使用MASI最新版軟件對(duì)當(dāng)前最高分辨率商業(yè)衛(wèi)星Pléiades Neo 30 cm三視立體進(jìn)行全流程處理

本文使用MASI最新版軟件對(duì)全球最高分辨率商業(yè)衛(wèi)星Pléiades Neo 30 cm三視立體影像進(jìn)行全流程處理，處理生成融合影像、高精度高密度DSM、DEM、DOM、三維實(shí)景模型等，成功實(shí)現(xiàn)了測繪產(chǎn)品制作（DSM/DEM, DOM等）、建筑物高度屬性信息提取、高密度城區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)制作等應(yīng)用。

一、Pléiades Neo衛(wèi)星星座介紹

Pléiades Neo是目前最先進(jìn)的光學(xué)遙感衛(wèi)星星座，建成后將包括四個(gè)均為30cm

地面分辨率衛(wèi)星，整個(gè)星座且具有極高反應(yīng)能力和數(shù)據(jù)獲取能力。完全由空中客車公司投資、制造、擁有和運(yùn)營的Pléiades Neo是對(duì)地觀測領(lǐng)域的一個(gè)突破。

Pléiades Neo星座最大特點(diǎn)是擁有30公分地面分辨率，且每個(gè)衛(wèi)星均為敏捷星。衛(wèi)星為太陽同步軌道，降點(diǎn)時(shí)間為10:30 am，飛行高度620 km；可獲取單視、立體及三視立體影像。因?yàn)槊艚菪牵哂卸喾N獲取方式，如同軌道多角度等。每天可最多獲取2×10⁶ km²覆蓋范圍影像。可獲取包括深藍(lán)、藍(lán)、綠、紅、紅邊（Red Edge）、近紅外和全色等多個(gè)波段。

Pléiades Neo可廣泛應(yīng)用于防務(wù)、資訊情報(bào)獲取、海洋應(yīng)用、城市應(yīng)用及測繪制圖等應(yīng)用，其中測繪應(yīng)用方面，Pléiades Neo影像可生產(chǎn)制作DSM、DEM、正射影像、點(diǎn)云、三維模型等；因其較高地面地面分辨率和定位精度，可實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的1:2000大比例尺測圖。更多信息請(qǐng)參考空客防務(wù)公司官方網(wǎng)站。

二、MASI 最新版軟件介紹

航空與衛(wèi)星影像自動(dòng)處理軟件MASI 最新版v5.6軟件具有航空影像、ADS影像、衛(wèi)星影像和無人機(jī)影像處理多個(gè)主要處理步驟。針對(duì)以上傳感器，具有全自動(dòng)高密度DSM（包括點(diǎn)云）生成、實(shí)景三維建模、正射影像生成、自動(dòng)鑲嵌、DSM自動(dòng)轉(zhuǎn)換成DEM（DSM減去DEM即為房高、樹高提取）、高度變化自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、體積計(jì)算、建筑物屬性（樓高、樓層數(shù)、樓中心位置、地面面積和建筑面積等）自動(dòng)提取、影像顯示、DSM/DEM交互式編輯、多邊形采集等功能。衛(wèi)星影像處理模塊還具備多種自動(dòng)定向（相對(duì)定向、與正射影像匹配提取控制點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)定向與平差）、交互式匹配點(diǎn)檢查和點(diǎn)量測、控制點(diǎn)量測與平差、影像融合功能。

使用MASI Version v5.6軟件可加工生成密集點(diǎn)云、DSM、真實(shí)色彩紋理的三維模型（Mesh模型）、DEM, nDSM, 正射影像、全色和多光譜融合影像、鑲嵌影像、高度變化圖、具備建筑物屬性的矢量文件、體積數(shù)值等。該軟件可應(yīng)用于以下場景：

1）測繪產(chǎn)品制作（點(diǎn)云、DSM, DEM,（真）正射影像、融合影像等）；

2）新建、超建、違建、拆除建筑物的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)及高度精確提取（通過高度變化自動(dòng)發(fā)現(xiàn)建筑物新建、超建、違建、拆除等變化情況）；

3）建筑物和樹高度提取、白模建模；

4）土石方、地表礦產(chǎn)資源開采量、地面物體（貨物、干散貨、垃圾、木頭、草垛等）堆積量等估算、蓄水量、打擊評(píng)估；

5）實(shí)景三維建模；

6）衛(wèi)星影像遙感監(jiān)測；

7）新城、居住小區(qū)、大型工程建設(shè)進(jìn)度等各種高度發(fā)生變化的監(jiān)測應(yīng)用；8）征地和拆遷預(yù)算、工作量估算等；

9）房屋保險(xiǎn)、商業(yè)和軍事情報(bào)收集等；

10）建筑小區(qū)容積率計(jì)算；等等。

關(guān)于MASI最新版v5.6，見鏈接↓↓↓

最新版航空與衛(wèi)星影像自動(dòng)處理軟件MASI

三、處理流程與結(jié)果

整個(gè)流程主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理、高分辨率全色與多光譜影像融合、全自動(dòng)定向平差、密集立體匹配與DSM生成、DEM2DEM及建筑物屬性自動(dòng)提取、正射糾正、實(shí)景三維模型生成等步驟。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理

該數(shù)據(jù)集由同軌道獲取的前視、下視和后視三個(gè)視角組成，每個(gè)角度分別包含全色和多光譜波段；其中，下視全色影像大小為46913 x 94241，因其分辨率為30公分，下視影像覆蓋地面范圍約為15km x 28 km，面積約420 km²，面積較大。經(jīng)過后述的解壓和分塊拼接等預(yù)處理后，下視全色影像解壓后占用存儲(chǔ)大小為8.2 GB （采用無符號(hào)16位存儲(chǔ)像素值），下視3波段真彩色影像解壓后占用存儲(chǔ)大小約1.6 GB。因此，整個(gè)數(shù)據(jù)集的覆蓋地理范圍和占用的存儲(chǔ)空間均較大。

為便于更好地在MASI軟件進(jìn)行融合、定向平差、密集匹配、糾正等后續(xù)處理，需對(duì)廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓、分塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的拼接和存儲(chǔ)RPC參數(shù)文件格式轉(zhuǎn)換。需分別為每個(gè)視角的全色、多光譜影像進(jìn)行拼接。將廠家提供的XML格式存儲(chǔ)RPC參數(shù)文件轉(zhuǎn)換普遍采用的文本格式RPC參數(shù)文件，后續(xù)處理均采用文本格式RPC參數(shù)文件。

經(jīng)過上述預(yù)處理以后，使用MASI軟件中生成影像矢量邊框工具為前、下、后三個(gè)視角生成相應(yīng)的矢量邊框，并疊加世界各國邊界范圍進(jìn)行顯示，進(jìn)一步展現(xiàn)數(shù)據(jù)集的位置、覆蓋范圍等信息。影像矢量邊框疊加顯示和影像縮略顯示分別如下圖：

根據(jù)顯示的矢量邊框并查閱其地理范圍，可知該數(shù)據(jù)集覆蓋地方為法國在地中海沿岸的港口城市馬賽港，數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域包括馬賽市的密集城區(qū)、沿海的海岸線和部分海域、密集城區(qū)周邊的城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)及周邊的山區(qū)。

3.2 影像融合

因?yàn)閿?shù)據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)為獨(dú)立的全色、多光譜數(shù)據(jù)，且每個(gè)角度獲取的全色和多光譜數(shù)據(jù)的方位和角度等是一致的，因此選擇對(duì)未經(jīng)后續(xù)步驟處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

使用北京空視信息技術(shù)有限公司楊景輝博士提出的BR融合算法進(jìn)行融合處理，該功能模塊將高分辨率全色影像和低分辨率多光譜影像進(jìn)行融合，生成分辨率高且具有光譜信息影像；該模塊具有多核并行處理能力。BR算法為高保真的影像融合算法，特別適合超高分辨率衛(wèi)星影像融合，融合后影像既保持了高分率全色影像的空間細(xì)節(jié)信息，又最大程度地保持了多光譜影像上的色彩信息，融合算法不受多光譜影像波段數(shù)目限制，針對(duì)超高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行了特別優(yōu)化，同時(shí)進(jìn)行了并行處理優(yōu)化，處理效率高。

分別為每個(gè)視角進(jìn)行融合處理。采用8核并行處理，下視全色和多光譜影像融合處理耗時(shí)不到26分鐘，生成的融合影像文件大小約為25 GB。融合影像和全色影像卷簾對(duì)比顯示如下圖，左側(cè)為融合影像，右側(cè)為全色影像，下圖為疊加顯示時(shí)進(jìn)行卷簾對(duì)比。

3.3 定向平差

使用MASI軟件中專門用于三線陣/三視立體影像全自動(dòng)定向和平差的工具tripleOri，大部分采用默認(rèn)參數(shù)即可，且可保存配置參數(shù)，下次使用時(shí)自動(dòng)載入，避免用戶重新選擇。

定向平差處理過程大體如下：先在三視立體影像上全自動(dòng)提取三重匹配點(diǎn)，程序內(nèi)部會(huì)自動(dòng)剔除極少數(shù)誤匹配點(diǎn)，然后根據(jù)這些三重匹配點(diǎn)進(jìn)行最小二乘平差，采用的模型為RPC支持的像方補(bǔ)償方法，因該數(shù)據(jù)覆蓋范圍較大，采用了仿射變換模型進(jìn)行補(bǔ)償。定向平差處理時(shí)輸入為三個(gè)視角的全色影像。

提取的匹配點(diǎn)采用XML格式進(jìn)行存儲(chǔ)，這些匹配點(diǎn)可導(dǎo)入MASI軟件中tripletViewer或nViews等工具進(jìn)行點(diǎn)分布查看、檢查、調(diào)整和添加點(diǎn)等操作、并可添加控制點(diǎn)后重新進(jìn)行平差等。因Pléiades Neo定位精度較高，即使無控制點(diǎn)情況下（本例無控制點(diǎn)），仍可取得較高精度，Pléiades Neo定位精度等相關(guān)信息請(qǐng)查閱空客防務(wù)官方網(wǎng)站。提取的匹配點(diǎn)均勻分布在除海域外的整個(gè)范圍內(nèi)，且全部匹配點(diǎn)中無誤匹配點(diǎn)，點(diǎn)分布如下圖：

3.4 密集立體匹配與DSM生成

經(jīng)上一步“定向平差”處理得到像方補(bǔ)償參數(shù)將用于本步的密集立體匹配和DSM生成。因數(shù)據(jù)集具有同軌的前、下、后三個(gè)視角的影像，根據(jù)其獲取時(shí)角度配置條件，可最多組成三個(gè)兩視立體，如前視-后視立體、前視-下視立體、后視-下視立體，且可將這些立體配置生成的DSM進(jìn)行融合處理，進(jìn)一步提高高程精度和補(bǔ)充缺失。使用過程中用戶應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)獲取時(shí)角度配置情況、地面地形地物特征、傳感器特點(diǎn)等判斷哪些角度獲取的影像適合形成立體組合。總得來說，立體組合交會(huì)角度越小，自動(dòng)立體匹配所得結(jié)果完整度越高，但點(diǎn)交會(huì)高程精度低；相反，立體組合交會(huì)角度越大，點(diǎn)交會(huì)高程精度高，自動(dòng)立體匹配帶來的缺少就越高。實(shí)際應(yīng)用過程中，沒有一成不變的教條，應(yīng)該根據(jù)各種因素進(jìn)行權(quán)衡，取得一個(gè)較好的折中。

本例中，為充分利用該數(shù)據(jù)集特點(diǎn)并演示多個(gè)立體組合匹配結(jié)果進(jìn)行融合處理等操作過程，我們選擇分別進(jìn)行前視-后視立體、前視-下視立體、后視-下視立體三個(gè)組合的密集立體匹配，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行一個(gè)拼接融合處理。MASI軟件具有基于NCC和SGM兩種立體匹配模塊，本次處理使用SGM算法。

通過選擇不同參數(shù)，MASI可實(shí)現(xiàn)只進(jìn)行一次立體匹配（立體匹配為運(yùn)算量較大步驟），根據(jù)需要生成不同網(wǎng)格間距的DSM結(jié)果。且具有第三方高程輔助立體匹配功能；具有通過多邊形限定感興趣范圍，只對(duì)多邊形范圍內(nèi)區(qū)域進(jìn)行處理，該功能可幫助排除大面積水域及云雪覆蓋區(qū)域。立體匹配具有多層級(jí)并行處理能力（多個(gè)進(jìn)程并行處理，且每個(gè)進(jìn)程具備多個(gè)線程并行處理），并行處理提高了處理效率且可充分發(fā)揮現(xiàn)有多核計(jì)算機(jī)平臺(tái)的計(jì)算優(yōu)勢。軟件模塊內(nèi)部采用分塊處理機(jī)制，因此，可處理影像不受大小的限制。

為提高處理效率和提高立體匹配準(zhǔn)確度，本次試驗(yàn)采用第三方高程輔助模式；為節(jié)約處理時(shí)間，使用了限定多邊形，只對(duì)選定的范圍進(jìn)行立體匹配，選定范圍包括密集城區(qū)和城區(qū)周邊的部分山區(qū)，約占整個(gè)區(qū)域的40%，后續(xù)將會(huì)對(duì)選定的區(qū)域進(jìn)行正射糾正、建筑物高度屬性提取和生成實(shí)景三維模型等處理。

完成三個(gè)立體組合各自的立體匹配處理后，使用DSM拼接融合功能生成精度更高、完整度更高的DSM結(jié)果。拼接融合得到的DSM再進(jìn)行一個(gè)后處理。后處理主要是對(duì)極少數(shù)的空值區(qū)域進(jìn)行插值、消除錯(cuò)誤點(diǎn)（小區(qū)域）、及進(jìn)行一定的精化處理。經(jīng)過后處理后得到的50 cm網(wǎng)格間距的DSM效果如下圖所示。

以上處理步驟和處理結(jié)果均為全自動(dòng)方式

為進(jìn)一步提升DSM質(zhì)量及去除因水體等區(qū)域造成的匹配錯(cuò)誤區(qū)域，MASI軟件包含交互式DSM/DEM編輯工具collectPolygons。該工具可對(duì)水體、云雪覆蓋區(qū)域的DSM進(jìn)行編輯。用戶可在DSM后處理步驟前（也即未插值的DSM）進(jìn)行編輯，如果DSM中存在大塊區(qū)域的誤匹配（如水體、云雪等無紋理區(qū)域、重復(fù)紋理區(qū)域等區(qū)域容易匹配出錯(cuò)），可使用本模塊進(jìn)行編輯，編輯后再進(jìn)行DSM后處理（對(duì)應(yīng)postDSM.exe程序）；也可在后處理得到的DSM上進(jìn)行編輯，也即后處理后如還存在小塊錯(cuò)誤區(qū)域，可使用本模塊繼續(xù)進(jìn)行編輯。用戶在不同階段根據(jù)具體情況選擇是否對(duì)DSM進(jìn)行編輯操作。

經(jīng)過本步驟得到DSM產(chǎn)品可用于各種應(yīng)用，如進(jìn)行正射糾正的高程數(shù)據(jù)源，也可使用DSM進(jìn)一步自動(dòng)或者人工編輯方式生成DEM，并進(jìn)一步用于自動(dòng)提取建筑物屬性（樓高、樓層數(shù)、樓中心位置、地面面積和建筑面積等）；進(jìn)行高度變化自動(dòng)發(fā)現(xiàn)（通過高度變化自動(dòng)發(fā)現(xiàn)建筑物新建、超建、違建、拆除等變化情況）、體積計(jì)算等，也可將DSM賦予真實(shí)色彩紋理，生成實(shí)景三維Mesh模型。MASI軟件均已具備以上處理功能，以下將實(shí)現(xiàn)并展示常見的幾個(gè)應(yīng)用：建筑物屬性自動(dòng)提取、正射糾正和實(shí)景三維Mesh生成。

3.5、建筑物屬性自動(dòng)提取

為實(shí)現(xiàn)建筑物屬性自動(dòng)提取，首先需得到建筑物相對(duì)地面的高度，也即nDSM。可通過DSM減去對(duì)應(yīng)的DEM得到nDSM，反映存地面高度的DEM可以通過MASI軟件中DSM2DEM模塊自動(dòng)處理得到。

另外還需要包含多個(gè)建筑物足印(footprint)邊框矢量的shape文件（可采用“多邊形采集工具”采集建筑物足印邊框；或者來自第三方數(shù)據(jù)源），該矢量文件和與之對(duì)應(yīng)的高精度高密度nDSM一起作為輸入，MASI軟件將自動(dòng)提取每個(gè)建筑物中心位置（X, Y坐標(biāo)值）、地面面積、樓高、樓層數(shù)及建筑面積，并將這些數(shù)值以屬性的形式寫入輸入的shape文件。

在生成DEM過程中，先對(duì)50 cm網(wǎng)格間距的DSM進(jìn)行縮編，生成2 m網(wǎng)格間距DSM，然后再使用DSM2DEM模塊生成2 m網(wǎng)格間距的DEM，生成的DEM不僅可進(jìn)一步處理得到nDSM，還可用于后續(xù)的正射糾正所用的高程數(shù)據(jù)源。

提取的建筑物高度屬性將建筑物突起的三維顯示效果如下圖。原始建筑物邊框矢量數(shù)據(jù)來源于Open street map網(wǎng)站提供的開源數(shù)據(jù)。

3.6、正射糾正

本例中下視影像存在一定的側(cè)擺角（15度左右），影像上的部分建筑物可能存在側(cè)視效果，因此不宜采用DSM進(jìn)行真正射糾正。

使用前述步驟得到的2 m網(wǎng)格間距的DEM對(duì)30 cm的下視融合影像進(jìn)行正射糾正，因?qū)φ麄€(gè)區(qū)域影像進(jìn)行糾正，所得糾正結(jié)果中與DEM覆蓋一致區(qū)域?yàn)檎浼m正影像，無DEM覆蓋區(qū)域程序內(nèi)部自動(dòng)采用RPC文件中平均高度進(jìn)行糾正。以下各圖為DEM覆蓋范圍內(nèi)的正射糾正結(jié)果影像。

3.7 實(shí)景三維Mesh生成

使用經(jīng)過色彩平衡和拉伸至8比特的三視立體原始影像（共三個(gè)）、定向參數(shù)和上述步驟生成的50 cm網(wǎng)格間距的高密度DSM等生成具有真實(shí)色彩紋理的三維模型，生成的三維模型為分塊存儲(chǔ)的網(wǎng)格（Mesh）模型。用于紋理映射的原始影像需為8比特?cái)?shù)據(jù)類型，而本例中原始影像數(shù)據(jù)類型為無符號(hào)16比特，生成三維模型前，先使用本軟件中autoStretch程序?qū)⒂跋褡赃m應(yīng)拉伸至8比特。

以下各圖為房屋密集城區(qū)三維實(shí)景效果。

四、小結(jié)

本文主要介紹了使用北京空視信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的最新版MASI軟件對(duì)全球最高分辨率商業(yè)衛(wèi)星Pléiades Neo 30 cm三視立體影像進(jìn)行全流程處理過程，整個(gè)流程主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理、高分辨率全色與多光譜影像融合、全自動(dòng)定向平差、密集立體匹配與DSM生成、DEM2DEM及建筑物屬性自動(dòng)提取、正射糾正及實(shí)景三維模型生成等；并且進(jìn)一步給出了各步驟的處理結(jié)果。通過本案例，不僅成功實(shí)現(xiàn)了測繪產(chǎn)品制作（DSM/DEM, DOM等）、建筑物高度屬性信息提取、高密度城區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)制作等應(yīng)用，也進(jìn)一步驗(yàn)證了最新版MASI軟件的功能完備性和對(duì)最新、最先進(jìn)傳感器的適應(yīng)性。