效率。另外,用于刺点及调绘的数字正射影像精度要求不高,可以下载SRTM 1-ARC Second 30m格网间距的DEM数据作高程纠正,平面基于有理函数模型纠正,即利用RPC参数文件进行平面定位[10]。

5.1 全色数字正射影像制作

资源三号卫星影像全色中视片空间分辨率为2.1m,分辨率优于前、后视,正射影像制作优先选择该视角影像进行。为提高运行速度,实现多线程多任务,可运用Batch工具实现多景影像批处理(可同时运行4个任务)。

5.2 多光谱和全色影像的融合处理

基于纠正好的全色正射影像对多光谱影像进行自动配准,自动配准过程中,自动匹配同名点,计算误差并剔除粗差点,对多光谱影像进行正射重采样,使用的模块为IMAGINE Photogrammetry下的AutoSync工具。

5.3 影像镶嵌

匀光匀色有两个目的:①使整个测区内色彩基本一致;②使每张影像内部色调一致。具体操作时,应选择色调具有代表性的清晰影像作为基准影像,对测区所有影像进行匀色处理,从而达到整个测区影像色彩一致,并利用软件作辐射校正和去除影像中的轻雾,对自动效果不满意的区域,可进行局部人工调整。

多张正射影像制作完成后,通过mosaic模块完成影像镶嵌,设置自动选择拼接线,以及拼接线的羽化宽度,保证拼接处影像灰度平滑过渡自然。镶嵌完成后,对正射影像进行分幅裁剪,输出GeoTiff影像,再利用具有坐标格式的影像开展数字刺点和调绘工作[11]。

6 少量控制点区域网空三加密

利用前期完成的自由网平差工程,3景影像中平均每景影像各量测了5个平高控制点(四角分别布设了1个控制点,像对中间布设1个控制点),旁向区域的4个控制点共用,同时增加了旁向连接,以保证像对之间的接边精度。最后对整个工程进行了平差解算,完成卫星影像区域网空三加密工作[12],像控点坐标残差见表2。

表2 像控点坐标残差 m

续表2

由表2可知,像控点残差平面和高程误差都优于2m,满足TB10050—2010《铁路工程摄影测量规范》关于1∶10000空三加密精度要求[13]。

通过空三解算结果校正RPC参数。在全数字摄影测量工作站中,通过加载处理后的卫星影像、经空三平差校正完成的RPC参数建立核线影像,恢复立体模型,并设置中央子午线及投影面大地高,最后将模型坐标系归化到控制点测图坐标系中。定向完成后,将外业检查点导入矢量测图中进行精度统计[14]。一共检查了20个外业检查点,其统计报告见表3。

表3 模型量测外业检查点误差统计 m

由表3可知,利用资源三号卫星影像进行测图,其平面误差优于2.5m,高程误差优于2m,平面和高程误差基本满足《铁路工程摄影测量规范》中高山地1∶10000地形图精度要求[15]。

7 结论

资源三号卫星存档数据较多,且影像姿态较稳定,但分辨率一般。利用自由网平差及SRTM130m格网间距的DEM数据,可快速完成数字正射影像图的制作,其带有坐标的数字影像,可与谷歌影像联动,使导航定位更加准确,从而提高了刺点和调绘的作业效率。大面积卫星数字正射影像有利于地勘专业进行室内地质判释,同时为线路专业大范围选线设计提供了有力的数据保障。

通过在每景影像布设5个控制点(四角各布设1个,中间再布设1个点)的技术方案,完成了1∶10000地形图制作,并利用外业检查点进行精度检查,研究表明,其结果基本满足《铁路工程摄影测量规范》中高山地1∶10000地形图精度要求。