高分七号与资源三号卫星联合服务机场净空监测_刘冬枝.pdf

测绘通报2023 年第 6 期引文格式:刘冬枝，许庆领 高分七号与资源三号卫星联合服务机场净空监测 J 测绘通报，2023(6):138-141 DOI:10 13474/j cnki 11-22462023 0182高分七号与资源三号卫星联合服务机场净空监测刘冬枝，许庆领(自然资源部重庆测绘院，重庆 401120)摘要:针对机场净空监测 DSM 生产需求，本文基于高精度控制资料对高分七号(GF-7)卫星影像进行立体匹配，得到 DSM 数据，但高层、超高层建筑匹配效果不佳，人工立体编辑工作量较大，因此对 GF-7 与资源三号(ZY-3)卫星影像进行联合区域网平差，采取多视准核线影像匹配、全局优化遮挡检测与视差空洞修补等技术，立体匹配得到高精度 DSM 数据，有效提取出高层、超高层建筑，为机场净空监测提供了基础空间数据。关键词:联合区域网平差;多视准核线影像匹配;全局优化遮挡检测;视差空洞修补中图分类号:P237文献标识码:A文章编号:0494-0911(2023)06-0138-04GF-7 and ZY-3 satellites jointly serve airport clearance monitoringLIU Dongzhi，XU Qingling(Chongqing Institute of Surveying and Mapping，Ministry of Natural Resources，Chongqing 401120，China)Abstract:According to the DSM production requirement of airport clearance monitoring，the DSM data is obtained by stereo matchingof the GF-7 satellite image based on the high-precision control data in this paper The matching effect of high-rise and super high-risebuildings is not good，and the manual stereo editing workload is large Joint block adjustment is performed on the satellite images ofGF-7 and ZY-3，and technologies such as multi-horizon epipolar image matching，globally optimized occlusion detection and parallaxhole repair are adopted to obtain high-precision DSM data by stereo matching The high-precision DSM can effectively extract high-riseand super-high-rise buildings，and provide basic spatial data for airport clearance monitoringKey words:joint block adjustment;multi-horizon epipolar image matching;globally optimized occlusion detection;parallax hole repair随着城市经济的发展，城市化进程不断加快。高层、超高层建筑的出现，为一个城市创造了更多向上发展的张力。对于建有民用机场的城市而言，高层、超高层建筑的存在有可能破坏机场净空1，影响民航飞行的安全。重庆江北国际机场净空保护区包括主城多个行政区域，山地城市复杂的地形条件导致净空环境更加复杂。传统的净空人工巡查方式存在范围大、效率低、滞后性等缺陷，无法有效确保机场净空的安全适航环境。将遥感对地观测技术应用于机场净空管理领域，实现对机场净空保护区内建筑物高度变化情况的周期性监测、超高智能评估和自动预警，可为人工巡查提供指导依据，大幅提高净空巡查效率和质量2。利用高分辨率卫星影像匹配生成高精度 DSM 数据，有效获取机场净空保护区的基础空间数据，是机场净空监测的主要依据。本文首先基于高精度控制资料对高分七号(GF-7)卫星影像进行立体匹配，得到 DSM 数据;然后对 GF-7 与资源三号(ZY-3)卫星影像进行联合区域网平差，采取多视准核线影像匹配、全局优化遮挡检测与视差空洞修补等技术，立体匹配得到高精度 DSM 数据，提取高层、超高层建筑，以期为机场净空监测提供基础空间数据。1GF-7 卫星生产 DSM对 GF-7 卫星的前视、后视影像进行立体影像配对，构建立体模型。基于已收集的高精度控制资料(野外控制点或已有 DOM、DEM 成果等)3-4，开展区域网平差并同步更新平差后 RPC 参数文件，对GF-7 卫星进行全自动立体匹配生成 DSM 数据，然后对 DSM 数据进行水域置平、异常值编辑，得到DSM 初步成果。由于 GF-7 卫星姿态、太阳高度角因素产生的地物阴影5 及小面积地物等降低了高层、超高层建筑831收稿日期:2022-07-13;修回日期:2023-03-25基金项目:自然资源部“自然资源科技创新发展”资助项目(12130041)作者简介:刘冬枝(1985)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为摄影测量与遥感技术。E-mail:380316976 qq com2023 年第 6 期刘冬枝，等:高分七号与资源三号卫星联合服务机场净空监测高度匹配精度，因此为获取高精度建筑物高度，主要利用立体像对成像原理，在立体测量模式下利用视差原理进行建筑物高度核查，对于不满足精度要求的建筑物在立体环境下进行高度立体反演6、人工编辑，得到符合精度要求的 DSM 成果。流程如图 1 所示。图 1GF-7 卫星生产 DSM 流程2GF-7 与 ZY-3 卫星联合生产 DSMGF-7 卫星采用两线阵立体成像模式7-8，分辨率为前视 0.8 m、后视 0.65 m，立体成像效率较高。但相机安装角为前视 26、后视 5，两台相机夹角达31，在建筑物密集地区或地形起伏较大的山区容易发生遮挡，出现一定范围的匹配盲区。ZY-3 卫星采用三线阵立体成像模式9-10，分辨率最高为正视2.1 m，但 3 台相机能够实现视角互补，对于形状简单的建筑物的所有区域，至少需要两个相机，因此，可以更好地保障 DSM 的精度和连续性。GF-7 与ZY-3 卫星的观测范围如图 2 所示。图 2GF-7 与 ZY-3 卫星观测范围根据 GF-7 和 ZY-3 卫星的不同特点11，首先利用 SRTM 数据辅助 ZY-3 卫星的三线阵影像进行数据处理，得到 DSM、DOM 数据12;然后将获取的DSM、DOM 数据作为控制资料，对 GF-7 卫星的两线阵影像进行控制点采集、高精度联合区域网平差13-14;最后对更新 RPC 后的 GF-7 与 ZY-3 卫星影像进行多视准核线影像匹配15-16，生成高精度 DSM数据，对高精度 DSM 数据进行水域置平、异常值编辑、建筑物高度核查反演，得到高精度 DSM 成果。高精度联合区域网平差是联合生产 DSM 的前提。由于 GF-7 与 ZY-3 卫星的分辨率差异达 3 倍以上，因此需要将 GF-7 与 ZY-3 卫星多视立体影像通过 RPC 实现多视坐标映射，在视差层级进行融合处理，以 GF-7 为主，通过全局优化遮挡检测剔除错误匹配17-19，对遮挡区域进行视差空洞修补20，采取多视准核线影像匹配生成连续性良好的高精度DSM。流程如图 3 所示。图 3GF-7 与 ZY-3 卫星联合生产 DSM 流程3联合生产 DSM 试验与分析重庆江北国际机场净空保护区包括主城多个行政区域，约 1020 km2。山地城市地形复杂，以及高层、超高层建筑林立加大了机场净空监测难度。机场净空监测项目前期共收集 8 景 GF-7 卫星立体影像，拍摄时间集中于 2021 年 510 月。将收集到的第三次全国国土调查 DOM 成果作为平面控制资料，实景三维中国建设 DEM 成果作为高程控制资931测绘通报2023 年第 6 期料，建筑物楼层数和层高数据作为建筑物高度核查反演参考资料，经软件自动匹配、人工立体编辑获取机场净空保护区的 DSM 成果。联合生产 DSM 试验补充收集到 6 景 ZY-3 卫星立体影像，拍摄时间集中于 2018 年 6 月2019 年 8 月。为对 DSM 数据进行精度检核，实地测量机场净空保护区内 26 栋建筑物的顶端结构平台高度、顶端墙体高度、顶端最高点高度 21。研究区卫星影像、实测建筑物分布如图4 所示。图 4机场净空保护区卫星影像、实测建筑物分布机场净空监测项目要求，高程精度应优于 5 m。影像弱纹理区域、困难区域及地形变化剧烈区域高程中误差可按 1.5 倍计。高精度检测时，高程中误差的 2 倍为最大限差。同精度检测时，高程中误差的2 2 倍为最大限差。参照实地测量建筑物顶端结构平台高度，GF-7 匹配 DSM 数据高程中误差、最大误差均超限;人工编辑生产 DSM 成果高程中误差为4.16 m，最大误差为7.53 m，满足机场净空监测项目高程精度要求。GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配 DSM数据高程中误差为 4.03 m，最大误差为 9.20 m，满足机场净空监测项目高程精度要求(见表 1)。表 1各匹配方式高程精度m匹配方式误差指标中误差最大误差GF-7 匹配 DSM5.7619.71GF-7 生产 DSM 成果4.167.53GF-7 与 ZY-3 联合匹配4.039.20为对 GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配的 DSM 进行验证分析，将前期机场净空监测项目 GF-7 卫星生产DSM 成果作为参考资料，提取 DSM 建筑物编辑区域作为分析范围，对比 GF-7 卫星匹配的 DSM、GF-7与 ZY-3 卫星联合匹配的 DSM 与前期 GF-7 卫星生产的 DSM 成果的高程差值，见表 2。表 2各匹配方式高程差值占比(%)匹配方式高程中误差范围/m 0，5(5，7.5(7.5，10(10，10 2 (10 2，50(50，100(100，318GF-72494315387GF-7 与 ZY-3 联合5326104511由表 2 可以看出，GF-7 卫星匹配的 DSM，高程中误差范围内占比 24%，1.5 倍高程中误差范围内占比33%，2 倍高程中误差范围内占比 37%，2 2 倍高程中误差范围内占比 40%;GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配的DSM，高程中误差范围内占比53%，1.5 倍高程中误差范围内占比 79%，2 倍高程中误差范围内占比 89%，2 2 倍高程中误差范围内占比 93%。超过2 2 倍高程中误差的占比，GF-7 卫星匹配的 DSM 高达 60%，GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配的 DSM 仅为 7%。该试验结果可以证明，GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配高精度 DSM 高程精度明显优于 GF-7 卫星匹配的 DSM。与 GF-7 卫星匹配的 DSM 相比，GF-7 与ZY-3 卫星联合匹配的高精度 DSM 可以有效提取出高层、超高层建筑，减少建筑物高度核查反演、人工立体编辑工作量。试验收集到的 ZY-3 卫星影像时相较旧，理论上与 GF-7 卫星时相间隔期间新增的建筑物不能得到有效改善，收集更新时相的 ZY-3 卫星影像，GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配的高精度 DSM 高层、超高层建筑提取效果更好。GF-7 卫星匹配 DSM及 GF-7 与 ZY-3 卫星联合匹配 DSM 的平面渲染结果如图 5 所示，三维视图如图 6 所示。4结语机场净空监测项目通过将遥感对地观测技术应用于机场净空管理领域，实现了机场净空保护区域内建筑物高度变化情况的周期性监测、超高智能评估和自动预警，大幅提高了净空巡查的效率和质量。对 GF-7 与 ZY-3 卫星进行联合区域网平差，采取多视准核线影像匹配、全局优化遮挡检测与视差空洞修补等技术，匹配得到高精度 DSM 数据，有效提取出高层、超高层建筑，全面提升了 DSM 数据生产的自动化程度与效率，为机场净空监测提供了基础空间数据，有效保障了机场安全适航的净空环境。0412023 年第 6 期刘冬枝，等:高分七号与资源三号卫星联合服务机场净空监测图 5平面渲染结果图 6三维视图参考文献:1童矿，宋洋，孔祥芬 机场净空区建筑物的识别与监测 J 测绘通报，2022(3):127-131 2杨盛华，尹洋，郭欣萌，等 基于多源遥感数据的净空区建筑物三维动态监测J 测绘通报，2019(S1):105-109 3赵文普，刘钰，吴晓春，等 利用高分七号卫星开展1 10 000 立体测图精度验证 J 测绘科学，2022，47(1):165-171 4唐新明，刘昌儒，张恒，等 高分七号卫星立体影像与激光测高数据联合区域网平差 J 武汉大学学报(信息科学版)，2021，46(10):1423-1430 5刘晓忠，冯存均，邓小渊，等 亚米级遥感影像的建筑物高度反演方法及其验证J 测绘通报，2022(8):128-132 6陈冲，杨志勇，史晓亮，等 基于 Google Earth 遥感影像的城市建筑物高度反演 J 测绘通报，2020(1):98-101 7徐红“高分七号”来了 1 1 万地形图全覆盖还远吗 访高分专项应用系统副总设计师、自然资源部国土卫星遥感应用中心总工程师唐新明J 中国测绘，2020(10):13-17 8曹海翊，戴君，张新伟，等“高分七号”高精度光学立体测绘卫星实现途径研究J 航天返回与遥感，2020，41(2):17-28 9曹海翊，刘希刚，李少辉，等“资源三号”卫星遥感技术 J 航天返回与遥感，2012，33(3):7-16 10 唐新明，王鸿燕，祝小勇 资源三号卫星测绘技术与应用 J 测绘学报，2017，46(10):1482-1491 11 唐新明，王鸿燕 我国民用光学卫星测绘产品体系的建立与应用 J 测绘学报，2022，51(7):1386-1397 12 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