基于WorldView-3卫星带状影像生产地形级地理场景数据

刘冬枝,任 毅,朱万雄

(自然资源部重庆测绘院,重庆 401120)

实景三维数据作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息,是国家重要的新型基础设施,通过人机兼容、物联感知、泛在服务,实现数字空间与现实空间的实时关联互通,为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础,是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素。实景三维中国建设是面向新时期测绘地理信息事业,服务经济社会发展和生态文明建设新定位、新需求,对传统基础测绘业务的转型升级,是测绘地理信息服务的发展方向和基本模式,已经纳入“十四五”自然资源保护和利用规划。

按照《自然资源部办公厅关于全面推进实景三维中国建设的通知》(自然资办发〔2022〕7号)要求,省级自然资源主管部门组织开展地方层面的地形级实景三维建设,包括:完成优于2 m格网DSM、DEM制作,覆盖省级行政区域,并以3年为周期进行时序化采集与表达;完成优于0.5 m分辨率DOM制作,覆盖重点区域,按需进行时序化采集与表达;基于上述工作及已有成果完成基础地理实体数据制作,覆盖省级行政区域。开展实景三维西藏察隅试点建设,对加快新时代数字西藏建设,加强稳边固边、兴边富民,共同筑牢我国藏东南安全稳定屏障,维护西藏长治久安和推动西藏高质量发展具有重要意义。

1 基于频率相位匹配辅助的概率松弛控制点匹配方法

基于频率相位匹配辅助的概率松弛控制点匹配方法[1]如图1所示,包括影像实时相对纠正、多级金字塔频率相位匹配、原始级别概率松弛匹配及匹配后处理。多级金字塔频率相位匹配包括金字塔分层、金字塔点位规划、特征点提取及基于频率相位的影像匹配。

图1 匹配方法流程

(1)将原始影像纠正至参考影像模型框架下。通过原始影像及参考影像的像地转换几何关系构建实时相对纠正模型;获取参考影像的地理范围;对原始影像进行重采样,得到参考影像模型框架下原始影像对应的纠正影像。

(2)基于金字塔层点位规划与多级金字塔频率相位匹配,计算原始级别影像对的视差。在参考影像模型框架下,计算纠正影像和参考影像的重叠区域;计算重叠区域的金字塔级数,在金字塔顶层根据输入的预期控制点数,对匹配点数和点位进行规划;在顶层金字塔利用频率相位技术进行匹配,计算影像视差,然后将视差传递至下一级,直至得到原始级别影像对的视差。

(3)在原始级别影像上,得到亚像素级的控制点匹配点对。根据多级金字塔相位匹配计算的视差修正原始影像视差;在规划点位附近提取大量角点特征,利用概率松弛匹配算法,迭代计算出最优匹配点;使用最小二乘匹配算法进一步精化匹配点位。

(4)利用基本矩阵、单应矩阵等几何约束剔除粗差点,得到点位准确的控制点匹配点集。

2 基于WorldView-3卫星带状影像生产地形级地理场景数据

基于WorldView-3卫星带状影像生产地形级地理场景数据的流程如图2所示[2]。首先利用收集的WorldView-3原始卫星带状影像数据、控制点数据及历史DEM数据,构建立体模型,进行有控制的区域网平差;其次利用更新RPC后的WorldView-3卫星带状影像进行立体匹配生成DSM数据,基于DSM数据进行水域置平、异常值编辑得到DSM成果;然后基于DSM成果,对建筑、桥梁、植被等非地面区域进行滤波编辑[3],将地表高程降至地面高程,得到DEM成果;最后基于DEM成果,对更新RPC后的WorldView-3卫星带状影像进行正射纠正、影像融合、影像增强、影像镶嵌等处理,得到DOM成果。

图2 地形级地理场景数据生产流程

有控制的区域网平差主要包括连接点匹配、控制点采集和平差解算3个处理环节。连接点匹配采用基于频率相位匹配辅助的概率松弛控制点匹配方法,设置连接点匹配类型、匹配方法、匹配等级、格网点间距及匹配搜索范围等参数,进行原始卫星影像之间的同名点自动提取。控制点采集中,根据外业控制点数据的物方坐标及原始卫星影像RPC进行反算,获取物点在不同影像上的像方坐标点,预测实际像点位置的概略范围,根据外业点之记手动调整各点位置。连接点、控制点分布均匀且平差解算的精度均满足要求,完成有控制的区域网平差。平差完成后,更新RPC文件再进行后续DSM、DEM及DOM地形级地理场景数据生产。

3 试验与分析

试验区位于察隅县国道G219周边的带状区域,约280 km2,地形高差较大,为典型的高山峡谷和山地河谷地貌。收集的2景WorldView-3卫星带状影像数据,包含0.3 m分辨率的全色影像和1.2 m分辨率的4波段多光谱影像[4],拍摄时间均为2022-08-11,作为地形级地理场景数据生产的基础数据源;收集到西藏自治区“十三五”及边境地区察隅县境内像控点成果9个,野外像控点补充量测[5]成果8个,用于卫星影像区域网平差及成果精度检核,如图3所示;收集到2020年实景三维中国建设项目DEM成果,作为高程参考资料。

图3 WorldView-3卫星带状影像及控制点分布

采用传统的灰度匹配、特征匹配、变换域法匹配方法[6-8]进行连接点匹配,获得满足精度要求的连接点仅几十个且分布不均匀。对WorldView-3原始卫星带状影像数据进行立体模型构建,采用基于频率相位匹配辅助的概率松弛控制点匹配方法进行连接点匹配,设置连接点匹配类型为模型内匹配、匹配方法为相关匹配、匹配等级为16、格网点间距为100、匹配搜索范围为500,满足精度要求的连接点高达892个且分布均匀。实际生产中,可根据原始卫星影像的具体情况调整格网点间距、匹配搜索范围,成果对比如图4所示。

图4 连接点匹配成果分布对比

根据外业控制点数据的物方坐标及原始卫星影像RPC进行反算,获取物点在不同影像上的像方坐标点,预测实际像点位置的概略范围,根据外业点之记手动调整各点位置,平差精度满足要求后更新RPC文件。

对更新RPC后的WorldView-3卫星带状影像进行立体匹配,生成DSM数据。基于DSM数据进行水域置平、异常值编辑,得到DSM成果。基于DSM成果对建筑、桥梁、植被等非地面区域进行滤波编辑,将地表高程降至地面高程,得到DEM成果。基于DEM成果,对更新RPC后的WorldView-3卫星影像进行正射纠正、影像融合、影像增强、影像镶嵌等处理,得到DOM成果。如图5所示。

图5 DSM、DEM及DOM地形级地理场景数据

项目要求地形级地理场景数据DOM成果平面精度相对于高精度检查点的中误差应满足山地5.0 m、高山地7.5 m、最大误差不超过中误差的2倍的要求。参照内业收集及外业补充量测的17个像控点,进行DOM成果精度检核。影像1中误差为0.74 m,最大误差为1.56 m;影像2中误差为0.88 m,最大误差为2.03 m;2景影像DOM成果平面精度均满足项目要求,甚至可达1∶2000数字正射影像的精度要求[9]。

项目要求地形级地理场景数据DSM成果高程精度相对于高精度检查点的中误差应满足山地4.5 m、高山地6.0 m、最大误差不超过中误差的2倍的要求。参照内业收集及外业补充量测的17个像控点,进行DSM成果精度检核,中误差为0.96 m,最大误差为2.05 m,DSM成果高程精度满足项目要求,甚至可达到1∶2000数字高程模型的精度要求[10]。

通过项目建设的实景三维试点成果展示平台,对基于WorldView-3卫星带状影像生产的DSM、DEM及DOM地形级地理场景数据进行可视化展示,如图6所示。

图6 地形级地理场景可视化展示

4 结 语

本文基于WorldView-3卫星带状影像数据,生产2 m格网DSM、DEM及0.3 m分辨率DOM的地形级地理场景数据。采用传统的灰度匹配、特征匹配、变换域法匹配方法,无法获得足够满足要求的连接点。采用基于频率相位匹配辅助的概率松弛控制点匹配方法进行连接点匹配,充分利用影像的灰度信息、特征信息和频率域相位信息,并结合影像实时分块纠正技术、金字塔顶层点位规划和多尺度匹配策略,获得的满足精度要求的连接点数量多且分布均匀。后续生产的DSM、DEM及DOM地形级地理场景数据精度完全满足要求,为实景三维西藏察隅试点建设顺利开展提供了技术支撑,对加快新时代数字西藏建设、维护西藏长治久安和推动西藏高质量发展具有重要意义。