北京三号卫星遥感数据处理与应用

陈婷 严明 于冰洋 伍菲 徐文迪 邢锐雅 何建军

(二十一世纪空间技术应用股份有限公司,北京 100096)

北京系列遥感卫星目前发展至第三代。北京一号遥感小卫星是中国科技体制和研发机制创新的重大科技成果[1],也是首个由国家“十五”科技攻关和“863”计划联合支持按企业机制实施的遥感小卫星项目,成功探索了中国由政府支持、企业运行、商业服务的民用航天产业化发展的全新机制,为遥感卫星商业化运作探索出了一条成熟的运作模式。北京一号卫星具有中高分辨率双遥感器、高精度、宽覆盖、短重访周期、灵活控制、高效数据服务等特点,其性价比达到当时国际同类最优。北京二号卫星星座包括4颗0.8m全色、3.2m多光谱分辨率的光学遥感卫星,具有高空间分辨率、高时间分辨率和高辐射分辨率的特点,能够实现全球任意地点1～2天观测任务重访,技术能力达到当时国际先进水平。北京二号卫星星座的高质量产品为自然资源部、生态环境部等10个国家部委用户提供了可持续运行、安全稳定、产品可靠的民用空间基础设施数据服务,推动了我国航天领域体制机制的创新[2]。

北京三号卫星目前在轨4颗,包括北京三号A/B卫星,以及2颗国际合作卫星。2021年6月11日成功发射的北京三号A卫星,作为国内领先的民用遥感卫星新一代敏捷平台——三超(超敏捷、超稳定、超精度)平台的首发星,具备超高敏捷、超高稳定、超高精度、智能规划、智能处理、智能控制等特点;2022年8月24日成功发射的北京三号B卫星,延续并提升了北京三号A卫星的技术特点和优势。北京三号A/B卫星以及国际合作卫星都具备多目标成像、条带拼幅成像、立体成像和沿迹成像等多种成像模式,在对地观测和遥感应用方面取得了突破性的科研成果[3]。本文重点介绍了北京三号卫星遥感数据处理与应用。

1 卫星遥感数据处理

北京三号卫星采用自主研发的星载智能观测技术,具有卫星自适应成像、数据处理、数据质量评价、影像智能分析等在轨处理能力。针对卫星的多种成像模式,研发系列关键技术和算法,保证机动中成像影像的几何和辐射质量,研建地面处理系统,完成了数据产品的自动化生产;构建基于北京三号卫星立体成像数据的实景三维产品生产能力,实现Mesh模型、建筑物白模、建筑物精细模型等产品的快速生产。

1.1 在轨处理

在遥感技术与应用的双重驱动下,遥感卫星技术得到了飞速发展[4],尤其随着我国硬件设备研制技术的发展,星上在轨处理技术发展迅速[5-6]。在轨处理成为解决遥感卫星获取数据质量低、存储传输压力大、服务慢的问题的主要解决途径之一。利用北京三号卫星敏捷成像、智能规划、高速传输的平台优势,基于FPGA和数字信号处理器(DSP)硬件设备,研发星上智能观测与处理系统,包括卫星自适应成像与参数更新、在轨数据处理、数据质量评价、影像智能分析等功能,满足了用户对影像数据质量提升、高效获取数据的应用需求。

1.1.1 卫星自适应成像与参数更新

卫星成像过程中,相机成像质量受地物目标及环境特性、成像时间影响大。北京三号卫星根据观测目标、目标所在的环境特性,利用多年积累的全球卫星成像信息和地理信息,经过反演预测和模型计算,构建星上成像信息库。卫星成像时,通过星上成像信息库提取成像参数,提高成像质量。

为提高星上成像信息库的有效性,根据每期成像的质量评价结果及地物分布变化,构建星上成像信息更新模型,装载至在轨处理系统。地面针对星上成像信息库更新,分别采用点更新与面更新的模式,通过尺度转化、地物智能分类、影像质量标准差、平均梯度、清晰度、信息熵指标评价,形成多尺度多要素更新转化模型,发现更新信息。将待更新信息通过高速上行通道交付在轨处理系统,通过星上成像信息更新模型更新成像信息库,保障成像信息的时效性(见图1),同时提高影像质量。

1.1.2 在轨遥感影像处理

北京三号卫星高分辨成像性能、高敏捷成像平台为用户提供了可满足多种需求的数据。用户对应急、紧急性任务、特定性目标区域的数据需求增大,若仍沿用传统方式,完全由地面处理完成,势必造成数据传输、处理压力;因此,北京三号卫星利用卫星空转和非接收窗口期,在星上完成感兴趣区域的快速提取,以及快速的辐射校正、几何校正、数据质量评价等功能,形成满足特定目标区域要求的产品,可满足用户对时效性、产品性的需求。

北京三号卫星相机由多片线阵组成,具有图像处理单元,基于FPGA和DSP嵌入式硬件,结合数据和平台特点,设计有感兴趣区域跨片处理(见图2)、多尺度感兴趣区快速提取与处理、影像质量评价等功能,实现对影像的跨片去条带、辐射校正处理,对用户感兴趣地理范围解析,支持多种尺寸感兴趣区的影像提取,并进行几何校正处理。

图2 感兴趣区跨片处理效果对比

星上数据处理的性能和能力受卫星平台处理性能、存储资源和时间约束的影响最大,以往对感兴趣区的影像提取尺寸是固定的,这严重影响了不同地物目标规模数据产品的高效获取。为了解决这一问题,根据目标大小和星上资源预估,在轨处理系统采用多尺度感兴趣影像处理算法,可实现5000～8000像素长、宽影像的快速提取、辐射、几何校正处理(见图3),形成接近地面L1级产品标准的数据。

图3 7000×7000像素影像辐射几何校正处理结果

对地观测卫星成像受大气条件、相机条件等影响,可能造成数据质量降低,且随着成像数据量增大,带来数据传输压力大问题。因此,北京三号卫星设计有星上数据质量评价功能(见图4和表1),通过构建客观评价影像质量的指标体系,并将主观评价客观化,形成影像质量评价体系,实现星上影像的快速质量评价与评级,通过高速下传通道或遥测通道提交给任务规划人员,辅助开展数据存储梳理与下传任务规划,便于数据选择、下传通道减压。

表1 星上影像质量评价结果

1.1.3 在轨遥感智能分析

为满足用户对最终信息的需求,在北京三号卫星在轨影像处理的基础上,基于FPGA和DSP高效运行器,采用深度学习、机器学习等算法,重点突破单波段特征提取问题。利用既往海量影像和信息成果,快速构建样本数据库,构建面向嵌入式设备的算法模型,并将模型移植星上,实现在轨影像智能分析,获取地物目标的图像、位置和范围,将结果通过高速下行通道快速交付用户。其中:目标检测包括飞机、油罐、风力发电机等;地物分类主要包括植被、水体、建筑、道路、裸露土地和其他六大类(见图5)。

图5 星上智能分析地物分类结果示意

1.2 地面预处理

面向北京三号卫星的同轨多目标成像、同轨多条带拼接成像、同轨多角度立体成像、同轨短时间动态监视成像、对地斜条带成像、斜条带拼幅成像、反向推扫成像等多种敏捷和机动中成像模式,研发地面预处理和标准影像产品生产系统,完成0级原始数据解码与姿态轨道参数分离、影像辐射校正与几何畸变校正、多波段影像配准、影像复原与清晰度提升、传感器严密几何建模等处理,自动化批量生产北京三号卫星标准影像产品。图6为北京三号卫星地面预处理流程。

图6 地面预处理流程

地面预处理涉及的主要技术如下。

(1)主动成像的行时归一化技术。卫星主动成像期间,相机实现1.0～1.2倍地速成像,卫星平台姿态不断发生变化,结合速高比,行积分时间在主动成像期间变化的频率和幅度都远超过被动成像。采用基于虚拟行扫描时间的影像坐标反变换方法,能够有效解决主动成像行积分时间时变的问题,保证在推扫方向严密成像模型的光滑性和有理多项式系数(RPC)拟合的精度。

(2)姿态数据自适应处理技术。根据星上定姿设备和定姿算法的原理,以主动成像和被动成像时星敏感器/陀螺的不同表现为准,设计各模式的姿态数据处理算法,构建自适应应用模式,实现自动化模式匹配生产,保障所有拍摄模式的数据产品具备较高的绝对定位精度,同时图像内部的相对几何精度也能满足用户需求。

(3)多条带拼幅成像联合处理技术。采用多条带拼幅影像的严密成像几何与区域网平差结合技术,实现区域内每景影像的严密几何定位,同时提升不同条带景与景之间的高拼接精度。

(4)偏航90°辐射定标技术。偏航90°定标是一种相对辐射在轨替代定标技术,通过偏航90°使焦面方向平行于卫星平台运动方向以获取定标影像。北京三号卫星的高机动能力使其具有在多档位不同成像模式下获取偏航90°影像的能力。在轨定标期间,已多次成功进行了偏航定标影像的拍摄,完成相对辐射在轨定标。

(5)在轨长期监测技术。通过对星上多个测量设备性能监测,建立对图像的内外方位元素跟踪机制,实现卫星设备性能与地面预处理系统的内外方位元素关联校准技术。同时,定期开展在轨辐射定标和图像质量监测,监测各探元的稳定性和绝对辐射的长期变化,及时了解卫星的状态并更新辐射定标系数。

1.3 实景三维产品生产

利用北京三号卫星灵巧机动、重访周期短的优势,从多角度拍摄亚米级的高分辨率多视倾斜影像,可高效进行大尺度3维重建。为了实现多视角卫星影像的3维重建精度,在卫星实景三维产品生产中摒弃传统建模方法,构建具有卫星成像特色和工程化特色的技术方法与流程。

1.3.1 实景三维产品生产流程

卫星实景三维产品生产主要包括数据准备、影像融合、正射纠正、光束法平差、数字表面模型(DSM)生成、Mesh网生成、纹理映射等环节(见图7),实现步骤如下。

图7 实景三维产品生产过程

(1)数据准备。按原始影像数据和辅助数据(测区外延一定范围内符合要求的像控点、参考数字正射影像图(DOM)/数字高程模型(DEM)数据,以及高程异常模型、矢量边界等)2类进行相关数据的准备。对原始数据的覆盖范围、摄影角度、基高比、图像质量、太阳高度角,以及辅助数据的覆盖范围和精度指标等进行检查,根据后续多角度卫星数据空中三角测量的技术要求进行数据筛选及标记。

(2)空中三角测量。空中三角测量是多角度卫星实景三维生产的核心关键环节,直接决定了点云的匹配成功率和定位精度。以实景三维产品为目标的卫星立体像对空中三角测量,一定要把区域内所有满足要求的卫星影像都纳入空中三角测量平差。

(3)点云匹配。在卫星实景三维产品生产时,点云匹配环节一般要逐像素或隔像素开展。点云匹配结果除与卫星载荷的几何水平和空中三角网测量流程相关外,图像的辐射质量也是一个重要因素。对多角度立体成像的卫星影像,点云匹配时要充分利用“多视”这一冗余条件,既可以两两组成立体像对进行匹配,匹配后的结果进行加权、验证;也可以按基高比、侧摆角为不同条件结合地形特点进行迭代,得到相对更加接近真值的密集点云。

(4)数字表面模型(DSM)/DEM制备。在密集点云的基础上使用一定的内插和滤波算法,就可以得到测区的DSM了。DEM的制备需要人工在DOM上识别地物图斑边界,进而进行滤波、赋值等。

(5)卫星实景三维建模。卫星实景三维建模是将基于点云形成DSM产品少量编辑后,通过三角面片剖分、纹理映射得到卫星Mesh产品。Mesh产品生成后还应进行多层次细节(LOD)处理,以加快数据调用显示速度。一个区域的Mesh产品就是一个整体化的实体模型,从人的主观感受的角度看,Mesh产品直观易懂;从地形分析、矿山管理、工程规划角度看,也能满足主体使用要求。

1.3.2 实景三维产品

实景三维产品主要包括Mesh产品、建筑物白模产品、建筑物精细模型产品等。

Mesh产品是利用卫星高精度立体成像技术生成的能可视化反映地理要素的位置、几何形态、表面纹理及其属性信息的包含各种地上主要地理信息的外部、不含地上各建(构)筑物地理信息内部的3维可视化产品。其具有直观、精度高、可量测、信息丰富、沉浸感强等特点。

建筑物白模产品是无纹理的建筑物单体模型产品。根据产品的精细程度,可以分为LOD1～LOD4共4个级别。基于卫星多角度立体像对,可以实现LOD1～LOD2级,以及部分LOD3级的建筑物白模。建筑物白模产品可根据需求添加各种属性进行挂接,如人口、层数等,方便进一步查询使用。

建筑物精细模型产品(见图8)是将建筑物白模数据作为物方模型,通过后方交会将其映射至卫星的多角度立体像对相关位置,根据算法将卫星影像纹理映射为模型纹理。当然,建筑物标准模型的纹理也可以来自地面移动车辆或人工拍摄图像,其前提是作为纹理来源的影像具有准确的瞬时位置和瞬时姿态信息,能够恢复摄影时刻的空间位置与姿态关系。相对于建筑物白模产品,建筑物标准模型产品的纹理一般由真实纹理映射而成,视觉上更贴近于真实世界,对于非专业受众来说更易于接受。

图8 LOD2级建筑物精细模型产品

2 卫星应用

随着对地观测技术的日益发展,以及自然资源利用保护、生态环境保护、城市建设等行业监管愈加精细化,高分辨率遥感卫星的应用市场越发广阔,甚至由2维提升至3维立体空间。北京三号卫星的多种成像模式和数据处理技术,尤其是实景三维产品生产技术,为数据需求的多样化和服务的精细化、高效化提供了支撑。

2.1 数字孪生社区

高精度全要素立体化数据基座,可实现社区数据汇聚融合、共享共用、协同创新,有效提升城市资源数据基础建设与运行效率;可加快社区数字化应用场景建设,赋能城市综合治理与应急管控,推动社区治理能力的现代化。

基于北京三号卫星甚高分辨率遥感影像数据,搭建建筑物3维立体模型,构建高精度、立体化的数字孪生城市底座,并将其与人口、房屋、企业、基础设施等社会数据进行动态关联(见图9),实现包括类型统计、人员检索、多维度空间检索、分层分户统计分析等功能,使管理单元由社区、楼宇逐级细化到每个家庭户或法人单位,为街道、居委会、社区、楼宇等不同层级的管理者提供动态、立体可视化的管理对象运行信息,有效提升社区治理、体检评估、应急防控等监管和治理的工作水平。

图9 智慧社区人口管理模块

2.2 城市精细化管理

基于北京三号卫星实景三维建模手段,可大范围、全方位快速生成地形表面可量测的实景三维模型和建筑物白模;可按照行政区划或自定义范围对分析区域内建筑物数量、总占地面积、总建筑面积、建筑密度、综合容积率和平均高度等指标进行动态分析(见图10);支持按建筑物类型可视化展示建筑物空间分布,以及汇总分析建筑物数量、占地面积和建筑面积等指标,辅助业务人员开展宜居性评价和城市规划评估。同时,还可实现疑似超高建筑的实时分析和快速识别。通过自定义设定限高值对监管区域内超过该值的建筑进行动态分析和实时统计,提供建筑列表和折线图实现超高建筑属性信息展示和建筑数量的分区统计(见图11);参照控制性详细规划,对不符合用地条件即超过规定限高值的建筑进行定期监测,为违法违规建筑监管工作提供线索。

图10 建筑体量分析

图11 限高分析

2.3 矿区动态监测

基于矿区实景三维Mesh产品,对照采矿权立体范围,快速识别疑似平面越界和超深越界图斑,提供按图斑类型、超采体积及深度等查询检索,实现疑似违法开采图斑的快速筛选定位和信息展示,为露天矿山违法采矿行为的发现和监管提供有力支撑(见图12)。

图12 越界分析

通过动态比对露天矿山的多期实景三维Mesh模型,识别和测算监测周期内矿山开挖、回填的主要区域和体量,提供图斑列表和卷帘比对工具,实现变化图斑面积、体积的统计展示和矿山开采进度变化情况的比对浏览,为矿产资源储量动用、矿山环境恢复治理提供依据(见图13)。

图13 动态监测

2.4 地质灾害隐患识别

基于北京三号卫星立体像对生产0.5m的DSM模型产品和1.0m的DEM产品,利用3维影像进行地形模型和地形特征的提取和分析,得到2维影像难以获得的地形信息,通过地形的突变和表面纹理特征,能提高地质灾害隐患判识的效率和准确率。

综合合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)、光学遥感等新型对地观测技术和专家判识、现场调查等手段,开展某库区8万多平方千米范围内地质灾害综合遥感识别,获得疑似地质灾害隐患的位置、类型、范围、规模、形变位置、形变特征、威胁对象和风险程度等信息,确认该区地质灾害隐患,为某库区的防灾减灾工作提供科学可靠的依据(见图14)。

3 结束语

北京三号卫星具备多目标成像、条带拼幅成像、立体成像和沿迹成像等多种成像模式,突破了基于嵌入式设备的在轨智能观测和影像处理技术、适应多种成像模式的地面预处理技术及多视角卫星实景三维生产技术等,实现了“星地一体、提速提质”的能力建设。

基于甚高分辨率及多种动中成像模式等特点,北京三号卫星可满足更多定制化需求,包括对特定地形或地物目标(条带、点状分布目标)的监测、精细地物的监测与管理等,尤其是高精度立体成像技术生成的实景三维产品,在数字孪生社区与城市精细化管理、矿区动态监测及地质灾害隐患识别等领域具有较大的应用优势,能满足3维空间信息的相关需求,进一步拓宽遥感卫星的应用领域和范围,持续提升卫星遥感全系列应用产品和天地一体化综合应用服务的水平。