资源三号卫星图像处理关键技术及其在煤田地质勘查中的应用

2016-08-23陈香菱刘俊蓉牛军强

地球 2016年7期

关键词：全色煤田校正

■陈香菱刘俊蓉牛军强

（中煤航测遥感集团有限公司陕西西安710199）

资源三号卫星图像处理关键技术及其在煤田地质勘查中的应用

■陈香菱刘俊蓉牛军强

（中煤航测遥感集团有限公司陕西西安710199）

资源三号卫星是我国第一颗民用高分辨率卫星，在各行业中应用日趋广泛。本文主要介绍其图像处理关键技术，并以西藏自治区那曲地区巴青煤田地质勘查区为例，介绍其在煤田地质勘查中的应用，为煤田地质勘查中的遥感应用提供了一套技术流程和方法。

资源三号卫星高分辨率煤田地质勘查 DEM图像融合

0　引言

资源三号测绘卫星（ZY3）是我国第一颗自主民用高分辨率立体测图卫星。截止2014年底，有效数据中国覆盖范围约1128万km2，有效数据全球覆盖范围达5985万km2。我国长期以来存在的基础地理信息数据源获取的瓶颈问题得到有效缓解[1]。各项应用情况表明，资源三号测绘卫星影像在空间分辨率、定位精度与时效性等方面代表了我国自主民用遥感卫星的领先水平，可以服务于基础测绘、国土、农业、环境、减灾、地质勘查、规划等各行业影像的数据需求，具有广阔的应用前景。

本文以西藏自治区那曲地区巴青煤田地质勘查区为例，介绍资源三号卫星图像在煤田地质勘查中的应用，为煤田地质勘查提供更便捷的技术手段。如何能将图像更好的应用于煤田地质勘查，主要取决于其图像处理关键技术及应用方法。

1　资源三号卫星数据特征

1.1卫星简介

资源三号卫星是太阳同步卫星，可对地球南北纬84度以内地区实现无缝影像覆盖，回归周期为59天，重访周期为5天，设计工作寿命为5年，具有全球卫星数据获取能力。

1.2卫星载荷

卫星配置有1台地面分辨率优于2.1m的正视全色TDI CCD相机，2台地面分辨率优于3.5m的前视、后视全色TDI CCD相机，1台地面分辨率优于5.8m的正视多光谱相机。

1.3数据特点

（1）立体观测与资源调查两种观测模式

卫星具备立体测绘和资源调查两种观测模式。立体测绘观测模式是指ZY3搭载的前正后视全色相机，推扫成像形成三线阵立体像对；资源调查观测模式是指ZY3搭载的正视全色和多光谱相机，推扫成像形成平面影像。

（2）定位精度高

资源三号影像有控制定位精度优于1个像素。前后视立体像对幅宽52km，基线高度比0.85～0.95，可满足1:50000比例尺立体测图需求；正视影像2.1m,可满足1:25000比例尺地形图更新需求。在无控制点的情况下，平面可达50m，高程高达30m；在加入控制点的情况下，平面和高程精度都可以控制到5m以内[2]。

（3）影像信息量丰富

资源三号卫星提供的影像数据的量化值为10位，增加了影像的信息量，有利于影像的目视判读、自动分类和影像匹配精度提高。

1.4成像几何模型

为便于资源三号测绘卫星的数据处理，卫星中心提供数据的时候，在严密几何模型的基础上构建了资源三号的测绘卫星的RFM模型[3]。模型将地面点大地坐标与其对应的像点坐标用比值多项式关联起来，如式（1）所示，采用最小二乘平差原理解求，从而获得资源三号测绘卫星传感器校正产品的模型参数RPC。RPC描述了物方坐标到像方坐标的变换公式。像方坐标到物方坐标的变换公式可以通过迭代的方式进行求解。

其中，X是像点列方向归一化的坐标，Y是像点行方向归一化的坐标，P是像点所对应的归一化之后的经度，L是像点所对应的归一化之后的纬度，H是像点所对应的归一化之后的大地高。NumL、DenL、NumS、DenS均为三次多项式。

2　图像处理关键技术

资源三号卫星图像处理过程中只有综合考虑校正精度、多光谱与全色融合效果、对地物信息的反映程度等一系列因素，才能够得到理想的图像处理结果。因此，图像处理方法包括三个关键技术——DEM精度、融合方法及色彩增强主要遵循的原则。

2.1图像处理关键技术

（1）DEM精度

数字高程模型，简称DEM，是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM精度主要指DEM分辨率，它是刻画地形精确程度的一个重要指标，同时也是决定其使用范围的一个主要的影响因素。DEM的分辨率是指DEM最小的单元格的长度。因为DEM是离散数据，所以（X、Y）坐标其实都是一个个的小方格，每个小方格标识出其高程。这个小方格的长度就是DEM的分辨率。分辨率数值越小，分辨率就越高，刻画的地形程度就越精确。用DEM对影像进行正射校正，DEM的精度直接影响到所校正影像的精度。

（2）融合方法

图像融合是以图像为主要研究内容的数据融合技术，是把多个不同模式的图像传感器获得的同一场景的多幅图像或同一传感器在不同时刻获得的同一场景的多幅图像合成为一幅图像的过程。经过图像融合，既丰富了图像的地物信息，又提高了图像的分辨率。

目前主要的图像处理软件有ERDAS IMAGINE、ENVI、PCI、PhotoShop等，主要融合方法有Brovey变换、主成分变换、小波变换、HIS变换、Gram-Schimdt光谱锐化等[4-5]。通过笔者大量试验分析、工作总结，认为Gram-Schimdt光谱锐化和主成分变换是适合资源三号卫星图像融合的主要方法，ERDAS IMAGINE是最适合的图像融合软件。

（3）色彩增强主要遵循的原则

通常一个区域需要几景或多景影像才能覆盖，多景影像经常时相不尽一致，色彩也有一定差异，尤其对于冬夏两个季节的影像，色彩差异巨大。因此，色彩增强主要遵循的原则是，在最大限度保留地物真实信息的基础上，将不同时相的影像色彩调至几近一致。

2.2图像处理流程

资源三号卫星图像处理主要分四步来进行：多光谱及全色图像正射校正、多光谱与全色图像融合、融合图像的色彩调整与镶嵌、拼接图像几何校正（图2.1）。以下是对这四部分的操作方法分别进行详述。

（1）正射校正

对于煤田地质勘查来说，一般对遥感图像的精度要求是1: 50000，若可以收集到勘查区优于1:50000的地形图，可以选择用自制DEM对影像进行正射校正，否则对于资源三号卫星图像，采用全国30m DEM进行正射校正，可满足对1:50000煤田地质勘查的精度要求。本次所用数据为全国30m DEM，采用ENVI软件对多光谱和全色分别进行正射校正。

（2）图像融合

用ERDAS IMAGINE软件，采用Gram-Schimdt光谱锐化或主成分变换方法将多光谱和全色进行融合，既能使融合图像得到更真实的色彩信息，又能具有更好的清晰度。因此本次亦采用该方法对图像进行融合。

（3）图像色彩调整与镶嵌

图像镶嵌是指将多景图像通过软件处理，无缝拼接在一起。PhotoShop软件二次开发的程序中可以识别图像的坐标信息，因此可以将勘查区所涉及的4景ZY3图像导入PhotoShop同一文件中，即可实现4景图像的无错位拼接，再对4景图像按照色彩增强主要遵循原则进行色彩调整，然后划分镶嵌线，实现图像的无色差、无缝拼接。最后对拼接后图像做交互式拉伸、直方图匹配等二次色彩增强处理，使其能最大化的反映所研究地物信息。

（4）图像几何校正