高分遙感衛星影像的預處理技術

王晨巍+王曉君

隨著高分一號、二號衛星的成功發射，我國高分辨率對地觀測系統得到了廣泛的應用，而高分遙感衛星數據的預處理過程是高分應用的前提與先決條件。詳細梳理和概括了高分數據的預處理過程，首先介紹了遙感軟件的選取，然后重點闡述了包括影像的正射校正技術、配準與融合技術、鑲嵌技術及大氣校正技術在內的影像預處理技術，最后對數據格式轉換加以說明。

【關鍵詞】高分衛星 遙感影像 預處理 數據格式轉換

隨著空間信息技術的發展，對地觀測系統也逐漸的從地面、低空發展到太空，并且對觀測的連續性、快速性、精確性等有了更為嚴格的要求。高分一號是我國觀測系統的首顆發射衛星，其成功實現了寬覆蓋、高精度、穩定度的控制技術，而對于高分二號而言，其成功突破了優于1m的分辨率水平，并且能夠具有高定位、快速靈活、機動的能力等特點，對于提升我國空間衛星水平、數據的自給率等這些方面具有非常重要的意義。并且高分專項的成功實施加快了我國空間信息產業的發展，有利的推動了我國國民經濟建設與社會的進步。

遙感影像的預處理即為影像數據的糾正與重建的過程，主要是糾正遙感成像過程中，由于傳感器外在原因：如姿態的變化、高度、速度等因素造成的遙感影像的幾何畸變與變形，并且遙感影像本身在空間、時間及光譜分辨率上的不足，在獲取數據的過程中不能夠精確的進行信息的記載，很大程度上會降低遙感數據的精度，因此，需要對遙感影像進行遙感數據的預處理。本文是在高分遙感數據的基礎上，通過對高分一號衛星數據進行分析，將原始高分數據進行預處理的過程，得到在幾何與輻射上真實的圖像。

1 高分遙感影像的軟件選取

本文中所涉及到的高分遙感預處理軟件采用的是ENVI與ERDAS相結合的技術方案。采用這兩種軟件相結合的方式，其優勢在于：首先，ENVI能夠通過底層的IDL開發語言進行功能擴展，開發定制自己的遙感平臺。其次，ENVI提供了光譜分析工具，使得基于波段與文件的遙感技術完美結合，并且通過圖像的配準，可以提供多個圖像窗口進行分析，清晰明了、易于操作。再次，通過兩者相結合的方式可以將遙感影像與ArcGIS進行一體化整合，對遙感平臺進行全方位的應用。最后，通過ERDAS軟件進行數據格式的轉換。本文首先是通過遙感處理軟件對高分遙感數據進行預處理，然后通過photoshop工具對影像進行勻光勻色的調整，最終完成整個預處理過程。

2 高分遙感影像的預處理過程

2.1 預處理流程

文章以正定市高分一號遙感衛星影像為例，演示了高分衛星遙感數據預處理的全過程。

首先是對高分一號2m全色影像與8m多光譜影像進行正射糾正（Orthorectification），糾正影像的傾斜偏差及投影過程中產生的誤差，第二步是將正射糾正后的多光譜整景數據與全色整景數據進行配準，是將全色影像作為基準對多光譜影像進行配準，第三步是對配準后的影像進行融合，對影像進行接邊線的處理，使得融合后的影像在分辨率上能夠達到非常高的精度，第四步利用Photoshop工具，對影像進行顏色平衡的調整，使其能夠在色彩上達到較好的效果。通過以上步聚就完成了整個圖像預處理的過程，并進行結果的輸出。

2.2 正射糾正

正射糾正（Orthographical correction）是糾正了因傳感器、地形的起伏不均衡等因素引起的像點元素上的偏移，并利用地面控制點通過相應的數學算法模型來進行實現的過程。正射校正后的影像無論在精度上、影像的特性上以及信息表達上都能達到很好的效果，而且其數據的結構相對簡單，并能夠改正因地勢較大產生的誤差。高分影像的正射糾正過程采用依靠高分影像自帶的RPC文件和數字高程模型（DEM）來進行數據定位的校正方式。RPC文件實質上是通過將傳感器的軌道參數及其他各種物理參數相結合并通過地面的控制點元素解算出來的變換矩陣。

本設計中選擇二次多項式的方法進行校正，在ENVI中選擇Geometric Correction→Orthorectification→RPC Orthorectification模塊進行糾正，并且選擇30m的DEM進行數字高程的校正。

2.3 配準與融合技術

遙感影像的配準（registration）是通過選擇地面清晰控制點并按照一定的變換函數及重采樣方法對同名像元點進行配準的過程。對配準后的影像需要進行重采樣處理以改正輸出影像的像元偏差，以此來建立新的圖像矩陣，常用的重采樣方法有雙線性法、三次卷積法、最鄰近法等，對于高分一號衛星遙感數據采用雙線性內插方法，其主要處理是將同一區域的2m全色影像作為基準對8m多光譜進行校準，該過程可以在很大程度上保留影像原有的幾何特征，能夠得到精度較高的配準影像。

遙感影像配準的過程是融合的先決條件，其融合過程是將不同傳感器、分辨率、波段的數據通過一定的分析算法綜合起來的技術。圖像的融合算法有：

（1）空間色彩變化法：HIS、PCA等；

（2）代數運算方法：MLT、Brovey、加法運算、比值法等；

（3）空間濾波融合算法：SFIM、HPF、Bretschneider小波變換法等；

（4）其他方法：PCI、光譜響應融合算法等。

對于高分遙感數據，通常采用Pansharpen的融合方法，可以使得融合后的遙感影像既保持了較高的空間分辨率，又具有了多光譜特征的色彩信息，并且使融合后的影像在紋理色彩上信息豐富，空間細節特征上保持較好。

2.4 鑲嵌

影像的鑲嵌過程是將多于兩景的影像進行無縫拼接，完成一幅完整的、大場景影像的過程。本文中利用ENVI軟件的Georeferenced Mosaicking功能來完成，主要過程：進行顏色平衡的調整，將RGB的波段設為3，2，1；通過設置影像背景數值對影像的背景黑邊進行忽略處理，即將背景值設為0；對兩景相鄰覆蓋影像的鑲嵌邊緣進行處理，將羽化值設為10。

在鑲嵌過程中要注意：

（1）鑲嵌之前需選擇一張基準影像（Fixde），作為鑲嵌過程中對比度匹配及出現跨帶問題時鑲嵌后輸出影像的地理投影、數據類型的基準，并以此作為顏色平衡參考（Adjust）對其他影像進行調整；

（2）鑲嵌過程中，任一兩景影像間能夠有一定區域的重合面，以解決兩張影像間的鑲嵌線問題，得到視覺上完整的影像。

經過對遙感影像的正射糾正、配準、融合、鑲嵌及色彩處理，得到預處理后的遙感影像，給出鑲嵌前后的遙感影。

2.4.1 裁剪

圖像裁剪的作用是保留所研究區域的影像，并且保證所裁剪部分信息豐富、易于表達等特點，主要分為兩部分進行相應的裁剪：掩膜計算及矢量數據的柵格化。掩膜計算裁剪方法是通過已有的圖像對被裁剪的影像進行遮掩，裁剪所需大小的影像；矢量數據的柵格化是將矢量數據（即裁剪線）轉化為柵格文件，定義矢量數據投影，使其與柵格文件投影一致；在柵格數據中通過將所裁剪的區域設為1與被裁減的影像進行交集處理，輸出即為裁剪的結果。

本文中用到的裁剪方式即為矢量數據的柵格化，其裁剪過程需要利用ArcGIS與ENVI協同完成，首先利用Polyline工具在ArcGIS中畫出裁剪線，保持裁剪線與影像投影一致；其次將矢量數據的裁剪線保存到ENVI中，利用ENVI的裁剪模塊對影像進行裁剪，完成裁剪過程。

2.4.2 大氣校正

大氣校正是消除了大氣干擾、地形等因素的影響，從而獲得真實的反射率數據，并對其進行動態監測的過程，這是預處理中比較重要的環節。本設計中通過選擇ENVI Classic軟件下的BasicTools工具中的Preprocessing—General Purpose Utilities—Dark Subtract進行大氣校正，首先選擇的是待校正的遙感影像，然后對影像的像素值進行選擇，這里選擇波段的最小值（Band Minimum），最后選擇路徑對影像進行的輸出。

2.5 數據格式轉換

投影變換（Projection Transformation），即為地圖投影之間相互轉換的方法及理論，根據遙感數據需求進行自定義投影設置。而本文采用的遙感數據是高分一號衛星數據，其影像本身自帶WGS84坐標，通過正射糾正的過程，其地理坐標變為UTM投影坐標，利用ArcGIS中的投影變換工具，根據應用要求將其轉為需要的投影信息。

3 結語

隨著我國高分辨率對地觀測系統應用的展開，高分的應用范圍已經涉及到各行各業，極大的推進了我國空間信息技術產業的發展。而遙感衛星影像的預處理過程是高分應用在各行業展開的前提與基礎，是一個非常重要的環節。

本文通過具體的實例，介紹了高分遙感衛星影像的預處理全過程，其中正射糾正消除了因衛星姿態及其地面起伏引起的幾何變形的問題，為后期影像信息的提取提供了影像的準確度；配準及其融合技術使圖像能夠達到很高的精度，消除了影像的誤差，提高了影像的分辨率；而鑲嵌過程則能夠使影像更加完整和美觀。整個預處理過程相輔相成，為后期的應用及分析過程打下了良好的基礎。

參考文獻

[1]高分一號.中國資源衛星應用中心[EB/OL].

[2]潘勇.遙感圖像數據預處理研究[J].數字技術與應用，2010.

作者單位

1.石家莊市第一中學2014級18班 河北省石家莊市 050018

2.河北科技大學信息科學與工程學院 河北省石家莊市 050018