“资源一号”02c卫星数据说明及处理

2018-04-25，，

地下水 2018年2期

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(甘肃省地质环境监测院，甘肃兰州 730070)

2011年12月22日，“资源一号”02C卫星在太原卫星发射中心被“长征四号乙”运载火箭成功发射升空。在轨测试数据表明，卫星运行正常，各项技术指标均达到了工程研制总要求，数据精度满足国土资源调查1:2.5万-1:10万监测要求，监测图斑最小面积达到0.2亩，适用于区域资源现状的高分辨率数据监测与研究。融合后的影像改变了国内高分辨率遥感数据空白的现状，可广泛用于土地利用变更调查与动态监测、农林水利、资源开发利用和保护、地质灾害调查与灾情监测、防灾减灾、生态地质环境调查等领域[1]。

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

文县位于甘肃省最南端，处于甘、川两省交界处，是进出甘川之重要门户，北部与武都县接壤，西及西北部与舟曲县和四川省南坪县相连，东南和四川省平武县、南川县毗邻。东西长217 km，南北宽约156 km，总面积4 994 km2。文县地处秦岭褶皱山地南部，境内山高谷深，沟壑纵横，地形起伏强烈，地质构造复杂，断裂发育，岩体破碎，暴雨频繁，地质灾害极为发育，是我省滑坡、泥石流严重发育区之一。

1.2 数据源情况

ZY-1 02C搭载着10 m分辨率P/MS多光谱相机和5米分辨率的全色相机，以及两台分辨率为2.36 m的HR相机，可使影像覆盖幅宽达到54 km[2]。三个相机对同一地区拍摄获得的数据对应三个文件夹[3]：

(1)HRC数据：高分辨率全色遥感影像。*_HRC文件夹中存储两台HR相机获取的全色影像*HR1.tiff和*HR2.tiff，依据其对应的RPC文件*.rpb，可进行正射纠正处理。

(2)MUX数据：低分辨率真彩色影像。*_MUX文件夹内储存P/MS相机获取的多光谱影像数据，*.tiff和RPC文件*.rpb可进行影像正射纠正。文件夹中*.txt文件主要记录了控制点及几何精度的信息，*-mux.xml可用于后期的大气校正处理，记录了如成像时间、太阳高度角等元数据信息。

(3)PAN数据：该文件夹内储存P/MS相机获取的全色影像数据，与MUX数据类似。

“资源一号02c数据服务网”提供了按图幅、行政边界、经纬度范围等方式来查询目标区域02c原始数据的覆盖情况，通常以影像覆盖面积大、拼接图幅少、含云量低为原则，选取为研究区原始影像[4]。如图 1所示，黄色多边形为研究区，蓝色多边形为与研究区相关的卫星影像覆盖情况。

图1 研究区资源一号02c数据覆盖情况

2 卫星数据处理

“资源一号”02C原始数据存在4～5个像元，约10 m左右的偏差，不能直接用于镶嵌拼接，需经过一系列影像处理消除大部分高差引起的影像变形，整个处理流程如图 2所示[5][6]。

图2 影像处理流程图

2.1 正射纠正

通用传感器模型RPC(Rational Polynomial Cofficients)的实质是有理函数纠正模型(Rational Function Model - RFM)，即将像点坐标(r，c)表示为以相应地面点空间坐标(X，Y，Z)为自变量的多项式比值。鉴于技术保密要求，部分高性能卫星传感器的镜头结构、轨道参数和成像方式等信息不能对外公布，而RPC模型通过一系列数学函数建立了地面点坐标和影像坐标之间的转换关系，这些函数的构建无需传感器成像的物理模型信息，具有与传感器无关性[7]，因此能够较好地用于ZY-1 02C全色和真彩色数据的正射纠正，如图 3所示。

2.2 HR影像镶嵌

影像镶嵌是将拓扑邻接的若干幅影像通过空间拼接、匀光匀色、去重叠等操作，处理为一幅整体影像的过程。资源一号02C卫星搭载两台HR相机，空间分辨率为2.36 m，拼接后的幅宽可达到54 km。图 4为两台HR相机拍摄的全色影像数据HR1和HR2，并完成了HR的影像镶嵌。

图3 MUX影像数据正射纠正

图4 两台HR相机拍摄的全色影像镶嵌

2.3 几何配准

几何配准即将不同时段、不同场景和视角、不同成像方式或传感器类型所获取的两幅甚至多幅影像，经平移、缩放、旋转等几何变换后，同名像点在空间方位和位置上重叠的操作。本文以ZY-1 02C全色数据做为基准影像，利用ENVI软件自动生成一定数量的匹配控制点，手动调节后，将误差值控制在2m以下，并利用三次卷积法重采样，完成了全色和多光谱影像的几何配准，如图 5所示。

图5 全色和多光谱影像的几何配准

图6 多光谱与全色影像融合

2.4 影像融合

影像融合是将同一地区通过不同传感器类型、不同成像方式、不同成像时间等获得的两幅影像，按照一定的规则(或算法)进行冗余或互补处理，融合为一幅比任何单一影像波谱信息更丰富，空间、时间特征更精准的影像数据。

本文将资源一号02C的2.36 m全色高分辨率影像和10 m多光谱低分辨率影像数据利用Brovey方法进行融合，彩色图像中的每一个波段都乘以高分辨率数据与彩色波段总和的比值后，输出与高分辨率影像像元大小相同的RGB图像[8]，如图 6所示。

2.5 影像真彩色模拟

真彩色模拟的首要条件是图像具有红、绿、蓝波段[9]。ZY-1 02C卫星数据只有绿色、红色、近红外三个波段，类似于SPOT、IRS-1C等均缺少蓝光波段，不能直接进行真彩色合成显示，通常可通过波段模拟来解决ZY-1 02C图像真彩色合成问题，即利用先验数据来计算获得特定传感器不具有的波段信息。方法大致可分为三类：(1)基于波段相关性的方法，主要有加权法、均值法、不确定参数法等；(2)基于地物波谱的谱模拟方法，主要有基于物理光谱库模型的波段模拟和以影像光谱库为基础的波段模拟方法；(3)基于参考遥感图像的图模拟方法，主要包括线性回归法，光谱坐标转换法、神经网络和支持向量机等非线性回归拟合法。

本文结合已有的针对SPOT 系列数据和彩红外摄影数据的模拟真彩色研究，利用已有的波段计算出蓝光波段，并与红、绿波段进行组合以得到模拟真彩色影像[10]，归纳出五种线性的波段运算模型，分别利用R、G、B三个波段的光谱信息构建蓝色波段，选择最适合于02C 卫星数据的模型得到真彩色图像[11][12]。其中，R、G和NIR分别代表多光谱影像的红、绿、近红外波段，R'、G'和B'代表真彩色图像的红、绿、蓝波段，五种线性波段运算模型如表1所示。

表1 五种线性波段运算模型

从图 7可以看出，采用模型一、二、三、四变换后的图像整体色调与自然色差距较大；采用模型五变换的图像整体色调最接近于自然色。

图7 真彩色模拟后局部图像显示效果

3 结语

ZY-1 02C是我国首颗民用宽覆盖高分辨率遥感影像，也是我国首颗根据国土资源主题业务需求定制的业务卫星[13]。基于波段线性相关性模型进行影像真彩色模拟，可有效地解决ZY-1 02C影像由于缺少蓝色波段而出现的色彩失真问题，能较好地满足用户对高分辨率卫星遥感影像资料的应用需求。同时，使用国产卫星影像相对于WorldView、SPOT等国外影像，成本大大降低。本研究也为后续资源三号、四号系列卫星和其他国产高分卫星影像处理及应用提供了参考和依据。

[1]资源一号02C卫星在轨交付仪式举行[N].http://02c.agrs.cn/layout3/layout3_gzdt_5.html.2012-06-01.

[2]资源一号02C和资源三号卫星地面系统介绍[N].http://www.cresda.com/n16/n1145/n179077/index.html.

[3]资源一号02C卫星数据概况[N].http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01019quk.html.2013-08-02.

[4]马熹肇.资源一号02C卫星数据在轨测试分析[D].吉林大学.2012.5.

[5]邢顾莲.“资源一号”02C遥感数据处理流程初步探索——以云南楚雄彝族自治州南华县为例[N].http://www.docin.com/p-718702689.html.

[6]张茜.资源一号02C卫星数据处理技术与应用评价[D].中国海洋大学.2013.5.

[7]王海峡,高飞,胡小华.基于RPC模型的QuickBird影像正射纠正[J].北京测绘.2011(1): 29-31.

[8]陈雪洋,袁超.ZY-1 02C卫星影像融合方法评价[J].测绘与空间地理信息.2013.36(2):50-53.

[9]闫相辉,刘长军,徐衍武.航天遥感图像近自然彩色图像模拟原理[J].林业勘查设计.2005(1):94-97.

[10]万冉冉.SPOT 5遥感影像真彩色模拟方法研究[C].华东六省/市测绘学会第十一次学术交流会论文集.2009:347-350.

[11]孙家波,杨建宇,张超,等.应用“资源一号”02C卫星数据的模拟真彩色技术[J].国土资源遥感.2013.25(4):33-39.

[12]杨薇玉,张述清,向更明.土地利用调查中SPOT 5卫星遥感数据处理方法的探讨[J].地矿测绘.2007.23(2):44-46.