基于國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的天地圖影像更新方法研究

吳海羅 胡挺

（湖北省地圖院 湖北省武漢市 430074）

1 背景

天地圖平臺(tái)是縣級(jí)以上自然資源主管部門向社會(huì)提供各類在線地理信息公共服務(wù)、推動(dòng)地理信息數(shù)據(jù)開發(fā)共享的政府網(wǎng)站。影像地圖是天地圖平臺(tái)重要底圖數(shù)據(jù)之一，具有豐富的信息量，地物相對(duì)關(guān)系直觀明確，表現(xiàn)真實(shí)。本文中天地圖年度更新影像數(shù)據(jù)來源于自然資源衛(wèi)星遙感云服務(wù)平臺(tái)省級(jí)節(jié)點(diǎn)推送的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，根據(jù)省級(jí)天地圖平臺(tái)更新要求，省級(jí)節(jié)點(diǎn)更新17、18兩級(jí)地圖瓦片，因此為了滿足天地圖影像分辨率的要求，必須選用優(yōu)于1米的成果影像進(jìn)行切片，本文主要選擇傳感器類型為GF2、GF7、BJ2、JL1等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

目前，主流的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以國(guó)外的產(chǎn)品為主，如Erdas、PCI、Envi等；最近幾年，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理平臺(tái)也在不斷發(fā)展，主要有EPT、SDP、EasySat等。EasySat衛(wèi)星影像快速處理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱EasySat系統(tǒng)）針對(duì)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，在海量、大范圍的影像數(shù)據(jù)處理任務(wù)中具有重要作用。本文以2021年湖北省天地圖平臺(tái)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)融合為例，基于EasySat系統(tǒng)，設(shè)計(jì)技術(shù)流程，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)天地圖平臺(tái)影像地圖的更新，推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品的在線共享，為社會(huì)各行各業(yè)提供了便捷的影像數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 衛(wèi)星影像處理方法

本文根據(jù)EasySat系統(tǒng)適合海量衛(wèi)星影像批量數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，首先利用EasySat系統(tǒng)批量進(jìn)行正射糾正與統(tǒng)一勻光勻色，篩選出成果不合格的部分，重新進(jìn)行正射糾正與勻光勻色處理，確保每景影像每一個(gè)處理流程的成果質(zhì)量滿足要求，經(jīng)正射糾正和勻光勻色后再進(jìn)行鑲嵌，自動(dòng)生產(chǎn)鑲嵌線后再人工調(diào)整鑲嵌線，然后按照標(biāo)準(zhǔn)5萬圖框范圍裁切，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)分幅DOM產(chǎn)品，最后利用ArcGIS軟件進(jìn)行影像切片，并最終實(shí)現(xiàn)天地圖平臺(tái)影像地圖更新任務(wù)，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1：衛(wèi)星影像處理主要流程

2.1 正射糾正

首先收集參考DOM數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、影像控制點(diǎn)庫(kù)、原始影像等；基于EasySat系統(tǒng)，導(dǎo)入全色波段衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、多光譜波段衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)已經(jīng)參考DOM數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，影像糾正數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示；首先利用衛(wèi)星影像原始軌道參數(shù)，對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行初始定向，結(jié)合已有的基礎(chǔ)測(cè)繪參考DOM數(shù)據(jù)，將高分辨率衛(wèi)星影像與已有的基礎(chǔ)測(cè)繪參考DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)匹配，匹配獲取大量的匹配特征點(diǎn)，從大量的特征點(diǎn)中剔除粗差點(diǎn)，利用剩余的特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)信息，完成全色波段衛(wèi)星影像自動(dòng)定向，再利用全色波段衛(wèi)星影像和多光譜波段衛(wèi)星影像進(jìn)行配準(zhǔn)，完成多光譜衛(wèi)星影像自動(dòng)定向，通過定向計(jì)算得到全色波段和多光譜波段衛(wèi)星影像修正后的精確軌道參數(shù)，導(dǎo)入已有的基礎(chǔ)測(cè)繪參考DEM數(shù)據(jù)，完成對(duì)全色波段和多光譜波段遙感影像的正射糾正[1]。然后結(jié)合已有的影像控制點(diǎn)庫(kù)，每景影像選取20個(gè)左右均勻分布的影像控制點(diǎn)對(duì)影像正射糾正成果進(jìn)行糾正精度檢核，計(jì)算控制點(diǎn)的均方根誤差，一般平原、丘陵地區(qū)誤差不超過2個(gè)像素，山區(qū)不超過4個(gè)像素；如誤差超限則需重新進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，直至成果滿足技術(shù)要求為止；最后將糾正好的影像進(jìn)行降位和波段重組，舍棄近紅外波段數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)由16位降成8位，輸出RGB真彩色合成的正射影像數(shù)據(jù)。

圖2：影像正射糾正技術(shù)流程

2.2 勻光勻色處理

湖北省大范圍區(qū)域覆蓋的地形地貌較為復(fù)雜，遙感數(shù)據(jù)受傳感器特征、拍攝季節(jié)、拍攝時(shí)間以及水面、云、太陽(yáng)高度角等因素影響，地物在衛(wèi)星影像上呈現(xiàn)的色彩特征存在嚴(yán)重差異。如何使全省區(qū)域衛(wèi)星影像色彩統(tǒng)一并盡可能保留豐富的層次感和影像光譜信息，滿足天地圖平臺(tái)用戶的不同要求，是我們需要解決的重要問題。

常規(guī)衛(wèi)星影像勻光勻色處理一般采用準(zhǔn)備好的模板影像數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星影像進(jìn)行勻光勻色，利用這種方法處理的影像成果整體色彩過于一致、缺乏色彩層次感。為了能讓天地圖平臺(tái)用戶用到色彩更加真實(shí)自然的衛(wèi)星影像，因此，我們嘗試?yán)肊asySat系統(tǒng)提供的基于全球參考影像庫(kù)的勻光勻色方法，這種方法會(huì)根據(jù)影像所處的地理位置，利用全球影像參數(shù)來進(jìn)行影像的勻光勻色處理，這種勻光勻色方法的優(yōu)勢(shì)是，既可以保留影像色彩的真實(shí)性，又確保大范圍海量影像的視覺色彩的一致性和層次感。但是，這種方法采用的參數(shù)在某些局部區(qū)域勻光勻色效果還不夠完善，同時(shí)，還存在一部分影像因拍攝質(zhì)量不理想情況，造成了衛(wèi)星影像視覺色彩上的不協(xié)調(diào)，為了解決少量影像批量勻光勻色處理效果不理想的狀況，本文采用PhotoShop調(diào)色工具對(duì)影像的色彩亮度進(jìn)行人工勻光勻色，利用PhotoShop軟件豐富的色彩調(diào)整工具，參考EasySat系統(tǒng)批量勻光勻色質(zhì)量較好的成果作為模板，對(duì)比模板影像人工調(diào)整衛(wèi)星影像色彩及亮度，確保衛(wèi)星影像色彩正常合理、清晰、便于解譯。人工勻光勻色主要包括色階調(diào)整、曲線調(diào)整、色彩平衡等；衛(wèi)星影像勻光勻色數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3：影像勻光勻色主要技術(shù)流程

2.2.1 色階調(diào)整

色階調(diào)整是利用直方圖對(duì)影像進(jìn)行均勻非線性拉伸，以達(dá)到影像輻射增強(qiáng)的一種方法[2]。衛(wèi)星影像直方圖調(diào)整主要通過三個(gè)指標(biāo)滑塊實(shí)現(xiàn)，即最大色階滑塊、最小色階滑塊和中間值滑塊，通常這三個(gè)指標(biāo)滑塊往右滑動(dòng)，會(huì)使得圖像顏色加深，往左，則顏色漸淡；而直方圖是體現(xiàn)圖像明暗顏色的常用工具，通過影像直方圖可以快速判斷影像明、暗、灰度等問題。通常色彩亮度效果較好的衛(wèi)星影像主要體現(xiàn)在具有豐富的明暗細(xì)節(jié)，且在直方圖上呈正態(tài)分布狀態(tài)，兩側(cè)均不會(huì)有像素溢出[3]。對(duì)影像色階信息進(jìn)行調(diào)整時(shí)，必須注意的是，不要將直方圖拉伸太大而造成最亮和最暗的色階信息的丟失，直方圖拉伸尺度要柔和，從而確保區(qū)域影像細(xì)節(jié)清晰，整體呈現(xiàn)的明暗亮度適中。

圖4：Photoshop中色階直方圖調(diào)整示例

圖5：Photoshop中色彩曲線形態(tài)調(diào)整

圖7：勻光勻色后衛(wèi)星影像

圖8：影像切圖處理流程

2.2.2 曲線調(diào)整

曲線調(diào)整是 Photoshop 軟件中較為復(fù)雜但是很精準(zhǔn)的顏色調(diào)整工具。在曲線調(diào)整過程中，首先依次選擇R、G、B單個(gè)通道底部曲線控制點(diǎn)水平右移，過濾對(duì)應(yīng)通道的低值無效像元值，然后根據(jù)影像直方圖像元值分布情況添加曲線控制點(diǎn)，一般情況下將色彩曲線逐漸拖動(dòng)成 S 形曲線，效果最為理想，影像地物的對(duì)比度強(qiáng)，易于影像判讀解譯。

2.2.3 色彩平衡

色彩平衡是 Photoshop 軟件常用的色彩調(diào)整工具，用以改變衛(wèi)星影像的色度。色彩平衡處理既能消除影像偏色，又能控制影像的色彩分布，在調(diào)色前首先需要熟悉色彩互補(bǔ)原理，針對(duì)RGB色彩模式下色彩規(guī)律有R+G=Y；R+B=M；G+B=C；R+G+B=K；在CMYK色彩模式下的色彩規(guī)律有C+M=B；C+Y=G；M+Y=R；C+M+Y=K。上面的R、G、B、C、M、Y、K分別表示紅、綠、蘭、青、品、黃和黑[4]。一般在單一地物（植被、水域、云等）覆蓋范圍較多情況下，整體影像顏色會(huì)出現(xiàn)偏色現(xiàn)象，根據(jù)顏色互補(bǔ)規(guī)律，進(jìn)行色彩平衡調(diào)整，能使影像地物色彩更加趨向于地物真實(shí)自然色。依據(jù)色彩互補(bǔ)原理，若要減少某一種色彩，則要增加這種色彩的互補(bǔ)色，利用該原理可調(diào)整影像陰影區(qū)、中間色調(diào)區(qū)、高光區(qū)的各種顏色成分，以達(dá)到色彩平衡[5]。但是色彩平衡對(duì)亮度、飽和度、反差的調(diào)整是有限的，因此對(duì)明暗度等不加以調(diào)整的正射影像推薦采用該方法，選取影像調(diào)整區(qū)域重復(fù)進(jìn)行處理[6]。

2.3 影像鑲嵌及裁切

由于單景衛(wèi)星影像覆蓋范圍有限，而全省區(qū)域覆蓋范圍廣，為了展現(xiàn)全省范圍內(nèi)地物特征，需要從海量衛(wèi)星影像庫(kù)中挑選足量合適的衛(wèi)星影像進(jìn)行無縫鑲嵌拼接，在挑選衛(wèi)星影像時(shí)，優(yōu)先考慮影像的圖面質(zhì)量及影像的現(xiàn)勢(shì)性；在構(gòu)建鑲嵌工程時(shí)一般將20幅標(biāo)準(zhǔn)1:5萬圖框范圍劃分一個(gè)鑲嵌工程區(qū)；在鑲嵌時(shí)，相鄰衛(wèi)星影像色彩有差異時(shí)需人工調(diào)整鑲嵌線，使得衛(wèi)星影像在鑲嵌處色彩過渡自然，紋理清晰，地物接邊符合邏輯，同時(shí)需注意確保無重影、地物錯(cuò)位。手動(dòng)修改鑲嵌線時(shí)，應(yīng)沿著線狀地物邊線，如道路、田坎，山脊線等，同時(shí)應(yīng)繞開人工地物，使鑲嵌結(jié)果能夠保持人工地物的完整性和合理性。鄂西與鄂東北地區(qū)主要為山地地貌，地勢(shì)起伏較大，導(dǎo)致影像在大型高架橋、立交橋、高速路橋梁、大型高層建筑物等產(chǎn)生不合理的拉伸變形或扭曲，可在鑲嵌工程中加載對(duì)應(yīng)區(qū)域DEM數(shù)據(jù)，通過對(duì)變形區(qū)域DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行局部多次平滑、擬合處理，確保衛(wèi)星影像地物紋理合理不失真。在大面積厚云覆蓋區(qū)域需進(jìn)行去云處理，在鑲嵌工程中按照一定的規(guī)則從備選衛(wèi)星影像中對(duì)有云覆蓋區(qū)域進(jìn)行無云影像替換；完成鑲嵌后為了便于后期全省數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行管理及影像切片，特選擇按標(biāo)準(zhǔn)1:5萬圖幅框外擴(kuò)50個(gè)像素分幅裁切輸出，最終全省共生產(chǎn)512幅1:5萬分幅的分辨率為0.8米的正射衛(wèi)星影像。

2.4 基于ArcGISServer平臺(tái)的影像切片

衛(wèi)星影像地圖瓦片，是將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用高效的緩存機(jī)制形成的緩存圖片集，采用“級(jí)、行、列”方式進(jìn)行組織，可以在網(wǎng)頁(yè)中快速加載。地圖瓦片的加載是根據(jù)天地圖用戶客戶端請(qǐng)求的范圍和級(jí)別，通過計(jì)算行列號(hào)獲取對(duì)應(yīng)級(jí)別下網(wǎng)格的瓦片，這些瓦片在客戶端組合成一張影像地圖。本文利用ArcGIS Server平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及衛(wèi)星影像地圖切片處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理及衛(wèi)星影像地圖切圖處理流程如圖6所示。首先構(gòu)建好衛(wèi)星影像鑲嵌數(shù)據(jù)集，導(dǎo)入衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，創(chuàng)建好影像金字塔，構(gòu)建衛(wèi)星影像鑲嵌數(shù)據(jù)集概視圖；在ArcMap切片工程中加載衛(wèi)星影像鑲嵌數(shù)據(jù)集和水印數(shù)據(jù)，切片工程的地理坐標(biāo)設(shè)置為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），在ArcMap中建好切圖工程文檔后發(fā)布ArcGISServer服務(wù)，設(shè)置好切片方案和切圖參數(shù)，切圖處理時(shí)盡量選擇配置較好，CPU核數(shù)較多的機(jī)器，開多線程進(jìn)行衛(wèi)星影像地圖切圖處理，可極大的縮短切圖處理時(shí)間；地圖瓦片數(shù)據(jù)以緊湊型Bundle格式存儲(chǔ)，地圖瓦片切片完成后檢查是否存在空白瓦片及格式錯(cuò)誤瓦片，如存在空白瓦片或格式錯(cuò)誤瓦片則需重新進(jìn)行地圖切圖處理。

圖6：勻光勻色前衛(wèi)星影像

3 結(jié)語(yǔ)

近年來，隨著國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星平臺(tái)的快速發(fā)展，高分辨率國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像不斷豐富，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像處理平臺(tái)也在不斷更新發(fā)展，本文采用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像處理平臺(tái)EasySat衛(wèi)星影像快速處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像的大批量快速處理，較好地完成了天地圖影像地圖融合更新任務(wù)，通過實(shí)踐可以得出：

（1）通過EasySat衛(wèi)星影像快速處理系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)全省海量多源衛(wèi)星遙感影像全自動(dòng)化正射校正，相對(duì)傳統(tǒng)每景影像需手工刺點(diǎn)的作業(yè)方式，大大節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率；

（2）目前影像正射糾正、鑲嵌時(shí)技術(shù)比較成熟，自動(dòng)化程度較高；但是在大范圍勻光勻色時(shí)，目前各種算法都還處于研究中，本文采用基于全球參考影像庫(kù)的勻色方法取得了一定的效果，但還需借助Photoshop調(diào)色功能去進(jìn)一步完善勻光勻色效果；

（3）本文較好的利用Photoshop強(qiáng)大的調(diào)色功能來輔助衛(wèi)星影像的勻光勻色處理過程，具有較好的應(yīng)用效果，可以作為人工影像勻光勻色技術(shù)參考；

（4）通過不斷的探索研究，本方案較好的實(shí)現(xiàn)了天地圖平臺(tái)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像的融合，也可以為其它互聯(lián)網(wǎng)地圖平臺(tái)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)快速更新提供了可行的解決方案。