基于控制點影像數據庫的國產衛星影像幾何糾正

趙筱榕，劉 津

（1.中國地圖出版集團，北京100054;2.中測新圖（北京）遙感技術有限責任公司，北京100038）

一、引 言

隨著航天遙感技術的發展，遙感影像以其獲取方便、周期短、信息豐富等特點而得到廣泛應用，特別是高空間分辨率和高光譜分辨率衛星遙感影像。目前，我國應用衛星的研制生產已形成系列化，正在從試驗應用型向業務服務型轉變，衛星應用已成為經濟建設、社會發展和政府決策的重要支撐。雖然傳感器的設計工藝和制作水平不斷提高，但由于衛星遙感成像時受到自身結構因素(如攝影機焦距變動、像主點偏移、鏡頭畸變等)和各種環境因素(如地球曲率、地形起伏、地球旋轉等)的影響，遙感影像必定存在一定的幾何畸變。根據衛星遙感影像的類型和成像方式，采用正確方法消除各種因素的幾何畸變影響，獲得無幾何畸變的正射遙感影像，是遙感影像應用于資源監測、自然災害分析、土地利用、交通等領域和行業的必要前提和基礎。

二、傳統遙感影像糾正處理中的問題

為了消除遙感影像的幾何變形，生成正射遙感影像產品，必須對遙感影像進行幾何糾正。而建立校正變換的幾何多項式是實現幾何精校正自動化的關鍵，目前在幾何糾正處理過程中，無論是共線方程法還是多項式糾正法，都需要利用地面控制點來解算轉換矩陣以實現幾何糾正。傳統的遙感影像幾何糾正處理往往依賴遙感影像處理商業軟件(如 ERDAS、ENVI、ArcGIS 等)，利用 GPS 采集的控制點，在影像上人工判讀出相應的位置，并根據相應的算法來進行糾正處理。其中，控制點資料的準備和獲取是最主要的問題。傳統獲取地面控制點的方法周期長，很難適應現代化、產業化應用的需求，尤其難以滿足遙感業務化及許多應急事件中遙感數據處理的需求，如防汛、森林火災監測、土地利用動態監測、軍事應用等。因此，有必要研究一種方法來改進傳統的作業方式，以減少數據資源浪費，降低人工作業負荷，提高影像幾何糾正精度。基于以上論述，建立控制點影像庫以實現控制點影像數據的有效利用顯得非常必要，同時控制點數據庫的建立可以實現控制點的有效利用。此外，加強控制點的科學管理是節省資金、提高效率的重要保障。

針對傳統糾正中的問題，本文提出了以控制點影像庫為基礎來解決傳統遙感影像糾正處理中資料準備工作量大、控制點采集效率低等問題，同時針對遙感影像快速糾正的關鍵技術進行了深入研究。

三、控制點影像數據庫

為了解決控制點采集效率低這一制約影像糾正的瓶頸，本文經過探索，引入了控制點影像數據庫。它的引入使得原有成果能夠被重復地利用，提高了糾正處理的時間效率。控制點影像數據庫用來對控制點影像進行有效的管理并方便地提取控制點來實現圖像的幾何糾正，以提高控制點資料的重復利用率，減少幾何糾正過程中控制點數據的準備時間，實現遙感影像幾何糾正的快速處理。對控制點數據進行建庫管理，實現控制點選取的自動化不僅可以提高選點的效率和精度，并能保證數據的安全性，同時還可實現已有控制點成果的有效利用。

本文使用的控制點影像庫依據Oracle數據平臺，可以在局域網內通過客戶端軟件來進行訪問。控制點影像庫主要包括圖像數據和屬性數據，屬性數據中需要包含地理位置信息，即控制點的地理坐標，這是控制點影像的主要特征。此外，還需要包括一些其他信息，包括坐標必要的輔助信息，如坐標系、投影方式、精度、成圖比例尺、行政區域、獲取時間、3°帶或6°帶等。圖像數據主要是存放控制點影像柵格圖像，目前數據庫內主要有1∶1萬和1∶5萬兩種影像庫，控制點影像塊的大小主要是511像素×511像素和1023像素×1023像素，其與采集影像的分辨率有關，一般分辨率在0.5 m左右的為1023像素×1023像素大小。控制點影像庫部分表結構和相關控制點影像如表1、圖1、圖2所示。

表1 控制點影像庫表結構

圖1 511像素×511像素(1∶1萬、1∶5萬)控制點影像塊

圖2 1023像素 ×1023像素(1∶1萬、1∶5萬)控制點影像塊

四、基于控制點庫遙感影像的幾何糾正方案

為了更好地實現遙感影像數據的快速處理，中國測繪科學研究院自主研發了一套軟件系統，即遙感影像幾何糾正系統。它是基于影像控制點庫的遙感影像快速幾何處理的軟件系統，實現了遙感影像自動/半自動幾何糾正，同時該系統支持傳統模式的控制點影像選取及糾正功能，包括 IKONOS、QuickBird、SPOT、TM/ETM、中巴資源衛星、資源 02B衛星影像，擁有多項式糾正、有理函數模型、嚴密軌道模型多種糾正方式。軟件界面如圖3所示。

圖3 軟件界面圖

1.糾正試驗數據

本文以河北石家莊、浙江嘉興、上海青浦區的資源三號影像為數據源，基于上海、浙江、河北省遙感影像控制點庫，利用遙感影像幾何糾正系統軟件對資源三號原始影像進行糾正處理。數據源信息見表2。

2.利用控制點糾正流程

首先，連接數據庫并對新建的工程文件進行配置，傳感器位置選擇“資源三號衛星影像”，數學模型方法選擇“有理函數模型”，坐標系統選擇“Xian 1980”，投影方式為“高斯投影”3°分帶，中央經線可默認為0;選擇待糾正影像，查看影像的基本信息，并加載坐標系為“Xian 1980”的DEM，這里要注意投影帶的選擇。

表2 數據源信息表

其次，針對控制點的選取，本文采取手工選點的方式進行選點工作。由于軟件糾正采用的模型為二次有理函數模型，一般一景影像選取9～16個控制點不等。選點過程如圖4所示，左邊是待糾正影像，右邊是控制點庫內的控制點影像數據。

圖4 控制點影像匹配結果圖

最后進行糾正。糾正過程中支持最鄰近像元、雙線性內插、三次卷積等重采樣方式，一般采用雙線性差值法(Bilinear)進行糾正，糾正完畢后，可以對糾正好的影像進行精度檢查，并輸出相應的精度報告。糾正前后衛星影像如圖5所示。

圖5 糾正前后衛星影像圖

五、糾正精度和效率分析

基于示范區影像控制點數據庫，利用國產遙感衛星影像快速正射處理軟件完成了3個示范區資源三號衛星影像的正射糾正，完成后的正射影像采樣間隔為2.1 m。利用影像控制點數據庫中已有控制資料對糾正后的正射影像進行精度評價，基于《基礎地理信息數字成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶10 000 數字正射影像圖》(CH/T 9900.3—2010)標準規范，平面位置中誤差要求見表3，平面位置中誤差的兩倍為最大誤差。

表3 精度要求表 m

本文分別在3個區域糾正影像上選取了控制影像點來進行檢查，其中河北選擇了33個影像點、浙江選擇了14個影像點、上海選擇了19個影像點。具體精度情況見表4。

由表4可知，糾正后的示范區正射影像精度均可滿足1∶1萬正射影像精度要求。圖6是處理后采樣間隔為2.1 m的資源三號正射影像，在精度上可作為國土項目的底圖參考數據，應用于土地督察、土地執法等項目中，以滿足遙感業務化及許多應急事件的遙感數據處理的需要。

通過應用控制點影像數據庫及數據庫應用系統，極大地提高了國產衛星數據的處理效率，減少了控制資料獲取的難度，在控制點資料獲取方面節約了大量的人力物力，同時也大幅度提高了作業人員的工作效率。傳統的基于地形圖的選點工作依賴于人工目視判讀，地形圖符號化特征點選取工作對于初學者的判讀能力要求較高，選擇一個控制點約20 min，而應用控制點影像快來糾正時，查詢選點僅需5 min。這是由于大部分同名點查找工作交由計算機自動完成，需要人工調整的工作量大大減少，對于整個正射影像的制作，大大提高了效率，也解決傳統遙感影像糾正處理中資料準備工作量大、控制點采集效率低等問題。

表4 河北省遙感影像控制點采集完成情況統計

圖6 糾正后應用圖

六、結束語

隨著我國國產衛星的應用，衛星影像的利用將會擁有更便利的優勢和更快的更新速度，而實現影像的快速、高精度處理將會發揮越來越重要的作用。高精度遙感影像控制點數據庫的建立，突破了控制點人工判讀選點的傳統模式，而且使得控制資料在數據獲取、成果管理等方面更加趨于科學化和高效率，為國產衛星影像的應用提供了市場需求和發展前景。在今后工作中，將針對國產衛星影像的快速處理作更深入的研究。

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