陳 曦 王 寧 劉青鋒 張玉紅

(1. 自然資源部第三地形測(cè)量隊(duì), 黑龍江 哈爾濱 150025;2. 哈爾濱師范大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引言

隨著國產(chǎn)遙感衛(wèi)星影像資源的日益豐富,基于國產(chǎn)遙感衛(wèi)星影像的應(yīng)用與研究也逐漸成為焦點(diǎn),充分利用國產(chǎn)衛(wèi)星影像,逐步減少使用國外遙感影像,是我國現(xiàn)代測(cè)繪產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是城市規(guī)劃以及建設(shè)的根本需要,原有的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)并不能滿足城市的建設(shè)[2],數(shù)字表面模型作為重要的地理信息具有非常廣泛的應(yīng)用前景[3]。

數(shù)字表面模型(digital surface model,DSM)是指包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地表模型[4],表示的是最真實(shí)的地面起伏情況,可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。如在森林地區(qū),可以用于檢測(cè)森林的生長情況;在城區(qū),DSM可以用于檢查城市的發(fā)展情況;特別是眾所周知的巡航導(dǎo)彈,它不僅需要數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM),而更需要的是數(shù)字表面模型的支持,這樣才有可能使巡航導(dǎo)彈在低空飛行過程中,逢山讓山,逢林讓林。

高分七號(hào)衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的高分辨率對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用衛(wèi)星,于2019年11月3日成功發(fā)射,并于2020年8月20日正式投入使用。高分七號(hào)衛(wèi)星搭載了我國第一臺(tái)雙波束對(duì)地觀測(cè)激光載荷——激光測(cè)高儀,以輔助光學(xué)影像實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星1∶1萬立體測(cè)圖這一重大工程任務(wù)[5],作為我國首顆民用亞米級(jí)光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星,該星的投入使用標(biāo)志著高分專項(xiàng)打造的高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高精度觀測(cè)的天基對(duì)地觀測(cè)能力初步形成[6]。

高分七號(hào)衛(wèi)星可用于1∶1萬比例尺立體測(cè)圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品更新,滿足地形繪制、地表監(jiān)測(cè)等應(yīng)用需求[7]。該衛(wèi)星所具備的立體成像和激光測(cè)高能力,使其在區(qū)域立體測(cè)繪、地形信息提取、地貌特征提取等方面具備天然的優(yōu)勢(shì),充分利用其獲取的立體遙感信息提取不同時(shí)相DSM及其變化信息,為數(shù)字中國地理空間框架的建設(shè)提供良好的數(shù)據(jù)支撐。

本研究基于高分七號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行DSM自動(dòng)匹配,針對(duì)不同匹配方法進(jìn)行對(duì)比分析,也為高分七號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作DSM產(chǎn)品提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

為了更好地研究匹配方法的適用程度,本次研究選取了兩個(gè)地形類別完全不同的地區(qū),分別為黑龍江地區(qū)以及西藏研究區(qū),按地理位置看,黑龍江比西藏緯度高;按地勢(shì)看,西藏比黑龍江海拔高。

黑龍江省地處中國東北部,北、東部與俄羅斯隔江相望,西部與內(nèi)蒙古相鄰,南部與吉林省接壤,介于東經(jīng)121°11′～135°05′,北緯43°26′～53°33′之間,轄區(qū)總面積4.73×105km2,居全國第6位。邊境線長2 981.26 km。黑龍江地貌特征為“五山一水一草三分田”。地勢(shì)大致呈西北、北部和東南部高,東北、西南部低,由山地、臺(tái)地、平原和水面構(gòu)成。

西藏位于青藏高原西南部,地處北緯26°50′～36°53′,東經(jīng)78°25′～99°06′之間,平均海拔在4 000 m以上,素有“世界屋脊”之稱。面積1.228 4×106km2,約占全國總面積的1/8,在全國各省、市、自治區(qū)中僅次于新疆[8]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2019年11月3日,高分七號(hào)衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長征四號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射升空[9],裝備在高分七號(hào)衛(wèi)星上的是我國首個(gè)具備全波形記錄功能的激光測(cè)高儀,主要用于獲取地面稀疏的高程控制點(diǎn),提高了同平臺(tái)立體影像無地面控制點(diǎn)的立體測(cè)圖精度[10],高分七號(hào)衛(wèi)星作為搭載我國首臺(tái)全波形體制激光測(cè)高儀[11],以及搭載的有效載荷為雙線陣相機(jī)、激光測(cè)高儀等,其中雙線陣相機(jī)可有效獲取20 km幅寬、優(yōu)于0.8 m分辨率的全色立體影像和3.2 m分辨率的多光譜影像;激光測(cè)高儀以3 Hz的觀測(cè)頻率進(jìn)行對(duì)地觀測(cè),可獲取全波形數(shù)據(jù)。

高分七號(hào)衛(wèi)星不僅具備同軌道前后視立體成像能力及亞米級(jí)空間分辨率優(yōu)勢(shì),還采用主被動(dòng)光學(xué)復(fù)合測(cè)繪新體制,利用激光測(cè)高儀獲得高精度高程信息,提升光學(xué)立體影像在無控條件下的高程精度。

本次試驗(yàn)選取影像源為重疊度60%的相鄰軌道影像,影像拍攝時(shí)間分別為2020-11-21及2020-12-16,原始數(shù)據(jù)包含全色前后視角及多光譜影像及同區(qū)域網(wǎng)平差后的有理多項(xiàng)式系數(shù)(rational polynomial coefficient ,RPC)文件。

2 研究方法

2.1 軟件基礎(chǔ)

2.1.1CIPS軟件

吉威公司的影像處理系統(tǒng)(Cluster image processing system，CIPS)軟件包括匹配和物方優(yōu)化兩個(gè)部分[12],匹配DSM首先支持CIPS軟件主模塊,通過衛(wèi)片數(shù)據(jù)生產(chǎn)工程,其次建立匹配空間,然后利用地形數(shù)據(jù)模塊,輸出由二進(jìn)制數(shù)據(jù)組成點(diǎn)云格式(.LAS)等級(jí),最后進(jìn)行點(diǎn)云柵格化。

2.1.2INPHO軟件

天寶的影像處理軟件(Trimble Inpho，INPHO)是德國專業(yè)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)軟件,包含空三加密、數(shù)字地面模型匹配及數(shù)字正射影像糾正、影像拼接等系列軟件[13]。INPHO匹配DSM首先需要的軟件為INPHO主模塊,通過衛(wèi)星影像處理工程建立匹配的工作空間,其次通過選擇RPC類型、區(qū)塊模塊以及區(qū)塊選擇進(jìn)行匹配,最后根據(jù)研究區(qū)的地形類別選擇匹配命令器(Match-T),匹配完成后,需借助數(shù)字地面模型(digital terrain model,DTM)工具包的分割、轉(zhuǎn)換功能手動(dòng)進(jìn)行DSM數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 匹配方法

DSM生產(chǎn)基于原始衛(wèi)星影像及平差成果即可進(jìn)行自動(dòng)地形提取,采用密集匹配算法獲取LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)過柵格化獲取所需數(shù)據(jù)。其覆蓋范圍為對(duì)應(yīng)的基本存儲(chǔ)單元最小外接矩形向外擴(kuò)展20個(gè)格網(wǎng)單元的矩形,以非壓縮的帶地理位置的圖像儲(chǔ)存格式(GeoTIFF)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)[14]。

其角點(diǎn)計(jì)算公式為：

式中,X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3、X4、Y4為四個(gè)圖廓點(diǎn)的坐標(biāo),坐標(biāo)單位為m;R為數(shù)字表面模型格網(wǎng)尺寸,坐標(biāo)單位為m。

CIPS和INPHO兩種軟件利用高分七號(hào)影像及其對(duì)應(yīng)的RPC文件,構(gòu)建立體模型,通過建立工程、設(shè)置投影參數(shù)、設(shè)置匹配參數(shù)等步驟,利用兩種軟件的自有算法自動(dòng)進(jìn)行DSM匹配。

3 結(jié)果分析

3.1 CIPS匹配效果分析

DSM的主要要求即應(yīng)與實(shí)地地形地貌保持一致,不存在明顯的飛點(diǎn)、跳點(diǎn),不應(yīng)出現(xiàn)非正常的負(fù)向地貌,山脊或溝谷等區(qū)域的DSM應(yīng)符合實(shí)際地貌特征;山體陰影區(qū)域的DSM高程值和其表現(xiàn)出來的紋理特征應(yīng)盡可能保證與實(shí)際地貌特征保持一致。小面積水域范圍內(nèi)的高程原則上不應(yīng)高于水面周邊高程,主要流動(dòng)水域,水面應(yīng)由上而下平緩過渡,并且與周邊地勢(shì)過渡自然等情況。圖1可以看出,CIPS的匹配的暈渲基本上與實(shí)地地形地貌相符合,但在溝谷處的紋理比較粗糙,匹配的飛點(diǎn)、跳點(diǎn)即粗差較多,整體不存在大面積的弱紋理情況。

圖1 CIPS匹配效果圖

3.2 INPHO匹配效果分析

根據(jù)INPHO的匹配效果可以明顯看出(圖2),DSM出現(xiàn)的暈渲效果較為理想,不存在明顯的大面積飛點(diǎn)、跳點(diǎn)的情況,山脊、山谷處的地形地貌也都清晰可見,無明顯的異常表現(xiàn)。

圖2 INPHO匹配效果圖

山體陰影區(qū)域的DSM高程值和其表現(xiàn)出來的紋理特征與實(shí)際地貌特征基本保持一致,但也可以看出,個(gè)別地方仍存在不合理的暈渲效果,而恰恰相反,這些區(qū)域CIPS的匹配效果相對(duì)較好,可以說,這兩種匹配的效果不同區(qū)域有不同的暈渲表達(dá)方式,需要具體地形具體分析使用。

3.3 兩種匹配方法對(duì)比研究

為了更為具體地對(duì)比兩種匹配的方法之間的區(qū)別,本研究根據(jù)兩個(gè)研究區(qū)的不同地形地貌的類型,進(jìn)行對(duì)比分析,可以明顯地看出在地形地貌都基本符合的情況下,INPHO的匹配暈渲效果更為理想,見圖3(a)。而CIPS的暈渲多為梯田的形狀，見圖3(b),并伴隨著粗糙的弱紋理現(xiàn)象,但在有樹的地區(qū),CIPS的匹配效果見圖3(c)，個(gè)別區(qū)域優(yōu)于INPHO的匹配的方法見圖3(d),并且個(gè)別地區(qū)當(dāng)INPHO的匹配出現(xiàn)粗差的情況時(shí),CIPS并未出現(xiàn),由此可以說,這兩種匹配的方法,在不同的地形類別的下,所呈現(xiàn)的效果各有利弊,INPHO的匹配效果在大多數(shù)的地形下更為理想些,但這并不能完全說明INPHO優(yōu)于CIPS,對(duì)于這兩種匹配方法,我們需要根據(jù)不同地區(qū)的地貌特征甄別利用,取長補(bǔ)短,進(jìn)行DSM的后續(xù)編輯生產(chǎn)[15]。

(a)INPHO暈渲 (b)CIPS暈渲

4 結(jié)束語

高分七號(hào)是我國首顆民用亞米級(jí)光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星,相比于普通光學(xué)遙感衛(wèi)星只能拍攝平面圖像,高分七號(hào)可以繪制立體圖像,這更適用于DSM匹配的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在DSM自動(dòng)匹配生產(chǎn)中,CIPS和INPHO均能滿足自動(dòng)匹配的整體精度要求,其中CIPS軟件還有物方優(yōu)化這一部分,利用物方優(yōu)化生成的DSM匹配結(jié)果操作更為復(fù)雜,這里不做過多論述。

通過對(duì)比分析可知,對(duì)于林區(qū),CIPS匹配出的地表特征更為細(xì)致,匹配出的細(xì)節(jié)更為豐富,相比之下,INPHO匹配出的細(xì)節(jié)稍顯不足;對(duì)于平坦地區(qū),CIPS匹配出現(xiàn)的飛點(diǎn)、跳點(diǎn)相比INPHO出現(xiàn)得較多,并且CIPS在個(gè)別區(qū)域會(huì)出現(xiàn)梯田形狀的暈渲效果,這一方面在INPHO中出現(xiàn)的概率較小;對(duì)于陰影區(qū)域,兩種匹配方法均表現(xiàn)出較為粗糙的暈渲,仍需人工進(jìn)行編輯。

可以說,這兩種匹配方法在不同的地形類別下,所呈現(xiàn)的效果各有利弊,inpho的匹配效果在大多數(shù)的地形下更為理想些,但這并不能完全說明inpho優(yōu)于cips,對(duì)于這兩種匹配方法,我們需要根據(jù)不同地區(qū)的地貌特征甄別利用,取長補(bǔ)短,進(jìn)行DSM的后續(xù)編輯生產(chǎn)。