基于影像快速處理系統(tǒng)的土地調(diào)查DOM制作

梁 思，閔 天

（1.湖北省航測(cè)遙感院，湖北 武漢 430074）

土地調(diào)查是一項(xiàng)重大的國情國力調(diào)查，是查實(shí)查清土地資源的重要手段。開展第三次全國土地調(diào)查，目的是全面查清當(dāng)前全國土地利用狀況，掌握真實(shí)準(zhǔn)確的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，健全土地調(diào)查、監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)制度，強(qiáng)化土地資源信息社會(huì)化服務(wù)，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國土資源管理工作需要[1]。數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)是第三次全國土地調(diào)查主要的調(diào)查數(shù)據(jù)源，同時(shí)也是第三次全國土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)的重要組成部分。按照國務(wù)院第三次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室的統(tǒng)一部署，第三次全國土地調(diào)查試點(diǎn)區(qū)衛(wèi)星正射影像制作已于1月中旬完成，全國大面積正射影像制作工作正在全面開展。由于此項(xiàng)工作時(shí)間緊、任務(wù)重，如何快速、高質(zhì)量地完成衛(wèi)星正射影像制作，確保第三次全國土地調(diào)查首道工序的高效和優(yōu)質(zhì)是非常關(guān)鍵的。

此次下發(fā)的衛(wèi)星影像以國產(chǎn)衛(wèi)星影像為主，國內(nèi)外商業(yè)衛(wèi)星影像為輔，包括GF-2、BJ-2、WorldView-2、WorldView-3、SuperView-1、Pleiades-1、YG-5、YG-24、YG-26和KOMPSAT-3等數(shù)10種影像源，且地面分辨率優(yōu)于1 m。數(shù)據(jù)源復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度要求高是第三次全國土地調(diào)查衛(wèi)星影像制作的難點(diǎn)。基于湖北省第三次全國土地調(diào)查試點(diǎn)區(qū)衛(wèi)星影像制作的實(shí)際情況，總結(jié)了利用影像快速處理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）高效高質(zhì)量生產(chǎn)衛(wèi)星正射影像的完整工藝流程，可以為今后開展土地調(diào)查等相關(guān)工作提供借鑒。

1 基于影像快速處理系統(tǒng)的正射影像制作流程

1.1 模塊化制作流程

利用控制成果、 DEM 成果等資料，采用衛(wèi)星遙感影像正射糾正、影像融合、波段重組降位、影像增強(qiáng)處理、鑲嵌裁切等技術(shù)方法，進(jìn)行衛(wèi)星正射影像生產(chǎn)[2-5]，制作流程如圖1所示。基于影像快速處理系統(tǒng)，整個(gè)生產(chǎn)流程的主要環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)工作流式的自動(dòng)化批量生產(chǎn)，主要包括區(qū)域網(wǎng)平差（包括連接點(diǎn)采集）、正射糾正、影像融合、影像增強(qiáng)處理、鑲嵌裁切等處理環(huán)節(jié)；控制點(diǎn)采集、鑲嵌線編輯和裁切文件制作需要人機(jī)交互完成。如果是從DOM等已有測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)中提取控制點(diǎn)，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集。

圖1 衛(wèi)星正射影像制作流程圖

1.2 資料準(zhǔn)備

將生產(chǎn)區(qū)像控資料（2015年完成的覆蓋全省1:50 000分幅組織的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)）進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將CGCS2000大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)為高斯克呂格3°分帶投影的平面坐標(biāo)，中央經(jīng)線與縣域成果一致；將1:10 000分幅DEM進(jìn)行鑲嵌，去除異常點(diǎn)。分析衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目要求的同一區(qū)域多源影像數(shù)據(jù)的選取原則和影像質(zhì)量情況，合理選取影像數(shù)據(jù)。

1.3 影像正射糾正

整景全色影像均采用 RPC 模型進(jìn)行定向，根據(jù)衛(wèi)星影像提供的精確 RPC 參數(shù)，結(jié)合地面控制點(diǎn)，解算高精度外參數(shù)。單景糾正在采集控制點(diǎn)后即可進(jìn)行正射糾正，有重疊區(qū)的同分辨率多源衛(wèi)星影像可使用區(qū)域網(wǎng)平差的方法解算高精度外參數(shù)，采集控制點(diǎn)時(shí)點(diǎn)位盡可能選擇重疊區(qū)域。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求選擇糾正方案，考慮到高效的要求，盡量構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)平差。

在平差步驟中，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)衛(wèi)星影像信息進(jìn)行解譯并對(duì)相鄰影像自動(dòng)匹配連接點(diǎn)后平差計(jì)算。如果同時(shí)有全色和多光譜的影像此處僅自動(dòng)對(duì)全色進(jìn)行平差，在正射糾正時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)用平差計(jì)算的數(shù)學(xué)模型同時(shí)對(duì)全色和對(duì)應(yīng)的多光譜直接糾正，即采用系統(tǒng)特有的模型復(fù)制的方式進(jìn)行多光譜的配準(zhǔn)，這種方法可以保證不會(huì)出現(xiàn)人為誤差。因?yàn)閷?duì)于WV2、WV3、SV1等數(shù)據(jù)，其全色和多光譜本身已經(jīng)是沒有偏差的，如果強(qiáng)行進(jìn)行配準(zhǔn)，無論選擇多少點(diǎn)都會(huì)人為引入偏差。如果采集的GCP誤差較大，則配準(zhǔn)后的多光譜可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)量的較大變化。對(duì)于KOMPSAT-3等全色和多光譜有偏差的數(shù)據(jù)，則需單獨(dú)進(jìn)行全色和多光譜的配準(zhǔn)。糾正后全色和多光譜套合誤差一般不超過半個(gè)像素。

1.4 影像融合、波段重組與降位

使用已糾正的全色影像和同景多光譜影像進(jìn)行融合，采用PANSHARP融合方法，按照默認(rèn)影像波段順序輸出。融合后正射影像并非項(xiàng)目要求的24 bit RGB彩色模式，需做波段重組與降位處理。設(shè)置1、2、3波段分別為藍(lán)、綠、紅波段，刪掉4波段近紅外波段，選擇輸出波段位數(shù)為8位。影像融合后優(yōu)先進(jìn)行降位和勻光勻色，可減少后期操作的時(shí)間和鑲嵌工作量。

1.5 增強(qiáng)處理、鑲嵌和裁切

第三次全國土地調(diào)查項(xiàng)目要求按縣域分幅裁切正射影像，并且不同分辨率影像獨(dú)立存儲(chǔ)，同時(shí)結(jié)合同一區(qū)域多源影像數(shù)據(jù)的選取原則，最終一個(gè)縣域行政轄區(qū)內(nèi)可能會(huì)裁切出若干獨(dú)立的影像文件。與常見的整景輸出和按一定比例尺分幅裁切的方式比較，這種裁切方式更復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的預(yù)鑲嵌和裁切功能在交互性和處理能力上要求更高。影像快速處理系統(tǒng)提供了友好的交互功能和自動(dòng)化批量處理功能。預(yù)鑲嵌功能執(zhí)行所有需要生成高質(zhì)量鑲嵌圖像的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，主要包括勻光，接邊線選取和圖像鑲嵌順序選取。生產(chǎn)中采用參考影像匹配的算法勻光，效果較好，系統(tǒng)自動(dòng)生成的鑲嵌線會(huì)比較好，不需要太多人工干預(yù)，見圖2、3。圖像鑲嵌順序的選取能定義鑲嵌時(shí)候圖像的添加順序，保證最好的影像在鑲嵌過程中在最上一層。另外可導(dǎo)出SHP格式的鑲嵌線文件，方便制作鑲嵌塊信息文件。

圖2 原始影像示例

圖3 勻光后影像示例

2 試點(diǎn)生產(chǎn)及分析

2.1 試點(diǎn)數(shù)據(jù)源及成果

湖北省第三次全國土地調(diào)查試點(diǎn)區(qū)總面積約7 518 km2，地形復(fù)雜，地形類別包括平地、丘陵地、山地和高山地，各類地形覆蓋面積較均等。試點(diǎn)區(qū)多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)總計(jì)為78景，覆蓋區(qū)域面積約為 20 000 km2。用于衛(wèi)星影像正射糾正的數(shù)據(jù)有2015年湖北省第一次全國地理國情普查項(xiàng)目中完成的覆蓋全省1:50 000分幅組織的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、0.5 m分辨率的1:10 000 DOM和2 m格網(wǎng)1:10 000 DEM。得到最終的縣域正射影像示例如圖4所示；局部效果如圖5所示。

圖4 縣域分幅正射影像示例

圖5 DOM局部效果示例

2.2 DOM精度統(tǒng)計(jì)與分析

縣域分幅正射影像需滿足1:10 000地形圖成圖精度要求，利用外業(yè)實(shí)測(cè)像控點(diǎn)檢查正射影像精度，精度檢查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。研究結(jié)果表明，基于本研究流程，利用影像快速處理系統(tǒng)制作的衛(wèi)星正射影像平面精度滿足相關(guān)規(guī)范要求，符合項(xiàng)目實(shí)際需求。

表1 衛(wèi)星正射影像平面精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 效率分析

以其中2個(gè)試點(diǎn)縣市為例，分析基于影像快速處理系統(tǒng)的DOM生產(chǎn)效率。分析區(qū)共有47景衛(wèi)星影像，包括GF-2、BJ-2、WorldView-2等6種影像源，地面分辨率均優(yōu)于1 m，影像數(shù)據(jù)量約69 GB，具體的數(shù)據(jù)情況見表2。

為分析影像快速處理系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，在同樣的硬件配置下，分別利用影像快速處理系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法生產(chǎn)DOM，比較其自動(dòng)化程度以及花費(fèi)的時(shí)間，見表3。由表3可以看出，基于影像快速處理系統(tǒng)的DOM生產(chǎn)在全自動(dòng)化處理環(huán)節(jié)上耗時(shí)較傳統(tǒng)方法有一定優(yōu)勢(shì)，而總生產(chǎn)周期縮短一半，有明顯優(yōu)勢(shì)。這歸功于影像快速處理系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，即可以同時(shí)將所有環(huán)節(jié)都設(shè)置好任務(wù)，系統(tǒng)依次自動(dòng)完成任務(wù)，這樣能充分利用非工作時(shí)間；而傳統(tǒng)方法只能在前一個(gè)環(huán)節(jié)完成后再人工安排下一個(gè)環(huán)節(jié)。另外影像快速處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全流程生產(chǎn)，無需在不同軟件間切換，節(jié)省了數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率[6-7]。

表2 衛(wèi)星遙感影像情況說明

表3 DOM生產(chǎn)自動(dòng)處理效率比較

3 結(jié) 語

通過湖北省第三次全國土地調(diào)查試生產(chǎn)總結(jié)得出，基于影像快速處理系統(tǒng)生產(chǎn)衛(wèi)星正射影像，自動(dòng)化程度高，對(duì)數(shù)據(jù)兼容性好，主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了工作流式的全自動(dòng)化批量處理，并且耗時(shí)較傳統(tǒng)方法減少，在處理過程中需要人工干預(yù)少，可以大大提高工作效率；友好的人機(jī)交互功能，操作簡(jiǎn)單，在數(shù)據(jù)較復(fù)雜、處理難度較大的情況下仍可以得到較好的精度。實(shí)踐表明，基于影像快速處理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星正射影像的高效生產(chǎn)，DOM精度符合項(xiàng)目實(shí)際需求，可以為今后開展土地調(diào)查等相關(guān)工作提供重要依據(jù)和借鑒。