多源高分辨率DOM批量快速制作方法研究

张亚亚，马小计，2，周 亦，2

(1. 北京中色地科测绘有限公司，北京 101300； 2. 北京中色测绘院有限公司，北京 100012)

近年来，我国相继发射了天绘一号、资源一号02C、资源三号、高分一号、高分二号等多颗高分辨率卫星，遥感技术有了快速发展。但在进行全国范围内各类资源调查、监测时，由于该类工程通常监测时间短、范围大，受调查监测精度、卫星接收能力、天气因素及经费等因素的影响，在实际调查、监测工作中，单一数据源几乎不可能完成全覆盖调查监测区；甚至在某些要求了具体的监测区域、监测时间段及监测精度时，可能需要几种甚至十几种数据源才能完全覆盖项目区。这就不仅需要一套单一数据源DOM批量快速制作方案，还需针对多源高分辨率遥感卫星数据特点，提供一套有效衔接、覆盖调查区域的“一张图”批量快速制作方法。

本文以2018年全国土地利用变更调查监测与核查遥感监测项目为依托，针对该项目数据源多而杂、数据量大、工期紧、任务重的特点，利用Pixel Engine软件提供的“RS+GIS+Photoshop”处理算法，以县级行政辖区为单位，对多源高分辨率遥感卫星数据，进行DOM批量快速制作方法研究；从制作速度和DOM精度两个方面，与人工处理方法进行对比，确定该方法的适应性；结合其他常规方法，旨在寻求一种高效的多源高分辨率DOM批量快速制作方法模型，以期为正在如火如荼开展的第三次全国国土调查、年度变更调查、全天候遥感监测及其他工期紧、任务重的大型工程项目提供一种快速、有效的解决方案。

1 研究区及研究数据情况

研究区选择广西壮族自治区北海市银海区。研究区地势总体是北高南低，西、北部为基岩隆起区，在地形上大致构成一个以北为高点，逐渐向南缓倾斜的扇形滨海平原，海拔为8～40 m。

本试验平面控制资料采用2017年土地利用变更调查遥感监测成果，数据源以Pleiades-1(分辨率为0.5 m)为主，局部地区为SPOT6(分辨率为1 m)，彩色融合数据；高程控制资料采用ASTGTM 30 m的高程数据，坐标系统为CGCS2000，格式为IMG。受0.5 m计划数据源接收状况不佳的影响，根据遥感监测项目的数据源使用原则：优先使用分辨率高、无云、影像质量好的影像，研究区最终选用的原始数据涉及6种数据源、10景数据，具体为：1景Pleiades(0.5 m全色+2 m多光谱，下同)、1景GJ1(0.5 m+2 m)、1景GF2(0.8 m+3.2 m)、4景DEIMOS(1 m+4 m)、2景WorldView-2(0.5 m+2 m)、1景YG8(5 m全色，用于补缝)。原始数据覆盖情况如图1所示。

2 研究方法

2.1 研究路线

试验利用2018年覆盖本试验区的最新遥感数据，以2017年土地利用变更调查遥感监测影像成果、高程数据等控制资料为基础，采用Pixel Engine软件提供的“RS+GIS+Photoshop”算法，首先针对不同的数据源特点，采用适宜的数据处理流程，批量快速进行单景DOM制作，其中，GJ1、GF2采用先配准融合后正射纠正的处理方法，Pleiades、WorldView-2、DEIMOS采用先融合后正射纠正的处理方法，YG8直接进行正射纠正；然后以县区为单位，对正射纠正后的单景数据进行镶嵌、色彩调整、裁切，制作县级辖区DOM[1-8]；最后从处理速度和处理精度两个方面，将批量自动处理制作的DOM与人工处理制作的DOM进行对比分析。图2为研究路线图。

2.2 研究方法

2.2.1 制作单景DOM

不同遥感卫星数据的原始数据具有不同的特性，主要包括：原始卫星数据是否包括全色和多光谱数据、是否同源同步获取、匹配精度是否满足要求，提供的单景数据是整块数据还是分块存储数据，数据格式是否为常规遥感处理软件可直接处理的TIFF格式，是否提供了RPC参数文件、RPC精度是否满足要求，原始数据是否为带坐标数据、数据类型等。

本文针对试验区各遥感卫星数据特点，在通用的“配准、融合、波段组合、正射纠正”的单景DOM制作流程基础上，为各类数据源制定了适宜、优化的处理流程，GJ1、GF2为配准融合+波段组合+转8位+正射纠正；Pleiades为数据格式转换+转8位+融合+波段组合+正射纠正；WorldView-2、DEIMOS为融合+波段组合+转8位+正射纠正；YG8为转8位+正射纠正。

利用“RS+GIS+Photoshop”算法中的影像纠正、融合真彩及SPOT类型数据预处理等工具，按照以上各类数据处理流程，批量进行单景DOM制作。也可利用该算法的流程化工具分别载入，基准影像：银海区2017年土地利用变更调查遥感监测影像成果，DEM数据：银海区高程数据，原始数据：2018年覆盖本试验区的最新遥感数据，并通过设置平差参数、连接点参数、正射参数、融合参数、真彩参数等，全流程自动批量制作单景DOM。

由于YG8原始数据具有WGS-84坐标，且RPC参数精度低，利用该方法进行正射纠正，结果无法满足DOM相对精度指标要求，因此对该景数据采用常规的遥感数据处理软件Erdas+国产资源卫星影像自动校正软件进行了处理：首先利用Erdas或Pixel Engine软件进行降位处理；然后利用Erdas软件，根据影像RPC参数进行影像粗校正；最后利用国产资源卫星影像自动校正软件进行自动纠正。

2.2.2 制作县级辖区DOM

单景DOM制作完成后，将覆盖试验区的所有单景数据，按照《土地利用动态遥感监测规程》(TD/T 1010—2015)要求进行镶嵌、色彩调整，确保处理后影像灰度分布具有较大动态范围，纹理清晰，色调均匀，亮度、反差适中，无明显信息损失，主要地类边界清晰，光谱信息丰富，无明显偏色现象，能准确反映土地利用特征，相邻景影像之间的时相相同或相近时，色彩、亮度、对比度无明显差异；同时，根据县级行政界线外扩1 km的范围，裁切得到试验区DOM。

首先利用“RS+GIS+Photoshop”中的镶嵌、匀色及裁切一体化工具，载入制作的所有单景DOM，通过设置镶嵌线参数，自动生成镶嵌线，由于遥感监测项目对镶嵌线走向要求较高，镶嵌线生成之后，还需在此基础上利用“添加镶嵌线”“折线修边”“多边形修边”“套索修边”等工具，对镶嵌线进行局部人工微调，从而得到满足要求的镶嵌线，对于相邻景相对精度满足要求，但是重叠精度不满足要求、镶嵌错位的区域，可通过“添加接边形变点”进行重叠精度修正；然后利用“统一拉伸”“模板匀色”“自动匀色”等自动匀色工具对所有单景DOM进行自动匀色，对于自动匀色后不满意区域，可通过套索工具，利用类似Photoshop的“对比度”“色阶”“曲线”“色相”“可选颜色”“羽化”等人工匀色工具进行微调；最后利用裁切输出工具中的“矢量分幅输出”，通过设置输出分辨率、输出类型、矢量路径、外扩范围等，裁切输出得到外扩1 km的银海区2018年DOM。

3 试验结果与对比分析

从多源高分辨率DOM的制作精度与速度两个方面，将基于Pixel Engine软件的“RS+GIS+Photoshop”批量自动制作方法与采用Erdas+Photoshop软件进行人工处理的方法进行对比。

3.1 制作精度对比

针对“RS+GIS+Photoshop”批量自动制作和操作熟手人工制作两种方法得到的试验区DOM，试验采用定量精度评价和目视检查相结合的方法，对试验区DOM的融合效果、相对精度、重叠精度、图面色彩质量、裁切质量进行精度对比[9-13]见表1。

表1 精度对比情况

对比结果显示，在DOM的融合效果和图面色彩方面两种方法效果差别不大，利用该方法的个别数据影像纹理更清晰，光谱信息损失更少，更利于地类判读；相对精度方面，YG8卫星数据不能满足应用要求，需要采用人工制作方法进行处理；重叠精度方面，利用该方法制作的DOM，由于引入了区域网平差计算方法，对同源数据、甚至异源同分辨率遥感卫星数据间的重叠精度均有了明显改善；裁切质量方面，利用该方法裁切后，外扩范围与要求有个别出入，且局部存在彩边、黑白现象，而利用人工方法裁切的影像不存在以上问题，针对应用需求，该问题可以忽略。

3.2 制作速度对比

在计算机配置相同的前提下，将采用“RS+GIS+Photoshop”方法制作的试验区DOM速度，与熟练掌握多源高分辨率DOM制作流程的技术人员的平均人工处理速度进行对比。在单景DOM制作环节中，制作10景试验区数据，人工制作时间约为10 h，而采用“RS+GIS+Photoshop”方法则只需4 h；在制作县级辖区DOM(即影像的镶嵌、调色及裁切)环节中，人工制作时间平均为4 h，而该方法在1 h内基本就可以完成。

因此，利用该方法制作县级辖区DOM的速度比人工提高了2倍，其中在镶嵌、调色及裁切阶段，速度优势更明显，比人工提高了3倍。

4 结 论

本文试验表明，利用Pixel Engine软件的“RS+GIS+Photoshop”算法进行多源高分辨率的县级辖区DOM批量快速制作：DOM精度方面，融合效果、镶嵌质量、图面色彩和裁切质量均能满足应用要求；在相对精度方面，YG8数据无法满足要求，需要利用其他软件进行处理。在处理速度方面，比利用Erdas软件和Photoshop软件人工方法的速度提高了2倍。由于该算法支持镶嵌线自动生成和模板匀色、自动匀色，大大提高了自动化效率；而且可以实现大多遥感数据处理软件不支持的波段数不一致的相邻影像间镶嵌，因此在镶嵌、调色及裁切阶段，速度优势更明显，比人工方法提高了3倍。

在本次试验基础上，笔者借助依托项目，将该方法在辽宁省范围内进行了大规模拓展试验。结果显示，随着作业区范围的扩大，数据量越多，数据源越多、越杂，在满足精度要求的前提下，速度优势越明显；且鉴于该软件对大数据量的快速显示、处理优势，可将10多个县级辖区涉及的DOM全部载入同一工程进行镶嵌调色，一方面明显提高了DOM制作速度，另一方面有效保证了相邻县区图面色彩的一致性，有效改善了往年全国各县DOM放一块后“补丁衣”的情况。

本文基于以上试验分析，结合“RS+GIS+Photoshop”算法在多源高分辨率DOM快速制作上的优势及实际生产过程中出现的问题，将其与Erdas软件、国产资源卫星校正软件及PhotoShop等遥感数据处理软件相互结合、补充，提出了一种快速、有效的多源高分辨率DOM制作方法，如图3所示。

随着自然资源部的成立，利用遥感数据进行大范围内各类自然资源调查、监测、管理已成为一种常态。该方法的提出为正在如火如荼开展的第三次全国国土调查、全国年度土地利用变更调查、土地资源全天候遥感监测等国家级重点工程项目及其他工期紧、任务重的大型工程项目提供了一种快速、有效的解决方案，可极大地促进遥感数据在自然资源调查、执法督察、批后监管等多个领域发挥其强大的优势。