武漢市地理國情普查中高分辨率遙感影像的處理

余詠勝，彭艷麗，秦思嫻，傅曉俊，魏 翔

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022；2.武漢市規劃研究院，湖北 武漢430014）

武漢市地理國情普查中高分辨率遙感影像的處理

余詠勝1，彭艷麗2，秦思嫻1，傅曉俊1，魏 翔1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022；2.武漢市規劃研究院，湖北 武漢430014）

以武漢市地理國情普查為例，針對標準時點核準下發影像數據處理存在的問題，構建了一套國產高分辨率衛星影像數據處理流程，提出了基于局部幾何糾正的精度處理方法和基于影像融合的勻色處理方法。實驗結果表明，該方法提高了核準影像的生產效率和質量，為國產高分辨率衛星影像的處理和應用奠定了堅實基礎。

地理國情普查；國產高分辨率影像；局部幾何糾正；融合；勻色；鑲嵌

地理國情普查標準時點核準以最新的遙感影像為主要數據源，在已有地理國情普查數據基礎上，輔助其他相關資料，核準地表覆蓋與地理要素的空間分布與屬性變化信息，準確反映各地區地理國情在時點范圍內的實際情況。武漢市第一次地理國情普查的標準時點為

2015- 06- 30，標準時點核準所需遙感影像數據由湖北省第一次地理國情普查領導小組辦公室（下文簡稱“省普辦”）統一下發，其數據源主要為國產高分辨率衛星影像數據，該數據需生產單位處理后才能應用于標準時點核準生產。遙感影像數據的處理效果與精度直接影響標準時點核準時人工判讀的精度與準確性。如何快速、準確完成武漢市域范圍遙感影像處理是數據生產面臨的嚴峻考驗。

本文結合“省普辦”下發的國產高分辨率衛星影像特點，總結了武漢市標準時點核準影像處理存在的問題，構建了一套針對國產高分辨率衛星影像的數據處理流程，并通過以下方法保證影像成果的準確性與可靠性：①通過基于局部幾何糾正的方法控制遙感影像的平面精度，提高作業靈活性；②通過數據篩選、裁切、波段與色深處理等方法合理控制影像數據量，提高數據處理效率；③ 通過基于數據融合的勻色處理方法保證不同衛星、不同時相的高分辨率衛星影像的輻射一致性。實際生產工作證明，本文方法能夠在滿足標準時點核準影像處理要求的前提下，快速、高效地完成遙感影像處理工作。

1 問題分析

“省普辦”下發的衛星影像共199景，總數據量為456 GB，包括高分1號、天繪1號、資源3號等多種高分辨率衛星遙感影像，數據獲取時間跨度為2014年12月～2015年4月，所有數據均經過初步的幾何糾正、輻射校正和數據融合等處理，坐標系統為2000國家大地坐標系。當前面臨的主要問題與技術難點包括：

1）遙感影像數據源種類多樣，影像獲取時間跨度較大，影像數據16 bit與8 bit色深并存，不同區域、不同時相間的影像色差較大；

2）影像數據冗余量大，單景影像數據量和總影像數據量龐大，影響后續數據處理的速度與效率；

3）下發的影像數據部分區域存在精度超限，需要進行幾何糾正處理后才能用于數據生產；

4）下發的影像數據投影信息不一致，給后續數據處理造成一定的影響。

2 處理流程與關鍵步驟

2.1 標準時點核準影像處理流程

標準時點核準遙感影像數據處理是以地理國情普查所使用的高分辨率航空影像和衛星影像為基礎，對下發的國產高分辨率衛星影像進行篩選和平面精度檢查，確定所使用的影像和圖面精度超限區域，并對該區域影像進行幾何糾正；然后對滿足精度要求的糾正影像進行裁切、波段和色深處理，生成中間影像成果，在此基礎上進行單景勻色和整體色彩處理、投影變換及拼接鑲嵌，最后按數據分幅要求對遙感影像進行裁切，得到最終的影像成果。

遙感影像處理的重點和難點在于影像的幾何糾正和勻色處理，為此，本文通過基于局部幾何糾正的方法控制遙感影像的平面精度，通過基于數據融合的勻色處理方法保證遙感影像的圖面勻色質量。標準時點核準遙感影像數據處理的主要流程如圖1所示。

2.2 基于局部幾何糾正的精度處理

為滿足武漢市地理國情標準時點核準要求，根據“全面覆蓋、時相最新”的原則對下發的遙感影像數據源進行分析，共篩選19景遙感影像，其中高分1號14景、天繪1號3景、資源3號2景。該數據根據地面控制點和10 m格網的DEM數據進行幾何糾正，經融合處理后按景重采樣為2 m分辨率的影像數據。為核實數據源的平面精度，本文利用地理國情普查所使用0.2 m航空影像和0.5 m衛星影像對該19景影像進行了套合檢查，確定影像內部可能存在的變形和精度超限區域。經核查，共發現精度超限區域30處，主要集中于黃陂區北部、蔡甸區西部和江夏區南部，大部分問題區域面積不足1 km2、精度超限5～8 m，其中江夏南部部分區域精度超限達12～20 m。

圖1 標準時點核準遙感影像數據處理流程

由于現有影像數據源已經消除了大部分系統誤差和幾何變形，再利用控制點和DEM資料對整景影像進行幾何糾正難以取得較好處理效果[1-3]，本文采用局部多項式糾正方法進行處理。因源影像數據分辨率為2 m，直接采用1：2 000等大比例尺地形圖數據或像控點資料進行糾正處理，精度冗余較大且會降低工作效率，為此，本文將地理國情普查影像數據作為基準影像，對精度超限區域影像進行二次多項式糾正處理，單幅影像糾正的控制點數量一般為15～20個。

影像幾何糾正在ArcGIS環境下完成，利用GeoReferencing工具進行控制點輸入和影像糾正，通過卷簾方式實時查看影像糾正效果，以便根據需要增加或刪除控制點。為防止糾正影像邊緣變形影響接邊質量，糾正時需要在影像邊緣選取8～10個控制點以減小局部糾正區域影像邊緣的幾何變形。幾何糾正后的影像直接替換原始影像的對應區域，生成整景的16 bit糾正影像成果。

2.3 基于影像融合的勻色處理

標準時點核準影像數據的勻色處理是本文的重要內容，直接影響最終影像成果的圖面質量和整體效果。由于現有高分辨率衛星影像覆蓋范圍廣、數據量大、影像間重疊度高，導致后續影像勻色處理效率低下，如高分1號、天繪1號、資源3號單景數據量分別為2.2 GB、5.3 GB和7.5 GB。天繪1號與相鄰影像間重疊度達80%，且部分數據超出武漢市域范圍，影像實際利用率不足10%。為此，本文通過裁切、波段和色深處理等手段對糾正后的遙感影像進行整理和預處理，有效控制影像數據量。首先根據圖幅結合表對影像有效范圍進行裁切，減小單景影像數據量。考慮到原始影像有4個波段，成果影像僅需要三波段真彩色數據，需要將裁切后的糾正影像按R=3、G=2、B=1的波段順序輸出。原始影像中只有天繪1號為8 bit數據，高分1號和資源3號均為16 bit數據。經分析，高分1號影像的灰度值范圍為R∈[38，100]、G∈[30，110]、B∈[20，105]，資源3號影像的灰度值范圍為R∈[50，130]、G∈[40，130]、B∈[40，140]，因此高分1號和資源3號影像可以直接截取低8 bit數據作為灰度值輸出范圍。

不同數據源影像在色彩和亮度上存在較大差異，采用常規勻色軟件（ImagePro、OrthoVista等）難以取得較好的效果，Photoshop圖像處理功能強大，但數據量超過2 GB后處理效率較低[4-6]。針對這些問題，本文設計了基于數據融合的影像勻色方法，其基本原理是：對經過預處理后的影像數據進行重采樣，得到較粗分辨率的多光譜影像M，同時對預處理影像進行模式轉換，得到相同分辨率的全色影像G；在此基礎上對影像M進行勻色處理，得到符合色彩質量要求的影像，再將影像M與G進行數據融合得到最后成果影像。該方法能夠在保證影像分辨率的情況下，將影像數據量控制在可操作范圍。

對于多光譜影像M，為了在影像融合效果和數據量大小之間取得平衡，本文分別在6 m、8 m、10 m、12 m和14 m等5種分辨率下進行重采樣和融合實驗。實驗結果表明：將遙感影像重采樣至8 m時，能夠在保證融合效果的前提下，有效減少影像數據量。對于全色影像G，本文通過Lab色彩模式變換將影像的明度與色彩分離，提取明度通道作為全色影像的輸出結果，能夠有效保留原始影像信息。為了得到最佳的影像融合效果，本文選取了3種具有代表性的融合算法：主成分分析法（PCA）、小波分析法（Wavelet）和Brovey法進行了影像數據融合實驗，并對比影像融合前后的效果，如圖2所示。圖2a為影像融合前8 m分辨率的遙感影像；圖2b中PCA法融合后能夠較好地保持影像的光譜特征，同時空間分辨率接近于原始的灰度影像；圖2c中Wavelet法融合后空間分辨率沒有得到有效提高，圖2d中Brovey法融合后光譜信息發生較明顯改變，色彩亮度和飽和度明顯降低。通過比較可以看出，基于PCA算法在本文影像融合處理中明顯優于其他兩種融合方法。

圖2 影像融合前后效果比較

2.4 影像拼接鑲嵌和成果輸出

標準時點核準影像的拼接鑲嵌是將整體勻色后的遙感影像進行拼接，形成一幅色彩均衡的無縫鑲嵌影像[7]。由于勻色影像繼承了原始影像的投影信息，即CGCS2000、6°分帶第19帶和20帶，現有的影像鑲嵌軟件不能識別該投影信息，直接載入不同分帶的影像數據會產生坐標偏移，因此必須根據需要進行換帶計算，將影像坐標統一轉換至CGCS2000、3°分帶第38帶。換帶計算通常采用高斯正算、反算公式進行處理，ArcGIS 10之后的版本可以直接支持CGCS2000投影坐標系，通過ArcToolbox工具箱中提供的Projection工具實現影像的批量換帶計算處理[8]。

本文影像拼接鑲嵌工作采用德國Inpho軟件的OrthoVista模塊完成，該軟件在多源影像數據的勻色、拼接鑲嵌及海量數據處理等方面效率較高，滿足遙感影像快速拼接鑲嵌的生產要求。由于遙感影像地面分辨率遠低于大比例尺航空正射影像，且影像拼接鑲嵌的數量較少，可以直接采用系統Feature Detection算法完成影像的自動拼接選線，在此基礎上選取時相較新的影像數據對拼接線進行人工編輯，以滿足鑲嵌影像對于時相的要求。經影像套合檢查，該拼接線的選線質量完全滿足影像鑲嵌質量要求。

原始影像與勻色影像拼接鑲嵌后的影像效果比較如圖3所示，鑲嵌后，相鄰影像間色彩過渡自然、拼接線兩側影像無縫接邊，鑲嵌影像質量滿足實際生產應用的要求。影像拼接鑲嵌工作完成后，根據圖幅結合表對鑲嵌影像進行分幅裁切，生成滿足生產需要的分幅影像數據成果。

圖3 原始影像與勻色鑲嵌影像效果比較

2.5 結果分析

為檢驗本文標準時點核準影像數據處理成果的質量，根據相關技術規范要求，本文以地理國情普查使用的影像數據作為基準數據，對全部分幅影像數據成果進行了套合檢查。質量檢查內容主要包括圖像質量和平面精度，其他內容如數據格式、數據范圍、影像分辨率等一般性項目通過程序自動完成。影像數據成果質量檢查采用全人工方式上機檢查，精度超限區域和影像拼接線位置是重點核查范圍。經目視檢查，影像數據整體色彩適中、過渡自然，局部放大后細節層次較強、紋理豐富，便于標準時點影像解譯的識別和分類；影像數據平面精度按景進行了統計分析，其檢查情況如表1所示，該結果表明，影像成果整體套合誤差不超過3個像素（6 m），滿足標準時點核準影像處理的精度要求。

表1 糾正影像幾何精度檢查表

3 結 語

本文針對武漢市地理國情普查遙感影像數據量大、局部精度超限以及影像間色差較大等問題，設計了一套適用于標準時點核準的國產高分辨率衛星影像處理流程，處理成果影像質量和平面精度滿足實際生產應用的需求。與常規遙感影像數據處理方式相比，本文提出的局部糾正方式靈活性高，便于多人同時進行數據處理；基于數據融合的勻色處理方法，在保證影像細節的前提下有效降低了影像數據量，便于控制單景遙感影像色調和整體影像效果，結合影像拼接鑲嵌軟件，實現了影像間色彩的自然過渡，影像成果的質量和作業效率得到了較大提高。生產結果表明，本文提出的方法為國產高分辨率衛星影像數據處理和地理國情普查底圖數據生產工作探索了一條行之有效的技術思路。

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P237

B

1672-4623（2016）05-0025-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.008

余詠勝，高級工程師，注冊測繪師，主要從事遙感數字圖像處理、GIS數據應用研究與開發工作。

2015-07-01。

項目來源：精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（PF2013-14）。