高分二號衛星影像區域正射影像生成策略

徐漢超，張五洋，王 緒

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

多年來，國外衛星影像一直占據我國衛星遙感應用主要市場，對國產衛星應用發展和自主創新造成了一定影響[1]。作為我國高分辨率對地觀測系統項目內容，高分二號(GF- 2)衛星的成功發射，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。它可提供全色0.8m、多光譜3.2m的衛星影像，并具有定位精度高、機動能力強等特點，一舉打破了亞米級衛星影像被國外壟斷的局面[2]。

遙感影像數據存儲和處理速度是其高效應用于工程的關鍵，其核心目標是要對大區域覆蓋的衛星影像進行快速正射糾正，從而為規劃設計、施工及運維提供數據支撐。這就要求糾正后影像的絕對精度應滿足測繪規范要求，以及相鄰影像間接邊處的相對位置精度滿足影像鑲嵌精度要求[3]。

傳統正射影像生產包括單景影像正射糾正、勻光勻色、影像鑲嵌與裁切等環節，需要人工采集控制點，此方法存在效率低、精度差、數據處理周期長等不足，且相鄰影像接邊精度普遍較差，容易出現錯位。通常采取人工選取同名點后再局部正射糾正的方法，但工作量大，且經過多次采樣后會降低影像的輻射質量[4- 7]。

本文研究采用自動配準和糾正的處理策略，并運用到實際工程項目，實踐證明，該方法可減少控制點且大幅縮短影像處理時間，可有效提升影像處理效率。

1 總體技術流程

根據項目要求開展技術設計，首先收集區域內已有的DEM、控制點、歷史DOM，以及高分二號的多光譜影像、全色影像。在相關軟件中經過數據融合、正射糾正、同名點匹配、加入控制點進行區域網平差、精度檢查、勻光勻色、影像鑲嵌和裁切等處理后，形成最終DOM成果[8]。總體技術流程如圖1所示。

圖1 高分二號衛星影像數據處理技術流程

2 關鍵技術步驟

2.1 RPC計算

高分二號衛星數據由于RPC僅僅進行了輻射糾正，沒有進行高精度的幾何糾正，存在較大的誤差，所以利用可靠的控制點計算RPC從而得到一個與高分二號衛星數據精度相當的RPC參數文件，這種方法可以解決衛星影像數據畸變大的問題，從而提高糾正精度[9- 11]。

計算RPC的關鍵是采集大量準確且均勻分布的控制點。采用相關軟件利用基于頻率的自動匹配算法，該算法提取速度快，且對不同傳感器類型、影像分辨率和坐標系統等均能提取到可靠的控制點。通過設置不同系統參數，就能采集到大量的控制點，且匹配精度可達1/1000像素，得到的結果可以滿足計算RPC所需的控制點要求。采用RPC模型進行幾何糾正，其原理就是利用有理多項式模擬影像成像時的空間幾何關系，將大地坐標X、Y、Z與其對應的像點坐標x、y進行關聯[12]。基本模型可表示為

(1)

式中，NL(X，Y，Z)、DL(X，Y，Z)、Ns(X，Y，Z)、Ds(X，Y，Z)—X、Y、Z的3次有理多項式函數。

2.2 區域網聯合平差

通過影像自動匹配技術獲取各影像與參考影像之間的連接點，作為地面控制點，建立整個區域網平差模型，將(a0，a1，a2，b0，b1，b2)作為未知數和地面點坐標D(φ，λ，h)及對應像點坐標d(L，S)，得到區域網整體平差誤差模型，一并求解[13- 15]。

v=BT+CX-l

(2)

式中，

X=[Δφ Δλ Δh]T

(3)

(4)

由此計算出影像各點的地面點坐標改正數(Δφ，Δλ，Δh)，對衛星影像進行正射糾正，從而得到高精度正射影像。

2.3 影像融合

影像融合主要是在不破壞原有色調層次的基礎上，分別對全色影像和多光譜影像進行預處理(去噪、去云霧等)，對全色波段和多光譜波段進行融合和增強，使融合影像色彩明亮、細部紋理清晰。融合方法可以采用Pansharpen或高通濾波融合方法來完成。衛星遙感影像的多光譜彩色中BLUE為藍色波段，GREEN為綠色波段，RED為紅色波段，Near IR為近紅外波段，1、2、3、4則表示相應的波段號。融合影像應色彩自然、層次豐富、反差適中，影像紋理清晰，無影像發虛和重影現象[16- 19]。

3 工程應用及結果分析

項目采用2018年2月4日、2月5日、2月9日、2月14日、2月20日、2月24日、3月1日、4月15日接收的28景1A級多光譜影像和全色影像數據，見表1。對影像質量進行檢查，包括云量、位置精度等，剔除不合格的影像。在影像預處理階段，對其中6景影像的多光譜和全色影像進行了自動配準。

采用自動配準方法，以歷史影像作為參考，自動提取連接點和控制點，其數量分別是21100個、15008個，如圖2所示。該方法節約了采集控制點所需的人力、物力、財力和時間。

對高分二號影像進行自動配準和區域網平差，平差采用1∶1萬DEM，格網大小是1m×1m，作為高程約束條件，進行區域網平差，提高不同地形環境下區域網平差的物方平面精度。在完成平差后，在原參考的歷史影像和原始高分二號影像上選取均勻分布的10對同名點作為檢查點，以此作為自動配準精度評價的依據。結果見表2，影像自動配準的最大誤差分布為0.94～1.20個像元，影像配準的中誤差為0.52～0.89個像元，滿足影像糾正技術指標要求。

表1 工程影像數據

圖2 連接點示意圖

衛星影像經過自動匹配連接點和控制點，并與加DEM約束的區域網平差后，可以得到每景影像的糾正參數。在糾正后的28景影像中隨機截取了8個位置，通過軟件疊加顯示接邊情況，如圖3所示。從圖3中可見，影像糾正后接邊情況達到了無縫的水平。

4 結語

通過理論分析和實際工程中28景高分二號影像計算驗證，可以發現，參考歷史影像自動提取連接點和控制點糾正RPC模型，輔以大比例尺DEM作區域網整體平差的處理步驟，能有效簡化影像處理流程，縮短處理時間，滿足數據加工精度要求，是大規模數據正射影像生產和更新的較好方法。

表2 工程影像數據

圖3 衛星影像接邊處正射糾正效果