資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合的核線影像生成

賈永紅， 祝夢花， 刁永洲， 管玉娟

1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，武漢430079

2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢430079

3.上海大學(xué)期刊社，上海200444

資源三號衛(wèi)星(ZY-3)于2012年1月9日成功發(fā)射.它是我國第1顆自主研制的民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星.星上搭載的前、正、后視相機可獲取同一地區(qū)3個不同觀測角度立體像對.利用該衛(wèi)星影像能提取地表信息并重建三維地表模型，生動而直觀地再現(xiàn)實地表面.

目前地表影像三維可視化主要是應(yīng)用全色立體像對生成數(shù)字表面模型，并在DSM上疊加影像、地理要素和文字符號標注等多種數(shù)據(jù)，生成三維彩色立體影像圖[1].文獻[2]利用植物葉片的幾何特征重建三維影像來估算生物量.文獻[3]將同一地區(qū)的航空立體影像和LIDAR數(shù)據(jù)分別進行三維重建，然后進行定性和定量對比分析，用于城市建筑物的三維重建[3].文獻[4]提出基于陸地影像的三維建模，利用未配準的影像自動重建三維影像，由配準的影像自動和半自動重建三維影像.文獻[5]利用QuickBird數(shù)據(jù)提取軌道的立體圖像，生成數(shù)字表面模型并完成三維實體造型.

核線影像是生成視差的基礎(chǔ)，可以達到視覺上的立體效果，同時加快同名點的搜索速度，提高計算效率和可靠性.目前關(guān)于核線影像的研究已取得很多成果，文獻[6]針對SPOT異軌立體影像提出基于同名像點坐標多項式擬合的近似核線生成方法.文獻[7]提出一種基于RPC的推掃式衛(wèi)星影像核曲線重采樣方法，得到的核曲線精度比基于平行投影模型得到的核曲線精度高.文獻[8]提出一種新的核線模型用于線陣推掃衛(wèi)星影像核線重排，能直接通過傳感器幾何模型建立原始影像與核線影像的坐標變換關(guān)系.文獻[9]分析了線陣衛(wèi)星影像投影軌跡法計算局部范圍近似核線影像的基本原理，并以分段直線來擬合近似核線.文獻[10]提出一種利用兩幅未校準的圖像自動重建核線幾何的方法.文獻[11]對基于投影軌跡法的擴展核線模型進行深入全面的研究，分別采用共線方程的嚴格模型和簡化模型推導(dǎo)核線關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式[11].

對于ZY-3衛(wèi)星能獲取高空間分辨率的前、后、正視全色影像和低空間分辨率的多光譜影像的特點，本文提出基于融合的高分辨率衛(wèi)星影像彩色立體可視化方法.該方法先將高分辨率全色立體影像與多光譜影像進行融合處理，再由融合后的影像基于物方投影基準面的線陣推掃式衛(wèi)星影像核線模型生成核線影像，最終實現(xiàn)遙感影像高分辨率彩色立體可視化.

1 遙感影像融合

遙感影像融合就是將覆蓋同一場景的遙感圖像進行空間配準，然后將各圖像數(shù)據(jù)中所含的信息有機結(jié)合產(chǎn)生新圖像數(shù)據(jù)或場景解釋的技術(shù).影像融合能實現(xiàn)信息互補，增強目標特征，提高目標識別率等.按照信息表征層次的不同，通常將影像融合分為3個層次：像素級影像融合、特征級影像融合和決策級影像融合.像素級影像融合是最基本的影像融合，常用方法有加權(quán)融合、IHS變換融合、PCA變換融合、小波變換融合和Pansharpening融合等.Pansharpening融合是一種基于統(tǒng)計的自動融合方法，在融合過程中考慮了傳感器成像特性，對同源影像融合效果好.Pansharpening融合表達式為

式中，X(i)為第i波段融合影像，HPan為高分辨率全色影像，Xs(i)為重采樣后的多光譜第i波段，HPansyn為由多光譜影像模擬得到的全色影像，其計算公式為

式中，參數(shù)φi由原全色和多光譜影像進行最小二乘擬合得到，如式(3)所示：相對于其他融合方法，Pansharpening融合方法主要有兩大特點[12]：

1)波段匹配過程中采用最小方差擬合，充分考慮了傳感器特性，因此融合后影像光譜扭曲?。?/p>

2)采用統(tǒng)計學(xué)方法進行融合處理，對輸入影像的波段沒有限制，于是本文采用Pansharpening融合方法對資源三號影像進行融合.

2 近似核線影像生成

基于物方投影基準面的核線影像生成方法來獲取近似核線影像，具有計算過程簡單以及便于進行立體量測和立體判讀的特點.該方法主要包括3點：1)確定核曲線在投影基準面上投影點的近似直線方向；2)建立左右核線影像與左右原始影像像點的嚴格坐標變換關(guān)系；3)核線重排列生成核線影像.

2.1 核線投影點“近似直線”排列方向的確定

如圖1所示，OX YZ為物方局部直角坐標系(local vertical coordinates system,LVCs)，將該坐標系下的一水平面定義為投影基準面(projection reference plane,PRP)，而PRP高程一般取測區(qū)平均高程.若測區(qū)內(nèi)一物點P對應(yīng)的同名像點分別為p1和p2，ep1和ep2為投影軌跡法定義的核線，則依據(jù)核曲線的性質(zhì)可知ep1和ep2在PRP上的投影點軌跡ED為近似直線，過ED和物點P的平面為物點P的近似核面.

圖1 衛(wèi)星立體像對基于物方PRP的核線模型Figure 1 Epipolarity model of satellite stereoimagery based on PRP of object-space

為確定核曲線在PRP上投影點的近似直線方向，首先以測區(qū)內(nèi)某一點O(J,W,0)為坐標原點建立LVCs，其中J、W分別為緯度和經(jīng)度.LVCs為左手系，Y軸與參考橢球相切并指向橢球的正北方向.然后取測區(qū)平均高程面為PRP，其高程為H.根據(jù)有理多項式模型(rational function model,RFM)及所設(shè)定的橢球參考和坐標基準，可以使用RPC參數(shù)實現(xiàn)像點坐標、地面點大地坐標及LVCs坐標之間的換算.設(shè)(x,y)為像點坐標，(J,W,H)為大地坐標，(X,Y,Z)為LVCs坐標.式(4)表示基于RFM計算像點在特定大地高的地面大地坐標，式(5)表示基于RFM由地面大地坐標計算像點坐標，式(6)表示由大地坐標計算LVCs坐標，式(7)表示由LVCs坐標計算大地坐標

核曲線在PRP上投影點軌跡的近似直線方向求取步驟如下：

步驟1 如圖2所示，在左影像中心取一點A，其攝影光線在高程H附近有兩點P1、P2，由變換式(4)可以計算得到P1、P2的大地坐標；

圖2 核線“近似直線”排列方向的確定Figure 2 Approximate line direction of PRP projection trajectory of epipolar lines

步驟2 由變換式(5)計算P1、P2在右片上對應(yīng)像點B、C的像點坐標；

步驟3 由變換式(4)和(6)計算B、C在PRP上投影點P3、P4的LVCs坐標，則P3、P4的連線方向即為核曲線在PRP上投影點的近似直線方向，即立體像對近似核線在PRP上的排列方向.

2.2 左右核線影像與左右原始影像像點的嚴格坐標變換關(guān)系

建立左右核線影像與左右原始影像像點的嚴格坐標變換關(guān)系包含以下步驟：

步驟1 利用式(4)和(6)確定左右原始影像在PRP上的覆蓋范圍；

步驟2 取PRP上左右影像投影覆蓋區(qū)域在近似核線排列方向上的最小外廓矩形，使左右核線影像具有相同的行列數(shù)；

步驟3 建立左右核線影像像點與PRP投影點的嚴格坐標變換關(guān)系；

步驟4 根據(jù)式(4)和(6)及步驟3得到的坐標變換關(guān)系建立核線影像像點坐標與原始影像坐標的嚴格變換關(guān)系.

2.3 核線影像的生成

根據(jù)以上步驟得到的左右核線影像與原始影像嚴格坐標變換關(guān)系，采用類似于數(shù)字影像糾正的方法進行核線重排，完成核線影像的生成.

按照先融合再生成核線影像的方法對資源三號衛(wèi)星影像進行融合，生成核線影像獲得彩色立體像對，與全色立體影像相比，不僅能真實反映地形地貌特征，而且比全色立體影像信息更豐富，更易于正確解譯.

3 試驗與分析

為了驗證方法的有效性，以資源三號衛(wèi)星SC級前、后視及多光譜影像為數(shù)據(jù)源進行融合與核線影像生成試驗.資源三號前(后)視影像分辨率為3.5m，多光譜影像分辨率為5.8m.試驗首先將多光譜影像與前、后視全色影像進行高精度配準，然后采用Pansharpening融合方法分別對前、后視全色影像與多光譜影像進行融合，再基于PRP生成前、后視的近似核線影像.

圖3中的(a)和(b)分別為前視影像和配準的多光譜真彩色影像，圖4中的(a)和(b)分別為后視全色影像和配準的多光譜真彩色影像.圖5中的(a)和(b)分別為前視、后視影像Pansharpening融合后的結(jié)果，圖6中的(a)和(b)分別為前視、后視彩色核線影像，圖7中的(a)和(b)分別為前視、后視全色核線影像.通過熵、相關(guān)系數(shù)、平均偏差、平均梯度、通用質(zhì)量指標等客觀評價指標對融合結(jié)果進行評價.表1為前視融合影像客觀評價結(jié)果.表2為后視融合影像的客觀評價結(jié)果.利用格網(wǎng)匹配法在前、后視彩色及全色近似核線影像上尋找同名像點，以評定近似核線影像的精度.表3為資源三號前后視彩色核線立體像對上同名像點的坐標及其上下視差.表4為資源三號前后視全色核線立體像對上同名像點的坐標及其上下視差.

圖3 前視全色和配準的多光譜影像Figure 3 Forward panchromatic image and its registrated MS image

圖4 后視全色和配準的多光譜影像Figure 4 Backward panchromatic image and its registrated MS image

圖5 融合影像Figur e 5 Fusion images

圖6 彩色核線影像Figure 6 Color epipolar images

圖7 全色核線影像Figur e 7 Panchromatic epipolar images

表1 前視融合影像評價結(jié)果Table 1 Objective evaluation results of the fused forward image

表2 后視融合影像客觀評價結(jié)果Table 2 Objective evaluation results of the fused backward image

從圖5中可以看出：與原始多光譜影像相比，Pansharpening融合后的影像空間分辨率明顯提高，說明融合影像在保持光譜特征的同時，增加了許多空間細節(jié)信息.表1和2列出的實驗結(jié)果表明，Pansharpening融合影像與原多光譜各波段的相關(guān)系數(shù)均大于0.84.可見Pansharpening融合方法充分考慮了資源三號傳感器的特性，計算過程簡單，光譜扭曲小，融合效果好.

表3 ZY-3彩色核線立體像對上同名像點的坐標及其上下視差Table 3 Coordinates comparison of conjugate points on the generate ZY-3 color

圖6中前、后視的核線影像可以直接看到彩色立體，同時核線影像具有與全色影像相同的空間分辨力，表3和4列出的試驗結(jié)果表明，彩色核線影像上參與檢驗的同名像點的上下視差全都在一個全色像素范圍內(nèi)，具有與全色立體影像相同的量測性能，滿足立體觀測的精度要求.由于本次試驗所選取的區(qū)域在前、后視重疊區(qū)域內(nèi)，試驗影像重疊度較大，故得到的左右視差相對較小.若以整景影像為試驗數(shù)據(jù)，則左右視差較大.試驗得到的彩色核線影像具有更豐富的色彩信息，更易于準確判讀并解譯地面目標，確定地物屬性；更利于地圖測繪和地圖更新.

表4 ZY-3全色核線立體像對上同名像點的坐標及其上下視差Table 4 Coordinates comparison of conjugate points on the generate ZY-3 panchromatic epipolar stereo-imagery

4 結(jié)語

針對資源三號衛(wèi)星影像的特點，實現(xiàn)了基于融合的高分辨率彩色核線影像生成，取得了令人滿意的結(jié)果.在彩色核線影像上進行立體觀測時，不僅與左右全色立體影像具有同樣的觀測精度，而且更易于直接判讀并解譯目標，更利于地圖測繪和地圖更新.具有處理簡單、立體效果好、易于立體解譯的優(yōu)點.

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