基于控制點影像數(shù)據(jù)庫的國產(chǎn)衛(wèi)星影像幾何糾正

趙筱榕，劉 津

（1.中國地圖出版集團，北京100054;2.中測新圖（北京）遙感技術有限責任公司，北京100038）

一、引 言

隨著航天遙感技術的發(fā)展，遙感影像以其獲取方便、周期短、信息豐富等特點而得到廣泛應用，特別是高空間分辨率和高光譜分辨率衛(wèi)星遙感影像。目前，我國應用衛(wèi)星的研制生產(chǎn)已形成系列化，正在從試驗應用型向業(yè)務服務型轉變，衛(wèi)星應用已成為經(jīng)濟建設、社會發(fā)展和政府決策的重要支撐。雖然傳感器的設計工藝和制作水平不斷提高，但由于衛(wèi)星遙感成像時受到自身結構因素(如攝影機焦距變動、像主點偏移、鏡頭畸變等)和各種環(huán)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。根據(jù)衛(wèi)星遙感影像的類型和成像方式，采用正確方法消除各種因素的幾何畸變影響，獲得無幾何畸變的正射遙感影像，是遙感影像應用于資源監(jiān)測、自然災害分析、土地利用、交通等領域和行業(yè)的必要前提和基礎。

二、傳統(tǒng)遙感影像糾正處理中的問題

為了消除遙感影像的幾何變形，生成正射遙感影像產(chǎn)品，必須對遙感影像進行幾何糾正。而建立校正變換的幾何多項式是實現(xiàn)幾何精校正自動化的關鍵，目前在幾何糾正處理過程中，無論是共線方程法還是多項式糾正法，都需要利用地面控制點來解算轉換矩陣以實現(xiàn)幾何糾正。傳統(tǒng)的遙感影像幾何糾正處理往往依賴遙感影像處理商業(yè)軟件(如 ERDAS、ENVI、ArcGIS 等)，利用 GPS 采集的控制點，在影像上人工判讀出相應的位置，并根據(jù)相應的算法來進行糾正處理。其中，控制點資料的準備和獲取是最主要的問題。傳統(tǒng)獲取地面控制點的方法周期長，很難適應現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化應用的需求，尤其難以滿足遙感業(yè)務化及許多應急事件中遙感數(shù)據(jù)處理的需求，如防汛、森林火災監(jiān)測、土地利用動態(tài)監(jiān)測、軍事應用等。因此，有必要研究一種方法來改進傳統(tǒng)的作業(yè)方式，以減少數(shù)據(jù)資源浪費，降低人工作業(yè)負荷，提高影像幾何糾正精度?；谝陨险撌?，建立控制點影像庫以實現(xiàn)控制點影像數(shù)據(jù)的有效利用顯得非常必要，同時控制點數(shù)據(jù)庫的建立可以實現(xiàn)控制點的有效利用。此外，加強控制點的科學管理是節(jié)省資金、提高效率的重要保障。

針對傳統(tǒng)糾正中的問題，本文提出了以控制點影像庫為基礎來解決傳統(tǒng)遙感影像糾正處理中資料準備工作量大、控制點采集效率低等問題，同時針對遙感影像快速糾正的關鍵技術進行了深入研究。

三、控制點影像數(shù)據(jù)庫

為了解決控制點采集效率低這一制約影像糾正的瓶頸，本文經(jīng)過探索，引入了控制點影像數(shù)據(jù)庫。它的引入使得原有成果能夠被重復地利用，提高了糾正處理的時間效率?？刂泣c影像數(shù)據(jù)庫用來對控制點影像進行有效的管理并方便地提取控制點來實現(xiàn)圖像的幾何糾正，以提高控制點資料的重復利用率，減少幾何糾正過程中控制點數(shù)據(jù)的準備時間，實現(xiàn)遙感影像幾何糾正的快速處理。對控制點數(shù)據(jù)進行建庫管理，實現(xiàn)控制點選取的自動化不僅可以提高選點的效率和精度，并能保證數(shù)據(jù)的安全性，同時還可實現(xiàn)已有控制點成果的有效利用。

本文使用的控制點影像庫依據(jù)Oracle數(shù)據(jù)平臺，可以在局域網(wǎng)內通過客戶端軟件來進行訪問?？刂泣c影像庫主要包括圖像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)中需要包含地理位置信息，即控制點的地理坐標，這是控制點影像的主要特征。此外，還需要包括一些其他信息，包括坐標必要的輔助信息，如坐標系、投影方式、精度、成圖比例尺、行政區(qū)域、獲取時間、3°帶或6°帶等。圖像數(shù)據(jù)主要是存放控制點影像柵格圖像，目前數(shù)據(jù)庫內主要有1∶1萬和1∶5萬兩種影像庫，控制點影像塊的大小主要是511像素×511像素和1023像素×1023像素，其與采集影像的分辨率有關，一般分辨率在0.5 m左右的為1023像素×1023像素大小?？刂泣c影像庫部分表結構和相關控制點影像如表1、圖1、圖2所示。

表1 控制點影像庫表結構

圖1 511像素×511像素(1∶1萬、1∶5萬)控制點影像塊

圖2 1023像素 ×1023像素(1∶1萬、1∶5萬)控制點影像塊

四、基于控制點庫遙感影像的幾何糾正方案

為了更好地實現(xiàn)遙感影像數(shù)據(jù)的快速處理，中國測繪科學研究院自主研發(fā)了一套軟件系統(tǒng)，即遙感影像幾何糾正系統(tǒng)。它是基于影像控制點庫的遙感影像快速幾何處理的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了遙感影像自動/半自動幾何糾正，同時該系統(tǒng)支持傳統(tǒng)模式的控制點影像選取及糾正功能，包括 IKONOS、QuickBird、SPOT、TM/ETM、中巴資源衛(wèi)星、資源 02B衛(wèi)星影像，擁有多項式糾正、有理函數(shù)模型、嚴密軌道模型多種糾正方式。軟件界面如圖3所示。

圖3 軟件界面圖

1.糾正試驗數(shù)據(jù)

本文以河北石家莊、浙江嘉興、上海青浦區(qū)的資源三號影像為數(shù)據(jù)源，基于上海、浙江、河北省遙感影像控制點庫，利用遙感影像幾何糾正系統(tǒng)軟件對資源三號原始影像進行糾正處理。數(shù)據(jù)源信息見表2。

2.利用控制點糾正流程

首先，連接數(shù)據(jù)庫并對新建的工程文件進行配置，傳感器位置選擇“資源三號衛(wèi)星影像”，數(shù)學模型方法選擇“有理函數(shù)模型”，坐標系統(tǒng)選擇“Xian 1980”，投影方式為“高斯投影”3°分帶，中央經(jīng)線可默認為0;選擇待糾正影像，查看影像的基本信息，并加載坐標系為“Xian 1980”的DEM，這里要注意投影帶的選擇。

表2 數(shù)據(jù)源信息表

其次，針對控制點的選取，本文采取手工選點的方式進行選點工作。由于軟件糾正采用的模型為二次有理函數(shù)模型，一般一景影像選取9～16個控制點不等。選點過程如圖4所示，左邊是待糾正影像，右邊是控制點庫內的控制點影像數(shù)據(jù)。

圖4 控制點影像匹配結果圖

最后進行糾正。糾正過程中支持最鄰近像元、雙線性內插、三次卷積等重采樣方式，一般采用雙線性差值法(Bilinear)進行糾正，糾正完畢后，可以對糾正好的影像進行精度檢查，并輸出相應的精度報告。糾正前后衛(wèi)星影像如圖5所示。

圖5 糾正前后衛(wèi)星影像圖

五、糾正精度和效率分析

基于示范區(qū)影像控制點數(shù)據(jù)庫，利用國產(chǎn)遙感衛(wèi)星影像快速正射處理軟件完成了3個示范區(qū)資源三號衛(wèi)星影像的正射糾正，完成后的正射影像采樣間隔為2.1 m。利用影像控制點數(shù)據(jù)庫中已有控制資料對糾正后的正射影像進行精度評價，基于《基礎地理信息數(shù)字成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶10 000 數(shù)字正射影像圖》(CH/T 9900.3—2010)標準規(guī)范，平面位置中誤差要求見表3，平面位置中誤差的兩倍為最大誤差。

表3 精度要求表 m

本文分別在3個區(qū)域糾正影像上選取了控制影像點來進行檢查，其中河北選擇了33個影像點、浙江選擇了14個影像點、上海選擇了19個影像點。具體精度情況見表4。

由表4可知，糾正后的示范區(qū)正射影像精度均可滿足1∶1萬正射影像精度要求。圖6是處理后采樣間隔為2.1 m的資源三號正射影像，在精度上可作為國土項目的底圖參考數(shù)據(jù)，應用于土地督察、土地執(zhí)法等項目中，以滿足遙感業(yè)務化及許多應急事件的遙感數(shù)據(jù)處理的需要。

通過應用控制點影像數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)，極大地提高了國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理效率，減少了控制資料獲取的難度，在控制點資料獲取方面節(jié)約了大量的人力物力，同時也大幅度提高了作業(yè)人員的工作效率。傳統(tǒng)的基于地形圖的選點工作依賴于人工目視判讀，地形圖符號化特征點選取工作對于初學者的判讀能力要求較高，選擇一個控制點約20 min，而應用控制點影像快來糾正時，查詢選點僅需5 min。這是由于大部分同名點查找工作交由計算機自動完成，需要人工調整的工作量大大減少，對于整個正射影像的制作，大大提高了效率，也解決傳統(tǒng)遙感影像糾正處理中資料準備工作量大、控制點采集效率低等問題。

表4 河北省遙感影像控制點采集完成情況統(tǒng)計

圖6 糾正后應用圖

六、結束語

隨著我國國產(chǎn)衛(wèi)星的應用，衛(wèi)星影像的利用將會擁有更便利的優(yōu)勢和更快的更新速度，而實現(xiàn)影像的快速、高精度處理將會發(fā)揮越來越重要的作用。高精度遙感影像控制點數(shù)據(jù)庫的建立，突破了控制點人工判讀選點的傳統(tǒng)模式，而且使得控制資料在數(shù)據(jù)獲取、成果管理等方面更加趨于科學化和高效率，為國產(chǎn)衛(wèi)星影像的應用提供了市場需求和發(fā)展前景。在今后工作中，將針對國產(chǎn)衛(wèi)星影像的快速處理作更深入的研究。

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