GF-1卫星影像几何校正精度评价及其在矿山地质环境调查中应用 Evaluation of Geometric Correction Accuracy of GF-1 Satellite Image and Its Application in Mine Geological Environment Survey

doi:10.12677/GST.2017.51003

Geomatics Science and Technology
Vol.05 No.01(2017), Article ID:19654,7 pages
10.12677/GST.2017.51003

Evaluation of Geometric Correction Accuracy of GF-1 Satellite Image and Its Application in Mine Geological Environment Survey

Yushu Cheng, Baocun Wang, Zaiqiang Liao

●How to Cite this Article

Institute of Surveying Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo-Exploration and Mineral Development, Zhengzhou Henan

Received: Jan. 2^nd, 2017; accepted: Jan. 22^nd, 2017; published: Jan. 25^th, 2017

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ABSTRACT

In this paper, the accuracy of multi-order rational polynomial geometric correction is evaluated through the preprocessed of the GF-1 images. We select the optimal calibration model, obtain the high accuracy digital orthophoto map, then interpret the mine geological environment features, to provide basic data for the investigation of mine geological environment.

Keywords:GF-1, Geometric Correction, Investigation of Mine Geological Environment, Remote Sensing Interpretation, Comprehensive Statistics

GF-1卫星影像几何校正精度评价及其在矿山地质环境调查中应用

程玉书，汪宝存，廖在强

河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南郑州

收稿日期：2017年1月2日；录用日期：2017年1月22日；发布日期：2017年1月25日

摘要

本论文通过对经过预处理的高分一号影像进行多阶次有理多项式几何校正结果进行精度评价，选择最优校正模型，获取高精度的数字正射影像图，然后进行矿山地质环境遥感解译，为矿山地质环境调查提供基础数据。

关键词 :高分一号，几何校正，矿山地质环境调查，遥感解译，综合统计

1. 前言

“高分一号”于2013年4月26日在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射，配置了2台2米分辨率全色/8米分辨率多光谱相机，4台16米分辨率多光谱宽幅相机。目前，已经在地理测绘、地质调查、海洋和气候气象观测、水利和林业资源监测、城市和交通精细化管理，疫情评估与公共卫生应急、地球系统科学研究等领域发挥了重要作用。

矿产资源开发引发的矿山环境地质问题已成为影响矿山正常生产和人居生态环境安全的重要因素 [1] 。为了最大程度地减少、减轻矿业开发对矿山地质环境的负面影响，需要进行调查，摸清已存在的矿山地质环境问题，分析成因以及发展趋势，更好的提出防治对策。高分一号影像空间分辨率达到了2米，优于相关规范要求的2.5米 [2] ，可以用于1:5万比例尺的矿山地质环境调查。

2. GF-1卫星数据预处理

项目选择两景影像进行处理，分别为：GF1_PMS2_E113.5_N35.2_20151102_L1A0001146932和GF1_PMS2_E113.6_N35.5_20151102_L1A0001146931，属于时相较新的存档数据，满足矿山地质环境调查对影像时相的要求。

数据预处理主要是大气校正、多光谱/全色影像正射校正、多光谱和全色影像融合、镶嵌。

(1) 大气校正

在ENVI5.2中，直接支持高分一号多光谱和全色数据的辐射定标和大气校正。

使用Radiometric Calibration工具，对光谱和全色数据进行辐射校正，设置其中的几个参数，包括定标类型、存储顺序和辐射亮度单位；

应用FLAASH Atmospheric Correction工具对前面辐射定标好的数据大气校正，设置传感器基本信息，包括：成像中心点经纬度、传感器高度、像元大小、成像区域平均高度、成像时间、能见度；大气模型和气溶胶模型，根据经纬度和影像区域选择；气溶反演方法选择None。

(2) 多光谱、全色影像正射校正

高分一号的L1A级包括了RPC文件，在经过了辐射定标、大气校正等处理，ENVI会自动将RPC嵌入处理结果中。可以直接使用正射校正工具进行处理。启动RPC Orth rectification Workflow工具，选择多光谱、全色数据辐射定标结果，其中DEM使用ENVI自带DEM，输出像素大小分别填写8、2，输出获得正射校正后的成果文件。

(3) 多光谱和全色影像融合

影像融合可以分为像素级图像融合、决策级图像融合、特征级图像融合三个层次。本项目所采用的融合方法是基于像素级融合层次上的，主要方法有主成分变换、Brovey变换、Gram-Schmidt变换、HSV变换和NNDiffuse pan变换等。崔佳洁、王晓绵等认为Gram-Schmidt法各项指标最优，不仅保持了原来的光谱特性，且信息失真小，融合效果最为理想 [3] [4] 。

在Toolbox中，启动Gram-Schmidt变换，分别选择多光谱和全色数据进行数据融合处理，获得工作区的融合后影像。

(4) 镶嵌

在两景影像重叠区内选择同名点作为镶嵌控制点，使两景影像同名地物严格对准，并进行亮度匹配，使其过渡自然，不存在明显的拼接缝。

使用ERDAS Imagine软件勾画镶嵌线，使用Mosaic tools工具进行镶嵌处理，获取能够覆盖整个工作区的完整影像。

3. GF-1影像几何校正

中国资源卫星应用中心为方便用户使用有理函数模型进行正射处理，分发的1A级GF-1卫星图像自带有RPC参数文件，但其精度只能到达相当于影像直接对地目标定位的精度，后期需要增加地面控制点对RPC参数进行几何纠正以满足项目应用实际需要 [5] 。

控制点布设主要遵循以下主要原则：一，控制点能够控制整个工作区，均匀分布，边界要有控制点；二，选择线条轮廓比较清晰的地物交叉点或拐点作为控制点(如房角、道路交叉口、桥梁等明显且较为固定的地物标志点)；三，对于山区等控制点很难选择的地方一定要有控制点，可选择走向明显的山脊交叉点或拐点作为控制点。

本项目中按照上述原则布设控制点，控制点点位均布设在较为明显、容易识别的道路交叉口，见图1。

使用Erdas Imagine软件的Geometric Correction工具进行几何校正，选择使用多项式函数进行几何校正，参考数据使用实测的地面控制点，一阶、二阶、三阶多项式模型结果对比见图2。

通过进行一、二、三阶多项式的结果对比，发现采用三次多项式校正残差为0.4202 (即0.84米)，小于1个像素 [6] ，已经能够满足项目精度要求。

4. 在矿山地质环境调查中应用

使用经过几何校正的影像作为矿山地质环境调查用工作底图，进行矿山地质环境遥感解译，首先是通过野外踏勘建立解译标志，其次是根据解译标志进行解译、信息提取，包括：矿山开采、中转场地、固体废弃物、矿山建筑等要素占地、地质灾害要素、矿山环境恢复治理要素等内容，最后是进行综合统计和分析。

(1) 建立解译标志

建立遥感解译标志是解译工作的关键之一。遥感解译标志根据各类地物的影像标志直接进行地物解译，并确定其类别，这些标志包括遥感图像上反映地物反射光谱特征的颜色信息、形态信息和综合信息。

在充分收集和分析工作区地质资料的基础上，通过野外实地踏勘、遥感图像上对已知矿山地质环境要素的识别，根据地物波谱特征和空间特征，分别建立各类矿山地质环境要素的遥感解译标志，见表1。

(2) 信息提取

进行人机交互解译前，充分利用了各类矿山地质环境要素的光谱差异，利用监督分类、非监督分类等方法，对各类矿山地质环境要素进行一些分类处理工作。

在建立解译标志的基础上，采用计算机自动提取和人机交互解译相结合的方式，在正确建立各类矿

Figure 1. Photos of control point layout and measurement

图1. 像控点布设和测量照片

Figure 2. One order (four points), two order (eight points), three order (sixteen points) comparison of polynomial model results

图2. 一阶(4点)、二阶(8点)、三阶(16点)多项式模型结果对比

Table 1. Remote sensing interpretation symbol

表1. 遥感解译标志特征表

山地质环境要素解译标志的基础上，在处理好的数字正射影像图上进行解译。

(3) 综合统计和分析

经过外业核查，修编完成遥感解译数据。针对解译数据，按照地形地貌景观破坏、土地资源占用两种方式进行统计和分析。

(A) 地形地貌景观破坏

按照开采面、中转场地、固体废弃物、矿山建筑四类占地方式进行综合统计，共有占地105处，其中有2处采场，72处中转场地，25处固体废弃物，6处矿山建筑，占地面积见表2，统计图见图3。

(B) 土地资源占用

按照土地利用现状分类(一级类)方式进行综合统计，矿业活动占用了耕地、园地、林地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地、住宅用地、工矿仓储用地和公共管理与公共服务用地等9类，占地面积见表3，统计图见图4。

5. 结论

(1) 对GF-1影像数据采用多项式函数模型进行几何校正，通过分别选择16个点进行比较，控制点分布均匀，能够控制整个工作区，采用三阶函数时，残差达到0.4202，小于1个像素，满足相关规范要求。

Table 2. Statistical table of landscape destruction

表2. 地形地貌景观破坏统计表

Table 3. Land resources occupation statistics

表3. 土地资源占用统计表

Figure 3. Landscape destruction distributuion map

图3. 地形地貌景观破坏分布图

Figure 4. Distribution map of land resources occupied area

图4. 土地资源占用面积分布图

(2) GF-1影像纹理清晰，层次分明，信息丰富，地物识别度高，可以有效的提高遥感解译的准确率。

(3) GF-1影像完全可以准确、客观、实时地解译出矿山地质环境要素及环境恢复治理状况，能够为相关的管理部门提供基础数据和决策依据。

基金项目

“河南省国土资源厅2014年度河南省‘两权价款’地质科研类项目——基于HNGICS系统在采矿区三维形变监测技术研究”(豫国土资函(2015)258号文件)资助。

文章引用

程玉书,汪宝存,廖在强. GF-1卫星影像几何校正精度评价及其在矿山地质环境调查中应用
Evaluation of Geometric Correction Accuracy of GF-1 Satellite Image and Its Application in Mine Geological Environment Survey[J]. 测绘科学技术, 2017, 05(01): 15-21. http://dx.doi.org/10.12677/GST.2017.51003

参考文献 (References)

1. 徐友宁. 矿山地质环境调查研究现状及展望[J]. 地质通报, 2008(8): 1235-1244.

2. 《矿山地质环境调查评价规范》DD2014-05.

3. 崔佳洁, 李世明. 高分一号卫星影像的融合方法比较研究[J]. 黑龙江工程学院学报. 2015, 29(3): 12-15.

4. 王晓绵, 姜芸. 高分一号遥感卫星影像融合及质量评价方法研究[J]. 测绘与空间地理信息, 2015, 38(8): 178-179, 182.

5. 黄世存, 吴海平, 曾湧, 等. 高分一号卫星多光谱影像正射精度验证与分析[J]. 测绘科学, 2016(3): 54-57.

6. 《矿产资源开发遥感监测技术规范》(DZ/T 0266-2014).

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