PCI GXL在地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)中的應(yīng)用

毛詩漫 李敏

（1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450000；2.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450000）

PCI GXL在地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)中的應(yīng)用

毛詩漫1李敏2

（1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450000；2.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450000）

本文介紹了為什么使用GXL進(jìn)行影像糾正以及糾正的流程和方法，并通過GXL在第一次全國地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)中的應(yīng)用對糾正精度進(jìn)行了分析,對出現(xiàn)的問題給出了解決方法，并列出了實際應(yīng)用的一些方法。

PCI GXL；地理國情普查；衛(wèi)星遙感影像；標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)

1 有關(guān)GXL的說明

1.1 GXL自動化處理系統(tǒng)

GXL（Geoimaging Accelerator，GXL）是PCI公司面向海量影像自動化生產(chǎn)提出的新一代解決方案產(chǎn)品，主要用于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的自動化生產(chǎn)。在保證用戶處理精度的情況下，大大提高數(shù)據(jù)的處理速度和處理效率。

PCI地理成像加速器（GXL）將高性能的計算能力與PCI Geomatics的專業(yè)處理技術(shù)相結(jié)合，使數(shù)據(jù)處理在速度和效率上都得到了顯著提高。通過定制自動化的GXL工作流，能夠大大提升傳統(tǒng)的影像處理能力，從而提高處理衛(wèi)星影像的實力。

1.2 GXL的系統(tǒng)架構(gòu)

GXL系統(tǒng)根據(jù)客戶處理數(shù)據(jù)的規(guī)模和處理速度需求設(shè)計系統(tǒng)處理節(jié)點數(shù)目。通常系統(tǒng)設(shè)計中，GXL處理服務(wù)器包括日常工作響應(yīng)的常規(guī)服務(wù)器和緊急情況下啟動的備份服務(wù)器兩部分。系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量的自動化處理在GXL服務(wù)器中完成，數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查在工作站上實現(xiàn)。

GXL系統(tǒng)是分布式的處理系統(tǒng)，系統(tǒng)管理員可以通過GXL管理工作站執(zhí)行處理任務(wù)、處理任務(wù)監(jiān)控和終止處理任務(wù)。GXL系統(tǒng)也是一個開放的體系架構(gòu)，可以和用戶的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)結(jié)合搭建形成集數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和分發(fā)為一體的完整系統(tǒng)。GXL使用中心數(shù)據(jù)庫儲存所有作業(yè)的歷史記錄和狀態(tài)。

1.3 GXL設(shè)計的優(yōu)點

GXL將專業(yè)的地理圖像引入開放式體系結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化的硬件組件中，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)處理量需求，同時支持多個CPU、CPU多核以及多GPU的數(shù)據(jù)并行處理和分布式處理。

通過靈活穩(wěn)定的PCI ProLines技術(shù)，將PCI傳統(tǒng)的優(yōu)秀圖像處理算法進(jìn)行了流程化封裝，用戶可以根據(jù)工作需要自行選擇所需的功能模塊搭建個性化的ProLines。同時兼容Windows和Linux操作系統(tǒng)。

PCI GXL設(shè)計的優(yōu)點：

（1）采用GPU并行處理來加速圖像處理速度；

（2）支持CPU多核并行計算；

（3）各模塊可隨意組合應(yīng)用靈活易用；

（4）支持用戶定制開發(fā)；

（5）基于Web的用戶界面，支持遠(yuǎn)程訪問，作業(yè)模塊啟動時間的預(yù)定；

（6）全自動化處理，可人工干預(yù)；

（7）硬件選擇多樣，支持筆記本電腦、臺式機、刀片機群；

（8）支持當(dāng)前主流的所有數(shù)據(jù)格式，支持國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；

（9）提供顯示處理效果和處理結(jié)果報告。

當(dāng)今可以糾正影像的軟件也不少，各有特點，以下列出幾種軟件的對比表（表1）。

表1 GXL與其他軟件對比表

2 GXL在時點核準(zhǔn)中的技術(shù)方案

2.1 原始數(shù)據(jù)

原始數(shù)據(jù)是ZY02C、ZY3、KOMPSAT-3、Geoeye-1等的衛(wèi)星影像資料。

2.2 已有圖件資料

（1）2014年制作的地面分辨率為0.5m的河南省第一次全國地理國情普查正射影像（DOM）。

（2）2011年1∶50000DEM成果(河南省測繪地理信息局提供)。

（3）河南省第一次全國地理國情普查控制點庫。

2.3 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

(1)平面坐標(biāo)系統(tǒng)[1]

大地基準(zhǔn)：2000國家大地坐標(biāo)系。

投影方式：高斯―克呂格投影。

分帶方式：6°分帶。

(2)高程基準(zhǔn)[1]

1985國家高程基準(zhǔn)。

(3)成圖地面分辨率

DOM地面分辨率：ZY3為2m、GF1為2m、TH為2m、ZY2為 2.3m、GF2為 0.8m、Geoeye-1為 0.4m、KOMPSAT-3為1m。

2.4 資源投入概述

影像處理軟件: PCI GXL；

投入人員：1名；

投入設(shè)備：1臺服務(wù)器。

圖1 GXL生產(chǎn)處理流程

2.5 GXL生產(chǎn)處理流程

GXL采用的是Web風(fēng)格的后臺處理操控界面，操控界面簡潔易懂，處理流程如圖1:

2.5.1 影像導(dǎo)入

在GXL Web界面中啟動影像導(dǎo)入功能，輸入原始影像存放位置和影像輸出目錄。提交新作業(yè)后系統(tǒng)同時進(jìn)行所有影像的讀入操作，讀入的同時自動完成分塊影像的合并、波段組合等工作，轉(zhuǎn)換成PIX格式，采用GDB技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，方便后期應(yīng)用。

GXL數(shù)據(jù)讀入功能模塊支持當(dāng)前主流的所有數(shù)據(jù)格式，支持應(yīng)用RPC模型和嚴(yán)格軌道模型方式讀入數(shù)據(jù)。支持國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如ZY02C/GF1/ TH-01等。

2.5.2 自動采集控制點

GXL提供了根據(jù)參考影像（DOM）、參考矢量、控制點庫和GCPs/TPs文本文件等幾種控制點來源，以滿足不同的控制資料情況。

在本區(qū)地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)中有地面分辨率為0.5m的河南省第一次全國地理國情普查正射影像（DOM）、河南省第一次全國地理國情普查控制點庫。適合采用參考影像（DOM），也可導(dǎo)入控制點庫。

對于大多數(shù)現(xiàn)代的傳感器所分配的RPC是非常良好準(zhǔn)確的，因此在控制點采集的時候使用有理函數(shù)模型是最穩(wěn)固的模型。GCP的個數(shù)根據(jù)需要來定，如果RPC的精度滿足要求的話，不需要采集太多GCP，只要分布均勻即可。搜索半徑不可過大或過小，過大或過小可能會匹配不到點，一般搜索半徑是原始影像和參考影像的誤差與參考影像的分辨率的比值的1.5倍或2倍。

2.5.3 區(qū)域網(wǎng)平差

平差是通過在重疊區(qū)域采集連接點（tie point），調(diào)整相鄰影像的接邊，進(jìn)而提高區(qū)域的整體精度。平差模塊根據(jù)用戶指定的搜索策略、搜索半徑（搜索半徑和采集控制點時的搜索半徑的方法相同）、連接點個數(shù)進(jìn)行自動采集，采集后的連接點可以查看其分布和誤差，還可對連接點進(jìn)行編輯修改。區(qū)域網(wǎng)平差任務(wù)提交后，系統(tǒng)會自動查找影像重疊像對，并按設(shè)定參數(shù)采集連接點，如果提交影像較多，GXL將自動將一個大區(qū)域分成若干個小區(qū)域,同時進(jìn)行連接點采集，采集完成后將小區(qū)域重新合并并進(jìn)行平差，這樣既能保證成果精度，又能大幅提高生產(chǎn)效率。平差的結(jié)果主要體現(xiàn)在對RPC的改善上。

2.5.4 全色正射校正

PCI GXL既可使用嚴(yán)格模型（也稱Toutin模型）也可使用RPC模型技術(shù)進(jìn)行衛(wèi)星影像正射校正。利用采集的足夠且符合要求的GCPs/TPs、足夠精度的DEM數(shù)據(jù)，PCI可以生產(chǎn)高達(dá)亞像元級精度的正射產(chǎn)品。軟件在進(jìn)行全色校正的同時會掃描目錄中的多光譜影像進(jìn)行匹配和校正。

2.5.5 銳化融合

PANSHARP是一個自動融合工具，該算法是一種基于最小二乘法在原始的多光譜、全色影像間達(dá)到最佳近似灰度值關(guān)系[2]，從而達(dá)到最佳色彩組合的融合方法。

2.5.6 鑲嵌分幅

后期如果需要分幅圖時可在GXL中鑲嵌，用戶必須先進(jìn)行鑲嵌預(yù)處理以生成包含勻色效果和接邊線的XML文件，然后才能進(jìn)行鑲嵌，影像間由于不同的光照和視角，同一地物在重疊影像中看起來存在差異，得不到理想的效果，在鑲嵌預(yù)處理的參數(shù)設(shè)置的勻色方法新增加了“捆綁”，使用“捆綁”的方法勻色使影像最大化地消除差異。用戶也可以對鑲嵌預(yù)處理自動采集的接邊線進(jìn)行手動編輯，并應(yīng)用到影像正式鑲嵌結(jié)果中（圖2）。

圖2 GXL自動鑲嵌效果圖

鑲嵌結(jié)果可以直接根據(jù)文本坐標(biāo)或者矢量shp數(shù)據(jù)等方式進(jìn)行分幅裁切。根據(jù)需要選擇輸出格式。

3 遇到的問題及解決方法

以上流程適合大部分的衛(wèi)星影像，在作業(yè)過程中控制點和平差點無需手工調(diào)整基本都能滿足精度要求。但是有些影像的RPC精度不高或原始影像有局部變形，則需要調(diào)整一下方法，如有些TH1A、GF2的RPC的精度不能滿足作業(yè)精度，ZY02C的影像內(nèi)部有的局部變形，以下是針對這些情況的處理方法。

3.1 TH1A的處理方法

由于TH1A的數(shù)據(jù)自帶RPC的精度不能滿足要求，如果利用自帶RPC會出現(xiàn)大部分地方匹配不上點且校正后的影像和參考影像誤差過大，所以在處理過程中就不能再用它自帶的RPC來計算，而是要從GCP中來反算一個RPC。影像導(dǎo)入之后在Focus中打開衛(wèi)星影像刪除模型段（Rational Functions Model Segment），刪除之后再進(jìn)行控制點的自動采集，在控制點采集參數(shù)中要選上從GCP中計算RPC而且控制點個數(shù)也要多，通常設(shè)1000個或更多。控制點采集完成后進(jìn)入桌面版（Geomatica）中進(jìn)行手工干預(yù)控制點。在桌面版中選擇Optical Satellite Modelling和Rational Function(compute from GCPS)，導(dǎo)入自動采集的控制點修改或刪除誤差大的點，控制點調(diào)整完成就可以直接糾正輸出正射影像，多光譜影像采用同樣的方法做一遍。

3.2 GF2的處理方法

GF2相對于TH1A要簡單多了，GF2只是出現(xiàn)一些局部的套合不太好，只需要在自動采集控制點的參數(shù)設(shè)置里把數(shù)學(xué)模型的次數(shù)選為2階，也要從GCP中計算RPC，除這兩處的設(shè)置不同外，其他均和正常流程相同即可。

3.3 ZY02C的處理方法

ZY02C的衛(wèi)星影像和TH1A、GF2的不太相同，ZY02C_HR1左邊的原始影像本身變形，內(nèi)部局部套合不好，出現(xiàn)原始影像變形的情況下用一般的方法是糾不過去的，碰到這種情況只有自動和手動相結(jié)合才能使糾正的影像和參考影像套合。先使用正常的流程做一遍，如果生成的正射不能滿足精度要求，利用生成的正射影像再自動采集一遍控制點，控制點采集結(jié)束進(jìn)入桌面版新建工程時要選擇用多項式（Polynomial）,把正射采集的控制點導(dǎo)入手動修改誤差大的點，修改完成后再在此工程下自動采集控制點，控制點個數(shù)要盡量多一些。把采集完的控制點再導(dǎo)入波段樣條（Thin Plate Spline）的工程中進(jìn)行正射糾正，如果生成的正射仍有套合不住的地方可返回工程在變形處手動加點，經(jīng)過反復(fù)加點，直到結(jié)果滿足精度要求。

4 質(zhì)量及效率

4.1 平面精度檢查

方法一：將參考影像與正射成果疊加，利用“卷簾”目視檢查（圖3）。

方法二：打開采集的控制點檢查控制點的誤差是否滿足精度要求（圖4）。

圖3 正射影像與參考影像疊加“卷簾”

圖4 控制點誤差表

表中的單位為m，從表中可以看出X的中誤差為1.33m、Y的中誤差為1.73m，控制點最大誤差3.9m，地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)中的精度要求是中誤差不大于4m，最大誤差不大于兩倍的中誤差，表中控制點的誤差完全滿足精度要求[3]。

4.2 GXL的生產(chǎn)效率

下面的工程中共16景影像，時間統(tǒng)計是采用單節(jié)點CPU處理效率，若采用多節(jié)點處理效率可成倍提高。

表2 耗時統(tǒng)計表

4.3 融合后效果

PANSHARP是一個自動影像融合工具，該算法是一種基于最小二乘法在原始的多光譜、全色影像間達(dá)到最佳近似灰度值關(guān)系，這對地物真實色彩的恢復(fù)和解譯精度的提高具有重要的意義。融合狀況見圖5。

4.4 藍(lán)波段的模擬

圖5 融合前后多光譜影像對比

ZY02C多光譜的原始影像缺少藍(lán)波段，直接融合后的影像因缺少藍(lán)波段不易詳細(xì)區(qū)分地物，后期為作業(yè)方便可轉(zhuǎn)自然色或進(jìn)行藍(lán)波段的模擬，PCI GXL桌面版中的藍(lán)波段模擬完成后的結(jié)果為含有藍(lán)波段的多光譜成果，圖6為運行界面。Model Text中的算法如下：

圖6 藍(lán)波段模擬

%1=%1

%2=%2%3=13.9054+0.873393*%1-0.138254*%2-0.100616*%3

圖7分別是融合后影像、PCI GXL桌面版的藍(lán)波段模擬和用erdas轉(zhuǎn)的自然色。

圖7 藍(lán)波段模擬效果圖

5 結(jié)論與建議

對于國外或國產(chǎn)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用GXL區(qū)域網(wǎng)平差的方法，不但可以滿足地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)的精度要求，而且可以大幅提高生產(chǎn)效率。采用GXL自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，明顯提高了生產(chǎn)效率，降低勞動強度，節(jié)省了人力。采用一個處理節(jié)點，處理100景的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，所有流程需要1.5天就可以完成，而兩個熟練的作業(yè)員處理完同樣的數(shù)據(jù)需要半個月左右，效率提高至少10倍。

對于地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點核準(zhǔn)等需要處理海量影像數(shù)據(jù)的生產(chǎn)項目，最好采用GXL等自動化并行處理系統(tǒng)。

[1]國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定：GDPJ 05—— 2013[S].北京：國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013.

[2]國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室. 遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定：GDPJ 06——2013[S].北京：國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013.

毛詩漫 (1980― )，女，漢族，工程師，主要從事遙感和地圖制圖工作。E -mail:237966883@qq.com