資源三號衛星在區域地質災害應急監測中的應用
——以山西省為例

于　頌，陳　峰，張　錦

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

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資源三號衛星在區域地質災害應急監測中的應用
——以山西省為例

于頌1，陳峰1，張錦2

(1. 山西省遙感中心，山西 太原 030001； 2. 太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

Applied Research of ZY-3 Satellite in Regional Geological Disaster Emergency Monitoring——Taking Province Shanxi as an example

YU Song，CHEN Feng，ZHANG Jin

摘要：遙感技術已成為當前應對突發地質災害應急監測的一種重要技術手段。本文將資源三號衛星遙感影像應用于區域地質災害應急監測中，研究了資源三號衛星區域RPC參數的修正方法，并聯合DEM和控制點建立了區域影像快速正射糾正的方法流程；利用長治地區的資源三號衛星影像進行了正射糾正試驗與分析，總體滿足區域地質災害應急監測對遙感影像的精度要求。利用該方法制作完成的地質災害區域遙感影像已應用于山西省突發地質災害遙感監測指揮系統項目中并取得了較好的應用效果。

關鍵詞：地質災害；資源三號；RPC參數修正；正射糾正

資源三號衛星是我國一顆重要的高分辨率測繪衛星，能滿足1∶50 000測圖的精度要求[1-2]，已廣泛應用于測繪立體測圖、大比例尺基礎地理信息產品的生產和更新、國土資源調查等領域，是非常重要的影像數據資源。如何將資源三號衛星影像應用于區域地質災害應急監測并對突發地質災害進行遙感動態監測，已成為當前亟待解決的重要課題。本文以山西省為例，將詳細闡述資源三號衛星在區域地質災害應急監測中的具體應用。

一、區域地質災害應急監測

山西省區域地質災害應急監測將綜合運用航空航天遙感、衛星通信、GIS等高新技術手段，通過衛星遙感技術快速獲取地質災害區域本底遙感影像數據，并結合無人機遙感技術快速獲取現場實時遙感動態監測數據，建立數據處理、遠程傳輸和服務一體化的應急監測技術體系(如圖1所示)，為全省突發地質災害的遙感監測和應急救災輔助決策提供機動靈活、快速響應的應急測繪保障。

目前山西全省范圍內約有2500 km2的重點地質災害點，地質災害種類繁多且分布范圍較廣，大部分區域的基礎地理信息數據普遍存在現勢性較差、比例尺較小、數據不完整等問題。一旦發生地質災害，受災地區的交通、通信隨時都有可能中斷，將直接影響到搶險救災的速度與效率。而衛星遙感技術是全面掌握災害現場及周邊地區信息最快、最有效的途徑。本文將資源三號衛星遙感影像數據應用于區域地質災害應急監測中，研究建立地質災害現場區域正射遙感影像快速制作方法流程，為第一時間快速尋找有利的營救生命線、打通外界與受災區域的救災通道提供影像支撐。

圖1　區域地質災害應急監測技術體系

二、資源三號衛星區域影像快速正射糾正

1. 區域RPC模型參數修正

RPC模型的實質是有理函數模型(rational function model,RFM)，RPC模型將地面點大地坐標D(緯度φ、經度λ和高程h)與其對應的像點坐標d(L,S)用比值多項式關聯起來，并將地面坐標和像點坐標正則化到-1～1之間，增強了參數求解的穩定性，比值多項式的定義詳見文獻[3—5]。

資源三號衛星區域影像的RPC模型參數[6]的修正可采用兩種方式：一種方式是利用文獻[7]的方法直接計算RPC模型參數，該方法需要建立空間格網并計算大量的控制點來求解RPC模型中的80個系數，且參數間可能存在相關性，求解比較困難[7]；本文采用另外一種方式：通過區域影像4個角的坐標信息來計算影像的正則變換參數，而無需重新計算RPC模型的80個系數，該方法僅利用4個角的控制點計算8個正則變換參數即可取得較高的精度[8]。區域RPC模型參數的修正方法如下：

1) 通過RPC模型正反算獲取區域影像4個角的像點坐標和地面經緯度坐標。

2) 重新計算區域影像范圍內的8個正則變換參數：地面坐標的正則平移參數和像點坐標正則比例參數。計算過程詳見參考文獻[9—10]，這里n=4。

3) 將RPC文件中對應的參數替換為經上述方法計算得到的8個正則變換參數，與RPC模型的4個多項式的80個系數共同保存為新的RPC文件。

2. 快速正射糾正

利用本文方法計算得到的RPC文件并采用“RPC模型+控制點+DEM”的模式對資源三號衛星區域影像進行正射糾正。采用相同的糾正模型及對應的DEM數據先對區域全色影像進行正射糾正，以全色影像糾正結果為控制基礎，對區域多光譜影像通過同名點匹配進行糾正。整個正射糾正方法流程如圖2所示。

圖2　正射糾正流程

三、試驗分析及應用

1. 試驗數據

(1) 資源三號數據

覆蓋長治地區的某一景資源三號遙感衛星原始影像，大部分為山區、丘陵，接收時間和生產時間均為2014年5月26日，數據經輻射校正和傳感器校正處理，未作系統幾何糾正處理的LEVEL1A級產品，附帶RPC文件。原始影像大小為24 530×24 468，目標影像大小為11 138×7505，其位置關系如圖3所示。

圖3　原始影像與目標影像范圍及位置關系

(2) DOM數據

目標區域范圍DOM數據為彩色航片，分辨率為0.5 m，img格式，坐標系為1980西安坐標系，用來作為水平參考影像。

(3) DEM數據

目標區域范圍山西省高精度數字高程模型的地面采樣間距為3 m，img格式，坐標系為1980西安坐標系，用來作為水平參考影像。

2. 區域RPC參數修正

利用原始數據附帶的RPC文件，根據上文所述方法計算獲得目標區域影像RPC文件，如圖4所示。利用這兩個RPC分別對全景影像和目標區域影像進行無控制點校正試驗，校正后將目標區域影像反拉伸灰度值，并與校正后整幅影像進行疊加分析，結果兩幅影像相同區域位置高度套合，表明利用該方法計算的區域影像RPC參數有效，可以用于正射糾正。

圖4　RPC參數

3. 正射糾正處理

采用ERDAS LPS模塊對影像進行快速和精確的正射校正，將區域影像與參考影像校正至相同坐標系統下。主要處理過程如下:

1) 定義橢球：在ERDAS軟件安裝目錄下的spheroid.tab文件中將1980西安坐標系采用的IAG 75橢球體參數添加并保存，然后利用該軟件的自定義坐標系功能，創建1980西安坐標系。

2) 傳感器模型選擇：ERDAS軟件自帶的傳感器模型中沒有資源三號的模型，這里選擇IKONOS模型來替代，在RPC模型基礎上選擇二次多項式模型來輔助提高糾正的精度。

3) 控制點采集與布控：在RPC模型基礎上，結合水平和垂直參考數據，選擇少量控制點即可滿足精度，而二次多項式求解至少需要6個控制點，因此這里選取均勻分布的固定不變的同名地物GCP點9個，主要為地面道路交叉點、水庫堤壩、鹽田通道、庫塘邊堤等明顯地物特征，誤差控制在0.5個像元以內。

4) 利用上述方法步驟將全色影像進行正射糾正，以糾正好的全色影像為匹配對象對多光譜影像進行配準糾正，糾正模型及DEM數據的選取與對應的全色影像一致，控制點采集的位置分布均勻，且一般不少于15個，其殘差中誤差在0.5個像素以內，最后都采用雙線性插值法進行重采樣。

5) 采用Pan sharpening方法進行影像融合。

4. 試驗結果分析

在影像上均勻選取12個均勻分布的檢查點進行精度評定分析，在不同方向的平均點位中誤差見表1。

表1　檢查點殘差與精度評價結果　像素

從表1中可以看出，檢查點的(X,Y)和平面最大殘差都在0.5個像素以內；(X,Y)和平面中誤差都在0.3個像素以內，總體滿足區域地質災害應急監測對遙感影像的精度要求。

5. 地質災害應急監測應用

當區域地質災害突發時，如何快速獲取該區域的影像并進行正射處理，為應急監測工作提供現場災情信息將成為首要任務。本文的方法為突發地質災害區域正射影像的制作提供了一種快速有效的方法途徑，研究的成果已在山西省突發地質災害遙感監測指揮系統項目中得到實際應用，經過正射處理的資源三號衛星區域影像已成為該系統的多源遙感影像數據之一，同時也是全省重點地質災害點區域的主要基礎影像數據源，能在第一時間為系統提供突發地質災害的區域影像，疊加各類地質災害數據，實現地質災害信息的疊加分析(如圖5所示)、GPS軌跡顯示(如圖6所示)、三維可視化分析(如圖7所示)等，為區域地質災害應急監測工作提供了影像數據支撐。

圖5　遙感影像與地質災害信息疊加分析

圖6　GPS軌跡顯示

圖7　三維可視化分析

四、結束語

本文首先介紹了區域地質災害應急監測的技術體系，將資源三號衛星應用于全省地質災害遙感監測工作中，研究了資源三號區域影像RPC模型參數的修正方法，建立了區域地質災害正射影像的快速生產技術方法流程。研究成果已成功應用于山西省突發地質災害遙感監測指揮系統項目的建設中，不僅豐富了該系統的多源影像數據庫，而且為重點地質災害區域的遙感動態監測和分析提供了影像數據支撐，已經在多次區域地質災害應急監測演練和實戰中發揮了重要作用，取得了較好的應用效果。

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[10]陳峰,張錦,曾波.基于圖像代數的資源三號衛星居民地要素變化檢測方法及其有效性評價[J].測繪通報,2015(5):38-41.

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0068-04

作者簡介：于頌(1974—)，男，碩士，高級工程師，主要從事遙感與地理信息系統方面的工作。E-mail：yusong8@sina.com

基金項目：山西省測繪地理信息科技項目(2013K-5)；“山西省突發地質災害遙感監測指揮系統”項目

收稿日期：2015-03-06

引文格式： 于頌，陳峰，張錦. 資源三號衛星在區域地質災害應急監測中的應用——以山西省為例[J].測繪通報，2016(4)：68-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0123.