“高分二号”卫星在西藏矿山遥感监测中的应用研究

西藏自治区海拔高、地形起伏大,利用优于1m分辨率卫星影像监测当地的矿业开发活动存在较多难点。文章以墨竹工卡重点矿集区为例,通过影像的正射校正、融合镶嵌、几何校正、信息提取等处理工作,完成了基于"高分二号"(GF-2)卫星影像的1∶1万比例尺矿山遥感监测工作。通过与国际多元多尺度卫星影像的对比研究,GF-2卫星影像对于开采硐口的识别、开采面及开发占地性质的确定、水体污染现象的识别等矿山开发信息提取的准确率有了明显提高,完全能够满足1∶1万尺度矿山遥感监测技术要求,在替代国际同等分辨率商业卫星数据的同时,亦可节省大量的野外验证工作,具有显著的社会经济效益。     

有理函数模型在光学卫星影像几何纠正中的应用

分析了中国光学卫星影像的严密成像几何模型,并采用有理函数模型(RFM)拟合严密成像几何模型,分别对"资源二号"两景影像(平原与山区)和"遥感二号"一景影像进行了几何纠正试验。试验中,参考相应地区1∶10 000数字正射影像(DOM)选取一定数量的控制点用于精化有理函数模型参数,结合相应地区1∶10 000数字高程模型(DEM)对影像进行正射纠正,纠正精度反映了RFM拟合严密成像几何模型的正确性,但同时也反应了中国光学卫星与法国、美国光学卫星在内检校工作上的差距。     

"高分三号"卫星图像干涉测量试验

由于自然或人工建造引起的形变可能引发灾难,对其进行形变量监测非常必要,合成孔径雷达(SAR)技术与传统监测技术相比,可以实现全天候对地观测,并监测地表的形变。"高分三号"(GF-3)卫星作为中国国首颗SAR卫星,是否具有干涉测量的能力以及精度尚待验证,为此文章利用GF-3卫星SAR数据对河南省登封市周边地区进行二轨差分干涉处理,获取了该地区的地表形变图。结果表明地表相对沉降量为±0.03m,验证了GF-3卫星作为SAR卫星具有了干涉测量(InSAR)的能力。针对GF-3卫星数据由于轨道误差引起的平行条纹导致相位解缠效果不好的问题,提出利用SRTM(Shuttle Radar Topograpty Mision)DEM高程作为所选样本点的高程,选取5个地面控制点,消除了由于轨道误差引起的平行条纹,提高了反演的形变量精度;GF-3卫星与技术成熟的"哨兵一号"卫星同一测区数据对比,形变信息大致相同。GF-3卫星作为一颗SAR新星具有干涉测量的能力,同时精度上也满足监测的需求。     

“高分四号”卫星影像辐射与几何精度评价

"高分四号"(GF-4)卫星是中国首颗高分辨率静止轨道面阵凝视光学遥感卫星,载荷首次采用面阵CMOS探测器在36 000km高轨成像、基于面阵成像构建在轨相对辐射校正模型、面阵相机光学畸变在轨检校。文章首先分析了影响GF-4卫星影像辐射质量(quality,以下同)与几何精度的关键因素,然后介绍了高轨面阵成像处理模型的构建技术,最后分析评价了GF-4卫星影像的辐射质量、几何质量和处理精度。结果表明:GF-4号卫星全色多光谱影像的平均行标准差、平均标准差和广义噪声等相对辐射精度指标均优于3%,典型地物信噪比平均优于40d B。影像内部畸变在垂轨和沿轨方向均优于0.8个像素。     

旋转森林算法在GF-2卫星影像土地利用分类中的应用

"高分二号"(GF-2)卫星影像中精细的空间信息可用于高精度的土地利用分类研究。为了获取基于GF-2卫星影像土地利用分类的最优特征空间,以及将旋转森林算法应用于提高遥感影像分类精度中,文章利用GF-2卫星影像数据,基于光谱特征(4个多光谱波段和1个全色波段)、指数(植被指数、水体指数及简单比值指数)和变换成分(主成分、最小噪声分离成分与独立成分)构建特征空间,应用基于决策树的旋转森林算法构建面向对象的分类规则集,进行土地利用分类,并与最近邻和决策树算法的分类结果对比分析。结果表明,结合光谱特征、几何特征和纹理特征,采用旋转森林算法得到的分类总体精度为84.85%,Kappa系数为0.819;引入指数、变换成分后分类总体精度提高4.90%,Kappa系数提高0.058;相比于最近邻分类器和决策树分类器,结合旋转森林思想的决策树分类器总体精度分别提高11.97%和15.44%,Kappa系数分别提高0.142和0.184。研究结果可为中国高分辨率卫星影像的信息提取及基于旋转森林算法的土地利用分类研究提供参考。     

“高分二号”卫星数据面向对象的海岸线提取法

"高分二号"(GF-2)卫星的成功发射是中国遥感事业发展的重大突破,标志着中国遥感卫星进入亚米级时代。由于兼具高辐射精度、高定位精度和快速机动能力等特点,GF-2卫星数据应用于海岸线提取将极大提高提取的精度和速度。现有的遥感解译海岸线方法主要有阈值分割法、边缘检测法、区域生长提取法、神经网络法和面向对象法等,其中面向对象法是一种新兴的遥感图像解译方法,该方法通过对影像的分割,使同质像元组成大小不同的对象,从而实现较高层次的遥感图像分类和目标地物提取。文章以深圳大鹏半岛GF-2卫星数据为例,通过对影像进行正射校正、配准、融合和裁剪等预处理,再采用面向对象方法对海岸线进行了提取,并对入海河流河口处的海陆分界线划分进行了初步研究。研究结果表明,将海岸线提取结果与GF-2卫星遥感影像叠加进行验证,结果可靠,且所耗时间短,效率高。     

基于改进的切比雪夫多项式轨道的 SAR影像正射纠正

在利用SAR(合成孔径雷达)严格几何模型(距离-多普勒)进行影像正射纠正时,为消除卫星轨道误差对影像正射纠正精度的影响,提出了一种新的卫星轨道模型——切比雪夫多项式。首先利用切比雪夫多项式对SAR影像元数据中提供的若干卫星轨道状态矢量进行拟合,以获得影像成像期间内卫星轨道状态矢量关于时间的函数关系式;然后利用少量地面控制点修正切比雪夫多项式拟合的参数;最后将修正之后的卫星轨道模型用于SAR严格几何模型的正射纠正,从而提高正射纠正影像的定位精度。结合SAR的几何成像参数、数字高程模型,选择广西桂林某地区的Radarsat-2卫星拍摄的SAR影像进行试验,利用所提出的方法与传统正射纠正方法进行对比,试验结果得出正射纠正精度在40m以内,定位精度优于传统方法。     

“高分二号”卫星多光谱与全色影像配准策略

"高分二号"(GF-2)卫星能够提供空间分辨率优于1m的全色影像和优于4m的多光谱影像,可以作为高精度土地基础数据采集的影像数据源之一。针对多光谱与全色影像配准精度对后续数据处理和应用影响较大的问题,文章分别采用原始多光谱与全色影像的自动配准和纠正后配准两种方法,对比不同策略的配准精度,结合土地资源遥感调查监测的相关技术规程,形成GF-2卫星多光谱与全色影像配准策略。对10景山区和平原区完整景GF-2卫星影像进行了试验,结果表明,原始多光谱与全色影像自动配准方法不仅能保证配准精度,而且能缩短影像预处理完成时间,是规模化数据应用中较好的配准策略。     

基于RPC模型的星上遥感卫星影像快速正射纠正

针对基于有理多项式系数(rational polynomial coefficients,RPC)的逐点法正射纠正计算量繁复、影像耗时过长,不能满足大数据量的卫星影像数据星上快速正射纠正的需要等问题,提出了基于像平面坐标的二维直接线性变换(DLT)光学遥感卫星影像星上快速正射纠正的方法。考虑到影像正射的精度和可靠性等需求,探究采用二维DLT进行影像正射的算法策略,并与逐点法正射纠正进行对比试验,在减小影像正射纠正的计算量、提高影像正射的速度和效率的情况下,尽可能保证正射的精度。试验结果表明:通过对比分析二维DLT的精度和效率,基于像平面坐标对应关系的二维DLT光学遥感卫星影像星上快速正射纠正理论及方法切实可行。     

基于开源GIS数据的广域小重叠卫星影像定位模型精化

设计了一种适用于大区域、小重叠卫星影像有理多项式模型(RPC)定位精度优化的技术流程,基于开源数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)数据和RPC几何模型约束,通过优化尺度不变特征变换(SIFT)特征提取与匹配算法,实现了无像幅约束的控制点和连接点的快速稳健匹配,应用DEM支持下的RPC模型二维区域网方法实现了多景影像RPC模型精度的联合精化。GF-1卫星WFV影像的实验结果表明:在DEM支持下经过区域网平差后,RPC模型的定位精度可达到像素级水平。     

基于RFM模型的叠掩区域定位方法

星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)是侧视成像,地形起伏较大区域的影像会发生叠掩现象,导致SAR影像信息丢失,通常采用叠掩补偿解决上述问题。而当前叠掩区域定位方法受数字高程模型(digital elevation model,DEM)精度、相干斑噪声等因素影响,且计算复杂,难以满足快速处理要求。针对上述问题,文章提出一种于基于有理函数模型(rationalfunctionmodel,RFM)的叠掩区域定位方法,首先将DEM重采样到与SAR正射影像相同分辨率;随后计算DEM像元对应的影像坐标;接着统计像方单个像元对应物方单元的个数,大于2时判定为叠掩区域;最后对生成的掩膜进行编辑,生成最终掩膜。并通过中国"高分三号"卫星SAR的全极化条带1(full polarized strip 1)QPSI模式获取的两景影像进行试验验证,结果表明,该方法受DEM影响相对较小,升降轨叠掩试验中补偿率达到99.01%,方法可靠、可行,为SAR技术在航天遥感应用中提供技术保障。     

“高分四号”卫星面阵凝视相机超分辨技术

"高分四号"(GF-4)卫星是中国首颗高分辨率地球静止轨道卫星,在防灾减灾、环境监测、天气预报等领域具有重大的应用价值。GF-4卫星相机采用面阵探测器,具有凝视观测、时间分辨率高等特点。根据GF-4卫星的成像特点,对GF-4卫星影像进行超分辨重建,可得到分辨率更高的卫星影像。文章针对遥感影像超分辨率重建需要解决的三个问题:图像配准、点扩散函数(Point Spread Function,PSF)的准确测量和超分辨率重建算法进行了研究。使用了精确测量PSF的改进凸集投影超分辨重建方法对GF-4卫星在轨图像进行了验证。测试结果表明,经超分辨重建后的影像在保持清晰度和信息细节的同时,分辨率得到了较大提高。该方法在面阵凝视空间相机遥感图像的超分辨重建领域具有良好的应用前景。     

“高分二号”卫星影像融合方法对比和评价

由于融合处理方法的原理以及获取影像的传感器特性不同,目前尚没有某种融合方法能适用于所有类型的影像。为了探究适用于"高分二号"(GF-2)卫星影像的融合方法,文章以GF-2卫星影像全色与多光谱数据为数据源,采用Brovey、PCA、GS、HPF、NNDiffuse五种融合方法对全色和多光谱数据进行融合处理,以主观评价和定量分析相结合的方式对影像融合结果进行综合对比和评价。试验结果表明,HPF变换法的融合影像光谱畸变最小,光谱信息保持最好;NNDiffuse变换法的综合效果最好,其在可见光波段的融合效果方面很突出;而在近红外波段的融合上,可以考虑PCA法和GS法。文章的研究成果可对GF-2卫星影像数据的融合处理及应用提供参考。     

“高分二号”卫星数据在遥感地质调查中的初步应用评价

"高分二号"(GF-2)卫星是迄今为止中国研制的空间分辨率最高的民用遥感卫星,标志着中国民用遥感卫星进入亚米级"高分时代"。为了更好地了解卫星的应用性能,充分发挥和利用好GF-2卫星数据在地质矿产调查工作中的应用,尤其是在条件艰苦地区和境外区域。文章利用GF-2卫星在新疆哈密地区的相关影像数据开展了遥感地质调查应用评价,从数据处理、地质构造信息提取、地层及岩体等岩性信息的识别,以及可识别地质体精度等方面分别进行评价。结果表明,GF-2卫星数据能有效地划分遥感影像地质单元、识别地质构造空间展布特征,很好地满足优于1∶25 000尺度的遥感地质调查工作,可为地质矿产资源调查及评价提供强有力的数据支撑。     

“高分二号”卫星数据遥感滑坡灾害识别研究——以云南东川为例

标志着中国遥感卫星进入亚米级"高分时代"的"高分二号"(GF-2)卫星在太原成功发射,它将为地质灾害调查提供可靠的数据支持。文章以滑坡灾害频发的云南东川区为研究对象,首先对GF-2卫星采集的研究区数据进行正射校正、配准、融合和裁剪等预处理;然后采用面向对象的分类方法,通过影像分割、合并分块,并结合滑坡灾害的光谱、纹理和数字高程模型等多种信息特征,建立滑坡灾害识别规则,实现滑坡信息的遥感分类;最后对分类结果进行误分对象剔除,得到研究区滑坡信息。结果显示,利用GF-2卫星数据可以较好地提取滑坡灾害信息,基本满足滑坡的灾害识别要求。文章通过面向对象的滑坡灾害特征提取所输出矢量结果可以方便地计算出滑坡的面积,对滑坡研究提供了极大的便利。     

分块变换和GPU并行的遥感影像快速正射校正方法

正射校正是整个遥感数据处理过程中计算量最大、耗时最长的步骤之一,已经成为制约整个遥感数据处理快速完成的瓶颈。为了提高正射校正处理效率,文章系统地探讨了基于分块三维直接线性变换和图形处理单元(GPU)并行的遥感影像快速正射校正方法。首先针对正射校正坐标转换计算量过大的问题,提出了分块三维直接线性变换策略,有效地降低了坐标转换的计算量;在此基础上,采用"渐进式"策略开展GPU并行处理,首先通过GPU并行映射(核函数任务映射、基本设置),使方法在GPU上可执行,然后通过"两层次"性能优化(核函数性能优化、整体流程性能优化),进一步提高了方法的执行效率。在CPU和GPU组成的实验环境中,使用文中方法对"高分二号"卫星全色标准景影像进行实验,GPU执行时间仅为5.13s,与CPU相比,相应加速比达到142.42倍,可以满足对大数据遥感影像的快速正射校正需求。     

基于“高分二号”卫星影像的砂金矿区环境地质调查

砂金开采带来了严重的环境地质问题,开展砂金矿区环境地质调查研究对于砂金矿区环境评价、监管和治理等具有重要的意义。文章以东北珲春河中游砂金矿区为研究区,基于"高分二号"(GF-2)卫星遥感影像,采用监督分类和人工修正后处理的方法开展了矿区环境地质要素提取研究。以野外实地调查修正收集的矿区环境地质要素成果作为参考数据,对提取精度进行评价,将提取结果和参考数据进行对比分析发现,尾矿堆和采矿坑的提取总精度达到95%。分析结果表明GF-2卫星影像对砂金矿区环境地质要素具有较好的识别能力,能够满足矿区环境地质调查的需求。     

基于RFM与平面高程控制分离的立体定位研究

星载激光测高技术应用于高分辨率光学立体测绘卫星,辅助航天摄影测量以提高卫星几何精度将成为一种重要的技术手段。针对复合测绘这一思路,文章基于有理函数模型(rational function model,RFM)进行立体定位研究。初步建立了高分辨率遥感卫星基于平面控制和高程控制数据分离的区域网平差模型,以天津地区"资源三号"卫星影像作为试验数据,并利用直接前方交会定位模型、RFM系统误差补偿模型、立体区域网平差模型对构建的模型进行精度验证。试验结果表明,基于平面控制和高程控制数据分离的区域网平差可以提高卫星影像的几何定位精度,且精度与其它模型相当,证明了平面高程控制数据分离进行RFM区域网平差的有效性和可行性。     

GF-2卫星影像在土地变更监测中的适用性及潜力分析

为进一步推广国产卫星遥感影像数据在国土资源行业中的应用,针对土地利用监测与现状变更调查业务需要,探索"高分二号"(GF-2)卫星数据在土地利用动态监测与现状变更调查工作中的适用性及其潜力。以四川隆昌县金鹅镇为研究区,通过定性、定量评价原始影像数据质量,对比分析同级数据,结合多方法提取变更信息,从不同角度测试其变化监测能力。结果显示,GF-2卫星数据地物清晰,光谱信息丰富,目标解译性较好,影像效果优于"高分一号"(GF-1)和SPOT6数据;主成分分析法和光谱变异法的结合可快速发现影像上的变化信息,GF-2卫星影像能满足土地利用变更监测的需求,具有较大潜力及价值。     

基于FPGA的星上影像正射纠正

传统的遥感影像正射纠正需要等待遥感影像下传到地面接收站后才能处理,这已不能满足用户对影像处理时效性的要求,为了解决这一问题,文章研究了一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的星上正射纠正实时处理平台。基于FPGA的正射纠正平台采用模块化设计,主要包括外方位解算模块、旋转矩阵计算模块、坐标转换模块和插值模块。通过对SPOT6影像数据进行实验,比较了基于FPGA平台的正射纠正和基于高性能计算机平台的正射纠正的纠正精度和处理速度。实验结果表明基于FPGA平台的正射纠正的精度在1个像素以内,满足纠正要求;基于FPGA平台的正射纠正速度是基于高性能计算机平台的正射纠正速度的4.3倍。利用FPGA进行正射纠正能够提高纠正速度,并能保证纠正精度,具有广阔应用前景。