多源遙感影像數(shù)字正射影像的生產(chǎn)

曾海燕

【摘要】本文結(jié)合第一次全國地理國情普查的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，采用PCIGXL和GEOWAY CIPS進行多源遙感影像數(shù)字正射影像生產(chǎn)，針對兩者的優(yōu)勢，進行不同階段的處理。對在數(shù)據(jù)準備、控制點采集、平差、融合、勻光勻色等步驟中需注意的細節(jié)和容易出現(xiàn)的問題進行了歸納總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字正射影像 正射糾正 多源遙感影像

1、概述

全國地理國情普查利用高分辨率航空航天影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和其他專題數(shù)據(jù)等，查清我國地形地貌、地表覆蓋等地表自然和人文地理要素的現(xiàn)狀和空間分布情況[1]，多源遙感影像處理從而成為了普查開展的第一步。

生產(chǎn)區(qū)內(nèi)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源有WorldView-1、WorldView-2、QUICKBIRD、GeoEye-1，全色分辨率為0.5米和0.6米，均為下視數(shù)據(jù)，在正射影像生產(chǎn)時需使用數(shù)字高程模型即DEM參加影像數(shù)字微分糾正。根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域?qū)嶋H情況，將數(shù)據(jù)進行分區(qū)處理，同時考慮到軟件的最佳處理效率，每個分區(qū)的影像盡量不要超過200景，同時盡量保持分區(qū)較規(guī)則，如圖1。

圖1 生產(chǎn)區(qū)分區(qū)圖

2、前期數(shù)據(jù)準備

2.1 原始影像準備

由于影像較多、數(shù)據(jù)源較多，對原始影像進行篩選時，優(yōu)先選擇分辨率較高、時相較新、云雪覆蓋少、側(cè)視角小于25°的影像，在結(jié)合新疆的實際情況，盡量選擇5-10月拍攝的衛(wèi)星影像。

在影像選取時還需要對原始影像數(shù)據(jù)是否完整做一個簡單的判斷，查看原始數(shù)據(jù)里是否有軌道參數(shù)文件，WorldView和QUICKBIRD數(shù)據(jù)會有分塊信息文件，查看分塊數(shù)和影像數(shù)是否匹配，是否缺少影像信息文件等。

2.2 DEM準備

普查使用的DEM有1：10000和1：50000兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，DEM格網(wǎng)間距分別為5米、25米，成圖時間不一致，坐標系統(tǒng)也不一致。在正射影像生產(chǎn)前需要對任務(wù)區(qū)內(nèi)的DEM坐標系轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標系，重采樣為同一格網(wǎng)間距并進行接邊處理，然后將DEM轉(zhuǎn)換為PCIGXL的內(nèi)部格式（PCIDSK格式），設(shè)置投影信息。

2.3 控制資料準備

控制資料可以是控制點影像庫、正射糾正后的影像/地理參考影像、線狀矢量數(shù)據(jù)（道路網(wǎng)）、多邊形矢量數(shù)據(jù)（湖泊）等，這些數(shù)據(jù)都需要統(tǒng)一坐標系，參考影像需要轉(zhuǎn)換為PIX格式，并設(shè)置投影信息。

3、數(shù)據(jù)處理

通過對生產(chǎn)經(jīng)驗的總結(jié)，將PCIGXL和GEOWAY CIPS兩個軟件的優(yōu)點結(jié)合使用，整景影像糾正、融合采用PCIGXL軟件，然后采用GEOWAY CIPS集群處理效率高的優(yōu)勢，進行后續(xù)勻色、影像裁切等。具體像生產(chǎn)流程如圖2：

圖2 生產(chǎn)流程圖

3.1 影像導(dǎo)入

影像導(dǎo)入將原始的影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部格式，同時讀入原始數(shù)據(jù)中的包括星歷參數(shù)等模型數(shù)據(jù)，將原始衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PCIDSK 格式，使其可用于隨后的其他GXL模塊的處理。

影像導(dǎo)入主要設(shè)置輸入影像目錄、輸出目錄、導(dǎo)入的數(shù)據(jù)類型、數(shù)學模型，其中數(shù)學模型有任意、有理函數(shù)模型、嚴格數(shù)學模型。對于WorldView、QUICKBIRD、ZY-3影像數(shù)據(jù)在生產(chǎn)時通常都選擇有理函數(shù)模型，根據(jù)生產(chǎn)情況部分ZY-3可能會用到嚴格數(shù)學模型。

3.2 控制點采集

PCIGXL支持從4 種參考數(shù)據(jù)中自動采集GCP：正射校正后的影像/地理參考影像、控制點影像庫、線狀矢量數(shù)據(jù)（道路網(wǎng)）、多邊形矢量數(shù)據(jù)（湖泊）。

在通用參數(shù)設(shè)置里需要注意RPC或多項式數(shù)學模型次數(shù)的設(shè)置，WorldView選0階，QUICKBIRD和ZY-3選1階，如果WorldView和QUICKBIRD都有的情況就選自動。

在使用參考影像進行GCP自動采集時需要設(shè)置合適的GCP個數(shù)和搜索半徑。每景原始影像可能會對應(yīng)對個參考影像，GCP個數(shù)是指在每一個參考影像上采集的個數(shù)，因此在設(shè)置時需要參考每景原始影像對應(yīng)的參考影像數(shù)，GCP個數(shù)過少會影響精度，過多耗時很長。搜索半徑的確定，需要打開影像導(dǎo)入之后的原始影像和對應(yīng)的參考影像，量測同名點之間的距離，計算合適的像素，搜索半徑過小會導(dǎo)致采集不上GCP，過大會影響速度。

控制點采集只在全色影像上采集，全色影像的分辨率高，采集精度好，自動采集的地面控制點存儲在PCIDSK 文件中的GCP 段中，采集結(jié)束后，需要人工檢查采集的點位是否合理，采集的個數(shù)是否符合要求，剔除殘差大的點，重新計算模型并輸出GCP段。（如圖3、圖4）

3.3 平差

平差主要是采集影像之間的連接點，對齊相鄰影像的重疊區(qū)域，優(yōu)化任務(wù)區(qū)內(nèi)影像的相對精度。

連接點采集的需要設(shè)置合理的TP搜索半徑，打開相鄰影像，量測同名點的距離，并計算所需像素，考慮DEM的不準確度可另外增加30至50個像素。

平差也只在全色影像上進行，平差完成后，需要人工檢查采集的連接點分布是否合理，采集的個數(shù)是否符合要求，剔除殘差大的點，重新計算模型并修改RPC參數(shù)。（如圖3、圖4）

圖3 點位分布圖

圖4 手動剔除殘差

3.4 正射糾正

正射糾正使得用戶將該影像中的特征與它們在地球上的實際位置關(guān)聯(lián)在一起，并為用戶提供進行測量和采取精確決策步驟的措施。

正射糾正之前，需將多光譜影像與全色影像放在同一個目錄下，在正射糾正時，利用全色影像的RPC模型來對對應(yīng)多光譜影像進行正射糾正。正射糾正完成之后進行平面精度檢查和全色多光譜匹配精度的檢查，對超限數(shù)據(jù)進行重新匹配糾正。

3.5 Pansharpen融合

Pansharpen融合算法利用多光譜若干波段擬合一個全色波段，使擬合全色波段與源全色波段具有較高相似性，從而降低融合過程的光譜失真問題；經(jīng)過 PanSharpen 融合后的影像解譯后在地物破碎度、精確度方面都優(yōu)于原始多光譜影像的解譯效果[2]。

在參數(shù)設(shè)置MS/PAN對匹配方式里，有用MS找PAN和PAN找MS兩種，當全色多光譜影像均成對時，用兩種均可，當全色比多光譜影像多時，用MS找PAN會節(jié)約一些時間。通道設(shè)置里多光譜參考通道設(shè)置為“3，2，1”，進行波段重組，融合后的影像為真彩色，接近實地真實顏色。

3.6 整景成果輸出

PCIGXL生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)均為PCIDSK格式，需將空間數(shù)據(jù)（柵格或矢量）轉(zhuǎn)換為所需要的格式進行后續(xù)生產(chǎn)，我們將全色、多光譜、融合后的整景成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ERDAS IMAG的格式。

3.7 位深調(diào)整

位深調(diào)整的目的是將16位的整景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)，方便進行分幅圖的制作。

3.8 勻光勻色

由于原始影像彩色差異，采用GEOWAY CIPS軟件進行勻光勻色處理。處理之前將數(shù)據(jù)進行劃分，按照不同地形類別、不同地貌等情況分別制作合適的勻色模板。影像之間的色差不大時勻色策略選擇整幅勻色，色差較大時選擇逐塊勻色，逐塊勻色將每景影像分成了多個小塊進行勻色處理。

3.9 影像裁切

影像裁切是根據(jù)生產(chǎn)需要進行裁切，GEOWAY CIPS軟件集群處理方式能同時對192個任務(wù)進行處理，生產(chǎn)效率較高，同時提供多種比例尺、多種外擴方式的裁切。

3.10 成果整理

所有數(shù)據(jù)生產(chǎn)好后，按照規(guī)范的要求對成果進行整理，至此一個完整的生產(chǎn)流程就進行好了。

結(jié)束語

通過第一次全國地理國情普查的生產(chǎn)，利用PCIGXL軟件對海量遙感影像數(shù)據(jù)的進行自動化生產(chǎn)，對多源數(shù)據(jù)的同時處理，在保證精度的情況下，提高了數(shù)據(jù)的處理速度和處理效率。GEOWAY CIPS集群處理方式能同時處理192個任務(wù)，對于大批量數(shù)據(jù)的影像裁切非?？焖?。

另外在數(shù)據(jù)生產(chǎn)的每一步都需要進行必要的檢查，而根據(jù)不同的生產(chǎn)目的，檢查的標準也不盡相同，在這里就不一一闡述。

參考文獻

[1] 第一次全國地理國情普查實施方案，國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013年9月17日.

[2] 李國明，應(yīng)國偉，陳濟才.WorldView-2 影像數(shù)據(jù)融合方法比較研究—以在四川省地理國情監(jiān)測項目中應(yīng)用為例[J] .科學技術(shù)與工程，2013，13（33）：10021-10025.