■陳香菱 劉俊蓉 牛軍強(qiáng)

（中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司陜西西安710199）

資源三號(hào)衛(wèi)星圖像處理關(guān)鍵技術(shù)及其在煤田地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

■陳香菱 劉俊蓉 牛軍強(qiáng)

（中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司陜西西安710199）

資源三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆民用高分辨率衛(wèi)星，在各行業(yè)中應(yīng)用日趨廣泛。本文主要介紹其圖像處理關(guān)鍵技術(shù)，并以西藏自治區(qū)那曲地區(qū)巴青煤田地質(zhì)勘查區(qū)為例，介紹其在煤田地質(zhì)勘查中的應(yīng)用，為煤田地質(zhì)勘查中的遙感應(yīng)用提供了一套技術(shù)流程和方法。

資源三號(hào)衛(wèi)星 高分辨率 煤田地質(zhì)勘查 DEM圖像融合

0　引言

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星（ZY3）是我國(guó)第一顆自主民用高分辨率立體測(cè)圖衛(wèi)星。截止2014年底，有效數(shù)據(jù)中國(guó)覆蓋范圍約1128萬(wàn)km2，有效數(shù)據(jù)全球覆蓋范圍達(dá)5985萬(wàn)km2。我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)存在的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)源獲取的瓶頸問(wèn)題得到有效緩解[1]。各項(xiàng)應(yīng)用情況表明，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像在空間分辨率、定位精度與時(shí)效性等方面代表了我國(guó)自主民用遙感衛(wèi)星的領(lǐng)先水平，可以服務(wù)于基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、減災(zāi)、地質(zhì)勘查、規(guī)劃等各行業(yè)影像的數(shù)據(jù)需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文以西藏自治區(qū)那曲地區(qū)巴青煤田地質(zhì)勘查區(qū)為例，介紹資源三號(hào)衛(wèi)星圖像在煤田地質(zhì)勘查中的應(yīng)用，為煤田地質(zhì)勘查提供更便捷的技術(shù)手段。如何能將圖像更好的應(yīng)用于煤田地質(zhì)勘查，主要取決于其圖像處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方法。

1　資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)特征

1.1衛(wèi)星簡(jiǎn)介

資源三號(hào)衛(wèi)星是太陽(yáng)同步衛(wèi)星，可對(duì)地球南北緯84度以內(nèi)地區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫影像覆蓋，回歸周期為59天，重訪周期為5天，設(shè)計(jì)工作壽命為5年，具有全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取能力。

1.2衛(wèi)星載荷

衛(wèi)星配置有1臺(tái)地面分辨率優(yōu)于2.1m的正視全色TDI CCD相機(jī)，2臺(tái)地面分辨率優(yōu)于3.5m的前視、后視全色TDI CCD相機(jī)，1臺(tái)地面分辨率優(yōu)于5.8m的正視多光譜相機(jī)。

1.3數(shù)據(jù)特點(diǎn)

（1）立體觀測(cè)與資源調(diào)查兩種觀測(cè)模式

衛(wèi)星具備立體測(cè)繪和資源調(diào)查兩種觀測(cè)模式。立體測(cè)繪觀測(cè)模式是指ZY3搭載的前正后視全色相機(jī)，推掃成像形成三線陣立體像對(duì)；資源調(diào)查觀測(cè)模式是指ZY3搭載的正視全色和多光譜相機(jī)，推掃成像形成平面影像。

（2）定位精度高

資源三號(hào)影像有控制定位精度優(yōu)于1個(gè)像素。前后視立體像對(duì)幅寬52km，基線高度比0.85～0.95，可滿足1:50000比例尺立體測(cè)圖需求；正視影像2.1m,可滿足1:25000比例尺地形圖更新需求。在無(wú)控制點(diǎn)的情況下，平面可達(dá)50m，高程高達(dá)30m；在加入控制點(diǎn)的情況下，平面和高程精度都可以控制到5m以內(nèi)[2]。

（3）影像信息量豐富

資源三號(hào)衛(wèi)星提供的影像數(shù)據(jù)的量化值為10位，增加了影像的信息量，有利于影像的目視判讀、自動(dòng)分類和影像匹配精度提高。

1.4成像幾何模型

為便于資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理，衛(wèi)星中心提供數(shù)據(jù)的時(shí)候，在嚴(yán)密幾何模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了資源三號(hào)的測(cè)繪衛(wèi)星的RFM模型[3]。模型將地面點(diǎn)大地坐標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來(lái)，如式（1）所示，采用最小二乘平差原理解求，從而獲得資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品的模型參數(shù)RPC。RPC描述了物方坐標(biāo)到像方坐標(biāo)的變換公式。像方坐標(biāo)到物方坐標(biāo)的變換公式可以通過(guò)迭代的方式進(jìn)行求解。

其中，X是像點(diǎn)列方向歸一化的坐標(biāo)，Y是像點(diǎn)行方向歸一化的坐標(biāo)，P是像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的歸一化之后的經(jīng)度，L是像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的歸一化之后的緯度，H是像點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的歸一化之后的大地高。NumL、DenL、NumS、DenS均為三次多項(xiàng)式。

2　圖像處理關(guān)鍵技術(shù)

資源三號(hào)衛(wèi)星圖像處理過(guò)程中只有綜合考慮校正精度、多光譜與全色融合效果、對(duì)地物信息的反映程度等一系列因素，才能夠得到理想的圖像處理結(jié)果。因此，圖像處理方法包括三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)——DEM精度、融合方法及色彩增強(qiáng)主要遵循的原則。

2.1圖像處理關(guān)鍵技術(shù)

（1）DEM精度

數(shù)字高程模型，簡(jiǎn)稱DEM，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。DEM精度主要指DEM分辨率，它是刻畫地形精確程度的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也是決定其使用范圍的一個(gè)主要的影響因素。DEM的分辨率是指DEM最小的單元格的長(zhǎng)度。因?yàn)镈EM是離散數(shù)據(jù)，所以（X、Y）坐標(biāo)其實(shí)都是一個(gè)個(gè)的小方格，每個(gè)小方格標(biāo)識(shí)出其高程。這個(gè)小方格的長(zhǎng)度就是DEM的分辨率。分辨率數(shù)值越小，分辨率就越高，刻畫的地形程度就越精確。用DEM對(duì)影像進(jìn)行正射校正，DEM的精度直接影響到所校正影像的精度。

（2）融合方法

圖像融合是以圖像為主要研究?jī)?nèi)容的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，是把多個(gè)不同模式的圖像傳感器獲得的同一場(chǎng)景的多幅圖像或同一傳感器在不同時(shí)刻獲得的同一場(chǎng)景的多幅圖像合成為一幅圖像的過(guò)程。經(jīng)過(guò)圖像融合，既豐富了圖像的地物信息，又提高了圖像的分辨率。

目前主要的圖像處理軟件有ERDAS IMAGINE、ENVI、PCI、PhotoShop等，主要融合方法有Brovey變換、主成分變換、小波變換、HIS變換、Gram-Schimdt光譜銳化等[4-5]。通過(guò)筆者大量試驗(yàn)分析、工作總結(jié)，認(rèn)為Gram-Schimdt光譜銳化和主成分變換是適合資源三號(hào)衛(wèi)星圖像融合的主要方法，ERDAS IMAGINE是最適合的圖像融合軟件。

（3）色彩增強(qiáng)主要遵循的原則

通常一個(gè)區(qū)域需要幾景或多景影像才能覆蓋，多景影像經(jīng)常時(shí)相不盡一致，色彩也有一定差異，尤其對(duì)于冬夏兩個(gè)季節(jié)的影像，色彩差異巨大。因此，色彩增強(qiáng)主要遵循的原則是，在最大限度保留地物真實(shí)信息的基礎(chǔ)上，將不同時(shí)相的影像色彩調(diào)至幾近一致。

2.2圖像處理流程

資源三號(hào)衛(wèi)星圖像處理主要分四步來(lái)進(jìn)行：多光譜及全色圖像正射校正、多光譜與全色圖像融合、融合圖像的色彩調(diào)整與鑲嵌、拼接圖像幾何校正（圖2.1）。以下是對(duì)這四部分的操作方法分別進(jìn)行詳述。

（1）正射校正

對(duì)于煤田地質(zhì)勘查來(lái)說(shuō)，一般對(duì)遙感圖像的精度要求是1: 50000，若可以收集到勘查區(qū)優(yōu)于1:50000的地形圖，可以選擇用自制DEM對(duì)影像進(jìn)行正射校正，否則對(duì)于資源三號(hào)衛(wèi)星圖像，采用全國(guó)30m DEM進(jìn)行正射校正，可滿足對(duì)1:50000煤田地質(zhì)勘查的精度要求。本次所用數(shù)據(jù)為全國(guó)30m DEM，采用ENVI軟件對(duì)多光譜和全色分別進(jìn)行正射校正。

（2）圖像融合

用ERDAS IMAGINE軟件，采用Gram-Schimdt光譜銳化或主成分變換方法將多光譜和全色進(jìn)行融合，既能使融合圖像得到更真實(shí)的色彩信息，又能具有更好的清晰度。因此本次亦采用該方法對(duì)圖像進(jìn)行融合。

（3）圖像色彩調(diào)整與鑲嵌

圖像鑲嵌是指將多景圖像通過(guò)軟件處理，無(wú)縫拼接在一起。PhotoShop軟件二次開發(fā)的程序中可以識(shí)別圖像的坐標(biāo)信息，因此可以將勘查區(qū)所涉及的4景ZY3圖像導(dǎo)入PhotoShop同一文件中，即可實(shí)現(xiàn)4景圖像的無(wú)錯(cuò)位拼接，再對(duì)4景圖像按照色彩增強(qiáng)主要遵循原則進(jìn)行色彩調(diào)整，然后劃分鑲嵌線，實(shí)現(xiàn)圖像的無(wú)色差、無(wú)縫拼接。最后對(duì)拼接后圖像做交互式拉伸、直方圖匹配等二次色彩增強(qiáng)處理，使其能最大化的反映所研究地物信息。

（4）圖像幾何校正

圖2.1　基于ENVI、ERDAS、Photoshop的ZY3影像處理流程圖

應(yīng)用ERDAS軟件圖像校正模塊，均勻選取地面控制點(diǎn)(GCPS)，對(duì)拼接后影像進(jìn)行幾何精校正。校正后誤差小于1mm，滿足勘查區(qū)1:50000圖像精度要求。

3　在煤田地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

作為煤田地質(zhì)勘查的重要輔助手段之一，遙感圖像具有其他方法不可替代的優(yōu)勢(shì)?？梢栽谖催M(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查的情況下從宏觀上劃分出勘查區(qū)的地貌、地層、構(gòu)造等，隨著遙感圖像分辨率的提高，趨于細(xì)微的地層、構(gòu)造等信息也可以一目了然于圖像上。

通過(guò)選取精確的DEM數(shù)據(jù)、合理的圖像融合及圖像增強(qiáng)方法制作出的西藏自治區(qū)那曲地區(qū)巴青煤田地質(zhì)勘查區(qū)資源三號(hào)衛(wèi)星圖像色彩均衡，色調(diào)差異明顯，影紋結(jié)構(gòu)和影像構(gòu)造清晰，可以充分反映該區(qū)的地形地貌、水系、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特征?，F(xiàn)以四幅圖像為例，介紹其典型地貌、地層及構(gòu)造的遙感影像特征。

典型地貌遙感影像特征：圖3.1是勘查區(qū)索曲河谷的遙感影像，為河流侵蝕溝谷地貌。從圖中可以看到中間地勢(shì)較低溝谷中的典型水蝕河谷、河漫灘和“S”型河道。

典型地層遙感影像特征：圖3.2及圖3.3是勘查區(qū)典型的地層影像。圖3.2中可以看到明顯的砂巖平行層理以及呈NEE-SWW的走向。圖3.3古近系（E1-2n）地層呈棕紅色，可見層理，第三系（T3j）地層呈淺黃綠色，溝谷切割強(qiáng)烈，明顯的色彩差異及不同的紋理特征可以劃分出兩側(cè)不同的地層。

斷裂構(gòu)造遙感影像特征：圖3.4是勘查區(qū)F23斷層遙感影像，從遙感影像可以看到明顯的斷層三角面及被錯(cuò)斷的兩翼地層。

4　結(jié)束語(yǔ)

資源三號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆民用高分辨率衛(wèi)星，近年來(lái)越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用于煤田地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)等勘查中去，遙感圖像作為各類地質(zhì)勘查的重要輔助手段之一，隨著其分辨率的提高及日趨成熟的處理技術(shù)和處理精度的提高，將會(huì)在地質(zhì)勘查乃至其他行業(yè)中起到越來(lái)越重要的作用。

[1]資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星2014年度數(shù)據(jù)報(bào)告,http://sjfw.sasmac.cn/zy2014/zy2014.html.

[2]董杰,李學(xué)東,黃炎等.基于ArcGIS的資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像底圖快速處理方案研究 [C].福建廈門:中國(guó)遙感應(yīng)用協(xié)會(huì)專家委員會(huì),2014:20-27.

[3]潘紅播,張過(guò),唐新明,周平,蔣永華,祝小勇,江萬(wàn)壽,許妙忠,李德仁.資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品幾何模型 [J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2013,04:16-22.

[4]吳曉萍,楊武年,李國(guó)明.資源三號(hào)衛(wèi)星正視全色與多光譜影像融合及評(píng)價(jià) [J].物探化探計(jì)算技術(shù),2014,1:113-119.

[5]黃先德,周群,王興.資源三號(hào)衛(wèi)星全色與多光譜影像融合方法 [J].測(cè)繪通報(bào), 2015,1:109-114.

TP751[文獻(xiàn)碼]A

1000-405X（2016）-7-339-2

陳香菱（1984～），女，2009年畢業(yè)于山東科技大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)檫b感地質(zhì)、煤田地質(zhì)。