利用GeoEye影像制作濟(jì)南市南部山區(qū)1∶5 000衛(wèi)星影像圖

田永明，王鴻，張興國，顧曉莉

(濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

利用GeoEye影像制作濟(jì)南市南部山區(qū)1∶5 000衛(wèi)星影像圖

田永明?，王鴻，張興國，顧曉莉

(濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

采用有理函數(shù)模型法利用GeoEye影像制作濟(jì)南市南部山區(qū)1∶5 000衛(wèi)星影像圖，并對成果精度進(jìn)行分析。

GeoEye影像；正射糾正；大氣校正；分辨率融合

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，商用高分辨率遙感衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星遙感影像也在不斷的豐富，其應(yīng)用面也在不斷的擴(kuò)大，城市高分辨率影像圖在城市管理、城市規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)用也越來越廣泛。

GeoEye－1衛(wèi)星是迄今技術(shù)最先進(jìn)、分辨率最高的商業(yè)對地成像衛(wèi)星，由美國GeoEye公司2008年9月6日成功發(fā)射，其影像具有多光譜成像(1個(gè)全色通道，4個(gè)多光譜通道)、全色波段分辨率(0.5 m)、多光譜波段分辨率(2 m)、成像幅寬(15 km×15 km)、軌道高度(684 km)、重訪周期為2天～3天等特點(diǎn)。

2 測區(qū)概況、技術(shù)要求

濟(jì)南市位于山東省中部，東經(jīng)116°11′～117°44′，北緯36°01′～37°32′，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低。本次制作濟(jì)南市南部山區(qū)正射影像成圖面積約1 300 km2。DOM成圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ):平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。其基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

基本技術(shù)指標(biāo) 表1

3 技術(shù)流程

3.1 影像預(yù)處理

GeoEye原始影像為4個(gè)單波段(紅、綠、藍(lán)、近紅外)16 bit影像和一個(gè)全色波段16 bit影像，數(shù)據(jù)量比較大而且光譜信息不是很豐富，在進(jìn)行大氣校正和正射糾正前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

圖1 技術(shù)流程圖

(1)先將16 bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8 bit的數(shù)據(jù)。

(2)對原始的 4個(gè)波段影像利用 PCI的 Data Merge功能組合成一個(gè)多光譜影像，為了增強(qiáng)影像的判讀能力，在對波段進(jìn)行組合后利用EASI功能進(jìn)行波段運(yùn)算，達(dá)到增強(qiáng)影像光譜信息的效果。

3.2 大氣校正

光學(xué)衛(wèi)星傳感器是科學(xué)環(huán)境調(diào)查的一個(gè)重要信息來源，然而由于空氣中的水汽和氣溶膠產(chǎn)生的薄霧會(huì)影響傳感器接受的信號，同時(shí)還會(huì)屏蔽重要的地物光譜。另外，地形的影響也會(huì)極大地影響傳感器記錄的信號，在崎嶇地帶，不同的光照條件(陽坡和陰坡)對地表的光譜特征會(huì)產(chǎn)生不同的影響。大氣校正的目的就是消除大氣和光照的影響，得到正確的地球表面參數(shù)，衛(wèi)星影像經(jīng)過大氣校正后可以提高數(shù)據(jù)分析能力。

大氣校正分平坦地區(qū)和崎嶇地帶分別進(jìn)行，在校正過程中大氣信息及校正參數(shù)按照實(shí)際情況設(shè)定，主要涉及定標(biāo)文件的制作，根據(jù)?＿metadata.txt文件提供的信息，制作GeoEye的定標(biāo)文件內(nèi)容如表2所示。

制作GeoEye的定標(biāo)文件內(nèi)容 表2

將上述文件以文本格式存儲(chǔ)為?.cal的文件，其中第一列為波段數(shù)，第二列C0為偏移量(bias)，第三列C1為增量(gain)，第四列為單位，以上內(nèi)容根據(jù)每一景影像提供的相關(guān)文件信息進(jìn)行修改，如:快鳥影像的定標(biāo)文件信息是在每一景的?.imd文件中，GeoEye影像的定標(biāo)文件信息是在每一景的?＿metadata.txt文件中。

3.3 分辨率融合

分辨率融合是以圖像為主要研究內(nèi)容的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，是把多個(gè)不同模式的圖像傳感器獲得同一場景的多幅圖像或同一傳感器在不同時(shí)刻獲得的同一場景的多幅圖像合成為一幅圖像的過程。影像融合可以消除各種冗余和矛盾，加以互補(bǔ)。

GeoEye多光譜影像與全色影像是同時(shí)獲取，可不需配準(zhǔn)直接進(jìn)行融合，融合后的影像有效地提高了影像的空間分辨率和光譜特征，生成的高分辨率彩色影像(0.5 m)保留原有多光譜影像色彩信息。影像融合前后效果如圖2～圖4所示。

圖2 多光譜影像

圖3 全色影像

圖4 融合后影像

3.4 糾正控制點(diǎn)數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)字高程模型DEM是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是一定區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)和地形特征點(diǎn)、線的平面坐標(biāo)及高程的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集從數(shù)學(xué)上描述了該區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布。獲取DEM的方法很多，有來自機(jī)載激光掃描儀、Insar技術(shù)、野外測量、攝影測量以及基于數(shù)字化等高線和高程點(diǎn)信息創(chuàng)建DEM等。本文使用的DEM是采用攝影測量的方法獲得，內(nèi)插后得到5 m×5 m格網(wǎng)間距的高精度DEM。

糾正控制點(diǎn)數(shù)據(jù)來源主要有3個(gè)方面:

(1)2005年濟(jì)南市全野外實(shí)測像控點(diǎn)，用于生產(chǎn)濟(jì)南市1∶2 000比例尺DOM，覆蓋范圍約4 300 km2，像控點(diǎn)間距東西約3.0 km、南北約1.5 km，采用當(dāng)前GPS測量中最為先進(jìn)的RTK方法進(jìn)行的測量，精度高，覆蓋范圍廣，其坐標(biāo)三維精度最大值為 0.070 m，最小值為0.012 m。

(2)充分利用濟(jì)南市1∶500全野外數(shù)字化地形圖(DLG)。

(3)在前兩種已有數(shù)據(jù)還不能滿足控制點(diǎn)均勻、合理分布的前提下，采用GPS RTK全野外實(shí)測像控點(diǎn)。

上述DEM及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用濟(jì)南市地方坐標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。

3.5 正射糾正

GeoEye衛(wèi)星遙感影像的正射糾正是指利用基礎(chǔ)控制資料和數(shù)字高程模型(DEM)，通過使用有理函數(shù)模型對遙感圖像進(jìn)行投影差改正和地理信息改正。

有理函數(shù)模型(Rational Function)的建立采用“獨(dú)立于地形”的方式，即首先利用星載GPS測定的衛(wèi)星軌道參數(shù)及恒星相機(jī)、慣性測量單元測定的姿態(tài)參數(shù)建立嚴(yán)格的幾何模型；之后，利用嚴(yán)格模型生成大量均勻分布的虛擬地面控制點(diǎn)，再利用這些控制點(diǎn)計(jì)算RPC模型參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是利用RPC模型擬合嚴(yán)格幾何模型。理論上可以達(dá)到跟嚴(yán)格衛(wèi)星傳感器模型相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?/p>

控制方案采用4×4的16點(diǎn)布點(diǎn)方案，利用PCI軟件的有理函數(shù)模型對每景影像分別糾正，每景影像的控制點(diǎn)要均勻分布，在控制點(diǎn)采集的過程中，糾正控制點(diǎn)殘差中誤差控制1個(gè)像素以內(nèi)，并采用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行重采樣。

3.6 影像鑲嵌、影像裁切

單景影像正射糾正完成后，采用Erdas的影像鑲嵌、影像裁切功能對每景影像進(jìn)行鑲嵌、標(biāo)準(zhǔn)分幅，對分幅后的影像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，由img格式轉(zhuǎn)換為tif格式，并生成地理坐標(biāo)文件tfw。

在影像鑲嵌之前，調(diào)整相鄰景DOM的色彩基本趨于一致，拼接線應(yīng)沿地物邊線走向，避開高大建筑物、房屋、橋梁等，須在圖像重疊處仔細(xì)挑選，以使色調(diào)變化和看得見的拼接線減到最少。

3.7 色彩調(diào)整

在鑲嵌的過程中進(jìn)行色彩平衡，使得景與景之間色彩過渡自然，色調(diào)連續(xù)變化。標(biāo)準(zhǔn)分幅完成后在Photoshop中對影像進(jìn)行進(jìn)一步的色彩調(diào)整和平衡處理，確保DOM的整體色彩均勻一致，最終DOM影像應(yīng)該清晰，反差適中，色彩飽滿，色調(diào)正常，以達(dá)到應(yīng)用要求。

4 成果分析

4.1 誤差來源分析

(1)全野外像控點(diǎn)實(shí)測誤差，控制點(diǎn)應(yīng)選擇影像上能夠準(zhǔn)確定位且不易變化的地物，同時(shí)點(diǎn)位選擇應(yīng)盡量選擇在高程變化不大的地面上。

(2)1∶500全野外數(shù)字化地形圖(DLG)，作業(yè)員在圖上讀取控制點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)存在一定的誤差。

(3)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差，同名點(diǎn)從濟(jì)南獨(dú)立坐標(biāo)系向西安1980坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差。

(4)遙感影像的正射糾正誤差，在正射糾正過程中，使用的傳感器物理模型本身含有少量誤差。

(5)控制點(diǎn)的分布，每景影像的糾正控制點(diǎn)要求均勻分布，但個(gè)別景影像上選點(diǎn)比較困難，造成點(diǎn)位分布不太均勻，此外還有人工選點(diǎn)誤差。

(6)地形起伏對成果精度有一定的影響，平地、丘陵地精度較高，山地精度相對較低。

(7)成像時(shí)的入射角和DEM精度也對成果精度有一定影響。

4.2 精度分析

參照GB/T18315－2001《數(shù)字地形圖系列和基本要求》成圖精度要求不大于表3規(guī)定:

成圖精度要求 表3

成果精度評定是以外業(yè)實(shí)測 GPS像控點(diǎn)及1∶500全野外數(shù)字化地形圖(DLG)上讀取的點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，依據(jù)GB/T18316－2001《數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評定》中驗(yàn)收要求，按照平地、丘陵地、山地和高山地的不同共抽取33幅影像進(jìn)行精度檢測，根據(jù)具體情況在每幅DOM影像上選取20個(gè)～30個(gè)同名點(diǎn)并讀取坐標(biāo)值，根據(jù)GB/T 18316－2001規(guī)定的計(jì)算中誤差公式為:

其中，Ms為點(diǎn)位中誤差，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，Xi、Yi為檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)，xi、yi為DOM影像上讀取同名點(diǎn)的平面坐標(biāo)，由表4可以看出 DOM成果能夠滿足1∶5 000成圖精度要求。

1∶5 000 DOM成果精度檢測匯總表 表4

5 結(jié) 語

高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景十分廣闊，其應(yīng)用值得深入研究。本次遙感衛(wèi)星影像主要服務(wù)于濟(jì)南市第二次土地調(diào)查，應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測。高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地籍調(diào)查、大比例尺地形圖更新、在城市規(guī)劃管理中也發(fā)揮了重要的作用。

[1]曹立，劉偉，周靖等.QuickBird影像制作1∶10 000 DOM方法探討.地理空間信息，2008(6)

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[3]濟(jì)南市勘察測繪研究院.濟(jì)南市1∶2000彩色正射影像圖技術(shù)總結(jié).2006(10)

[4]張利平，崔永利，王寶山.不同地形條件下Quick Bird影像正射糾正精度分析.測繪與空間地理信息，2009(4)

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Using GeoEye Remote Sensing Image to Make 1∶5 000 Remote Sensing Image Of South Mountainous Area IN JiNan

Tian YongMing，Wang Hong，Zhang XingGuo，Gu XiaoLi
(Jinan Geotechnical Investigation And Surveying Institute，Jinan 250013，China)

Using GeoEye Remote Sensing Image to make 1∶5 000 Remote Sensing Image of south mountainous area in JiNan by rational function，And precision of production were analyzed.

GeoEye Image；Ortho－rectification；Atmospheric Correction Configuration；Resolution Merge

1672－8262(2010)04－107－03

P237

B

2009—11—13

田永明(1979—)，男，助理工程師，主要從事攝影測量與遙感專業(yè)相關(guān)工作。