沃韋軟件在數(shù)字正射影像生產(chǎn)中的應用

韓紅濤 劉軍 張傳帥 王斐

（1.自然資源部第一航測遙感院，陜西 西安 710054; 2.自然資源部第一地形測量隊，陜西 西安 710054；3.東方通用航空攝影有限公司，山西 太原 030031）

1 引言

數(shù)字正射影像不僅具有影像特征，還具備地圖幾何精度，信息內(nèi)容豐富、效果直觀真實，符合人眼觀測習慣，對比傳統(tǒng)線劃地圖優(yōu)勢明顯，可作為地圖分析背景控制信息，提取地表覆蓋等自然資源和社會經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)的信息，為自然災害防治和城市規(guī)劃等應用領(lǐng)域提供可靠數(shù)據(jù)支撐，還可通過數(shù)據(jù)挖掘方法提取和派生新的地理信息，實現(xiàn)傳統(tǒng)地形圖的修測與更新。目前，數(shù)字正射影像已成為重要的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)之一。

近年來，伴隨著“一帶一路”國家重大發(fā)展戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進和相關(guān)政策的不斷落地，我國在經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、社會發(fā)展和生態(tài)保護等方面，急需及時更新基礎(chǔ)測繪地理信息成果。在全球基礎(chǔ)地理信息更新、實景三維中國建設(shè)、第三次全國國土調(diào)查、地理國情監(jiān)測等重大項目和研究課題中，對大跨度、大區(qū)域數(shù)字正射影像的生產(chǎn)需求不斷增加，而我國對地觀測能力和空間影像獲取能力空前提升，國產(chǎn)衛(wèi)星和傳感器技術(shù)不斷取得突破，資源三號系列、高分系列、天繪系列衛(wèi)星相繼升空，北京一號、吉林一號等系列小衛(wèi)星群組網(wǎng)后，也相繼投入使用，重返周期逐步縮短，空間分辨率已經(jīng)達到亞米級水平，影像數(shù)據(jù)在數(shù)量、質(zhì)量和獲取渠道方面，均十分友好，為大規(guī)模、大跨度的數(shù)字正射影像快速生產(chǎn)提供便利條件。

如果數(shù)據(jù)源是衛(wèi)星影像，全色影像和多光譜影像是分開糾正的，糾正完畢后還需要再增加全色、多光譜的配準及多分辨融合步驟。

3 勻光勻色、鑲嵌處理及常見軟件分析

2 數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)流程

數(shù)字正射影像生產(chǎn)主要涉及區(qū)域網(wǎng)平差、數(shù)字高程模型匹配、數(shù)字微分糾正、勻光勻色及鑲嵌分幅等關(guān)鍵技術(shù)，一般生產(chǎn)流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)字正射影像生產(chǎn)流程

數(shù)字正射影像產(chǎn)品質(zhì)量標準規(guī)定，圖面質(zhì)量要滿足色調(diào)均勻，無明顯失真，反差適度，色彩自然，層次豐富，且無明顯拼接痕跡，拼接處影像亮度、色調(diào)應基本一致等系列要求[1]。遙感影像數(shù)據(jù)在采集時，由于獲取時間、太陽光照強度以及大氣狀態(tài)、傳感器種類不同，影像亮度和色彩會有較大差異[2]，有時還會有一些噪聲，若處理不當，將會造成影像色調(diào)反差過大、不協(xié)調(diào)的問題，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和最終使用。

常見勻光勻色軟件，有以Geodogding、PixelGrid、EPT 為代表的國產(chǎn)軟件，以及INPHO 數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的OrthoVista 勻光勻色模塊。每款軟件各有側(cè)重和優(yōu)勢，這里以Geodogding 和OrthoVista 為例加以說明。Geodogding 采用基于樣圖的勻光勻色模式，首先選出一小塊能代表測區(qū)特征的影像，人工在Photoshop 下精細調(diào)整色彩、亮度、對比度，以此作為勻光勻色模板，利用Wallis 濾波方法使影像不同區(qū)域有相似的均值和方差，其他影像均與之相匹配，進而使所有影像的色彩、亮度趨于一致，其優(yōu)勢為速度快，操作便捷，缺陷是樣圖難以囊括測區(qū)所有的地物色彩亮度特征，容易造成整體或局部性色偏，難以適應范圍跨度大、地物復雜多樣情況下的勻光勻色需要[3]；OrthoVista 軟件有基于單片和基于影像間的色彩均衡調(diào)節(jié)功能，能調(diào)整單片或多片影像色彩、亮度、飽和度，能自動去除太陽在水域的反射，進行全局平衡。這兩款軟件主要針對面積不大的測區(qū)進行處理，而對于影像處理，尤其是大面積、大跨度的數(shù)字正射影像生產(chǎn)，則很難達到較好效果，且無法顧及作業(yè)區(qū)之間的顏色接邊問題?，F(xiàn)行的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源還帶來了海量數(shù)據(jù)處理問題，動輒幾百GB 甚至上TB 的數(shù)據(jù)量，讓傳統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)處理方面面臨著巨大計算壓力。

影像鑲嵌一般是軟件通過特征檢測算法，自動生成鑲嵌線，并輔以一定的人工編輯，盡量避開建筑物、色調(diào)反差較大區(qū)域，達到地物無錯位、色彩過渡自然的效果。一般的航空影像處理，利用OrthoVista、PixelGrid、EPT 等軟件均能達到很好的鑲嵌效果；在處理多源多時相的衛(wèi)星影像時，要根據(jù)項目對時相、質(zhì)量的要求選擇影像，需要大量人工編輯。

沃韋軟件主要用于大范圍、多源多時相影像快速輻射校正和影像鑲嵌，是遙感圖像調(diào)色的專門軟件，具有影像拉伸、色彩合成、色彩校正（勻光、勻色、色彩均衡）、圖像恢復（霧氣、噪聲、條帶去除）等工具，影像鑲嵌時還能進行基于概覽圖的二次色彩調(diào)整，為大面積、大跨度數(shù)字正射影像生產(chǎn)提供了完整的勻光勻色與鑲嵌解決方案。所有操作均支持自動批量化、流程化處理，在全球基礎(chǔ)地理信息更新、實景三維中國建設(shè)、國土調(diào)查、地理國情監(jiān)測等重大項目中得到了廣泛應用。

4 沃韋軟件技術(shù)要點和處理流程

沃韋輻射校正原理是一種基于小波變換和Wallis變換的衛(wèi)星圖像色彩平衡方法，對原始衛(wèi)星圖像和參考圖像進行小波分解，獲得相應的高、低頻信息，通過高、低頻信息將原始衛(wèi)星圖像與參考圖像進行色彩匹配，最后進行小波重構(gòu)，獲得均衡后的圖像。在進行圖像內(nèi)的色彩均衡處理時，可通過提高圖像對比度，改善影像的“壓平”現(xiàn)象；在進行圖像間的色彩均衡處理時，可以在整個拼接范圍內(nèi)實現(xiàn)色彩平衡，使整個拼接范圍內(nèi)的圖像有一致性的色彩表現(xiàn)[4]。

參考圖像數(shù)據(jù)一般是從百度地圖、天地圖、谷歌地球等網(wǎng)絡(luò)資源下載，對分辨率要求不高，40 ～60米即可，用來生成顏色模板。如果原始影像有條帶等其他的系統(tǒng)噪聲，需要提前進行降噪處理。衛(wèi)星影像勻光勻色處理流程如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星影像勻光勻色處理流程

沃韋鑲嵌模塊支持基于概覽圖的二次色調(diào)調(diào)整，可對顏色進行二次干預。在進行鑲嵌處理時，先鑲嵌出一套低分辨率區(qū)域概覽圖，人工對概覽圖進行色調(diào)調(diào)整，可輸出與概覽圖色彩效果完全一致的鑲嵌結(jié)果；如果提前對相鄰測區(qū)的概覽圖進行顏色接邊，就會使得相鄰測區(qū)輸出的大塊成果接邊處色調(diào)基本一致，為相鄰作業(yè)區(qū)最終成果之間的顏色接邊提供了極大便利。沃韋軟件的鑲嵌處理流程如圖3 所示。

圖3 衛(wèi)星影像鑲嵌處理流程

5 沃韋軟件使用中常見問題及解決方案

5.1 色彩模板問題

參考模板對于沃韋軟件的勻光勻色處理非常重要，測區(qū)的色彩基調(diào)都來自參考模板。由于色彩參考模板是從網(wǎng)上下載的，質(zhì)量不能完全保證，往往存在色調(diào)、地物的“硬”折現(xiàn)象，不能直接使用。使用前一定要全面仔細檢查，針對有顏色突變和漏洞區(qū)域，必須人工干預處理，消除這些問題，否則會造成勻光勻色后局部色調(diào)異常，造成嚴重的影像產(chǎn)品質(zhì)量問題。

5.2 鑲嵌線問題

沃韋鑲嵌模塊，支持自動生成鑲嵌線，如不考慮時相和影像質(zhì)量差異問題，在自動生成鑲嵌線的基礎(chǔ)上，稍加人工編輯調(diào)整即可。在處理多源衛(wèi)星影像時，由于測區(qū)跨度大、影像獲取時間差異大、傳感器類型不同等原因造成影像質(zhì)量差異較大，自動鑲嵌功能很難適用。例如，在全球基礎(chǔ)地理信息更新項目中，提供的衛(wèi)星影像來自不同的衛(wèi)星傳感器，時相和影像質(zhì)量差異都很大，為了適應項目需要，對影像的選取原則有如下規(guī)定：

（1）優(yōu)先選擇質(zhì)量好、時相新的影像；

（2）涉及地物地貌有重大變化的，優(yōu)先選擇時相更新的影像；

（3）對于時相差異較大，有重大地物變化，時相較新影像質(zhì)量較差（影像上有薄云、薄霧等情況），不影響地物判讀時，優(yōu)先選擇時相較新影像；

（4）影像重疊區(qū)有人工地物時，應保證人工地物的完整性。

自動鑲嵌線生成時，軟件無法判斷影像時相及影像質(zhì)量，自動生成的鑲嵌線無法滿足以上需求，且在實際項目生產(chǎn)中經(jīng)常遇到影像重疊度較高，甚至有完全壓蓋的情況，如果在自動生成鑲嵌線的基礎(chǔ)上根據(jù)影像選取原則修改，工作量會更大。

經(jīng)過多次嘗試，最終采用先在ArcGIS 里純?nèi)斯ぞ庉嬭偳毒€，然后導入沃韋鑲嵌模塊進行。流程如下：

（1）將所有影像加載到ArcGIS 中，并按照時相由新到舊的順序排列；

（2）新建鑲嵌線*.shp 文件，添加景號字段；

（3）按照步驟（1）排列好的順序，從新到舊依次創(chuàng)建影像范圍矢量面，及時填寫景號信息；兼顧影像質(zhì)量，根據(jù)影像選取原則隨時調(diào)整，直至生產(chǎn)區(qū)被覆蓋完全；

（4）人工編輯精化鑲嵌線，使之避開人工地物等；

（5）統(tǒng)一修改鑲嵌線屬性字段，使之符合沃韋軟件的格式要求；

（6）將鑲嵌線導入沃韋鑲嵌工程，進行后續(xù)鑲嵌。

鑲嵌線要保證距離整景影像邊緣10 個像素以上，沃韋軟件鑲嵌默認的過渡寬度是10 個像素，太靠近邊緣會導致黑邊現(xiàn)象。

6 小結(jié)

沃韋軟件在針對大面積、大跨度的多源衛(wèi)星遙感影像處理中，較好解決了勻光勻色問題。但卻難以處理時相和質(zhì)量差異較大影像的鑲嵌，目前最簡單的辦法還是全人工編輯鑲嵌線。下一步，應該加強特征檢測算法的提升，統(tǒng)籌考慮影像時相和影像質(zhì)量，為大規(guī)模影像處理做好技術(shù)支撐。