基于高分七号的DSM自动匹配的实验对比分析

陈 曦 王 宁 刘青锋 张玉红

(1. 自然资源部第三地形测量队, 黑龙江 哈尔滨 150025;2. 哈尔滨师范大学, 黑龙江 哈尔滨 150025)

0 引言

随着国产遥感卫星影像资源的日益丰富,基于国产遥感卫星影像的应用与研究也逐渐成为焦点,充分利用国产卫星影像,逐步减少使用国外遥感影像,是我国现代测绘产业发展的大趋势[1]。基础地理信息数据是城市规划以及建设的根本需要,原有的基础地理信息数据并不能满足城市的建设[2],数字表面模型作为重要的地理信息具有非常广泛的应用前景[3]。

数字表面模型(digital surface model,DSM)是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地表模型[4],表示的是最真实的地面起伏情况,可广泛应用于各行各业。如在森林地区,可以用于检测森林的生长情况;在城区,DSM可以用于检查城市的发展情况;特别是众所周知的巡航导弹,它不仅需要数字高程模型(digital elevation model,DEM),而更需要的是数字表面模型的支持,这样才有可能使巡航导弹在低空飞行过程中,逢山让山,逢林让林。

高分七号卫星是我国自主研发的高分辨率对地观测应用卫星,于2019年11月3日成功发射,并于2020年8月20日正式投入使用。高分七号卫星搭载了我国第一台双波束对地观测激光载荷——激光测高仪,以辅助光学影像实现卫星1∶1万立体测图这一重大工程任务[5],作为我国首颗民用亚米级光学传输型立体测绘卫星,该星的投入使用标志着高分专项打造的高空间分辨率、高时间分辨率、高精度观测的天基对地观测能力初步形成[6]。

高分七号卫星可用于1∶1万比例尺立体测图及更大比例尺基础地理信息产品更新,满足地形绘制、地表监测等应用需求[7]。该卫星所具备的立体成像和激光测高能力,使其在区域立体测绘、地形信息提取、地貌特征提取等方面具备天然的优势,充分利用其获取的立体遥感信息提取不同时相DSM及其变化信息,为数字中国地理空间框架的建设提供良好的数据支撑。

本研究基于高分七号数据进行DSM自动匹配,针对不同匹配方法进行对比分析,也为高分七号数据生产制作DSM产品提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

为了更好地研究匹配方法的适用程度,本次研究选取了两个地形类别完全不同的地区,分别为黑龙江地区以及西藏研究区,按地理位置看,黑龙江比西藏纬度高;按地势看,西藏比黑龙江海拔高。

黑龙江省地处中国东北部,北、东部与俄罗斯隔江相望,西部与内蒙古相邻,南部与吉林省接壤,介于东经121°11′～135°05′,北纬43°26′～53°33′之间,辖区总面积4.73×105km2,居全国第6位。边境线长2 981.26 km。黑龙江地貌特征为“五山一水一草三分田”。地势大致呈西北、北部和东南部高,东北、西南部低,由山地、台地、平原和水面构成。

西藏位于青藏高原西南部,地处北纬26°50′～36°53′,东经78°25′～99°06′之间,平均海拔在4 000 m以上,素有“世界屋脊”之称。面积1.228 4×106km2,约占全国总面积的1/8,在全国各省、市、自治区中仅次于新疆[8]。

1.2 数据来源

2019年11月3日,高分七号卫星在太原卫星发射中心搭载长征四号乙运载火箭发射升空[9],装备在高分七号卫星上的是我国首个具备全波形记录功能的激光测高仪,主要用于获取地面稀疏的高程控制点,提高了同平台立体影像无地面控制点的立体测图精度[10],高分七号卫星作为搭载我国首台全波形体制激光测高仪[11],以及搭载的有效载荷为双线阵相机、激光测高仪等,其中双线阵相机可有效获取20 km幅宽、优于0.8 m分辨率的全色立体影像和3.2 m分辨率的多光谱影像;激光测高仪以3 Hz的观测频率进行对地观测,可获取全波形数据。

高分七号卫星不仅具备同轨道前后视立体成像能力及亚米级空间分辨率优势,还采用主被动光学复合测绘新体制,利用激光测高仪获得高精度高程信息,提升光学立体影像在无控条件下的高程精度。

本次试验选取影像源为重叠度60%的相邻轨道影像,影像拍摄时间分别为2020-11-21及2020-12-16,原始数据包含全色前后视角及多光谱影像及同区域网平差后的有理多项式系数(rational polynomial coefficient ,RPC)文件。

2 研究方法

2.1 软件基础

2.1.1CIPS软件

吉威公司的影像处理系统(Cluster image processing system，CIPS)软件包括匹配和物方优化两个部分[12],匹配DSM首先支持CIPS软件主模块,通过卫片数据生产工程,其次建立匹配空间,然后利用地形数据模块,输出由二进制数据组成点云格式(.LAS)等级,最后进行点云栅格化。

2.1.2INPHO软件

天宝的影像处理软件(Trimble Inpho，INPHO)是德国专业的数字摄影测量系统软件,包含空三加密、数字地面模型匹配及数字正射影像纠正、影像拼接等系列软件[13]。INPHO匹配DSM首先需要的软件为INPHO主模块,通过卫星影像处理工程建立匹配的工作空间,其次通过选择RPC类型、区块模块以及区块选择进行匹配,最后根据研究区的地形类别选择匹配命令器(Match-T),匹配完成后,需借助数字地面模型(digital terrain model,DTM)工具包的分割、转换功能手动进行DSM数据格式的标准化。

2.2 匹配方法

DSM生产基于原始卫星影像及平差成果即可进行自动地形提取,采用密集匹配算法获取LAS格式的点云数据,经过栅格化获取所需数据。其覆盖范围为对应的基本存储单元最小外接矩形向外扩展20个格网单元的矩形,以非压缩的带地理位置的图像储存格式(GeoTIFF)进行数据组织与存储[14]。

其角点计算公式为：

式中,X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3、X4、Y4为四个图廓点的坐标,坐标单位为m;R为数字表面模型格网尺寸,坐标单位为m。

CIPS和INPHO两种软件利用高分七号影像及其对应的RPC文件,构建立体模型,通过建立工程、设置投影参数、设置匹配参数等步骤,利用两种软件的自有算法自动进行DSM匹配。

3 结果分析

3.1 CIPS匹配效果分析

DSM的主要要求即应与实地地形地貌保持一致,不存在明显的飞点、跳点,不应出现非正常的负向地貌,山脊或沟谷等区域的DSM应符合实际地貌特征;山体阴影区域的DSM高程值和其表现出来的纹理特征应尽可能保证与实际地貌特征保持一致。小面积水域范围内的高程原则上不应高于水面周边高程,主要流动水域,水面应由上而下平缓过渡,并且与周边地势过渡自然等情况。图1可以看出,CIPS的匹配的晕渲基本上与实地地形地貌相符合,但在沟谷处的纹理比较粗糙,匹配的飞点、跳点即粗差较多,整体不存在大面积的弱纹理情况。

图1 CIPS匹配效果图

3.2 INPHO匹配效果分析

根据INPHO的匹配效果可以明显看出(图2),DSM出现的晕渲效果较为理想,不存在明显的大面积飞点、跳点的情况,山脊、山谷处的地形地貌也都清晰可见,无明显的异常表现。

图2 INPHO匹配效果图

山体阴影区域的DSM高程值和其表现出来的纹理特征与实际地貌特征基本保持一致,但也可以看出,个别地方仍存在不合理的晕渲效果,而恰恰相反,这些区域CIPS的匹配效果相对较好,可以说,这两种匹配的效果不同区域有不同的晕渲表达方式,需要具体地形具体分析使用。

3.3 两种匹配方法对比研究

为了更为具体地对比两种匹配的方法之间的区别,本研究根据两个研究区的不同地形地貌的类型,进行对比分析,可以明显地看出在地形地貌都基本符合的情况下,INPHO的匹配晕渲效果更为理想,见图3(a)。而CIPS的晕渲多为梯田的形状，见图3(b),并伴随着粗糙的弱纹理现象,但在有树的地区,CIPS的匹配效果见图3(c)，个别区域优于INPHO的匹配的方法见图3(d),并且个别地区当INPHO的匹配出现粗差的情况时,CIPS并未出现,由此可以说,这两种匹配的方法,在不同的地形类别的下,所呈现的效果各有利弊,INPHO的匹配效果在大多数的地形下更为理想些,但这并不能完全说明INPHO优于CIPS,对于这两种匹配方法,我们需要根据不同地区的地貌特征甄别利用,取长补短,进行DSM的后续编辑生产[15]。

(a)INPHO晕渲 (b)CIPS晕渲

4 结束语

高分七号是我国首颗民用亚米级光学传输型立体测绘卫星,相比于普通光学遥感卫星只能拍摄平面图像,高分七号可以绘制立体图像,这更适用于DSM匹配的数据基础。在DSM自动匹配生产中,CIPS和INPHO均能满足自动匹配的整体精度要求,其中CIPS软件还有物方优化这一部分,利用物方优化生成的DSM匹配结果操作更为复杂,这里不做过多论述。

通过对比分析可知,对于林区,CIPS匹配出的地表特征更为细致,匹配出的细节更为丰富,相比之下,INPHO匹配出的细节稍显不足;对于平坦地区,CIPS匹配出现的飞点、跳点相比INPHO出现得较多,并且CIPS在个别区域会出现梯田形状的晕渲效果,这一方面在INPHO中出现的概率较小;对于阴影区域,两种匹配方法均表现出较为粗糙的晕渲,仍需人工进行编辑。

可以说,这两种匹配方法在不同的地形类别下,所呈现的效果各有利弊,inpho的匹配效果在大多数的地形下更为理想些,但这并不能完全说明inpho优于cips,对于这两种匹配方法,我们需要根据不同地区的地貌特征甄别利用,取长补短,进行DSM的后续编辑生产。