衛(wèi)星影像無控制點正射糾正在地理國情普查中的應用研究

李昕 謝三五 孟小梅

（國家測繪地理信息局第一地理信息制圖院 陜西西安 710054）

1 引言

地理國情信息，是利用3S技術(shù)，從空間的角度反映出的國家自然、人文、經(jīng)濟等地理要素狀況的重要信息。地理國情信息的獲取和統(tǒng)計分析為我國的科學發(fā)展提供重要依據(jù)。開展地理國情普查，是國務院做出的重大部署，而地理國情普查數(shù)字正射影像則是地理國情信息獲取的基礎數(shù)據(jù)源之一，其精度和質(zhì)量對于地理國情普查數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量起到了決定性作用。本文針對青海省第一次地理國情普查地域廣袤、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資料繁雜、控制資料稀少且精度低的特點，提出基于 GXL軟件平臺、基于有理函數(shù)模型的衛(wèi)星影像無控制點正射糾正的生產(chǎn)工藝流程和數(shù)字正射影像質(zhì)量控制方法，探討衛(wèi)星影像無控制點正射糾正處理和數(shù)字正射影像質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)，增強地理國情普查數(shù)字正射影像產(chǎn)品成果質(zhì)量的同時，節(jié)約部分野外控制點布設成本，提高地理國情普查生產(chǎn)效率。

2 技術(shù)方法分析

此次青海省第一次地理國情普查部分任務區(qū)域搜集到控制資料大部分為 1∶50 000比例尺，控制點稀少、精度低、且分布不均勻，很多控制點因時相較舊的原因，點位已無法判別和使用，難以滿足相關(guān)技術(shù)要求。本文前期通過試驗，使用WorldView和資源三號衛(wèi)星影像進行了控制糾正和無控制糾正對比，與國家西部 1∶50 000比例尺地形圖空白區(qū)測圖工程（下文簡稱:西部測圖）DOM成果進行套合精度分析，結(jié)果見表1。

表1:控制糾正和無控制糾正誤差對比（單位:米）

結(jié)果表明，兩種方法得到的影像平面精度差異微小，低精度、低密度的控制點對于中高分辨率衛(wèi)星影像的正射糾正精度沒有明顯的實質(zhì)性提高。且控制糾正后的影像平面最大誤差值較大。因此，綜合考慮海量生產(chǎn)任務和實際精度要求，提出基于GXL軟件平臺、基于有理函數(shù)模型的無控制點正射糾正技術(shù)方法進行生產(chǎn)。

3 無控制點正射影像糾正

3.1 軟件平臺構(gòu)建與理論基礎

本文選用加拿大 PCI公司的 GXL( Geoimaging Accelerator, GXL )地理成像加速器解決方案類產(chǎn)品進行生產(chǎn)。GXL是全新的海量影像自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)已應用于航空和衛(wèi)星影像的批量自動化生產(chǎn)[3]。該系統(tǒng)提供定制自動化生產(chǎn)工作流，將生產(chǎn)流程控制統(tǒng)一于BS(客戶端web瀏覽器服務器端)，支持分布式處理，支持 CPU多核運算，能有效簡化軟件操作，降低人力成本。

本次生產(chǎn)收集到的影像數(shù)據(jù)為中、高分辨率衛(wèi)星影像，使用實用性強的通用傳感器模型能得到很好的定位精度。而有理函數(shù)模型作為常用的通用模型，其正解公式參數(shù)可以從影像數(shù)據(jù)自身的RPC/RPB文件獲取。有理函數(shù)模型的正解公式如下:

式中，（rn,cn）和（ x n,yn ,zn ）分別為像方和物方坐標， pi（ i= 1,2,3,4）為有理多項式[5]，其公式計算系數(shù)從影像對應的RPC/RPB文件里讀取獲得。

3.2 數(shù)據(jù)準備

（1）1∶50 000 DEM資料

1∶50 000比例尺DEM數(shù)據(jù)由國家基礎地理信息中心統(tǒng)一提供，格網(wǎng)間距為地面 25 m。該數(shù)據(jù)用于修正地形變化引起的空間畸變。

（2）衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

原始衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為國家基礎地理信息中心統(tǒng)一提供的 WorldView-1/2、QuickBird、資源三號等遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。其中，WorldView-1/2衛(wèi)星全色波段影像原始地面分辨率為0.5 m，多光譜波段影像原始地面分辨率為2.0 m；QuickBird衛(wèi)星全色影像原始地面分辨率為 0.61 m，多光譜波段影像原始地面分辨率為 2.44 m；資源三號衛(wèi)星影像全色波段影像原始地面分辨率為2.1 m，多光譜影像原始地面分辨率為6.0 m。

3.3 生產(chǎn)工藝流程

首先基于GXL平臺，利用1∶50 000 DEM數(shù)據(jù)進行無控制區(qū)域網(wǎng)平差糾正，得到全色數(shù)字正射影像成果；經(jīng)檢測其平面精度和接邊精度滿足1∶25 000比例尺精度要求后，對多光譜影像進行配準，得到多光譜數(shù)字正射影像成果。整個工藝流程如圖1所示:

圖1:無控制點正射糾正生產(chǎn)工藝流程圖

（1）全色影像糾正

全色影像糾正作業(yè)在 GXL模塊的平差工作流中進行無控區(qū)域網(wǎng)平差。首先對原始數(shù)據(jù)嚴格按照《第一次地理國情普查數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定》（GDPJ05-2013）的影像數(shù)量要求（一般每個區(qū)域網(wǎng)不超過30景影像）進行區(qū)域網(wǎng)布設，平差過程自動采集連接點，采樣方法為光柵網(wǎng)格法，使用頻域相位相關(guān)匹配法來匹配同名點，根據(jù)設置的限差(軟件中為GCP拒絕標準設置)剔除粗差大的點位，嚴格控制連接點平差精度，保證影像的接邊誤差符合技術(shù)要求。

GXL的平差模塊作業(yè)掃描輸入文件夾中彼此相互重疊的有效影像（導入的影像為PIX格式），根據(jù)輸入的影像數(shù)量，模塊產(chǎn)生多個連接點采集作業(yè)，每個作業(yè)處理一個輸入影像的子集。每個連接點采集作業(yè)都會創(chuàng)建一個正射引擎工程文件，并在正射引擎工程文件中執(zhí)行自動的連接點采集。

連接點采集作業(yè)完成后，模塊會產(chǎn)生一個束校正作業(yè)將所有的子工程合并到一個單個工程中。采集的連接點用來進行優(yōu)化以滿足精度需求，隨后為每個單獨影像進行數(shù)學模型的束校正（平差）。

此次青海任務面積較大，按照區(qū)域網(wǎng)布設影像數(shù)量要求，共分成了 5個片區(qū)，每個片區(qū)分成若干個區(qū)域網(wǎng)進行組網(wǎng)平差。區(qū)域網(wǎng)進行布設時應注意:影像條帶間應盡量無三度及以上重疊，避免連接點的冗余計算造成 RMS誤差增大。最后得到的各片區(qū)內(nèi)區(qū)域網(wǎng)的連接點平均中誤差見表2。

表2:片區(qū)內(nèi)區(qū)域網(wǎng)連接點誤差統(tǒng)計（單位:m）

正射糾正重采樣使用25米格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)進行糾正，并基于有理函數(shù)模型，依據(jù)衛(wèi)星影像 RPC/RPB參數(shù)控制位置拉伸范圍，輸出得到全色數(shù)字正射影像。

（2）多光譜影像配準

多光譜配準采用 GXL的影像配準工作流進行，同樣采用頻域相位相關(guān)匹配法來匹配同名點（GCP），與相應全色影像自動采集同名點配準，并行批量生產(chǎn)多光譜成果影像。

和全色影像區(qū)域網(wǎng)平差的過程類似的是，在匹配同名點時，兩個工作流均通過設置 GCP拒絕標準來控制匹配的誤差。按照要求，同名點的匹配均方誤差應控制在1個像素以內(nèi)。GCP的拒絕參數(shù)設置為（4,1,1），其中，4是拒絕模式，1,1分別是x,y方向像素限差。（4,1,1）表示所有GCP的x方向殘差和y方向殘差都不超過1個像素。

4 質(zhì)量控制

4.1 檢查資料

采用由國家基礎地理信息中心提供的外業(yè)像片控制點成果（1980西安坐標系，使用統(tǒng)一收集的2000坐標系改正參數(shù)改算到2000國家大地坐標系）進行精度檢測。收集到的西部測圖1∶50 000DOM成果數(shù)據(jù)作為正射影像精度檢查的資料源。

4.2 精度檢測

本次地理國情普查（青海、新疆部分地區(qū)）的數(shù)字正射影像精度要求為1∶25 000標準成圖精度，具體限差見表3。

表3:地理國情普查數(shù)字正射影像精度限差（單位:米）

使用西部測圖 DOM成果和矢量數(shù)據(jù)對本次影像成果套合檢查，經(jīng)檢核，生產(chǎn)成果與歷史數(shù)據(jù)套合無系統(tǒng)差，套合偏離誤差在成果允許精度范圍以內(nèi)。生產(chǎn)完成后，地理國情普查外業(yè)核查時實地采集到高精度野外像片控制點69個，使用該批控制點進行精度檢測，檢測結(jié)果見表3。統(tǒng)計表明，利用無控制點正射糾正生產(chǎn)的數(shù)字正射影像成果平面精度滿足1∶25000精度要求。測區(qū)內(nèi)山地與高山地地形覆蓋了測區(qū)總面積的96.7%，高分辨率衛(wèi)星影像成果的中誤差甚至達到了 1∶10 000比例尺的平地、丘陵地成圖精度（5米）。

表4:野外像片控制點檢測結(jié)果統(tǒng)計（單位:米）

使用經(jīng)檢驗合格的全色影像作為參考影像對多光譜影像進行配準，其同名點的 RMS誤差應小于 1個像素。對于未滿足配準精度要求的影像，應檢查生成的同名點質(zhì)量情況，根據(jù)表5調(diào)整配準工作流的matching策略。經(jīng)過試驗，通過策略調(diào)整，能很好地改進配準精度，滿足限差要求。

表5:多光譜影像配準策略調(diào)整方案

4.3 質(zhì)量檢查

作為矢量數(shù)據(jù)采集的基本數(shù)據(jù)源，數(shù)字正射影像成果不應存在大面積拉花和地物信息模糊難以識別的質(zhì)量問題，成果影像應色調(diào)均勻，亮度適中，無地物扭曲、變形。成果檢查中發(fā)現(xiàn)有個別圖幅存在部分區(qū)域地物變形的情況，經(jīng)檢查分析，均是由于DEM數(shù)據(jù)接邊處存在質(zhì)量問題引起。將DEM接邊處進行修正和自然過渡后重新進行正射糾正輸出，解決地物變形問題。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的控制糾正在控制資料質(zhì)量好，控制點數(shù)量符合要求的情況下，已成熟應用于衛(wèi)星影像正射糾正。但目前在我國西部區(qū)域，還難以達到良好的高精度控制條件。本文通過青海省第一次地理國情普查數(shù)字正射影像無控點正射糾正生產(chǎn)的實踐研究和質(zhì)量檢驗，得出了可行的衛(wèi)星影像無控制點正射糾正生產(chǎn)工藝流程和質(zhì)量控制方法，提高了地理國情普查數(shù)字正射影像生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，提升了成果質(zhì)量。而運用以上關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)快速完成了我院青海省第一次地理國情普查任務區(qū)域數(shù)字正射影像生產(chǎn)，成果也已通過監(jiān)督檢查與驗收。

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