淺談基于PCI軟件的北京二號衛(wèi)星正射影像快速生產(chǎn)

梁星

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443100）

1 引言

北京二號衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的高分辨率衛(wèi)星，于2015 年7 月發(fā)射，由3 顆同軌道面、120 度等距離分布的衛(wèi)星組成，可向用戶提供幅寬約24 公里的0.8米全色影像和3.2 米多光譜影像，衛(wèi)星的重訪周期僅需1 天[1]。北京二號具備高效獲取亞米級高分辨率影像的能力，在地理國情監(jiān)測、國土資源管理、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市綜合應(yīng)用等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用[2]。

PCI Geomatica 軟件是加拿大PCI 公司開發(fā)的用于遙感圖像處理、GIS 分析、攝影測量和制圖輸出的多功能軟件系統(tǒng)[3]。PCI 軟件強(qiáng)大的影像匹配、高效的批處理功能，在衛(wèi)星影像處理，特別是開展正射影像快速生產(chǎn)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。

2 基本作業(yè)流程

基于PCI 軟件進(jìn)行北京二號衛(wèi)星正射影像快速生產(chǎn)時，首先進(jìn)行資料整理，檢查原始影像、控制資料、參考資料等，然后分別建立全色及多光譜影像工程。正確建立工程后，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，選定模板，選取連接點(diǎn)和控制點(diǎn)，開展全色影像平差處理。當(dāng)平差計算指標(biāo)合限后，基于已有DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行全色影像正射糾正。根據(jù)單片全色正射影像與多光譜影像的對應(yīng)關(guān)系，對每張多光譜影像進(jìn)行影像配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)得到的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對多光譜影像平差計算后進(jìn)行正射糾正。糾正完成后，進(jìn)行全色單片正射影像和多光譜單片正射影像融合處理，建立鑲嵌工程進(jìn)行拼接鑲嵌，對拼接鑲嵌成果進(jìn)行分幅處理、質(zhì)量檢查，檢查合格后提交最終成果。利用PCI 軟件進(jìn)行正射影像快速更新生產(chǎn)工作流程如圖1 所示。

圖1 基于PCI軟件正射影像快速更新處理流程

3 生產(chǎn)作業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3.1 資料檢查整理

在生產(chǎn)作業(yè)前，需要對資料進(jìn)行細(xì)致檢查，若有不足需要求影像提供單位及時補(bǔ)充，方便后期記錄檢查情況、填寫元數(shù)據(jù)。對原始影像的檢查分析主要包括測區(qū)影像覆蓋情況、云區(qū)分布、影像表現(xiàn)質(zhì)量以及數(shù)據(jù)完備性。其中，云區(qū)覆蓋情況盡量用矢量數(shù)據(jù)（如shp 格式）詳細(xì)記錄，以便影像鑲嵌及成果檢查時使用。此外，還需對參考資料包括已有DOM 及DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，確保平差計算及后期檢查時使用。

3.2 平差計算

（1）連接點(diǎn)選取?；赑CI 軟件的強(qiáng)大影像匹配能力，可使用自動匹配方式進(jìn)行連接點(diǎn)選取。為保證選點(diǎn)成功率，應(yīng)添加高精度DEM 數(shù)據(jù)，選點(diǎn)困難地區(qū)可將搜索半徑由100 像素增大至200 至300 像素，同時將影像相關(guān)系數(shù)由0.75 降至0.7。對于修改系數(shù)仍無法成功匹配連接點(diǎn)的區(qū)域，需人工添加適當(dāng)?shù)倪B接點(diǎn)，確保平差計算后影像接邊精度可靠。

（2）控制點(diǎn)選取。利用PCI 軟件選取控制點(diǎn)時，可通過人工及自動匹配方式進(jìn)行。針對正射影像快速生產(chǎn)任務(wù)，推薦使用自動匹配方式選取控制點(diǎn)；對于匹配困難區(qū)域（如海洋、沙漠、無人區(qū)、境外等區(qū)域，缺少明顯標(biāo)志物信息，導(dǎo)致地面控制點(diǎn)難以獲?。4]，參考連接點(diǎn)選取時的方法修改參數(shù)，提高匹配成功率。

（3）解算選擇。連接點(diǎn)、控制點(diǎn)匹配完成后，進(jìn)行平差解算。第一次計算時盡量選擇Robust（固網(wǎng)算法），剔除粗差點(diǎn)后，修改Point 頁面內(nèi)連接點(diǎn)及控制點(diǎn)的權(quán)值，控制點(diǎn)權(quán)值改為0.3，連接點(diǎn)改為300，同時選擇Regular 算法進(jìn)行平差計算。每次計算后剔除或人工交互修改點(diǎn)文件，直至平差計算符合要求。

3.3 糾正融合

PCI 軟件要求影像分辨率與工程設(shè)置的分辨率一致，因此全色和多光譜影像需建立兩個工程。為提高配準(zhǔn)精度，全色影像與多光譜影像配準(zhǔn)時建議將正射糾正后的單片全色影像與對應(yīng)的多光譜影像一一匹配，將匹配得到的點(diǎn)作為控制點(diǎn)添加到多光譜影像工程。

為了融合多光譜影像的豐富光譜信息和全色影像的精細(xì)紋理信息，需對多光譜影像和全色影像進(jìn)行融合，以獲得具有高空間分辨率的多光譜影像[5]。PCI軟件提供HVS、PCA、Brovey、PANSHARP2 等多種影像融合算法[6]，根據(jù)多次試驗(yàn)，建議采用PANSHARP2 算法。該算法是一種基于最小二乘法的融合算法，可在多光譜和全色影像間建立最佳近似灰度值關(guān)系，從而達(dá)到最佳融合效果。利用PCI 軟件提供的Modeler 模塊可搭建工作流進(jìn)行批量融合，如圖2 所示。

圖2 PCI影像批量融合工作示意圖

3.4 拼接鑲嵌

利用PCI 軟件進(jìn)行拼接鑲嵌時，可以人工鑲嵌編輯，也可以自動鑲嵌。其中，自動鑲嵌計算，PCI 軟件提供了最小差別、最小相關(guān)差別、邊緣特征、整個影像四種算法。經(jīng)多次試驗(yàn)，對于類似北京二號這類高分辨率影像，采用邊緣特征算法進(jìn)行自動鑲嵌效果最佳。當(dāng)自動鑲嵌完成后，對部分鑲嵌線不理想?yún)^(qū)域進(jìn)行人工修改編輯，既可提高生產(chǎn)效率，又可確保生產(chǎn)質(zhì)量。在鑲嵌編輯時，除了保證鑲嵌線不切割田地、池塘等面狀地物，還要特別注意鑲嵌影像的攝影日期，在影像質(zhì)量相同的前提下，盡量最大化利用攝影時間最新的影像，以確保最終成果的時效性。

3.5 質(zhì)量檢查

對于分幅輸出的成果，要檢查正射影像的表觀質(zhì)量和精度。表觀質(zhì)量檢查主要包括影像拉伸、顏色異常、云區(qū)覆蓋、顏色過曝等問題，要按照圖幅將問題詳細(xì)記錄，以便修改和后期元數(shù)據(jù)生產(chǎn)。影像精度檢查包括絕對定位精度檢查和鑲嵌精度檢查。對于鑲嵌精度，可在DOM 疊加鑲嵌線文件進(jìn)行檢查，一般要求不超過兩個像素。對于絕對定位精度，一般通過外業(yè)控制數(shù)據(jù)或已有DOM 數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，利用外業(yè)控制數(shù)據(jù)檢查時，應(yīng)人工檢查每個點(diǎn)位誤差情況并記錄；利用參考DOM 檢查時，利用PCI 軟件批量匹配功能大量匹配同名點(diǎn)，剔除粗差點(diǎn)后統(tǒng)計得出成果的檢查精度。

4 試驗(yàn)情況

4.1 測區(qū)概況

試驗(yàn)測區(qū)位于山東省東部，地理范圍為東經(jīng)119°08′49″到119°38′53″，北緯35°50′59″到36°13′26″之間，海拔為10 米至600 米，地形以平原和丘陵為主。開展生產(chǎn)作業(yè)共接收北京二號衛(wèi)星影像12 景，攝影時間為2017 年11 月。測區(qū)內(nèi)具有2013 年實(shí)測外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)25 個，以及2013 年航攝生產(chǎn)的平面精度為0.6 米的1∶2000 正射影像和高程精度為0.5 米的DEM 成果數(shù)據(jù)。

4.2 作業(yè)過程

為對比不同作業(yè)方法的成果精度，分別利用9 個實(shí)測外業(yè)控制點(diǎn)和1∶2000 比例尺正射影像作為平差控制資料開展生產(chǎn)作 業(yè)，采用兩種控制方案進(jìn)行平差精度統(tǒng)計，如表1 所示。由表1 可知，采用高精度DOM 和實(shí)測外業(yè)控制點(diǎn)作為控制資料生產(chǎn)作業(yè)，影像平差精度基本相當(dāng)，但是采用高精度DOM 密集控制方案時，無需人工選取控制點(diǎn)，作業(yè)效率得到極大提高，因此，條件具備時建議采用高精度DOM 控制方案開展生產(chǎn)作業(yè)。此外，為提高最終影像色彩質(zhì)量，在影像融合完成后，可利用如沃韋等專業(yè)調(diào)色軟件對融合成果進(jìn)行色彩均衡處理，然后再進(jìn)行鑲嵌作業(yè)。

表1 北京二號衛(wèi)星影像兩種方案平差精度統(tǒng)計

4.3 影像成果

經(jīng)過平差計算、糾正融合、拼接鑲嵌、色彩調(diào)整等生產(chǎn)作業(yè)后，最終正射影像成果色彩紋理豐富，顏色真實(shí)，色調(diào)一致。北京二號正射影像效果如圖3 所示。

圖3 北京二號正射影像效果

4.4 作業(yè)時間對比

為了體現(xiàn)PCI 軟件在北京二號衛(wèi)星正射影像生產(chǎn)過程中的速度優(yōu)勢，本文選擇與EDARS 軟件進(jìn)行對比。PCI 軟件較EDARS 軟件在以下幾方面有較大優(yōu)勢。

4.4.1 同名點(diǎn)采集

（1）PCI 軟件：PCI 軟件可以進(jìn)行自動同名點(diǎn)采集配置，并可進(jìn)行批量生產(chǎn)。根據(jù)多次生產(chǎn)試驗(yàn)，PCI軟件同名點(diǎn)匹配成功率一般地區(qū)可達(dá)80%以上，沙漠、高山等困難地區(qū)匹配成功率也可達(dá)到50%，在控制點(diǎn)和連接點(diǎn)選取環(huán)節(jié)只需極少量人工編輯，極大地提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。

（2）ERDAS 軟件：在LPS 模塊中進(jìn)行配準(zhǔn)，在沙漠、高山等影像質(zhì)量不好、同名點(diǎn)判讀不清晰等困難區(qū)域無法自動采集到高精度點(diǎn)位，需人工均勻在未刺點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行采集。由于是人工進(jìn)行單景作業(yè)，無法批量處理，比較耗時耗力。

4.4.2 批處理

PCI 軟件在影像糾正、配準(zhǔn)、融合等模塊均可以在建好Modeler 模塊之后進(jìn)行批處理，并且自動設(shè)置合適的CPU 個數(shù)參與處理。而EDARS 軟件無法設(shè)定參與運(yùn)算的CPU 個數(shù)。

4.4.3 海量影像的無控糾正

PCI 軟件和ERDAS 軟件均能進(jìn)行無控糾正或者有控糾正。若作業(yè)區(qū)域具有海量影像且控制點(diǎn)稀少，使用PCI 軟件進(jìn)行單景無控糾正，使用ERDAS 軟件在1∶50000 DOM 上采集控制點(diǎn)進(jìn)行糾正，兩者的成果平面精度均能在10m 以內(nèi)。

為進(jìn)行直觀對比，分別使用兩種軟件各自生產(chǎn)4.1節(jié)測區(qū)的3 景影像來進(jìn)行試驗(yàn)。每景影像各階段的平均處理時間如表2 所示。

表2 各階段處理時間統(tǒng)計表（min/景）

5 結(jié)束語

PCI 軟件強(qiáng)大的影像匹配、高效快捷的自動化處理、支持多類型傳感器的特點(diǎn)，在正射影像快速生產(chǎn)方面具有顯著優(yōu)勢。本文方法通過優(yōu)化資料整理、影像平差、拼接鑲嵌、精度檢查等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，不僅確保最終成果色調(diào)統(tǒng)一、色彩真實(shí)自然，還極大地提高了生產(chǎn)效率，為規(guī)?；萌绫本┒柕葒a(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行正射影像快速生產(chǎn)提供借鑒。