多源高分辨率DOM批量快速制作方法研究

張亞亞，馬小計，2，周 亦，2

(1. 北京中色地科測繪有限公司，北京 101300； 2. 北京中色測繪院有限公司，北京 100012)

近年來，我國相繼發射了天繪一號、資源一號02C、資源三號、高分一號、高分二號等多顆高分辨率衛星，遙感技術有了快速發展。但在進行全國范圍內各類資源調查、監測時，由于該類工程通常監測時間短、范圍大，受調查監測精度、衛星接收能力、天氣因素及經費等因素的影響，在實際調查、監測工作中，單一數據源幾乎不可能完成全覆蓋調查監測區；甚至在某些要求了具體的監測區域、監測時間段及監測精度時，可能需要幾種甚至十幾種數據源才能完全覆蓋項目區。這就不僅需要一套單一數據源DOM批量快速制作方案，還需針對多源高分辨率遙感衛星數據特點，提供一套有效銜接、覆蓋調查區域的“一張圖”批量快速制作方法。

本文以2018年全國土地利用變更調查監測與核查遙感監測項目為依托，針對該項目數據源多而雜、數據量大、工期緊、任務重的特點，利用Pixel Engine軟件提供的“RS+GIS+Photoshop”處理算法，以縣級行政轄區為單位，對多源高分辨率遙感衛星數據，進行DOM批量快速制作方法研究；從制作速度和DOM精度兩個方面，與人工處理方法進行對比，確定該方法的適應性；結合其他常規方法，旨在尋求一種高效的多源高分辨率DOM批量快速制作方法模型，以期為正在如火如荼開展的第三次全國國土調查、年度變更調查、全天候遙感監測及其他工期緊、任務重的大型工程項目提供一種快速、有效的解決方案。

1 研究區及研究數據情況

研究區選擇廣西壯族自治區北海市銀海區。研究區地勢總體是北高南低，西、北部為基巖隆起區，在地形上大致構成一個以北為高點，逐漸向南緩傾斜的扇形濱海平原，海拔為8～40 m。

本試驗平面控制資料采用2017年土地利用變更調查遙感監測成果，數據源以Pleiades-1(分辨率為0.5 m)為主，局部地區為SPOT6(分辨率為1 m)，彩色融合數據；高程控制資料采用ASTGTM 30 m的高程數據，坐標系統為CGCS2000，格式為IMG。受0.5 m計劃數據源接收狀況不佳的影響，根據遙感監測項目的數據源使用原則：優先使用分辨率高、無云、影像質量好的影像，研究區最終選用的原始數據涉及6種數據源、10景數據，具體為：1景Pleiades(0.5 m全色+2 m多光譜，下同)、1景GJ1(0.5 m+2 m)、1景GF2(0.8 m+3.2 m)、4景DEIMOS(1 m+4 m)、2景WorldView-2(0.5 m+2 m)、1景YG8(5 m全色，用于補縫)。原始數據覆蓋情況如圖1所示。

2 研究方法

2.1 研究路線

試驗利用2018年覆蓋本試驗區的最新遙感數據，以2017年土地利用變更調查遙感監測影像成果、高程數據等控制資料為基礎，采用Pixel Engine軟件提供的“RS+GIS+Photoshop”算法，首先針對不同的數據源特點，采用適宜的數據處理流程，批量快速進行單景DOM制作，其中，GJ1、GF2采用先配準融合后正射糾正的處理方法，Pleiades、WorldView-2、DEIMOS采用先融合后正射糾正的處理方法，YG8直接進行正射糾正；然后以縣區為單位，對正射糾正后的單景數據進行鑲嵌、色彩調整、裁切，制作縣級轄區DOM[1-8]；最后從處理速度和處理精度兩個方面，將批量自動處理制作的DOM與人工處理制作的DOM進行對比分析。圖2為研究路線圖。

2.2 研究方法

2.2.1 制作單景DOM

不同遙感衛星數據的原始數據具有不同的特性，主要包括：原始衛星數據是否包括全色和多光譜數據、是否同源同步獲取、匹配精度是否滿足要求，提供的單景數據是整塊數據還是分塊存儲數據，數據格式是否為常規遙感處理軟件可直接處理的TIFF格式，是否提供了RPC參數文件、RPC精度是否滿足要求，原始數據是否為帶坐標數據、數據類型等。

本文針對試驗區各遙感衛星數據特點，在通用的“配準、融合、波段組合、正射糾正”的單景DOM制作流程基礎上，為各類數據源制定了適宜、優化的處理流程，GJ1、GF2為配準融合+波段組合+轉8位+正射糾正；Pleiades為數據格式轉換+轉8位+融合+波段組合+正射糾正；WorldView-2、DEIMOS為融合+波段組合+轉8位+正射糾正；YG8為轉8位+正射糾正。

利用“RS+GIS+Photoshop”算法中的影像糾正、融合真彩及SPOT類型數據預處理等工具，按照以上各類數據處理流程，批量進行單景DOM制作。也可利用該算法的流程化工具分別載入，基準影像：銀海區2017年土地利用變更調查遙感監測影像成果，DEM數據：銀海區高程數據，原始數據：2018年覆蓋本試驗區的最新遙感數據，并通過設置平差參數、連接點參數、正射參數、融合參數、真彩參數等，全流程自動批量制作單景DOM。

由于YG8原始數據具有WGS-84坐標，且RPC參數精度低，利用該方法進行正射糾正，結果無法滿足DOM相對精度指標要求，因此對該景數據采用常規的遙感數據處理軟件Erdas+國產資源衛星影像自動校正軟件進行了處理：首先利用Erdas或Pixel Engine軟件進行降位處理；然后利用Erdas軟件，根據影像RPC參數進行影像粗校正；最后利用國產資源衛星影像自動校正軟件進行自動糾正。

2.2.2 制作縣級轄區DOM

單景DOM制作完成后，將覆蓋試驗區的所有單景數據，按照《土地利用動態遙感監測規程》(TD/T 1010—2015)要求進行鑲嵌、色彩調整，確保處理后影像灰度分布具有較大動態范圍，紋理清晰，色調均勻，亮度、反差適中，無明顯信息損失，主要地類邊界清晰，光譜信息豐富，無明顯偏色現象，能準確反映土地利用特征，相鄰景影像之間的時相相同或相近時，色彩、亮度、對比度無明顯差異；同時，根據縣級行政界線外擴1 km的范圍，裁切得到試驗區DOM。

首先利用“RS+GIS+Photoshop”中的鑲嵌、勻色及裁切一體化工具，載入制作的所有單景DOM，通過設置鑲嵌線參數，自動生成鑲嵌線，由于遙感監測項目對鑲嵌線走向要求較高，鑲嵌線生成之后，還需在此基礎上利用“添加鑲嵌線”“折線修邊”“多邊形修邊”“套索修邊”等工具，對鑲嵌線進行局部人工微調，從而得到滿足要求的鑲嵌線，對于相鄰景相對精度滿足要求，但是重疊精度不滿足要求、鑲嵌錯位的區域，可通過“添加接邊形變點”進行重疊精度修正；然后利用“統一拉伸”“模板勻色”“自動勻色”等自動勻色工具對所有單景DOM進行自動勻色，對于自動勻色后不滿意區域，可通過套索工具，利用類似Photoshop的“對比度”“色階”“曲線”“色相”“可選顏色”“羽化”等人工勻色工具進行微調；最后利用裁切輸出工具中的“矢量分幅輸出”，通過設置輸出分辨率、輸出類型、矢量路徑、外擴范圍等，裁切輸出得到外擴1 km的銀海區2018年DOM。

3 試驗結果與對比分析

從多源高分辨率DOM的制作精度與速度兩個方面，將基于Pixel Engine軟件的“RS+GIS+Photoshop”批量自動制作方法與采用Erdas+Photoshop軟件進行人工處理的方法進行對比。

3.1 制作精度對比

針對“RS+GIS+Photoshop”批量自動制作和操作熟手人工制作兩種方法得到的試驗區DOM，試驗采用定量精度評價和目視檢查相結合的方法，對試驗區DOM的融合效果、相對精度、重疊精度、圖面色彩質量、裁切質量進行精度對比[9-13]見表1。

表1 精度對比情況

對比結果顯示，在DOM的融合效果和圖面色彩方面兩種方法效果差別不大，利用該方法的個別數據影像紋理更清晰，光譜信息損失更少，更利于地類判讀；相對精度方面，YG8衛星數據不能滿足應用要求，需要采用人工制作方法進行處理；重疊精度方面，利用該方法制作的DOM，由于引入了區域網平差計算方法，對同源數據、甚至異源同分辨率遙感衛星數據間的重疊精度均有了明顯改善；裁切質量方面，利用該方法裁切后，外擴范圍與要求有個別出入，且局部存在彩邊、黑白現象，而利用人工方法裁切的影像不存在以上問題，針對應用需求，該問題可以忽略。

3.2 制作速度對比

在計算機配置相同的前提下，將采用“RS+GIS+Photoshop”方法制作的試驗區DOM速度，與熟練掌握多源高分辨率DOM制作流程的技術人員的平均人工處理速度進行對比。在單景DOM制作環節中，制作10景試驗區數據，人工制作時間約為10 h，而采用“RS+GIS+Photoshop”方法則只需4 h；在制作縣級轄區DOM(即影像的鑲嵌、調色及裁切)環節中，人工制作時間平均為4 h，而該方法在1 h內基本就可以完成。

因此，利用該方法制作縣級轄區DOM的速度比人工提高了2倍，其中在鑲嵌、調色及裁切階段，速度優勢更明顯，比人工提高了3倍。

4 結 論

本文試驗表明，利用Pixel Engine軟件的“RS+GIS+Photoshop”算法進行多源高分辨率的縣級轄區DOM批量快速制作：DOM精度方面，融合效果、鑲嵌質量、圖面色彩和裁切質量均能滿足應用要求；在相對精度方面，YG8數據無法滿足要求，需要利用其他軟件進行處理。在處理速度方面，比利用Erdas軟件和Photoshop軟件人工方法的速度提高了2倍。由于該算法支持鑲嵌線自動生成和模板勻色、自動勻色，大大提高了自動化效率；而且可以實現大多遙感數據處理軟件不支持的波段數不一致的相鄰影像間鑲嵌，因此在鑲嵌、調色及裁切階段，速度優勢更明顯，比人工方法提高了3倍。

在本次試驗基礎上，筆者借助依托項目，將該方法在遼寧省范圍內進行了大規模拓展試驗。結果顯示，隨著作業區范圍的擴大，數據量越多，數據源越多、越雜，在滿足精度要求的前提下，速度優勢越明顯；且鑒于該軟件對大數據量的快速顯示、處理優勢，可將10多個縣級轄區涉及的DOM全部載入同一工程進行鑲嵌調色，一方面明顯提高了DOM制作速度，另一方面有效保證了相鄰縣區圖面色彩的一致性，有效改善了往年全國各縣DOM放一塊后“補丁衣”的情況。

本文基于以上試驗分析，結合“RS+GIS+Photoshop”算法在多源高分辨率DOM快速制作上的優勢及實際生產過程中出現的問題，將其與Erdas軟件、國產資源衛星校正軟件及PhotoShop等遙感數據處理軟件相互結合、補充，提出了一種快速、有效的多源高分辨率DOM制作方法，如圖3所示。

隨著自然資源部的成立，利用遙感數據進行大范圍內各類自然資源調查、監測、管理已成為一種常態。該方法的提出為正在如火如荼開展的第三次全國國土調查、全國年度土地利用變更調查、土地資源全天候遙感監測等國家級重點工程項目及其他工期緊、任務重的大型工程項目提供了一種快速、有效的解決方案，可極大地促進遙感數據在自然資源調查、執法督察、批后監管等多個領域發揮其強大的優勢。