資源三號衛星影像在復雜艱險山區鐵路制圖中的應用

劉志鵬 王 義

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

資源三號衛星是中國第一顆自主發射的民用高分辨率立體測繪衛星,該衛星攝影范圍較寬,單景影像覆蓋面積達50km×50km。資源三號衛星歷經兩代,其中,其前后視立體影像分辨率由3.5m提升到2.5m,中視空間分辨率為2.1m。通過資源三號衛星影像的逐步推廣應用,基本實現了國產遙感衛星從“有”到“好用”,從示范應用到業務化運行的根本轉變[1]。然而,將資源三號衛星影像應用于復雜艱險山區鐵路制圖的研究相對較少。

另一方面,我國西南地區地形復雜,氣象條件較差,常年云霧彌漫,航空攝影極其困難。國外高分辨率衛星影像雖然能滿足大、中比例地形圖制作,但存檔數據較少,覆蓋長大鐵路干線項目的范圍有限。為了解決該區域攝影資料缺乏等問題,利用多景資源三號02號衛星影像,研究在無像控條件下的數字正射影像圖的快速制作方法,并驗證布設少量控制點制作1∶10000地形圖精度的可靠性。

2 RPC參數介紹

有理函數模型簡稱RFM(Rational Function Model),是通用傳感器模型中的一種,它的實質是通過復雜的數學模型來描述嚴格成像過程,建立物方空間坐標與像方像點坐標的直接對應關系。RFM可以有效針對衛星軌道參數、傳感器屬性等涉密參數進行封裝,用戶可在不知道相關信息的前提下,直接根據RFM模型及參數解算出像點的空間坐標,從而進行各種應用。RFM 一般采用 RPC參數(Rational Polynomial Coefficients,有理多項式系數)來表示。

式中,a0…d19為參數文件中提供的有理多項式參數;xn,yn為圖像上對應點的規格化坐標[2]。

RPC文件中詳細說明了影像中心點地理坐標,平面坐標用經緯度表示,高程為大地高,影像的行列數以像素為單位,公式中羅列了物方與像方坐標轉換的80個有理函數系數。通過定向或者空三加密即可求出任意像點的大地坐標[3]。

3 資源三號衛星影像處理流程

資源三號衛星影像RPC參數文件格式與常用的Ikonos、Worldview 、Geo-eye、Irs-P5、Quickbird等衛星影像一致[4],預處理及空三加密方法與這幾種衛星影像相同。具體處理流程見圖1。

圖1 資源三號衛星影像處理流程

4 影像預處理及自由網空三加密

4.1 影像預處理流程

資源三號衛星影像數據以16位存儲,影像數據量較大,灰度較暗。必須利用PhotoShop、Eardas等軟件進行灰度拉伸,以提高亮度和對比度,增強人眼辨識度。并利用Rescale模塊對影像進行降位處理,從16位降位到8 位,降位后幾何精度不變,但影像數據量減少1/2,以方便快速打開影像,實施漫游測圖[5]。

資源三號衛星影像為同軌成像模式,為恢復立體模型,一般需對影像及RPC參數作90°旋轉。可利用自主開發軟件實施影像及RPC參數旋轉,當RPC參數與影像完全匹配時,可進行立體測圖。

4.2 自由網空三加密

衛星影像RPC參數是對衛星影像的粗略定位,若定位精度不高,必須利用空三加密、模型連接、像控點控制,區域網平差等方法提高定位精度,從而達到對RPC參數重新糾正的目的[6]。

針對四川某鐵路項目,購買了3景資源三號衛星影像,開展衛星影像區域網空三加密及制圖研究工作,首先利用ERDAS的IMAGINE Photogrammetry軟件對資源三號衛星影像作空三處理,衛星模型選擇ZY-3 RPC,設置測圖坐標系、中央子午線及投影方式。

然后,加載衛星影像,選擇與影像匹配的RPC地理定位數據,通過Compute Pyramids and Statistics模塊批量建立金字塔影像,并設置匹配策略,匹配點個數設置為整幅影像點的1/10,立體像對自動匹配連接點,匹配完成后,剔除大于1個像素的粗差點,并補充適當人工點,調整上下視差,使其符合限差要求。調整后,像點殘差精度報告見表1。

表1 像點坐標精度報告 像素

由表1可知,在全自動匹配情況下,影像匹配中誤差為0.4個像素,最大誤差為0.7個像素,匹配效果較好。證明前、后兩視角影像姿態都較穩定,可以用于后續測圖工作。利用Geometric Calibration下的 RPC Generation模塊糾正RPC參數,輸出準確的RPC參數,從而完成自由網平差[7]。

基于RPC參數進行自由網平差解算,平面坐標為地理坐標系,格式為經緯度,測圖時需對該坐標進行投影轉換[8];其高程為大地高,需通過EGM2008高程模型對測區作高程異常改正,將高程納入到正常高系統,從而提高無控測圖精度[9]。

5 數字正射影像制作

通過自由網平差后,資源三號衛星影像可以制作成數字正射影像刺點及調繪片,數字正射影像附有坐標,以外業導航尋路,從而提高作業效率。另外,用于刺點及調繪的數字正射影像精度要求不高,可以下載SRTM 1-ARC Second 30m格網間距的DEM數據作高程糾正,平面基于有理函數模型糾正,即利用RPC參數文件進行平面定位[10]。

5.1 全色數字正射影像制作

資源三號衛星影像全色中視片空間分辨率為2.1m,分辨率優于前、后視,正射影像制作優先選擇該視角影像進行。為提高運行速度,實現多線程多任務,可運用Batch工具實現多景影像批處理(可同時運行4個任務)。

5.2 多光譜和全色影像的融合處理

基于糾正好的全色正射影像對多光譜影像進行自動配準,自動配準過程中,自動匹配同名點,計算誤差并剔除粗差點,對多光譜影像進行正射重采樣,使用的模塊為IMAGINE Photogrammetry下的AutoSync工具。

5.3 影像鑲嵌

勻光勻色有兩個目的:①使整個測區內色彩基本一致;②使每張影像內部色調一致。具體操作時,應選擇色調具有代表性的清晰影像作為基準影像,對測區所有影像進行勻色處理,從而達到整個測區影像色彩一致,并利用軟件作輻射校正和去除影像中的輕霧,對自動效果不滿意的區域,可進行局部人工調整。

多張正射影像制作完成后,通過mosaic模塊完成影像鑲嵌,設置自動選擇拼接線,以及拼接線的羽化寬度,保證拼接處影像灰度平滑過渡自然。鑲嵌完成后,對正射影像進行分幅裁剪,輸出GeoTiff影像,再利用具有坐標格式的影像開展數字刺點和調繪工作[11]。

6 少量控制點區域網空三加密

利用前期完成的自由網平差工程,3景影像中平均每景影像各量測了5個平高控制點(四角分別布設了1個控制點,像對中間布設1個控制點),旁向區域的4個控制點共用,同時增加了旁向連接,以保證像對之間的接邊精度。最后對整個工程進行了平差解算,完成衛星影像區域網空三加密工作[12],像控點坐標殘差見表2。

表2 像控點坐標殘差 m

續表2

由表2可知,像控點殘差平面和高程誤差都優于2m,滿足TB10050—2010《鐵路工程攝影測量規范》關于1∶10000空三加密精度要求[13]。

通過空三解算結果校正RPC參數。在全數字攝影測量工作站中,通過加載處理后的衛星影像、經空三平差校正完成的RPC參數建立核線影像,恢復立體模型,并設置中央子午線及投影面大地高,最后將模型坐標系歸化到控制點測圖坐標系中。定向完成后,將外業檢查點導入矢量測圖中進行精度統計[14]。一共檢查了20個外業檢查點,其統計報告見表3。

表3 模型量測外業檢查點誤差統計 m

由表3可知,利用資源三號衛星影像進行測圖,其平面誤差優于2.5m,高程誤差優于2m,平面和高程誤差基本滿足《鐵路工程攝影測量規范》中高山地1∶10000地形圖精度要求[15]。

7 結論

資源三號衛星存檔數據較多,且影像姿態較穩定,但分辨率一般。利用自由網平差及SRTM130m格網間距的DEM數據,可快速完成數字正射影像圖的制作,其帶有坐標的數字影像,可與谷歌影像聯動,使導航定位更加準確,從而提高了刺點和調繪的作業效率。大面積衛星數字正射影像有利于地勘專業進行室內地質判釋,同時為線路專業大范圍選線設計提供了有力的數據保障。

通過在每景影像布設5個控制點(四角各布設1個,中間再布設1個點)的技術方案,完成了1∶10000地形圖制作,并利用外業檢查點進行精度檢查,研究表明,其結果基本滿足《鐵路工程攝影測量規范》中高山地1∶10000地形圖精度要求。