北京三號衛星遙感數據處理與應用

陳婷 嚴明 于冰洋 伍菲 徐文迪 邢銳雅 何建軍

(二十一世紀空間技術應用股份有限公司,北京 100096)

北京系列遙感衛星目前發展至第三代。北京一號遙感小衛星是中國科技體制和研發機制創新的重大科技成果[1],也是首個由國家“十五”科技攻關和“863”計劃聯合支持按企業機制實施的遙感小衛星項目,成功探索了中國由政府支持、企業運行、商業服務的民用航天產業化發展的全新機制,為遙感衛星商業化運作探索出了一條成熟的運作模式。北京一號衛星具有中高分辨率雙遙感器、高精度、寬覆蓋、短重訪周期、靈活控制、高效數據服務等特點,其性價比達到當時國際同類最優。北京二號衛星星座包括4顆0.8m全色、3.2m多光譜分辨率的光學遙感衛星,具有高空間分辨率、高時間分辨率和高輻射分辨率的特點,能夠實現全球任意地點1～2天觀測任務重訪,技術能力達到當時國際先進水平。北京二號衛星星座的高質量產品為自然資源部、生態環境部等10個國家部委用戶提供了可持續運行、安全穩定、產品可靠的民用空間基礎設施數據服務,推動了我國航天領域體制機制的創新[2]。

北京三號衛星目前在軌4顆,包括北京三號A/B衛星,以及2顆國際合作衛星。2021年6月11日成功發射的北京三號A衛星,作為國內領先的民用遙感衛星新一代敏捷平臺——三超(超敏捷、超穩定、超精度)平臺的首發星,具備超高敏捷、超高穩定、超高精度、智能規劃、智能處理、智能控制等特點;2022年8月24日成功發射的北京三號B衛星,延續并提升了北京三號A衛星的技術特點和優勢。北京三號A/B衛星以及國際合作衛星都具備多目標成像、條帶拼幅成像、立體成像和沿跡成像等多種成像模式,在對地觀測和遙感應用方面取得了突破性的科研成果[3]。本文重點介紹了北京三號衛星遙感數據處理與應用。

1 衛星遙感數據處理

北京三號衛星采用自主研發的星載智能觀測技術,具有衛星自適應成像、數據處理、數據質量評價、影像智能分析等在軌處理能力。針對衛星的多種成像模式,研發系列關鍵技術和算法,保證機動中成像影像的幾何和輻射質量,研建地面處理系統,完成了數據產品的自動化生產;構建基于北京三號衛星立體成像數據的實景三維產品生產能力,實現Mesh模型、建筑物白模、建筑物精細模型等產品的快速生產。

1.1 在軌處理

在遙感技術與應用的雙重驅動下,遙感衛星技術得到了飛速發展[4],尤其隨著我國硬件設備研制技術的發展,星上在軌處理技術發展迅速[5-6]。在軌處理成為解決遙感衛星獲取數據質量低、存儲傳輸壓力大、服務慢的問題的主要解決途徑之一。利用北京三號衛星敏捷成像、智能規劃、高速傳輸的平臺優勢,基于FPGA和數字信號處理器(DSP)硬件設備,研發星上智能觀測與處理系統,包括衛星自適應成像與參數更新、在軌數據處理、數據質量評價、影像智能分析等功能,滿足了用戶對影像數據質量提升、高效獲取數據的應用需求。

1.1.1 衛星自適應成像與參數更新

衛星成像過程中,相機成像質量受地物目標及環境特性、成像時間影響大。北京三號衛星根據觀測目標、目標所在的環境特性,利用多年積累的全球衛星成像信息和地理信息,經過反演預測和模型計算,構建星上成像信息庫。衛星成像時,通過星上成像信息庫提取成像參數,提高成像質量。

為提高星上成像信息庫的有效性,根據每期成像的質量評價結果及地物分布變化,構建星上成像信息更新模型,裝載至在軌處理系統。地面針對星上成像信息庫更新,分別采用點更新與面更新的模式,通過尺度轉化、地物智能分類、影像質量標準差、平均梯度、清晰度、信息熵指標評價,形成多尺度多要素更新轉化模型,發現更新信息。將待更新信息通過高速上行通道交付在軌處理系統,通過星上成像信息更新模型更新成像信息庫,保障成像信息的時效性(見圖1),同時提高影像質量。

1.1.2 在軌遙感影像處理

北京三號衛星高分辨成像性能、高敏捷成像平臺為用戶提供了可滿足多種需求的數據。用戶對應急、緊急性任務、特定性目標區域的數據需求增大,若仍沿用傳統方式,完全由地面處理完成,勢必造成數據傳輸、處理壓力;因此,北京三號衛星利用衛星空轉和非接收窗口期,在星上完成感興趣區域的快速提取,以及快速的輻射校正、幾何校正、數據質量評價等功能,形成滿足特定目標區域要求的產品,可滿足用戶對時效性、產品性的需求。

北京三號衛星相機由多片線陣組成,具有圖像處理單元,基于FPGA和DSP嵌入式硬件,結合數據和平臺特點,設計有感興趣區域跨片處理(見圖2)、多尺度感興趣區快速提取與處理、影像質量評價等功能,實現對影像的跨片去條帶、輻射校正處理,對用戶感興趣地理范圍解析,支持多種尺寸感興趣區的影像提取,并進行幾何校正處理。

圖2 感興趣區跨片處理效果對比

星上數據處理的性能和能力受衛星平臺處理性能、存儲資源和時間約束的影響最大,以往對感興趣區的影像提取尺寸是固定的,這嚴重影響了不同地物目標規模數據產品的高效獲取。為了解決這一問題,根據目標大小和星上資源預估,在軌處理系統采用多尺度感興趣影像處理算法,可實現5000～8000像素長、寬影像的快速提取、輻射、幾何校正處理(見圖3),形成接近地面L1級產品標準的數據。

圖3 7000×7000像素影像輻射幾何校正處理結果

對地觀測衛星成像受大氣條件、相機條件等影響,可能造成數據質量降低,且隨著成像數據量增大,帶來數據傳輸壓力大問題。因此,北京三號衛星設計有星上數據質量評價功能(見圖4和表1),通過構建客觀評價影像質量的指標體系,并將主觀評價客觀化,形成影像質量評價體系,實現星上影像的快速質量評價與評級,通過高速下傳通道或遙測通道提交給任務規劃人員,輔助開展數據存儲梳理與下傳任務規劃,便于數據選擇、下傳通道減壓。

表1 星上影像質量評價結果

1.1.3 在軌遙感智能分析

為滿足用戶對最終信息的需求,在北京三號衛星在軌影像處理的基礎上,基于FPGA和DSP高效運行器,采用深度學習、機器學習等算法,重點突破單波段特征提取問題。利用既往海量影像和信息成果,快速構建樣本數據庫,構建面向嵌入式設備的算法模型,并將模型移植星上,實現在軌影像智能分析,獲取地物目標的圖像、位置和范圍,將結果通過高速下行通道快速交付用戶。其中:目標檢測包括飛機、油罐、風力發電機等;地物分類主要包括植被、水體、建筑、道路、裸露土地和其他六大類(見圖5)。

圖5 星上智能分析地物分類結果示意

1.2 地面預處理

面向北京三號衛星的同軌多目標成像、同軌多條帶拼接成像、同軌多角度立體成像、同軌短時間動態監視成像、對地斜條帶成像、斜條帶拼幅成像、反向推掃成像等多種敏捷和機動中成像模式,研發地面預處理和標準影像產品生產系統,完成0級原始數據解碼與姿態軌道參數分離、影像輻射校正與幾何畸變校正、多波段影像配準、影像復原與清晰度提升、傳感器嚴密幾何建模等處理,自動化批量生產北京三號衛星標準影像產品。圖6為北京三號衛星地面預處理流程。

圖6 地面預處理流程

地面預處理涉及的主要技術如下。

(1)主動成像的行時歸一化技術。衛星主動成像期間,相機實現1.0～1.2倍地速成像,衛星平臺姿態不斷發生變化,結合速高比,行積分時間在主動成像期間變化的頻率和幅度都遠超過被動成像。采用基于虛擬行掃描時間的影像坐標反變換方法,能夠有效解決主動成像行積分時間時變的問題,保證在推掃方向嚴密成像模型的光滑性和有理多項式系數(RPC)擬合的精度。

(2)姿態數據自適應處理技術。根據星上定姿設備和定姿算法的原理,以主動成像和被動成像時星敏感器/陀螺的不同表現為準,設計各模式的姿態數據處理算法,構建自適應應用模式,實現自動化模式匹配生產,保障所有拍攝模式的數據產品具備較高的絕對定位精度,同時圖像內部的相對幾何精度也能滿足用戶需求。

(3)多條帶拼幅成像聯合處理技術。采用多條帶拼幅影像的嚴密成像幾何與區域網平差結合技術,實現區域內每景影像的嚴密幾何定位,同時提升不同條帶景與景之間的高拼接精度。

(4)偏航90°輻射定標技術。偏航90°定標是一種相對輻射在軌替代定標技術,通過偏航90°使焦面方向平行于衛星平臺運動方向以獲取定標影像。北京三號衛星的高機動能力使其具有在多檔位不同成像模式下獲取偏航90°影像的能力。在軌定標期間,已多次成功進行了偏航定標影像的拍攝,完成相對輻射在軌定標。

(5)在軌長期監測技術。通過對星上多個測量設備性能監測,建立對圖像的內外方位元素跟蹤機制,實現衛星設備性能與地面預處理系統的內外方位元素關聯校準技術。同時,定期開展在軌輻射定標和圖像質量監測,監測各探元的穩定性和絕對輻射的長期變化,及時了解衛星的狀態并更新輻射定標系數。

1.3 實景三維產品生產

利用北京三號衛星靈巧機動、重訪周期短的優勢,從多角度拍攝亞米級的高分辨率多視傾斜影像,可高效進行大尺度3維重建。為了實現多視角衛星影像的3維重建精度,在衛星實景三維產品生產中摒棄傳統建模方法,構建具有衛星成像特色和工程化特色的技術方法與流程。

1.3.1 實景三維產品生產流程

衛星實景三維產品生產主要包括數據準備、影像融合、正射糾正、光束法平差、數字表面模型(DSM)生成、Mesh網生成、紋理映射等環節(見圖7),實現步驟如下。

圖7 實景三維產品生產過程

(1)數據準備。按原始影像數據和輔助數據(測區外延一定范圍內符合要求的像控點、參考數字正射影像圖(DOM)/數字高程模型(DEM)數據,以及高程異常模型、矢量邊界等)2類進行相關數據的準備。對原始數據的覆蓋范圍、攝影角度、基高比、圖像質量、太陽高度角,以及輔助數據的覆蓋范圍和精度指標等進行檢查,根據后續多角度衛星數據空中三角測量的技術要求進行數據篩選及標記。

(2)空中三角測量。空中三角測量是多角度衛星實景三維生產的核心關鍵環節,直接決定了點云的匹配成功率和定位精度。以實景三維產品為目標的衛星立體像對空中三角測量,一定要把區域內所有滿足要求的衛星影像都納入空中三角測量平差。

(3)點云匹配。在衛星實景三維產品生產時,點云匹配環節一般要逐像素或隔像素開展。點云匹配結果除與衛星載荷的幾何水平和空中三角網測量流程相關外,圖像的輻射質量也是一個重要因素。對多角度立體成像的衛星影像,點云匹配時要充分利用“多視”這一冗余條件,既可以兩兩組成立體像對進行匹配,匹配后的結果進行加權、驗證;也可以按基高比、側擺角為不同條件結合地形特點進行迭代,得到相對更加接近真值的密集點云。

(4)數字表面模型(DSM)/DEM制備。在密集點云的基礎上使用一定的內插和濾波算法,就可以得到測區的DSM了。DEM的制備需要人工在DOM上識別地物圖斑邊界,進而進行濾波、賦值等。

(5)衛星實景三維建模。衛星實景三維建模是將基于點云形成DSM產品少量編輯后,通過三角面片剖分、紋理映射得到衛星Mesh產品。Mesh產品生成后還應進行多層次細節(LOD)處理,以加快數據調用顯示速度。一個區域的Mesh產品就是一個整體化的實體模型,從人的主觀感受的角度看,Mesh產品直觀易懂;從地形分析、礦山管理、工程規劃角度看,也能滿足主體使用要求。

1.3.2 實景三維產品

實景三維產品主要包括Mesh產品、建筑物白模產品、建筑物精細模型產品等。

Mesh產品是利用衛星高精度立體成像技術生成的能可視化反映地理要素的位置、幾何形態、表面紋理及其屬性信息的包含各種地上主要地理信息的外部、不含地上各建(構)筑物地理信息內部的3維可視化產品。其具有直觀、精度高、可量測、信息豐富、沉浸感強等特點。

建筑物白模產品是無紋理的建筑物單體模型產品。根據產品的精細程度,可以分為LOD1～LOD4共4個級別。基于衛星多角度立體像對,可以實現LOD1～LOD2級,以及部分LOD3級的建筑物白模。建筑物白模產品可根據需求添加各種屬性進行掛接,如人口、層數等,方便進一步查詢使用。

建筑物精細模型產品(見圖8)是將建筑物白模數據作為物方模型,通過后方交會將其映射至衛星的多角度立體像對相關位置,根據算法將衛星影像紋理映射為模型紋理。當然,建筑物標準模型的紋理也可以來自地面移動車輛或人工拍攝圖像,其前提是作為紋理來源的影像具有準確的瞬時位置和瞬時姿態信息,能夠恢復攝影時刻的空間位置與姿態關系。相對于建筑物白模產品,建筑物標準模型產品的紋理一般由真實紋理映射而成,視覺上更貼近于真實世界,對于非專業受眾來說更易于接受。

圖8 LOD2級建筑物精細模型產品

2 衛星應用

隨著對地觀測技術的日益發展,以及自然資源利用保護、生態環境保護、城市建設等行業監管愈加精細化,高分辨率遙感衛星的應用市場越發廣闊,甚至由2維提升至3維立體空間。北京三號衛星的多種成像模式和數據處理技術,尤其是實景三維產品生產技術,為數據需求的多樣化和服務的精細化、高效化提供了支撐。

2.1 數字孿生社區

高精度全要素立體化數據基座,可實現社區數據匯聚融合、共享共用、協同創新,有效提升城市資源數據基礎建設與運行效率;可加快社區數字化應用場景建設,賦能城市綜合治理與應急管控,推動社區治理能力的現代化。

基于北京三號衛星甚高分辨率遙感影像數據,搭建建筑物3維立體模型,構建高精度、立體化的數字孿生城市底座,并將其與人口、房屋、企業、基礎設施等社會數據進行動態關聯(見圖9),實現包括類型統計、人員檢索、多維度空間檢索、分層分戶統計分析等功能,使管理單元由社區、樓宇逐級細化到每個家庭戶或法人單位,為街道、居委會、社區、樓宇等不同層級的管理者提供動態、立體可視化的管理對象運行信息,有效提升社區治理、體檢評估、應急防控等監管和治理的工作水平。

圖9 智慧社區人口管理模塊

2.2 城市精細化管理

基于北京三號衛星實景三維建模手段,可大范圍、全方位快速生成地形表面可量測的實景三維模型和建筑物白模;可按照行政區劃或自定義范圍對分析區域內建筑物數量、總占地面積、總建筑面積、建筑密度、綜合容積率和平均高度等指標進行動態分析(見圖10);支持按建筑物類型可視化展示建筑物空間分布,以及匯總分析建筑物數量、占地面積和建筑面積等指標,輔助業務人員開展宜居性評價和城市規劃評估。同時,還可實現疑似超高建筑的實時分析和快速識別。通過自定義設定限高值對監管區域內超過該值的建筑進行動態分析和實時統計,提供建筑列表和折線圖實現超高建筑屬性信息展示和建筑數量的分區統計(見圖11);參照控制性詳細規劃,對不符合用地條件即超過規定限高值的建筑進行定期監測,為違法違規建筑監管工作提供線索。

圖10 建筑體量分析

圖11 限高分析

2.3 礦區動態監測

基于礦區實景三維Mesh產品,對照采礦權立體范圍,快速識別疑似平面越界和超深越界圖斑,提供按圖斑類型、超采體積及深度等查詢檢索,實現疑似違法開采圖斑的快速篩選定位和信息展示,為露天礦山違法采礦行為的發現和監管提供有力支撐(見圖12)。

圖12 越界分析

通過動態比對露天礦山的多期實景三維Mesh模型,識別和測算監測周期內礦山開挖、回填的主要區域和體量,提供圖斑列表和卷簾比對工具,實現變化圖斑面積、體積的統計展示和礦山開采進度變化情況的比對瀏覽,為礦產資源儲量動用、礦山環境恢復治理提供依據(見圖13)。

圖13 動態監測

2.4 地質災害隱患識別

基于北京三號衛星立體像對生產0.5m的DSM模型產品和1.0m的DEM產品,利用3維影像進行地形模型和地形特征的提取和分析,得到2維影像難以獲得的地形信息,通過地形的突變和表面紋理特征,能提高地質災害隱患判識的效率和準確率。

綜合合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)、光學遙感等新型對地觀測技術和專家判識、現場調查等手段,開展某庫區8萬多平方千米范圍內地質災害綜合遙感識別,獲得疑似地質災害隱患的位置、類型、范圍、規模、形變位置、形變特征、威脅對象和風險程度等信息,確認該區地質災害隱患,為某庫區的防災減災工作提供科學可靠的依據(見圖14)。

3 結束語

北京三號衛星具備多目標成像、條帶拼幅成像、立體成像和沿跡成像等多種成像模式,突破了基于嵌入式設備的在軌智能觀測和影像處理技術、適應多種成像模式的地面預處理技術及多視角衛星實景三維生產技術等,實現了“星地一體、提速提質”的能力建設。

基于甚高分辨率及多種動中成像模式等特點,北京三號衛星可滿足更多定制化需求,包括對特定地形或地物目標(條帶、點狀分布目標)的監測、精細地物的監測與管理等,尤其是高精度立體成像技術生成的實景三維產品,在數字孿生社區與城市精細化管理、礦區動態監測及地質災害隱患識別等領域具有較大的應用優勢,能滿足3維空間信息的相關需求,進一步拓寬遙感衛星的應用領域和范圍,持續提升衛星遙感全系列應用產品和天地一體化綜合應用服務的水平。