衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

李萬清

（甘肅省地圖院，蘭州 730000）

伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與航天科技的快速發(fā)展，目前獲得全球地理空間信息的主要技術(shù)方法，已經(jīng)逐漸發(fā)展為利用衛(wèi)星遙感影像信息處理技術(shù)，以及不斷提高的衛(wèi)星遙感影像分辨率，使得衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)在人類的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)中得到普遍運(yùn)用。

以這一點(diǎn)為基礎(chǔ)，本論文將重點(diǎn)研究衛(wèi)星的遙感影像信息處理技術(shù)，并將目前情況與環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地利用研究等眾多社會(huì)應(yīng)用領(lǐng)域中的普遍使用情況相聯(lián)系，以推動(dòng)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)最大程度地發(fā)揮出其獨(dú)特的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。

1 衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)概述

衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)所采集的影像數(shù)據(jù)是地物目標(biāo)電磁信號(hào)的一部分，其包括2 種形態(tài)：一種是反射，另一種是自反射。在進(jìn)入大氣后，反射的能量在空氣中衰減，然后被記錄下來，通過衛(wèi)星地面接收站進(jìn)行加工，就可以在最大程度上恢復(fù)出影像。

衛(wèi)星影像是多元信息與噪音的復(fù)合體，對(duì)其進(jìn)行分析處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多元信息的高效識(shí)別，降低外部有害信息的干擾。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像處理具有如下特征。

第一，衛(wèi)星的多重感應(yīng)器，該探測(cè)器的應(yīng)用將提高對(duì)全彩色光譜帶的空間分辨能力，為研究對(duì)象的研究提供更豐富的資料。

第二，利用各種不同的技術(shù)手段，把重旅行的時(shí)間限制在數(shù)日以內(nèi)。

第三，地物的質(zhì)地特性具有多樣性，地物的同質(zhì)性成分較多，地物的頻譜統(tǒng)計(jì)特性較不穩(wěn)固。

2 衛(wèi)星遙感影像處理的主要技術(shù)

2.1 衛(wèi)星遙感數(shù)字影像糾正處理

為了提高遙感影像的使用效率和防止信息泄漏，大多數(shù)的遙感影像資料都會(huì)給使用者一個(gè)與傳感器無關(guān)的一般的影像幾何模式，即有理函數(shù)模式。該方法取代了常規(guī)的基于共線性約束的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膸缀谓７椒?，是一種全新的建模方法?；谟欣砗瘮?shù)的建模方法具有不依賴于地面的特點(diǎn)，利用衛(wèi)星上的GPS 數(shù)據(jù)獲取衛(wèi)星軌道、相機(jī)和慣性測(cè)量單元等數(shù)據(jù)，能夠保證空間幾何建模的正確性和準(zhǔn)確性。

基于此，可以產(chǎn)生具有較強(qiáng)空間一致性的虛擬地表控制點(diǎn)，并通過對(duì)其進(jìn)行有理函數(shù)建模，從而達(dá)到2類模式的同步擬合。當(dāng)前，基于有理函數(shù)的校正方法可以應(yīng)用到各種不同的衛(wèi)星遙感影像。在校正時(shí)，可以使用的校正控制數(shù)據(jù)種類繁多，包括高分辨率DEM、外業(yè)控制點(diǎn)、DOM、DLG 和DRG 等，校正的總體方法是通過多項(xiàng)式擬合法完成的，其中包括二級(jí)和三級(jí)的校正，且校正的對(duì)象比較多。

為了保證矯正的結(jié)果，在矯正工作開展以前，要對(duì)其座標(biāo)體系的信息進(jìn)行全面了解，并將其與有理函數(shù)的參數(shù)和控制數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系聯(lián)系起來，保證控制點(diǎn)的精確位置，并對(duì)其進(jìn)行精確的定位，當(dāng)偏差超出了容許的極限時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正，并與對(duì)應(yīng)的參照數(shù)據(jù)和地貌差別相配合，保證校正的質(zhì)量，防止影像中出現(xiàn)重影、模糊等現(xiàn)象。

在使用衛(wèi)星遙感影像技術(shù)時(shí)，如果沒有根據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行校正，那么就會(huì)對(duì)后續(xù)的資料處理造成很大的影響。假如在技術(shù)使用的最后階段，在其早期存在校正問題重新進(jìn)行校正，不但增加了工作的難度和工作量，還會(huì)使技術(shù)使用的效果下降。

在校正過程中，最重要的是要對(duì)控制點(diǎn)的精度和均勻性、控制點(diǎn)的單點(diǎn)誤差、控制點(diǎn)的殘差中誤差和影像的精度等進(jìn)行檢驗(yàn)和控制。

2.2 區(qū)域網(wǎng)平差求解方法

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)母叱陶{(diào)整方式。針對(duì)這一問題，本項(xiàng)目擬采用稀疏控制點(diǎn)高階平差、基于影像數(shù)據(jù)的稠密配準(zhǔn)和影像數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)的高階平差。當(dāng)影像與控制點(diǎn)均被完全覆蓋時(shí)，通常使用稠密匹配平差算法對(duì)影像進(jìn)行修正。利用控制點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、批量地獲取糾正后的全彩色、多光譜影像；在同一幅影像中，多波段和全波段的連通性好，具有比較高的測(cè)量精度。使用高質(zhì)量的控制點(diǎn)進(jìn)行精確檢查，能夠客觀地反映修正結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 影像批量區(qū)域化處理

2.3.1 整體場(chǎng)景與影像的融合

影像融合是指在相同的空間位置上，采用一定的處理方法，實(shí)現(xiàn)多源影像的合成。衛(wèi)星攝影是一項(xiàng)將不同空間、光譜、時(shí)間等空間分辨的影像進(jìn)行綜合處理的新技術(shù)，其結(jié)果是獲得高空間分辨的多光譜影像。影像融合技術(shù)不僅拓寬了衛(wèi)星影像的使用范圍，還提升了影像的信息表示能力與大數(shù)據(jù)分析的精度。

2.3.2 融合影像降序采樣輸出

現(xiàn)在，通常使用的是16 比特的影像資料，16 比特影像具有更多色彩的特征，但是16 比特影像的數(shù)據(jù)規(guī)模太大，對(duì)內(nèi)存的要求太高，導(dǎo)致影像的運(yùn)算和傳送速度很慢。此外，一些16 比特的影像在一些程序中不能很好地顯示。所以，在對(duì)影像進(jìn)行顏色變換前，必須對(duì)影像進(jìn)行顏色變換。

影像的合并與下降次序很關(guān)鍵。在影像的基礎(chǔ)上，通過對(duì)影像的降階，可以有效降低影像數(shù)據(jù)規(guī)模。然而，在該方法中，影像在壓縮過程中會(huì)損失掉一些影像內(nèi)容，影響了影像的質(zhì)量。所以，在影像產(chǎn)生時(shí)，一般都會(huì)首先進(jìn)行影像合并，然后進(jìn)行縮減的方式來保存影像中最有用的信息。

3 衛(wèi)星遙感影像處理

3.1 衛(wèi)星遙感影像糾正處理

在保證其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)不受泄露的前提下，大多數(shù)遙感影像都采用不依賴于觀測(cè)對(duì)象的、基于共線性的、具有普適性的、多源遙感影像的幾何建模方法——有理函數(shù)（RPC）。

該方法以“不依賴于地物”為基礎(chǔ)，以由GPS 測(cè)量得到的衛(wèi)星軌跡和由恒星照相機(jī)和慣性測(cè)量單元測(cè)量得到的姿態(tài)信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建精確的空間幾何建模。在此基礎(chǔ)上，通過建立嚴(yán)密的三維影像處理方法，產(chǎn)生一系列的三維影像數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行精確的三維影像處理。RPC 校正方法因其自身的特性而被廣泛應(yīng)用于各種星載遙感影像，但其校正過程中對(duì)DEM 的擬合要求很高，通常為2～3 次，且對(duì)觀測(cè)點(diǎn)要求很高。

矯正控制資料通常包括外業(yè)控制點(diǎn)、DOM、DLG或者DRG。在矯正之前，必須要對(duì)控制資料的坐標(biāo)體系進(jìn)行清晰了解，利用RPC 參數(shù)和控制資料之間的相互映射關(guān)系，對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行迅速而精確的定位，中偏差需要控制在2～3 個(gè)像素之內(nèi)，如果很大，就需要進(jìn)行修正，其細(xì)節(jié)要依據(jù)參照資料和地勢(shì)的不同來決定。如果是為了全色與多光譜的配準(zhǔn)，那么最好將其保持在0.5～1 個(gè)像素之間，這樣就可以確保融合后的影像中不會(huì)出現(xiàn)重影、模糊的情況，通常情況下，采用的是雙立方體或3 次卷積的方式，這樣可以有效防止并降低直線地物的鋸齒現(xiàn)象。

對(duì)衛(wèi)星遙感影像的修正質(zhì)量把控是否嚴(yán)格，直接影響到后期工作處理和結(jié)果的準(zhǔn)確性，如果最終發(fā)現(xiàn)修正有問題，就需要重新進(jìn)行返工處理，這會(huì)極大降低效率，因此，必須要對(duì)修正質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格地檢測(cè)，重點(diǎn)從下面的一些角度來檢驗(yàn)。一是對(duì)控制點(diǎn)位置平均精確分布；二是對(duì)某一控制點(diǎn)處的最大偏差進(jìn)行修正，以確定其最大偏差值；三是對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，確定檢測(cè)結(jié)果的偏差值；四是對(duì)成像準(zhǔn)確度的校正。

3.2 衛(wèi)星遙感影像融合處理

“影像合成”指的是將相同的場(chǎng)景或目標(biāo)的影像進(jìn)行合成的技術(shù)與手段，其能夠得到的影像比起單個(gè)影像具有更加準(zhǔn)確、完整、可靠的估算與判定結(jié)果，為特定領(lǐng)域提供高質(zhì)量的信息，其功能如下。①影像的銳化和空間分辨率的提高；②在對(duì)象抽取和辨識(shí)過程中，解決了資料的不完備問題，改善了判讀效果；③改進(jìn)了用以改進(jìn)分類準(zhǔn)確度的光譜學(xué)分辨率；④通過光學(xué)、紅外、雷達(dá)3 種不同類型的影像信息互補(bǔ)，增強(qiáng)影像信息的檢測(cè)性能。通常，影像融合可以劃分為像素級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)3 個(gè)層次。

3.3 衛(wèi)星遙感影像鑲嵌和裁切

衛(wèi)星遙感影像的拼接，就是將經(jīng)過校正和融合的影像進(jìn)行拼接，要確保在拼接之前，各個(gè)影像之間的接邊精度都要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，通常在2 個(gè)像素之內(nèi)，拼接線應(yīng)該盡可能地沿著地物和地塊的邊界，選擇開闊的地方和谷地，避免將一個(gè)完全的地物切掉，不要將云霧或者其他質(zhì)量比較低的地方影像去掉，在鑲嵌線的過程中，要確保拼接處沒有裂縫，沒有模糊，沒有重影，整個(gè)拼接影像的紋理，色彩過渡自然，色調(diào)均勻，在拼接過程中，根據(jù)剪切范圍，輸出結(jié)果。

4 遙感影像處理應(yīng)用實(shí)例

由于其具有宏觀、客觀、綜合、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和快速等優(yōu)點(diǎn)，因此，在地球資源調(diào)查與開發(fā)、土地治理、環(huán)境監(jiān)測(cè)和全球研究等方面，都可以為人們帶來一種全新的檢測(cè)方法，在測(cè)繪、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地球資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與救治、軍事偵查等方面有著廣泛應(yīng)用。能夠還原出光譜信息，地理幾何位置信息的衛(wèi)星影像分析技術(shù)；能夠用于提升遙感影像的分辨效果，加強(qiáng)對(duì)特殊地物信息的辨識(shí)，對(duì)遙感影像的分析、解釋，具有非常關(guān)鍵的意義，其是衛(wèi)星影像的技術(shù)保證，是遙感影像的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，也是衛(wèi)星技術(shù)的一個(gè)必不可少的技術(shù)手段。在遙感影像技術(shù)的應(yīng)用與科研工作中，始終貫徹著衛(wèi)星影像的信息分析與應(yīng)用。

圖1 的左側(cè)影像是3 個(gè)頻帶的顏色綜合陸地衛(wèi)星TM 影像，該影像已經(jīng)進(jìn)行輻照修正和初步的幾何修正，右側(cè)影像已經(jīng)進(jìn)行了初步的幾何修正，并在右側(cè)影像上顯示一個(gè)子區(qū)影像，在右側(cè)影像上顯示一個(gè)白色的小塊。從視覺上來說，2 個(gè)畫面是以一個(gè)不同的角度轉(zhuǎn)動(dòng)的，2 個(gè)畫面都有一定比例的扭曲。精確修正后的影像與地形圖在同一坐標(biāo)下，在空間上彼此吻合，方便比較、分析、解讀以及最后生成的影像。右側(cè)影像的信息量較左側(cè)影像更大，可以將多個(gè)影像的圖象表現(xiàn)得更好，而且可以將影像中的各層影像進(jìn)行比較，通過直線影像的加強(qiáng)，可以凸顯出各種影像的差異，方便影像的解析和解讀，而子區(qū)影像則可以更好地體現(xiàn)該影像的處理結(jié)果。

圖1 影像輻射校正、幾何校正和影像增強(qiáng)處理

圖2 的左側(cè)上部是TM4 光譜影像，右側(cè)上部是通過HIS 轉(zhuǎn)換模式在該光譜中所得到的視覺反射性影像，下方是與該光譜（參考1∶50 000 光譜影像）相一致的地質(zhì)學(xué)影像。通過對(duì)影像的分析，可以明顯看出，該方法消除了地表的遮擋，并加強(qiáng)了光譜的特征。

圖2 TM4 影像及其地質(zhì)圖

深色帶礦巖體與周邊巖體區(qū)別顯著，易于辨認(rèn)。而且輝綠巖和賦礦層之間的界面十分明顯，這2 個(gè)巖體在原始TM4 影像上很難分辨?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了視反射率影像所顯示的巖石特征是準(zhǔn)確的。

5 遙感衛(wèi)星行業(yè)未來發(fā)展

遙感衛(wèi)星是空間地理信息獲取的主要工具，其作用越來越大，數(shù)據(jù)及增值業(yè)務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大。中國(guó)的衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期以來一直是一種以政府為導(dǎo)向，以專項(xiàng)資金為項(xiàng)目的發(fā)展方式，這就造成了我國(guó)空間技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化帶動(dòng)作用較弱。相對(duì)于歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家而言，中國(guó)的遙感衛(wèi)星的商業(yè)利用水平還不高。

“十三五”時(shí)期，我國(guó)制定了一系列促進(jìn)空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的政策措施，突破了空間技術(shù)的限制，促進(jìn)了空間技術(shù)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。在國(guó)家的積極支持下，中國(guó)的遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了商品化階段。在這個(gè)行業(yè)的發(fā)展過程中，伴隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新的業(yè)務(wù)、新的商業(yè)模式和新的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，政府對(duì)高精度、高質(zhì)量、高安全性的GIS 服務(wù)的要求也日益提高。除此之外，在數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境中，以定位、導(dǎo)航、地圖等服務(wù)為基礎(chǔ)的外賣、共享單車和網(wǎng)約車等產(chǎn)業(yè)對(duì)地理信息行業(yè)的依賴性非常大，高精度定位、高質(zhì)量地圖、導(dǎo)航等服務(wù)的需求不斷上升，而遙感衛(wèi)星是提升位置、導(dǎo)航、地圖服務(wù)的重要手段。所以，中國(guó)遙感衛(wèi)星工業(yè)的市場(chǎng)需求將繼續(xù)推動(dòng)其發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)的發(fā)展，其逐漸被運(yùn)用到了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的每一個(gè)領(lǐng)域中。在土地調(diào)查、城市規(guī)劃、軍事和環(huán)境管理等領(lǐng)域中，都能將其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)完全展現(xiàn)出來，并獲得了很好的應(yīng)用結(jié)果。在不斷發(fā)展和改進(jìn)的過程中，衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)將會(huì)在越來越多的方面獲得更為高效的運(yùn)用，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)的高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。