高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)正射圖制作工藝及應(yīng)用

1、<p>　　高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)正射圖制作工藝及應(yīng)用</p><p>　　朱繼東 程曉陽 劉宏 陳紹光</p><p>　　（北京天目創(chuàng)新科技有限公司 北京 100088）</p><p>　　摘要：本文闡述了應(yīng)用高分辨率衛(wèi)星獲取地球表面影像數(shù)據(jù)制作正射影像圖的工藝及在抗震救災(zāi)、全國第二次土地調(diào)查中的應(yīng)用。隨著航天技術(shù)的發(fā)展和普及，針對衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的

2、相關(guān)應(yīng)用處理技術(shù)將成為我國地理信息相關(guān)產(chǎn)業(yè)空間信息獲取和保障的重要手段。</p><p>　　關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；數(shù)據(jù)；正射影像圖</p><p>　　應(yīng)用衛(wèi)星獲取地球表面影像數(shù)據(jù)制作正射影像圖，可以為地理信息系統(tǒng)及時提供可靠的地形信息，測地衛(wèi)星能不斷地對地球拍攝，提供新的地表信息，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)全部采用通用的電子計算機處理，工藝簡便，生產(chǎn)效率高。所以，應(yīng)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)制作正射影像圖具有很大優(yōu)勢。

3、目前，美國QuickBird(快鳥)和World View-1(視界-1)影像分辨率分別達到0.61米和0.47米像素，為制作大、中比例尺正射影像圖創(chuàng)造了必要條件。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，應(yīng)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)制作大、中比例尺正射影像圖將會成為重要的技術(shù)途徑。</p><p>　　一、基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的地表正射影像圖基本制作工藝</p><p>　　應(yīng)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)制作正射影像圖的整個工藝

4、流程，都是在通用的電子計算機中進行，采用專門遙感處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。</p><p><b>　　1.1控制資料</b></p><p>　　?         導(dǎo)航矢量數(shù)據(jù)</p><p>　　針對成果的精度要求，利用少量精度相對較高的矢量資料作為控制資料。&

5、lt;/p><p>　　?         已有地形圖</p><p>　　利用現(xiàn)有的1:10000或1:50000比例尺的地形圖作為控制資料。</p><p>　　?         實測控制點</p&g

6、t;<p>　　利用外業(yè)GPS實測控制點作為控制資料，適合高精度成果。</p><p><b>　　1.2 處理軟件</b></p><p>　　PCI Geomatica10.1專業(yè)遙感影像處理軟件 ，PhotoShop等其它輔助軟件。</p><p>　　1.3正射影像制作流程</p><p>　　針對

7、通用的快鳥捆綁數(shù)據(jù)正射影像圖制作流程見圖1。</p><p>　　?         影像數(shù)據(jù)配準融合</p><p>　　影像數(shù)據(jù)配準融合是通過高級影像處理技術(shù)來復(fù)合多源遙感影像，以達到全色和多光譜數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補，增強空間細節(jié)，減少顏色失真，形成對地面目標較完整的信息描述。</p><p&g

8、t;　　融合方法多采用PCA主成分變換或Pansharp融合算法。目前后者融合效果較優(yōu)，建議采用Pansharp算法對高分辨率衛(wèi)星影像進行。</p><p>　　?         影像數(shù)據(jù)調(diào)色</p><p>　　影像數(shù)據(jù)調(diào)色的目的是統(tǒng)一各景融合后的原始影像色調(diào)，還原地物真實色彩或根據(jù)不同應(yīng)用對象的需求，達到

9、預(yù)期的地物色彩。</p><p>　　使用軟件PCI 10.1和Photoshop CS結(jié)合。</p><p>　　?         影像數(shù)據(jù)糾正</p><p>　　影像數(shù)據(jù)糾正是糾正原始影像產(chǎn)生的輻射畸變和幾何畸變，以獲取地表正射影像。</p><p>　　

10、影像數(shù)據(jù)糾正必須有控制資料，如：合理分布的糾正控制點。這些點可以從已有控制資料通過內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點方法選取、也可以用野外實測獲得。對于大、中比例尺正射影像圖制作，野外實測一般采用GPS定位測量方法完成。</p><p>　　?         影像數(shù)據(jù)拼接</p><p>　　影像數(shù)據(jù)拼接是通過對相鄰影像的無縫拼接處理

11、，保持地物連續(xù)一致性的基礎(chǔ)上，取出重疊區(qū)多余影像，從而形成整景影像。</p><p>　　二、快速獲取震區(qū)大面積的正射影像</p><p>　　今年5月12日，我國四川發(fā)生8.0級大地震。我公司作為美國高分辯率衛(wèi)星“快鳥”和“視界-1”的中國總代理，同時又是獲得測繪資質(zhì)的測繪單位，意識到這場抗震救災(zāi)應(yīng)急保障工作中，快速獲取并提供震后衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對“緊急救援”行動意義重大。時間就是生命，我們

12、立即行動起來，連夜與美方取得聯(lián)系。從5月13日開始連續(xù)一周對震中地區(qū)汶川、綿陽等地進行緊急編程拍攝，快速獲取了震后的高分辯率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。</p><p>　　公司領(lǐng)導(dǎo)與員工，爭分奪秒進行震區(qū)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的接收和處理。利用“視界-1”(worldview-1)優(yōu)良的定位精度，利用少量控制資料，連續(xù)加班，趕制出地震地區(qū)在震前和震后的實地影像（1:2000至1:10000比例尺），總面積約五千平方公里。全部無償提供給

13、國家測繪局、民政部、武警總隊司令部，為抗震救災(zāi)取得急需的地理信息（見圖1—圖10）。</p><p>　　三、應(yīng)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)制作全國第二次土地調(diào)查用1:10000比例尺底圖</p><p>　　今年我國全面開展第二次土地調(diào)查，需要新的1:10000比例尺正射影像圖作為調(diào)查底圖。由于測圖面積龐大，調(diào)查底圖覆蓋全國。不少地區(qū)測繪條件差，難度大，而且時間緊迫，完全采用傳統(tǒng)測繪方法是難以完成任務(wù)

14、的，全國第二次土地調(diào)查辦公室決定采用航測和航天技術(shù)，開展大面積測制工作?？禅B/視界-1衛(wèi)星影像承擔(dān)底圖任務(wù)涉及河北、內(nèi)蒙、新疆、寧夏、甘肅等12個省，120萬平方公里，圖幅數(shù)48178幅。共計項目協(xié)作單位17家，其中內(nèi)業(yè)（含內(nèi)外業(yè)承包）協(xié)作單位11家。平均承擔(dān)底圖生產(chǎn)任務(wù)約7.5萬平方公里/單位。</p><p>　　3.1　項目特殊生產(chǎn)工藝及技術(shù)</p><p>　　3.1.1 基于光譜

15、特性的半自動彩色補償技術(shù)（已建立自動化處理模型）</p><p>　　a)        基本原理：</p><p>　　由于地物波譜反射特性的差異，使得不同地物在傳感器上反映的色調(diào)各不相同。習(xí)慣上地物在可見光成像的衛(wèi)星影像上的色調(diào)要求應(yīng)與人眼觀察到的地物一致。但由于地球大氣對不同波段的透過率有所不同，使得星載傳感器對植

16、被的成像會產(chǎn)生一定的偏色。利用基于光譜特性的半自動色彩補償技術(shù)，根據(jù)光譜原理，按照人眼習(xí)慣色調(diào)，通過各種手段，如近紅外波段影像數(shù)據(jù)掩模、NDVI圖層掩模等，可以有效提高影像色調(diào)與人眼習(xí)慣地物色調(diào)的相似性，提高影像的真實感。</p><p>　　b)        實施經(jīng)驗：</p><p>　　衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)有的是夏季的影

17、像，有的是冬季的影像數(shù)據(jù)，季節(jié)的不一致，導(dǎo)致地物色調(diào)存在巨大差異。針對此種情況，制定出色調(diào)調(diào)整方案，經(jīng)小范圍實驗效果非常好，后實施于項目中。先將色調(diào)調(diào)整方案介紹如下：</p><p>　　i.              對于全部影像，為了減弱大氣影響，降低藍色波段的亮度；</p&

18、gt;<p>　　ii.              對于初夏季節(jié)的影像，其植物生長狀況好，將單波段的近紅外影像經(jīng)過拉伸及閾值處理后，獲得明顯的植被范圍（DN值普遍偏高），掩模到綠色波段上；同時可以獲得水體的范圍（DN值很低），掩模水體。</p><p>　　iii.

19、60;             對于冬季的影像，需要首先進行NDVI（植被指數(shù)）層的提取，可以獲得較好的植被覆蓋情況，然后掩模綠色波段；水體的掩模同上。</p><p>　　3.1.2 拼接工藝</p><p>　　?    

20、60;    影像樣本貼邊</p><p>　　快鳥衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)通常每掃描帶像幅不超過16公里，考慮到條帶重疊，對于大面積處理，通常需要多條帶拼接。在對單獨像幅影像進行完調(diào)色處理后，拼接時，為保證地物紋理連續(xù)一致，需要進行拼接處理。具體處理如下：</p><p>　　選取一幅影像為色調(diào)樣本，裁切重疊區(qū)，覆蓋在另一幅影像上，著重調(diào)整拼接處，達到色調(diào)連續(xù)一致為止。

21、</p><p>　　?         隱藏拼接線</p><p>　　將裁切樣本區(qū)上的拼接線邊界，將拼接線隱藏在樹林、馬路中線、山脊山谷、河流等地物中。</p><p>　　3.1.3 加快糾正速度的手段</p><p>　　?  

22、0;      輸出低分辨率預(yù)覽圖</p><p>　　糾正控制點刺點完成后，需要重采樣生成處理結(jié)果，快鳥衛(wèi)星影像一景數(shù)據(jù)波段融合后約８GB，重采樣一景最少半個小時，非常耽誤時間，在處理中，一般先輸出2.5米分辨率的小樣，自檢無誤后，再輸出最終結(jié)果。經(jīng)過實踐，節(jié)約了大量處理過程時間，大大提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　? &#

23、160;       利用中間結(jié)果作為控制資料過渡</p><p>　　在新疆的部分沙漠戈壁、山地等特別地形地貌地區(qū)，外業(yè)控制稀少，分布不均勻，利用經(jīng)過控制點改正后ETM等低分辨率控制資料，刺點精度無法控制，容易產(chǎn)生問題。由此，利用輸出的２.5米中間結(jié)果（小樣）作為控制傳遞手段。具體的， 利用經(jīng)過控制點改正后ETM對2.5米分辨率的中間結(jié)果進行控制，然后

24、將中間結(jié)果拼接成圖，作為0.5米分辨率底圖成果的直接控制資料。能夠很好的保證刺點誤差的一致性，對成果質(zhì)量保障起到積極的作用，同時，提高了成果生產(chǎn)效率。</p><p>　　3.1.4 黑白影像底圖偽彩色處理</p><p>　　按照本次底圖生產(chǎn)成果要求，全部底圖成果需彩色，由于原始影像資料部分是由視界0.5米分辨率黑白立體測圖衛(wèi)星采集，通過實驗發(fā)現(xiàn)，部分地區(qū)影像可以直接進行偽彩色處理。&l

25、t;/p><p>　　前期我單位及美國衛(wèi)星公司實驗了多種模式，包括與ALOS10米多光譜數(shù)據(jù)融合、自動偽彩色等方法，均無法達到所有區(qū)域都比較理想效果。</p><p>　　對于地物比較單一、地塊較大、形狀簡單的區(qū)域，如農(nóng)田、荒漠等，可以利用地物在全色影像上反射的波譜特性，人工指定全色波段上的不同的閾值作為特定的波段，最后波段疊加形成偽彩色。此方法有可操作性，實驗結(jié)果較好。但是目前是小范圍應(yīng)用，

26、未創(chuàng)建批處理推廣生產(chǎn)。</p><p>　　3.2 問題和解決方案</p><p>　　由于項目涉及范圍廣，面積大，具體項目實施中遇到了一系列問題，現(xiàn)選列如下：</p><p>　　3.2.1 利用多種輔助控制資料結(jié)合稀少實測控制點實施底圖生產(chǎn)控制解決方案</p><p>　　對于外業(yè)困難地區(qū)，外業(yè)控制點的獲取速度慢，控制點分布不均，在前期內(nèi)

27、業(yè)生產(chǎn)中，對底圖生產(chǎn)精度、進度均產(chǎn)生了巨大的影響。在多次實驗、嘗試不同技術(shù)手段后，逐漸清晰了技術(shù)思路，形成“利用有限或稀少控制點，及多種輔助控制資料，優(yōu)化底圖控制，達到或接近1：1萬底圖生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定”的技術(shù)思路。</p><p>　　新疆民豐且末地區(qū)外業(yè)實測控制點分布圖</p><p>　　?        

28、輔助控制資料</p><p>　　?        1：1萬DLG基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)。一般在當?shù)氐臏y繪部門，覆蓋范圍與較容易開展外業(yè)實測控制的區(qū)域基本重疊。外業(yè)控制點很難開展的地區(qū)，也大都沒有1:1萬的基礎(chǔ)測繪資料。</p><p>　　?        1

29、：5萬DRG和1：10萬DRG基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)。此類資料可以用于外業(yè)工作中輔助外業(yè)人員判斷地形、確定位置。</p><p>　　?        15米ETM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。ETM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，是美國Landsat7衛(wèi)星影像經(jīng)過輻射校正、系統(tǒng)幾何校正后的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)說明中指出，此數(shù)據(jù)的幾何精度依賴于地面控制點的精度和DEM的精度。</p>

30、<p>　　?         控制資料綜合應(yīng)用解決方案</p><p>　　?         1:1萬DLG控制資料</p><p>　　對于利用實測控制點進行底圖糾正控制的時候，引入1:1萬DLG作為輔助控制資料，

31、利用其中的典型特征地物、線狀地物作為輔助糾正控制資料，減少或減弱由于外業(yè)控制點的偶然錯誤、或DEM的問題導(dǎo)致的誤差不合限等問題。</p><p>　　在四川某任務(wù)區(qū)，由于任務(wù)區(qū)大部分平坦，但西側(cè)少部分覆蓋狹長山地，利用實測外業(yè)控制點和1:5萬DEM重復(fù)生產(chǎn)多次，外業(yè)補測數(shù)次，均未達到很好的效果，后期協(xié)調(diào)當?shù)氐?:1萬基礎(chǔ)測繪資料若干幅，在超限的區(qū)域輔助控制，最終達到底圖精度限差要求。</p><

32、;p>　　?         外業(yè)實測控制點或1：1萬DLG改正15米分辨率ETM衛(wèi)星DOM進行控制</p><p>　　由于ETM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)覆蓋范圍大，數(shù)據(jù)剛性強，誤差一致性好， 利用ETM數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣的特點，一景數(shù)據(jù)3萬多平方公里，少量的ETM數(shù)據(jù)，就能夠?qū)⒖禅B任務(wù)區(qū)內(nèi)的實測控制點區(qū)域、1：1萬DLG控制區(qū)域、高山荒漠區(qū)

33、域，全部覆蓋。</p><p>　　利用平地實際測得的外業(yè)控制點資料，或1:1萬DLG上的線狀地物、典型地物作為參照目標，對ETM數(shù)據(jù)進行簡單坐標改正，以進一步優(yōu)化ETM衛(wèi)星影像的平面精度，達到亞像元級別。</p><p>　　在實際生產(chǎn)作業(yè)中，綜合利用上述控制資料，可以有效地解決荒漠高山等外業(yè)困難區(qū)的控制問題，保持地物連續(xù)一致性的前提下，平面精度盡量接近1:1萬控制精度，能夠確保大大優(yōu)于

34、1:5萬控制資料的精度。</p><p>　　3.2.2 特別困難區(qū)區(qū)域重心法控制作業(yè)方案驗證</p><p>　　一、特別困難地區(qū)的地域情況</p><p>　　特別困難地區(qū)相對海拔高，一般均在3000米以上，人口密度較低、經(jīng)濟欠發(fā)達、交通不便，可耕地面積較少、外業(yè)布點相對困難的區(qū)域。</p><p>　　二、區(qū)域重心法的基本思路</

35、p><p>　　區(qū)域重心法的基本思路，是利用有理函數(shù)模型參數(shù)，采用多景影像聯(lián)合平差的思想，在區(qū)域內(nèi)比較平坦的地區(qū)，選取不同軌道但相互間有部分重疊的影像（因為同軌影像資料的誤差大小方向基本一致），每個軌道一張，進行多景影像聯(lián)合平差。</p><p>　　三、寧夏測區(qū)利用實際資料對區(qū)域重心法進一步驗證情況</p><p>　　1．對以往資料處理的經(jīng)驗</p>

36、<p>　　采用區(qū)域重心法，對于困難地區(qū)的資料，以前國內(nèi)對西藏等地區(qū)的資料曾經(jīng)做過處理，具有一定參考價值?？梢杂行У靥岣呖禅B影像的定位和糾正精度，平面精度可以達到 8米以內(nèi)。</p><p>　　2．采用寧夏測區(qū)實際資料的進一步驗證</p><p>　　為了保證特別困難地區(qū)正射糾正后的地理精度，利用寧夏地區(qū)實際資料，采用區(qū)域重心法作業(yè)方案，進一步驗證了區(qū)域重心法能夠達到的精度。&

37、lt;/p><p>　　試驗選取了005660770030_01_p049、005660770030_01_p059、005660770030_01_p031、005660770030_01_p032、005660770030_01_p074、005660770030_01_p007六景影像組成一個區(qū)域，其中P031與P032為同軌影像。各景分布如下圖： </p><p>　　利用寧夏DEM分

38、別作了各景的正射影像，量取各景影像之間的接邊差，結(jié)果如表1：</p><p>　　表1：沒有做區(qū)域重心化處理前各景的正射影像之間的接邊差</p><p>　　統(tǒng)計分析計算，以005660770030_01_P031為準，區(qū)域重心的改正值為：△X=1.5米，△Y= - 4.0米。</p><p>　　新建工程，加入005660770030_01_P031影像，在影像中

39、央?yún)^(qū)域讀取一點，標記為：P031_001。如下圖：</p><p>　　P031_001原始坐標為：</p><p>　　X=35602507.89 </p><p>　　Y=4295618.76 </p><p>　　Z=1128.9 </p>&l

40、t;p>　　加入偏差改正值后坐標為：</p><p>　　X=35602509.39 </p><p>　　Y=4295614.76 </p><p>　　Z=1128.9 </p><p>　　用P031_001作為控制點，對005660770030_

41、01_P031進行0次多項式糾正，完成后利用DEM制作正射影像。</p><p><b>　　其他景的糾正：</b></p><p>　　首先糾正與005660770030_01_P031有重疊的影像，如005660770030_01_p074；可以在兩景影像重疊的部分判讀1-4個點，在005660770030_01_P031的正射影像上讀取平面坐標，作為005660

42、770030_01_p074的控制點，對其進行0次或者1次的多項式糾正，最后制作正射影像。表2是利用野外控制點與區(qū)域重心法制作的正射影像的精度比較。</p><p>　　表2：利用野外控制點與區(qū)域重心法制作的正射影像的精度比較</p><p>　　從上面表2 可以看出，利用區(qū)域重心化的思路進行正射糾正，其精度誤差小于8米。能夠滿足困難地區(qū)成圖的限差要求。</p><p&

43、gt;　　3.2.3 任務(wù)區(qū)內(nèi)大量的覆蓋縫隙，用其他數(shù)據(jù)源臨時生產(chǎn)部分底圖</p><p>　　由于快鳥／視界－１影像數(shù)據(jù)幅寬較小等數(shù)據(jù)特點，任務(wù)區(qū)數(shù)據(jù)覆蓋范圍內(nèi)存在縫隙，大范圍的影像數(shù)據(jù)資料不連片，限制了底圖成果的大規(guī)模生產(chǎn)，并嚴重影響底圖成果提交效率。</p><p>　　鑒于任務(wù)工期要求緊迫，為了保障底圖的加速生產(chǎn)與提交,　我單位采用ALOS 2.5米衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對目前的快鳥／視界－

44、１衛(wèi)星數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)覆蓋縫隙進行補充，</p><p><b>　　主要目的如下：</b></p><p>　　a)        用于覆蓋目前快鳥數(shù)據(jù)沒有覆蓋的區(qū)域，提供控制測量影像資料，提高項目控制點外業(yè)測量的整體工作效率,加快底圖生產(chǎn)速度;</p><p>　　b) 

45、;       用于補充快鳥數(shù)據(jù)覆蓋之間的縫隙，補充目前由于小的縫隙造成的不滿幅成果，及時提交相應(yīng)圖幅成果，以保障后續(xù)地籍外業(yè)調(diào)查的盡快順利開展。</p><p>　　四、底圖成果精度情況</p><p>　　下面列出新疆省疏勒地區(qū)（1期）和阿克蘇地區(qū)影像圖的數(shù)學(xué)精度。</p><p><b>　

46、?。?）疏勒地區(qū)</b></p><p>　　面積2800平方公里，涉及112幅1:10000比例尺正射影像圖?？禅B正射影像共14景。糾正點和檢查點均采用GPS定位測量野外實測。成圖后經(jīng)檢查點檢測，平面中誤差為±1.09m。糾正點余差與檢查點偏差情況見表1</p><p>　　表1 疏勒地區(qū)糾正點余差和檢查點偏差的分布</p><p><

47、b>　　（2）阿克蘇地區(qū)</b></p><p>　　面積8776平方公里，完成277幅1:10000比例尺正射影像圖?？禅B衛(wèi)星影像分三區(qū)12景、12景、19景處理，糾正點和檢查點用GPS方法實測。成圖后經(jīng)檢查點檢測，平面中誤差為±1.54m。糾正余差和檢查點偏差情況見表面2</p><p>　　表2阿克蘇地區(qū)糾正點余差和檢查點偏差的分布</p>

48、<p>　　注：糾正點余差的單位為像素（0.6m），檢查點偏差單位為m。</p><p>　　新疆地區(qū)1:10000正射影像圖（局部）（見圖11—圖13）</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 國務(wù)院第二次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室. 第二次全國土地調(diào)查底圖生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定. 北京:2007年<