卫星数据处理方法及其在矿山监测工作中的应用

何中海，赵炜，熊丽媛，钟红梅



卫星数据处理方法及其在矿山监测工作中的应用

何中海，赵炜，熊丽媛，钟红梅

（四川省核工业地质调查院，成都 610061）

本文通过对资源一号02C卫星HR全色与PMS多光谱数据的研究分析，建立了适合02C卫星数据的处理方法与流程。同时分析了资源一号02C卫星数据在矿山调查与监测工作中的应用潜力，提出了数据应用中存在的问题。

02C卫星；数据处理；矿山监测；应用

2011年12月22日，我国成功将“资源一号”02C卫星送入太空。02C卫星是根据国土资源主体业务需求定制的第一颗国产高分辨率业务卫星，填补了国内高分辨率遥感数据空白[1]。中国地质调查局航空物探遥感中心在2012年8月组织开展了相关的数据应用培训和推广会议，并与三十多家地勘单位、科研院所和有关高校签订了02C数据应用协议。

1 02C卫星影像质量评价

02C卫星PMS数据共有4个波段，其中全色波段空间分辨率为5m，其余三个波段（绿、红及近红外波段）均为10m分辨率；此外，还有2.36m分辨率的HR数据，光谱范围是0.51~0.8 µm[1]。

1.1 信息量和清晰度

目视效果上，PMS数据分辨率、影像纹理清晰度偏低，纹理边缘模糊，02C卫星的HR数据分辨率较高，影像清晰度较好，建筑物、城市街道、桥梁等地物清晰可见，地物层次、纹理信息较丰富。

1.2 数据动态范围

02C卫星HR全色波段数据的灰度范围比较差，其有效灰度响应范围多在75～152间，其灰度动态度为30.1％；PMS数据的光谱响应动态灰度范围同样较窄，并且分布于灰度值较低区域，波段间相关性较高，其有效灰度响应范围多在60～123间，其灰阶动态度仅为24.7％。无论是HR数据还是PMS数据都需要通过信息增强的手段来进行动态范围的提升，以提升图像的信息层次，这在后期的信息增强中需要进行相应处理。

1.3 条纹噪声水平分析

02C卫星数据PMS相机拍摄的全色图像和多光谱图像质量明显高于HR相机拍摄的图像。其中，HR数据主要地类特征较明显，但由于成像扫描痕迹噪声和大气噪声的影响，数据局部存在条纹噪声（图1）。02C卫星HR数据的条纹噪声程度在各波段中没有规律，可通过滤波的手段进行条纹噪声的去除，但是会对图像的细节造成损失。鉴于其在与多光谱融合后噪声对整幅图像质量的影响不大，可不作处理。

1.4 多光谱数据成像同步性分析

未作任何处理的MS数据绿、红、近红外波段之间不存在偏差，合成图像不会出现重影现象。但是P波段5m全色图像、HR高分辨率图像与MS多光谱数据间的成像同步性较差，会出现影像之间的错位，特别是在山区地带最为明显。

1.5 数据几何畸变分析

将02C卫星数据与多种较为成熟的高分辨率卫星数据（IKONOS、QuickBird等）进行比较发现，02C数据基本不存在几何畸变，只有在冰雪覆盖的高反射率的区域，存在较为明显的地物畸变以及过饱和或局部数据缺失等现象（图2）。

1.6 HR双相机拼接数据质量分析

HR拼接数据是由两台相机数据（HR1和HR2）拼接而成的，对HR拼接数据接边处两侧影像一致性、地物错位情况进行了目视检查，数据基本无地物变形及错位情况。

2 02C数据处理方法

目前，主流的遥感处理软件（ENVI、ERDAS、PCI等）没有专门针对02C卫星数据的处理模块，需要根据国产卫星数据的特点进行相应处理和流程的研究。根据长时间的数据处理经验以及一系列的对比研究，对02C卫星数据处理流程中的主要步骤总结如下：

2.1 影像正射校正

由于HR、PMS数据之间的同步性较差，特别是高落差的山区地形对它们之间的匹配程度影响较大，为此，在HR和PMS各波段匹配之前，需要对02C卫星数据进行正射校正。由于02C卫星数据带有PRC参数，可采用RPC有理多项式方法来进行校正。当无控制点时直接利用RPC文件进行正射校正，当有控制点信息时，采用PRC文件结合控制点信息进行精确的正射校正。

2.2 影像匹配

检查正射校正后的HR和PMS影像数据之间的匹配程度，当它们之间的错位小于一个象元时不需要进行影像波段之间的匹配工作。但大多数情况下都需要进行影像匹配。影像之间的匹配主要有两个阶段。首先是PMS波段中红、绿、近红外MS波段与全色P波段之间的匹配，其次是HR波段与PMS波段之间的匹配。匹配的方法主要利用自动配准技术，遵循利用高分辨率图像作为基准图像校正低分辨图像的原则。由于数据间匹配程度较差的地区多在山区，而且错位扭曲的方式不规律，并不呈现简单的线性关系，在匹配模型的选择上采用小样条函数或者线性橡皮拉伸效果较好，匹配点的个数根据匹配误差来进行确定。而在匹配波段的选择上，选用HR数据与红、绿波段进行匹配效果较好。

2.3 影像融合

为了结合高空间分辨率和高光谱分辨率的优势，需要进行融合处理工作。02C数据具有5m的P全色和2.36米的HR全色数据，可以生成两种分辨率的融合结果。其中，为了更多的保留数据的信息与细节，在进行融合之前，HR数据和PMS数据都不进行色彩调整工作，融合方法采用高分辨率数据融合中具有高保真效果的Pansharping或者Gram-Schmidt方法[2]，以更好地保留和平衡光谱信息和空间信息。

2.4 波段组合以及信息增强

由于02C数据缺少Blue（蓝色）波段，因此直接进行波段组合的效果不利于目视解译。为了模拟真彩色图像，采用红、近红外和绿波段的平均值来替代蓝色波段进行波段组合效果较好，所表现的地物的差异最大，包含的信息量最丰富，而且模拟真彩色的效果和地物色彩非常接近，便于地类解译。

波段组合后生成的图像受到02C数据显示动态范围较窄的影响，图像效果不理想，信息细节不明显，需要进行相应的信息增强处理工作。主要是进行色彩增强，拉大不同地类之间的色彩反差，同时突出纹理细节和加强纹理能量，消除蒙雾和提高亮度，以有利于地类图斑的目视解译。

3 02C卫星数据在矿山监测中的应用潜力

SPOT-5数据在国内近些年的矿山调查和监测工作中的应用广泛。02C的HR融合影像采样间隔为2.5m，与融合后的SPOT 数据采样间隔相同。本文通过对比二者的几何精度、矿山监测解译方面的能力等方面来分析02C卫星在矿山监测工作中的应用潜力。

3.1 几何精度对比

本文采用1C级02C卫星HR融合数据与1级SPOT-5融合数据分别选取均匀分布的20个控制点进行纠正。02C卫星HR融合数据采用二次有理函数模型进行纠正，SPOT-5数据采用严格轨道模型进行纠正，高程数据均采用1:5万地形图生成的DEM。在纠正结果上选取了8个同名地物点进行精度检查，以纠正控制资料为理论值进行对比分析整景影像的中误差，作为影像的校正精度。统计结果见表1。可以看出，SPOT-5数据采用25个控制点平均较差为1.88m，02C卫星HR数据采用25个控制点平均较差为2.99m，O2C数据的几何精度较SPOT-5稍差。

表1 02C数据与SPOT-5数据纠正精度统计

3.2 解译能力对比

3.2.1 融合效果对比

就试验的融合影像而言，02C的HR融合数据各地类之间层次感较强，纹理细节比SPOT5数据清晰，但02C的HR融合影像色彩偏暗，而SPOT5数据色彩偏绿，结果见表2。

表2 02C卫星与SPOT-5数据主要解译要素融合效果对比

3.2.2 解译精度对比

将评价区域内矿山监测数据库中成果图斑作为评定基准，分别与重叠区域的02C的HR融合数据及 SPOT-5融合数据的矿山监测解译结果进行对比分析，根据主要解译类别统计的图斑数，随机从每类图斑中抽取50块进行评价，统计结果见表3。从表3中可以看出，02C的HR融合数据的解译精度在开采点和矿山建筑的解译上要优于SPOT-5融合数据，而在开采面和中转场地的解译上较SPOT-5融合数据弱。

表3 02C卫星HR融合数据以及SPOT-5融合数据的解译精度统计表

3.2.3 面积精度对比

在矿山监测的矿山开发占地成果图斑中分别从两种数据上随机抽取5块同名图斑，以数据库中对应图斑面积作为基准进行精度评价，结果列于表4。由表4看出，HR融合数据平均差异度在面积真值较小和较大的情况下相对SPOT-5融合数据小，而在中间区域则相对变大。

表4 02C卫星HR融合数据以及SPOT-5融合数据的面积精度统计表

4 结论和讨论

通过目视判读与定量评价相结合的方法对资源一号02C星HR数据和PMS多光谱数据的信息量和清晰度、数据动态范围、条纹噪声水平、多光谱数据成像同步性、数据处理、数据对比分析等几个方面进行分析与评价得到如下结论：

1）02C 卫星数据影像清晰，纹理信息较丰富，数据质量能够满足专题制图的需求；

2）02C星数据波段间同步性较差，配准等工作成倍加大了业务应用中的数据处理的工作量，数据处理成本增加，在一定程度上阻碍了02C星数据的区域性产业应用。

3）02C星多光谱数据的全色波段与其它几个波段之间的偏移量在景间分布情况无规律，通过波段间配准可将匹配误差降低到1个像元以内。

4）02C星数据全色与多光谱的融合采用高保真的GS或者Pansharp方法，蓝色波段采用红、绿、近红外三个波段的平均值替代效果较好。

5）通过 HR融合数据与SPOT-5融合数据对比分析后，可以看出02C的HR融合数据与SPOT-5数据各有优缺点，其能够满足矿山监测1∶5万工作区的调查要求。

02C卫星数据作为国内第一颗高分辨率民用卫星数据，在我国国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、国家重大工程等领域发挥了重大作用，但是其仍然存在一些需要进一步解决的问题。首先就是需要进一步提高纠正02C 数据的全色波段和多光谱波段间偏差的效率；其次是受波段设置以及光谱波段分布范围的限制，在地质信息解译与矿化蚀变信息提取方面能力相对较弱，需要在后续应用中加大数据的针对性处理与信息提取的力度，才能在一定程度上克服波段设置造成的不足[3]；最后，需要形成一套完整、科学的卫星遥感数据质量评价指标体[4]。

[1] 资源一号02C卫星数据服务网.产品简介[EB/OL].

[2] 赵珍梅, 马伟, 王润生. 三种高保真遥感影像融合方法效果评价与分析[J].地质与勘查，2010,46（4）:705～707.

[3] 资源一号02C卫星数据服务网.在轨测试结论[EB/OL].

[4] 马熹肇.资源一号“02C”卫星数据在轨测试分析[D]. 吉林：吉林大学,2012：57～58.

The Application of Satellite Data Processing System to the Mine Monitoring

HE Zhong-hai ZHAO Wei XIONG Li-yuan ZHONG Hong-mei

(Sichuan Institute of Uranium Geology, Chengdu 610061)

This paper puts forward a satellite data processing method and procedure suitable for resource satellite 02C and make an approach to the application of data from the satellite 02C to mine monitoring, putting forward some existing problems.

satellite 02C; satellite 02C; mine monitoring; application

P627

A

1006-0995（2015）01-0138-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.033

2014-03-13

何中海（1986—），男，四川西充县人，助理工程师，主要从事遥感图像处理和应用方面的研究