资源三号卫星在区域地质灾害应急监测中的应用——以山西省为例

于　颂，陈　峰，张　锦

(1. 山西省遥感中心，山西 太原 030001； 2. 太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)



资源三号卫星在区域地质灾害应急监测中的应用
——以山西省为例

于颂1，陈峰1，张锦2

(1. 山西省遥感中心，山西 太原 030001； 2. 太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

Applied Research of ZY-3 Satellite in Regional Geological Disaster Emergency Monitoring——Taking Province Shanxi as an example

YU Song，CHEN Feng，ZHANG Jin

摘要：遥感技术已成为当前应对突发地质灾害应急监测的一种重要技术手段。本文将资源三号卫星遥感影像应用于区域地质灾害应急监测中，研究了资源三号卫星区域RPC参数的修正方法，并联合DEM和控制点建立了区域影像快速正射纠正的方法流程；利用长治地区的资源三号卫星影像进行了正射纠正试验与分析，总体满足区域地质灾害应急监测对遥感影像的精度要求。利用该方法制作完成的地质灾害区域遥感影像已应用于山西省突发地质灾害遥感监测指挥系统项目中并取得了较好的应用效果。

关键词：地质灾害；资源三号；RPC参数修正；正射纠正

资源三号卫星是我国一颗重要的高分辨率测绘卫星，能满足1∶50 000测图的精度要求[1-2]，已广泛应用于测绘立体测图、大比例尺基础地理信息产品的生产和更新、国土资源调查等领域，是非常重要的影像数据资源。如何将资源三号卫星影像应用于区域地质灾害应急监测并对突发地质灾害进行遥感动态监测，已成为当前亟待解决的重要课题。本文以山西省为例，将详细阐述资源三号卫星在区域地质灾害应急监测中的具体应用。

一、区域地质灾害应急监测

山西省区域地质灾害应急监测将综合运用航空航天遥感、卫星通信、GIS等高新技术手段，通过卫星遥感技术快速获取地质灾害区域本底遥感影像数据，并结合无人机遥感技术快速获取现场实时遥感动态监测数据，建立数据处理、远程传输和服务一体化的应急监测技术体系(如图1所示)，为全省突发地质灾害的遥感监测和应急救灾辅助决策提供机动灵活、快速响应的应急测绘保障。

目前山西全省范围内约有2500 km2的重点地质灾害点，地质灾害种类繁多且分布范围较广，大部分区域的基础地理信息数据普遍存在现势性较差、比例尺较小、数据不完整等问题。一旦发生地质灾害，受灾地区的交通、通信随时都有可能中断，将直接影响到抢险救灾的速度与效率。而卫星遥感技术是全面掌握灾害现场及周边地区信息最快、最有效的途径。本文将资源三号卫星遥感影像数据应用于区域地质灾害应急监测中，研究建立地质灾害现场区域正射遥感影像快速制作方法流程，为第一时间快速寻找有利的营救生命线、打通外界与受灾区域的救灾通道提供影像支撑。

图1　区域地质灾害应急监测技术体系

二、资源三号卫星区域影像快速正射纠正

1. 区域RPC模型参数修正

RPC模型的实质是有理函数模型(rational function model,RFM)，RPC模型将地面点大地坐标D(纬度φ、经度λ和高程h)与其对应的像点坐标d(L,S)用比值多项式关联起来，并将地面坐标和像点坐标正则化到-1～1之间，增强了参数求解的稳定性，比值多项式的定义详见文献[3—5]。

资源三号卫星区域影像的RPC模型参数[6]的修正可采用两种方式：一种方式是利用文献[7]的方法直接计算RPC模型参数，该方法需要建立空间格网并计算大量的控制点来求解RPC模型中的80个系数，且参数间可能存在相关性，求解比较困难[7]；本文采用另外一种方式：通过区域影像4个角的坐标信息来计算影像的正则变换参数，而无需重新计算RPC模型的80个系数，该方法仅利用4个角的控制点计算8个正则变换参数即可取得较高的精度[8]。区域RPC模型参数的修正方法如下：

1) 通过RPC模型正反算获取区域影像4个角的像点坐标和地面经纬度坐标。

2) 重新计算区域影像范围内的8个正则变换参数：地面坐标的正则平移参数和像点坐标正则比例参数。计算过程详见参考文献[9—10]，这里n=4。

3) 将RPC文件中对应的参数替换为经上述方法计算得到的8个正则变换参数，与RPC模型的4个多项式的80个系数共同保存为新的RPC文件。

2. 快速正射纠正

利用本文方法计算得到的RPC文件并采用“RPC模型+控制点+DEM”的模式对资源三号卫星区域影像进行正射纠正。采用相同的纠正模型及对应的DEM数据先对区域全色影像进行正射纠正，以全色影像纠正结果为控制基础，对区域多光谱影像通过同名点匹配进行纠正。整个正射纠正方法流程如图2所示。

图2　正射纠正流程

三、试验分析及应用

1. 试验数据

(1) 资源三号数据

覆盖长治地区的某一景资源三号遥感卫星原始影像，大部分为山区、丘陵，接收时间和生产时间均为2014年5月26日，数据经辐射校正和传感器校正处理，未作系统几何纠正处理的LEVEL1A级产品，附带RPC文件。原始影像大小为24 530×24 468，目标影像大小为11 138×7505，其位置关系如图3所示。

图3　原始影像与目标影像范围及位置关系

(2) DOM数据

目标区域范围DOM数据为彩色航片，分辨率为0.5 m，img格式，坐标系为1980西安坐标系，用来作为水平参考影像。

(3) DEM数据

目标区域范围山西省高精度数字高程模型的地面采样间距为3 m，img格式，坐标系为1980西安坐标系，用来作为水平参考影像。

2. 区域RPC参数修正

利用原始数据附带的RPC文件，根据上文所述方法计算获得目标区域影像RPC文件，如图4所示。利用这两个RPC分别对全景影像和目标区域影像进行无控制点校正试验，校正后将目标区域影像反拉伸灰度值，并与校正后整幅影像进行叠加分析，结果两幅影像相同区域位置高度套合，表明利用该方法计算的区域影像RPC参数有效，可以用于正射纠正。

图4　RPC参数

3. 正射纠正处理

采用ERDAS LPS模块对影像进行快速和精确的正射校正，将区域影像与参考影像校正至相同坐标系统下。主要处理过程如下:

1) 定义椭球：在ERDAS软件安装目录下的spheroid.tab文件中将1980西安坐标系采用的IAG 75椭球体参数添加并保存，然后利用该软件的自定义坐标系功能，创建1980西安坐标系。

2) 传感器模型选择：ERDAS软件自带的传感器模型中没有资源三号的模型，这里选择IKONOS模型来替代，在RPC模型基础上选择二次多项式模型来辅助提高纠正的精度。

3) 控制点采集与布控：在RPC模型基础上，结合水平和垂直参考数据，选择少量控制点即可满足精度，而二次多项式求解至少需要6个控制点，因此这里选取均匀分布的固定不变的同名地物GCP点9个，主要为地面道路交叉点、水库堤坝、盐田通道、库塘边堤等明显地物特征，误差控制在0.5个像元以内。

4) 利用上述方法步骤将全色影像进行正射纠正，以纠正好的全色影像为匹配对象对多光谱影像进行配准纠正，纠正模型及DEM数据的选取与对应的全色影像一致，控制点采集的位置分布均匀，且一般不少于15个，其残差中误差在0.5个像素以内，最后都采用双线性插值法进行重采样。

5) 采用Pan sharpening方法进行影像融合。

4. 试验结果分析

在影像上均匀选取12个均匀分布的检查点进行精度评定分析，在不同方向的平均点位中误差见表1。

表1　检查点残差与精度评价结果　像素

从表1中可以看出，检查点的(X,Y)和平面最大残差都在0.5个像素以内；(X,Y)和平面中误差都在0.3个像素以内，总体满足区域地质灾害应急监测对遥感影像的精度要求。

5. 地质灾害应急监测应用

当区域地质灾害突发时，如何快速获取该区域的影像并进行正射处理，为应急监测工作提供现场灾情信息将成为首要任务。本文的方法为突发地质灾害区域正射影像的制作提供了一种快速有效的方法途径，研究的成果已在山西省突发地质灾害遥感监测指挥系统项目中得到实际应用，经过正射处理的资源三号卫星区域影像已成为该系统的多源遥感影像数据之一，同时也是全省重点地质灾害点区域的主要基础影像数据源，能在第一时间为系统提供突发地质灾害的区域影像，叠加各类地质灾害数据，实现地质灾害信息的叠加分析(如图5所示)、GPS轨迹显示(如图6所示)、三维可视化分析(如图7所示)等，为区域地质灾害应急监测工作提供了影像数据支撑。

图5　遥感影像与地质灾害信息叠加分析

图6　GPS轨迹显示

图7　三维可视化分析

四、结束语

本文首先介绍了区域地质灾害应急监测的技术体系，将资源三号卫星应用于全省地质灾害遥感监测工作中，研究了资源三号区域影像RPC模型参数的修正方法，建立了区域地质灾害正射影像的快速生产技术方法流程。研究成果已成功应用于山西省突发地质灾害遥感监测指挥系统项目的建设中，不仅丰富了该系统的多源影像数据库，而且为重点地质灾害区域的遥感动态监测和分析提供了影像数据支撑，已经在多次区域地质灾害应急监测演练和实战中发挥了重要作用，取得了较好的应用效果。

参考文献：

[1]唐新明,张过,祝小勇,等.资源三号测绘卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证[J].测绘学报,2012,41(2): 191-198.

[2]白穆,张勤,吴晓春.资源三号影像质量及测图应用评价[J].测绘通报,2014(12):82-85．

[3]GRODECKI J,DIAL G. IKONOS Geometric Accuracy of IKONOS: Zoom in[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004,42(1):209-214．

[4]CHEN C,DEREN L,ZHU Q.Practical Research of IKONOS-2 Geopositioning and Its Accuracy in Tibet of China[J].Geo-Spatial Information Science,2005,1(1):33-38.

[5]张过. 缺少控制点的高分辨率卫星遥感影像几何纠正[D].武汉:武汉大学, 2005.

[6]潘红播,张过,唐新明,等.资源三号测绘卫星传感器校正产品几何模型[J].测绘学报,2013,42(4)：516-522.

[7]张过,李德仁. 卫星遥感影像RPC参数求解算法研究[J].中国图形图象学报,2007,12(12)：2080-2088.

[8]HU Y,TAO C.Updating Solutions of the Rational Function Model Using Additional Control Information[J].Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2002, 68(7): 715-724.

[9]XIONG Z,ZHANG Y. Bundle Adjustment with Rational Polynomial Camera Models Based on Generic Method. [J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(1):190-202.

[10]陈峰,张锦,曾波.基于图像代数的资源三号卫星居民地要素变化检测方法及其有效性评价[J].测绘通报,2015(5):38-41.

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)04-0068-04

作者简介：于颂(1974—)，男，硕士，高级工程师，主要从事遥感与地理信息系统方面的工作。E-mail：yusong8@sina.com

基金项目：山西省测绘地理信息科技项目(2013K-5)；“山西省突发地质灾害遥感监测指挥系统”项目

收稿日期：2015-03-06

引文格式： 于颂，陈峰，张锦. 资源三号卫星在区域地质灾害应急监测中的应用——以山西省为例[J].测绘通报，2016(4)：68-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0123.