基于Pleiades衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的正射影像制作研究

劉茂國（廣東省土地調(diào)查規(guī)劃院，廣東廣州510075）

基于Pleiades衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的正射影像制作研究

劉茂國
（廣東省土地調(diào)查規(guī)劃院，廣東廣州510075）

作為SPOT系列衛(wèi)星的性能補充，Pleiades衛(wèi)星具有0.5m的高空間分辨率特征，且星點下最大幅寬達到20km，為我國高分辨率國土資源動態(tài)監(jiān)測提供了很好的遙感影像數(shù)據(jù)源。文章針對Pleiades衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特性，研究了其正射影像制作的流程和方法，并探討分析處理過程中的關鍵技術問題，為高精度、高質(zhì)量正射影像圖的大規(guī)模數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供技術支持。

Pleiades衛(wèi)星；遙感影像；影像配準；影像融合；正射糾正

衛(wèi)星在獲取原始影像過程中，由于受其空間姿態(tài)、傳感器瞬時位置、地形起伏、地球自轉以及地球曲率等因素的影響，拍攝數(shù)據(jù)相對于真實地表產(chǎn)生了不同程度的變形［1］；利用一定的影像處理方法可消除這些誤差，從而獲得具有地理坐標信息地表對象的正射影像（DOM）。隨著遙感技術的快速發(fā)展和推廣，正射影像的應用越來越廣泛，在全國土地利用變更調(diào)查監(jiān)測與核查遙感監(jiān)測任務中，通過對監(jiān)測區(qū)不同時相的正射影像疊加分析進行變化信息的提取，可獲取城市土地利用的變化中新增建設用地的數(shù)量和規(guī)模，為年度土地變更調(diào)查、土地礦產(chǎn)衛(wèi)片執(zhí)法檢查、土地督察、城市規(guī)劃、政府決策等其他相關工作提供科學的參考和依據(jù)［2，3］。因此，如何利用多源遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)出高精度、高質(zhì)量的正射影像，一直是遙感學科工作和研究中的重點和難題。

法國的SPOT系列衛(wèi)星是世界上最早，并以商業(yè)模式運作最為成功的遙感衛(wèi)星，但由于其主要面向大幅寬應用場合，因而分辨率一直不是很高。為爭奪高分辨率衛(wèi)星影像市場，法國和意大利合作研發(fā)了Pleiades系列衛(wèi)星作為SPOT系列衛(wèi)星的性能補充；其光譜分辨率由20m提高到2m，全色波段由10m提高到0.5m，星點下幅寬可達20km，在傳感器工作性能、文件資源壓縮和數(shù)據(jù)存儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)都有了明顯改進。Pleiades系列衛(wèi)星的這些特性以及較高的性價比為我國高分辨率國土資源動態(tài)監(jiān)測提供了很好的遙感影像數(shù)據(jù)源，也為測繪行業(yè)大比例尺數(shù)字正射影像圖的制作創(chuàng)造了有利條件［4］。本文結合實際項目情況，以Pleiades-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源為例，對其正射影像制作流程進行研究和論述，并對處理細節(jié)中的關鍵技術進行探討分析，為大規(guī)模數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供有力的技術支持。

1　Pleiades衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)概況

Pleiades高分辨率衛(wèi)星星座由Pleiades1和Pleiades 2兩顆完全相同的衛(wèi)星組成，其分別于2011年12月17日、2012年12月1日成功發(fā)射并開始商業(yè)運營［5］，成功獲取第一幅影像數(shù)據(jù)。雙星配合可實現(xiàn)全球任意地區(qū)的每日重訪，快速滿足項目生產(chǎn)對任何地區(qū)的高分辨率數(shù)據(jù)獲取需求，其有效載荷基本參數(shù)見表1所示。

2　技術路線

以基礎底圖作為控制資料進行控制點選取，結合DEM高程數(shù)據(jù)進行正射影像制作［6］；考慮到Pleiades影像數(shù)據(jù)的獲取方式和特點，其全色數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)為同步獲取，匹配精度較高，可采用自動配準工具，將配準后的多光譜數(shù)據(jù)與全色波段進行融合，得到糾正后正射影像。其詳細技術流程如圖1所示。

圖1　DOM制作技術流程圖

表1　Pleiades衛(wèi)星有效載荷基本參數(shù)

3　正射影像制作

3.1數(shù)據(jù)準備及預處理

Pleiades衛(wèi)星獲取的原始影像為JPG2000格式，直接進行處理耗時較長，且占用緩存空間較大；因而在正射糾正之前需要將其轉換成軟件默認格式（如tif 或img格式）。另外，Pleiades衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)自帶的RPC文件為.xml和.txt格式，需要利用rpc_convert_0.4i工具將其轉換為標準的.rpc格式。

在正射糾正過程中，需要利用已有控制資料和DEM數(shù)據(jù)進行控制點采集；其中，控制資料來源于第二次全國土地調(diào)查底圖，DEM使用ASTGTM30的高程數(shù)據(jù)，并對其進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，確保兩者坐標系統(tǒng)一致。

3.2影像配準

影像配準是以全色數(shù)據(jù)為基礎，選取多光譜數(shù)據(jù)和全色數(shù)據(jù)上特征明顯的同名地物點，采用相應的配準模型進行影像配準，重采樣輸出配準后的多光譜影像數(shù)據(jù)；且確保配準后影像點位誤差滿足精度要求。

由于Pleiades衛(wèi)星影像其全色和多光譜數(shù)據(jù)為同步獲取，因而可直接利用ERDAS軟件的Autosync功能進行自動配準，然后根據(jù)殘差要求刪除不符合精度的點位，利用自動匹配的控制點輸出配準結果。該方法耗時短，遠遠小于人工選點配準的時間，且自動選取的點位較多，殘差較小，配準結果精度較高。若部分點位數(shù)量、精度或分布不滿足要求時，可通過人工調(diào)整修改控制點數(shù)據(jù)，以確保點位誤差滿足精度要求。實驗結果證明，利用該方法進行自動配準，配準后的多光譜影像和原始全色影像數(shù)據(jù)疊加精度較好，基本不存在錯位和重影現(xiàn)象，配準結果滿足精度要求。Autosync自動配準界面如圖2所示。

3.3影像融合

影像融合是將配準后的多光譜影像與原始全色影像進行融合，使得融合后影像同時具有全色數(shù)據(jù)的高空間分辨率特征和多光譜數(shù)據(jù)的多光譜信息，大大增強遙感影像數(shù)據(jù)的清晰度和解譯能力。為增強影像融合效果，融合之前需對其數(shù)據(jù)進行預處理。一方面需要將全色數(shù)據(jù)的局部灰度反差增大，突出其內(nèi)部紋理細節(jié)；另一方面對多光譜數(shù)據(jù)進行最佳波段的選擇組合和彩色合成，拉開不同地物紋理之間的色彩反差，最大程度貢獻其光譜信息。

現(xiàn)有常用的融合方法主要包括IHS變換、主成分變換、乘積變換、比值變換、高通濾波、Brovey、小波變換、Pansharp融合等，但部分算法容易造成原始多光譜信息發(fā)生不同程度的扭曲，空間分辨率增強效果不太明顯。為了保證原始影像數(shù)據(jù)的光譜信息不損失，且盡可能提高融合后影像的空間分辨率，本文采用Pansharp融合算法。該算法的基本原理在于利用最小方差技術對原始全色數(shù)據(jù)和配準后的多光譜數(shù)據(jù)的波段結合參數(shù)進行最佳匹配，較好的保留了原始數(shù)據(jù)的多光譜信息，同時又提高其空間分辨率，豐富了影像地物的空間信息。如圖3所示，圖3（a）為配準后的原始多光譜影像，圖3（b）為融合后影像，通過對比可以看出：融合后影像較好的保留了原始全色數(shù)據(jù)的高空間分辨率特征和原始多光譜數(shù)據(jù)豐富的光譜信息，影像地物紋理清晰，色彩信息豐富，融合效果較好。

3.4正射糾正

衛(wèi)星在拍攝過程中，受其空間姿態(tài)、傳感器瞬時位置、地球自轉、地球曲率以及地形起伏等因素的影響，獲取的原始影像數(shù)據(jù)其地物的幾何位置、方位、形狀、大小等特性均產(chǎn)生了不同程度的變形，為獲得可有效使用的DOM成果，需要通過正射糾正消除這些誤差，以獲得具有地理坐標信息的正射影像。

遙感影像的幾何糾正模型主要有基于傳感器物理模型、有理函數(shù)模型、多項式模型。由于高分數(shù)據(jù)對應的研究區(qū)糾正精度要求較高，且已有基礎底圖和DEM數(shù)據(jù)作為控制資料，因此本文選擇有理函數(shù)模型進行正射糾正。利用Erdas軟件IKONOS RPC模型，打開待糾正影像和基礎底圖，設置正確的坐標系統(tǒng)和投影信息，加載預處理之后的RPC參數(shù)文件和DEM數(shù)據(jù)，進而對影像進行正射糾正?？刂泣c的選取要保證一定的數(shù)量，每景影像所采集的控制點數(shù)目不少于16個，且點位分布均勻，山地應適當增加控制點數(shù)量，一般情況下，優(yōu)先保證影像四角和中心點位的精度，其他點位可均勻分布于四邊和內(nèi)部區(qū)域。此外，為確保影像接邊精度，相鄰景影像重疊區(qū)應采集公共控制點，且數(shù)量一般不少于3個?？刂泣c的選取應在接近正交的線狀地物的交點、地物拐點或固定的點狀地物處選取，如道路交叉口、球場角、田埂交叉處等位置；選擇線狀地物交叉處時，其寬度不宜太大，為保證采集點位的準確度，盡可能在其邊線交點位置采集糾正控制點。對于控制點選取較為困難的山區(qū)，可選擇走向明顯的山脊交叉點或拐點作為糾正控制點。在采集控制點的同時，應及時計算更新控制點殘差，以滿足點位采集精度要求；若選取某個控制點之后，整體殘差驟然增大，表示該點采集位置不準確，應及時調(diào)整控制點位置，直至符合限差要求。

圖2　Autosync自動配準界面示意圖

圖3　Pleiades影像融合前后對比示意圖

3.5精度檢查與誤差超限分析

精度檢查是整個DOM制作過程中的質(zhì)量控制手段，科學嚴謹?shù)臋z查方法是保證成果質(zhì)量的關鍵；根據(jù)糾正過程中軟件自動記錄的控制點殘差文件，檢查選取控制點的點位精度是否符合要求；若控制點殘差超限，需查找原因并根據(jù)實際情況進行剔除或調(diào)整，經(jīng)多次檢查修改，直至滿足控制點誤差要求。當糾正后正射影像出現(xiàn)誤差超限時，應分析使用的控制資料、高程數(shù)據(jù)、地物特征變化、影像側視角等客觀原因，以及控制點的數(shù)量、分布與點位精度等人為原因。若確實因控制資料貨DEM數(shù)據(jù)引起的誤差，應采取必要的技術措施進行彌補和解決，并在檢查報告中進行誤差分析說明。若因人為因素引起的誤差，則應調(diào)整控制點的數(shù)量、分布與點位精度，重新進行正射糾正并再次進行精度檢查，直至滿足精度要求。

4　結語

隨著科學技術的不斷進步和社會發(fā)展的需求變化，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)逐步成為數(shù)字正射影像制作的重要數(shù)據(jù)來源；Pleiades衛(wèi)星數(shù)據(jù)擁有0.5m的高空間分辨率特征以及較高的性價比，非常貼合我國高分辨率國土資源動態(tài)監(jiān)測的需求，為全國大比例尺“一張圖”數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供了可靠保障。本文提出基于Pleiades衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作正射影像的處理流程，結合實際項目，就正射影像生產(chǎn)過程中涉及的影像預處理、影像配準、影像融合、正射糾正、精度檢查及誤差超限分析等關鍵技術環(huán)節(jié)進行了探討和分析，總結出一套切實可行的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，在一定程度上提高了Pleiades衛(wèi)星數(shù)據(jù)正射影像的技術方法和處理手段，在全國土地利用變更調(diào)查監(jiān)測與核查遙感監(jiān)測任務中得到有效的應用，進一步提高了作業(yè)生產(chǎn)效率，保證了影像成果質(zhì)量。

［1］方錚，葛潔，王勇.基于SPOT5衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的正射影像生產(chǎn)技術研究［J］.測繪工程，2012（3）：58-62.

［2］黨安榮，王曉棟，陳曉峰.ERDASIMAGINE遙感圖像處理方法［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［3］馮秀麗，王珂，樓新明.基于ERDAS遙感影像正射圖的制作［J］.遙感技術與應用，2003（3）：176-179.

［4］蔣紅，王睿.淺談數(shù)字正射影像圖的制作與應用［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（3）：151-152.

［5］徐偉，樸永杰.從Pleiades剖析新一代高性能小衛(wèi)星技術發(fā)展［J］.中國光學，2013，6（1）：9-19.

［6］邢著榮，馮幼貴，趙青，等.基于QuickBird數(shù)據(jù)的山區(qū)正射影像制作及精度分析［J］.北京測繪，2015，122（03）：5-8.

（2016-03-28收稿袁海峰編輯）

Production of Orthophotos Map Based on Pleiades Satellite Data

LIU Mao-guo
（Guangdong Provincial Institute of Land Surveying＆amp;Planning，Guangzhou 510075，China）

As a performance supplement of SPOT satellites，Pleiades satellites with high spatial resolution of 0.5m and the nadir maximum width of 20km，whichprovide a good remote sensing data source for dynamic monitoring of high resolution land resources in China.In accordance with the Characteristics of Pleiades satellite image，in this paper，the production processes of Pleiades satellites Ortho Image was studied，and the key technical issues in this process were discussed and analyzed，which provides a technical support for massive data production of the high-precision and high-quality Ortho Image.

Pleiades Satellite；Remote Sensing image；Image registration；Image fusion；Orthorectified

TP751

A

1003-7853（2016）02-0048-03

劉茂國（1984-），男，漢族，山東菏澤人，工程師，碩士研究生，主要從事攝影測量與遙感技術應用等工作。