基于多源高分辨率衛星影像的地理國情普查數字正射影像生產的探討

摘要：根據內蒙古自治區第一次全國地理國情普查多源遙感影像和已有基礎地理信息數據，對正射影像生產方法進行了討論，提出了針對不同情況處理高分辨率衛星影像的關鍵技術與流程，實際生產表明該技術應用于地理國情數字正射影像生產是高效可靠的，為高分辨率衛星影像大規模、高效生產DOM提供了可行、實用的參考。

關鍵詞：高分辨率衛星影像；正射影像；國情普查；PixelGrid

1. 引言

隨著航天遙感技術和信息技術的飛速發展，高分辨率衛星影像以其獲取方便、周期短、覆蓋范圍廣、時效性高等特點應用越來越廣泛，以World View-1/2、QiuckBird為代表的高分辨率衛星影像作為第一次全國地理國情普查的主要數據源，為國情普查地表覆蓋和重要地理國情要素采集提供底圖，其精度、質量與效率直接影響后期的生產。

由于衛星遙感成像時受到自身結構因素（傳感器成像方式、傳感器外方位元素變化的影響）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[1]，需采用正確方法消除各種因素的幾何畸變影響，對于不同的衛星影像類型、糾正模型、控制點的選取，其獲得的正射影像精度也各不相同，本文根據不同數據源與已有基礎地理信息數據情況，提出高效、快速、高質量的生產數字正射影像的關鍵技術和流程。

2. 數據分析

2.1 衛星影像情況

國家下發涉及本次測區的衛星數據共1513景，生產區域內同時存在多源影像數據，通過分析生產區域的衛星影像覆蓋情況、質量、空間分辨率、光譜分辨率、現勢性，其中1081景滿足地理國情普查所需的數據，其中衛星數據源QUICKBIRD有151景，WorldView-1有196景，WorldView-2有719景，GeoEye-1有8景，IKONOS有7景。由內蒙古自治區測繪地理信息局提供51景ZY-3衛星數據，時相為2012年8月到2013年5月，使用2景。

2.2 其他資料

控制資料為1∶1萬基礎測繪航測外業像控點以及部分測區外業補充測量的像控點，作為正射影像生產的主要控制資料來源，該成果具有一定的正確性和可靠性。部分測區覆蓋基礎測繪1∶1萬DLG、DEM、DOM數據，1∶5萬DEM覆蓋全部任務作業區。

3. 作業流程及關鍵技術

3.1 作業流程

正射影像生產所采用的處理軟件為PixelGrid高分辨率衛星影像數據處理系統，根據數據源與已有資料情況，設計如下作業流程。

3.2 關鍵技術

3.2.1 外參數解算

由于衛星遙感影像成像機理復雜，再加上供應商（尤其是高精度的衛星影像供應商）為了商業利益，往往對傳感器成像參數保密，RPC模型是SpaceImaging公司提供的一種廣義的新型遙感衛星傳感器成像模型，是一種能獲得與嚴格成像模型近似一致精度的、形式簡單的概括模型[2]。本項目通過RPC解算實現衛星影像的糾正。當進行影像糾正時，糾正精度與DEM、視場角、側視角相關，并且三個因素與糾正精度成正比關系，即每個因素值的增大都會導致糾正精度降低。在這三個因素中，一般情況下，視場角的影響程度較小，可以忽略不計[3]。根據本次生產區域已有的1∶1萬DLG、DOM、DEM、1∶5萬DEM、控制資料情況，衛星影像外參數解算有以下幾種情況：

（1）有1∶1萬DLG、DOM、DEM數據的情況：

若衛星影像側視角≥25度，使用單景糾正，每景影像至少需四個地面控制點來對影像進行定向。若衛星影像側視角≤25度，使用已有1∶1萬DOM、DEM數據作為地理參考，通過衛星影像與已有地理信息的自動配準，獲取大量定向點并計算中誤差，解算得到RPC模型參數，實現衛星影像的快速定向。生產過程中保證匹配中誤差在限差范圍內，DEM接邊處過渡自然，正射影像精度完全符合規范要求。

抽取平地區域其中一景WorldView-2糾正影像與1∶1萬DOM疊加，采用手工選點的方式選取12個檢查點進行檢查，控制點殘差統計表如下所表1所示，符合平地平面中誤差5m的限差。

（2）無1∶1萬DOM、DEM數據的情況：

對于大區域影像的正射糾正而言，若基于單景正射糾正的模式進行逐景影像的處理存在以下問題：控制點的需求量是驚人的，單景影像正射糾正之后區域相鄰影像的接邊精度普遍較差，容易出現影像錯位[4]。

由于測區衛星影像連續覆蓋面積較大，并且相鄰影像間的交會角較小呈弱交會狀態，衛星影像區域正射糾正采用影像附帶的RPC參數和區域網平差求解得到的影像定向參數，可對每景影像進行正射糾正，從而生成全區域的正射影像。本項目使用1∶1萬像控點和1∶5萬DEM作為區域網平差的數據，首先通過影像匹配生成連接點，對連接點與控制點進行編輯與增加，避免因數量與分布不夠引起相鄰影像接邊精度與絕對精度。定向方法選擇RPC參數+二維仿射變換，該方法是計算衛星影像的定向參數和連接點物方平面坐標的一種區域網平差，物方點的高程值從DEM通過內插獲得。區域網平差的質量主要取決于連接點和控制點的精度[5]，生產過程中控制點盡量分布在區域網周邊，且均勻分布，相鄰影像有足夠多的連接點，加密區重疊區域分布控制點，以保證不同測區的接邊精度。

選取一個包括QUICKBIRD、WorldView-1、WorldView-2共46景影像弱交會測區，衛星影像及像控點分布圖2所示，由于像控點年代已久，適當選擇其中部分控制點參與區域網平差。

對正射糾正的三景相鄰衛星影像進行接邊精度檢查，如圖3所示。

3.2.2 多光譜影像配準

多光譜影像與全色波段影像的配準是以糾正好的全色波段影像為控制基礎，選取同名點對多光譜影像進行配準糾正。糾正模型的選取以及DEM數據選擇與對應的全色波段一致，控制點一般每景不少于15個，均勻分布整景范圍內。多光譜與全色影像間的同名點量測要求精確到子像素精度。方法1：使用多光譜影像自動定向即將多光譜影像與相對應的全色影像自動匹配同名點，中誤差一般都在0.2像素以內，這種方法自動化程度極高，不需要人工參與。方法2：選取與全色相同的影像進行區域網平差，連接點與控制點不需人工量測，只需將全色影像的像點坐標文件中的x坐標、y坐標進行運算，然后與全色方法相同做區域網平差，經檢查多光譜影像與全色波段影像基本套合，該方法可為其他軟件糾正通過刺點實現區域網平差方法提供參考。

3.2.3 正射糾正

經過平差解算后，系統自動批量完成測區內衛星全色波段影像和多光譜影像的正射糾正處理。分辨率大小按照規定輸出，重采樣類型選擇雙線性插值模式。糾正過程中不對影像的灰度和反差進行拉伸，不改變像素位數。糾正后的正射影像有效數據范圍內沒有漏洞區。

3.2.4 影像融合

為了使融合影像接近于原始多光譜影像，色彩自然，同時空間信息銳化明顯，反差適中，選擇pansharp融合算法對全色影像和多光譜影像整景正射影像進行融合，對由于云雪造成曝光過度的影像融合后會出現失真現象，融合前可以對影像進行拉伸。

3.2.5 影像格式轉換、裁切、勻色、鑲嵌、接邊

在按測區大批量生產正射影像后經統籌規劃、分步實施，準備下一步生產分幅正射影像圖。首先將整景影像做降維處理，選取覆蓋5萬圖幅中的衛星影像以空間分辨率、時間分辨率、輻射分辨率較高的原則，然后對影像進行裁切，為使影像不損失信息，使用Photoshop對裁切后的影像調色，使影像直方圖盡量呈正態分布，紋理清晰，彩色影像色彩飽和、自然明快，黑白影像紋理清晰、反差適中，接邊時以1萬DOM和DEM為基準糾正影像壓蓋區域網平差糾正的影像，盡量繞開糾正效果不好的區域，拼圖時沿線狀地物或地物邊界進行，盡量避免穿越建筑密集的區域，保證鑲嵌處無地物錯位，分幅影像之間灰度或色彩要均衡，自然過渡，通過充分利用資源、作業人員相互配合，在較短的時間內最終完成380幅1∶5萬分幅正射影像圖生產。

3.3 元數據制作

3.2.1 元數據制作

元數據按1∶5萬圖幅填寫，一個圖幅對應一個元數據文件，其中填寫影像有效范圍的四角坐標，通過arcgis生成二值圖像再提取邊界，編寫程序自動完成元數據的制作與檢查工作，實現極大的較少了人力，提高了自動化程度。

3.2.2 質量檢查

正射影像生產實行全過程質量控制，按照作業員自查、生產部門實行過程檢查、院質檢科實行最終檢查的分級質量控制程序，并按規定做好檢查記錄，規范各工序成果的標準性和統一性。以下工序應是檢查重點：檢查衛星影像原始數據的現勢性、質量情況及覆蓋情況，原始影像應清晰、無大面積噪聲、條紋、云和積雪等。檢查航空影像空三平差報告中的連接點和控制點的中誤差、最大誤差、誤差分布等是否滿足規定要求，應加強對定向報告中殘差較大點的檢查。檢查影像的質量、幾何精度、分幅正射影像數據之間的接邊和分景糾正數據之間的接邊情況。檢查元數據的內容、完整性、正確性、數據格式、數據結構等是否嚴格按照規定的要求。

4. 結束語

本項目利用已有1萬DEM和DOM數據，基于多基線、多特征的自動匹配，使高分辨率衛星影像與已有正射影像數據自動配準，實現高分辨率衛星影像自動高效更新。對于歷史的1萬像控點資料區域和弱交會衛星影像，采用基于RPC模型的解算方法，實現對稀少控制點區域的區域網平差。解決了控制點采集效率低，人工選點困難大等問題，大大減少了外業控制點的測量工作。經過批量配準、糾正、融合后生產出整景成果，在滿足精度要求的基礎上，提高了生產效率；由人工勻色、鑲嵌，保證了影像色彩信息的完整性。

參考文獻：

[1] 孫家抦.遙感原理與應用[M]武漢：武漢大學出版社，2005.

[2] 無需初值的RPC模型參數求解算法研究.[J]國土資源遙感，2005（4）：7—10.

[3] 衛星側視角對糾正精度影響的定量分析[J].北京測繪，2010（4）：20—22.

[4] 衛星遙感影像的區域正射糾正[J].武漢大學學報信息科學版，2014（7）：838—841.

[5] 張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢測繪科技大學出版，1996.

[6] GD—PJ05—2013. 地理國情普查數字正射影像生產技術規定[S].