張立剛

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

近年來，隨著新型基礎(chǔ)測(cè)繪的轉(zhuǎn)型升級(jí)與信息化測(cè)繪體系建設(shè)的不斷深入，測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)獲取能力不斷提升，天空地一體化數(shù)據(jù)獲取體系不斷完善。目前，衛(wèi)星遙感影像以其“信息豐富、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、獲取周期短、價(jià)格相對(duì)低廉”的優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)中得到了越來越多的應(yīng)用，尤其在無人測(cè)區(qū)、邊境測(cè)區(qū)等航空攝影無法實(shí)現(xiàn)地區(qū)，以衛(wèi)星遙感影像為支撐的3S技術(shù)集成得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展[1]。

基于衛(wèi)星遙感影像生產(chǎn)數(shù)字高程模型是測(cè)繪地理信息4D產(chǎn)品生產(chǎn)的重要手段。數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model，DTM)最初由美國麻省理工學(xué)院Miller教授于1956年提出的，是地形表面形態(tài)等多種信息的一個(gè)數(shù)字表示。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是DTM的一個(gè)子集，表示地形分量，是對(duì)地球表面地形、地貌的一種離散的數(shù)字表示[2]。

1 PixelGrid軟件簡(jiǎn)介

PixelGrid軟件是中國測(cè)繪科學(xué)研究院研制的一款多源航空航天遙感數(shù)據(jù)集群分布式高效能處理系統(tǒng)，PixelGrid軟件以先進(jìn)的攝影測(cè)量算法和交互友好的操作界面為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的通用化和自動(dòng)化。該系統(tǒng)在西部測(cè)圖工程、地理國情監(jiān)測(cè)、全球地理信息資源建設(shè)與維護(hù)更新等國家重大工程和應(yīng)急測(cè)繪保障等方面實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[3]。該方法基于PixelGrid軟件高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理模塊(SAT)進(jìn)行影像配準(zhǔn)，PixelGrid-SAT模塊主要用于多源光學(xué)遙感影像從數(shù)據(jù)預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)平差到1:1萬、1:2.5萬、1:5萬等多比例尺4D產(chǎn)品(DLG、DEM/DSM、DOM等)數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)品制作任務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 有理多項(xiàng)式系數(shù)

目前衛(wèi)星遙感影像通用TIF影像+RPC文件，有理多項(xiàng)式系數(shù)(Rational Polynomial Coefficients，RPC)是在嚴(yán)格幾何模型受衛(wèi)星傳感器參數(shù)保密的限制條件下提出的一種與傳感器無關(guān)的通用型成像幾何模型，數(shù)學(xué)模型形式簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快，是目前高分辨率衛(wèi)星遙感影像處理最行之有效的模型。RPC是一種能夠獲得與嚴(yán)格幾何模型近似一致精度的擬合模型(嚴(yán)格幾何模型是指通過平臺(tái)載荷測(cè)量的平臺(tái)運(yùn)行軌跡參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、傳感器安裝參數(shù)及傳感器內(nèi)部幾何參數(shù)等構(gòu)建的像-地關(guān)系幾何模型)，RPC參數(shù)誤差主要來源于兩個(gè)方面：(1)是衛(wèi)星參數(shù)不可避免地存在不同性質(zhì)的誤差，其擬合模型RPC也就存在著相應(yīng)誤差；(2)是其定向精度與地面控制點(diǎn)精度、分布和數(shù)量及實(shí)際地形有關(guān)[2,4]。文章所應(yīng)用的方法重點(diǎn)針對(duì)某些困難區(qū)域產(chǎn)生的影像上下視差過大等問題。

2.2 數(shù)字高程模型匹配

DEM的生產(chǎn)包括原始影像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、模型定向及生成核線影像、影像匹配及DEM生成等步驟。DEM的建立是根據(jù)影像匹配的視差數(shù)據(jù)、定向元素及用于建立DEM的參數(shù)等，將匹配后的視差格網(wǎng)投影與地面坐標(biāo)系，生成不規(guī)則的格網(wǎng)；然后進(jìn)行插值等計(jì)算處理，建立規(guī)則(矩形)格網(wǎng)的DEM模型[2]。可見，原始影像地形及質(zhì)量、RPC模型參數(shù)、模型定向精度等均會(huì)對(duì)DEM匹配質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3 技術(shù)路線

針對(duì)影像上下視差過大導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)影像匹配生成DEM的問題，文章提出了基于PixelGrid的SAT模塊進(jìn)行RPC參數(shù)重新計(jì)算以用于DEM匹配的技術(shù)路線。如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

其中，根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求，DEM間隔為5.0m，因此僅選擇前、后視影像參與匹配即可。影像格式增強(qiáng)及預(yù)處理主要生成轉(zhuǎn)換后的影像文件(*.raw)、相應(yīng)raw影像的RPC參數(shù)(*.raw.rpc)及影像像素參數(shù)值文件(*.raw.spt)。新建工程參數(shù)包括影像導(dǎo)入及航帶設(shè)置(一個(gè)像對(duì)一個(gè)航帶)、工程目錄設(shè)置，平面坐標(biāo)、投影帶號(hào)、坐標(biāo)基準(zhǔn)等設(shè)置，平均高程、DEM間隔、DOM地面分辨率等設(shè)置。平差計(jì)算采用“RPC參數(shù)+二維仿射變換”的定向方法，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定向中誤差結(jié)果不得>1個(gè)像素。輸出計(jì)算后的RPC替換原始RPC后利用檢查點(diǎn)進(jìn)行立體精度檢測(cè)，滿足要求后即可進(jìn)行DEM匹配等后續(xù)操作。

4 基于ZY3影像試驗(yàn)

4.1 數(shù)據(jù)概況

文章選取1景國產(chǎn)資源三號(hào)01星三線陣立體像對(duì)為試驗(yàn)樣本，其前、后視影像視差過大，無法形成立體像對(duì)。資源三號(hào)01星(ZY301)于2012年成功發(fā)射，是我國首顆民用高分辨率1:10000立體測(cè)圖衛(wèi)星，衛(wèi)星有效載荷參數(shù)如表1所示。

表1 有效載荷參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

通過該方法處理后，平差計(jì)算后定向中誤差為±0.14m，滿足定向要求。同時(shí)，為開展立體精度檢測(cè)，文章選取了另外其他10個(gè)控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，導(dǎo)入Inpho立體環(huán)境下進(jìn)行檢查點(diǎn)采集及坐標(biāo)輸出。

立體精度檢測(cè)中誤差計(jì)算公式為：

(1)

式中：M為中誤差；n為檢測(cè)點(diǎn)數(shù)；△i為較差，坐標(biāo)保留兩位小數(shù)。精度檢測(cè)報(bào)告如表2所示。通過表2可知，精度檢測(cè)平面中誤差為±0.80m，高程中誤差為0.14m，滿足定向要求即計(jì)算后RPC參數(shù)滿足精度，最終可進(jìn)行DEM匹配等后續(xù)操作。

表2 精度檢測(cè)報(bào)告

續(xù)表2 精度檢測(cè)報(bào)告

5 結(jié) 語

文章介紹了一種基于PixelGrid-SAT模塊進(jìn)行高分辨率衛(wèi)星遙感影像“立體像對(duì)”數(shù)據(jù)處理的技術(shù)方法。有效彌補(bǔ)了海量影像分布式處理?xiàng)l件下個(gè)別影像RPC定向精度較差的限制。PixelGrid-SAT模塊數(shù)據(jù)處理主要有以下兩個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：(1)支持目前主流的光學(xué)遙感影像，包括QuickBird、WorldView-I/II、IKONOS、GeoEye-I/II、SPOT1-4、SPOT-5 HRS/HRG、SPOT6/7、Pleiades、IRS-P5、OrbView、ALOS/PRISM、RapidEye、CBERS-02、天繪一號(hào)衛(wèi)星、資源三號(hào)衛(wèi)星、高分一號(hào)衛(wèi)星等等。(2)SAT模塊界面友好、操作便捷、易于上手，但本方法中的連接點(diǎn)及控制點(diǎn)量測(cè)需在立體環(huán)境下進(jìn)行采集與修測(cè)，這對(duì)作業(yè)員的人工立體觀測(cè)能力有一定要求。