基于IDL的資源一號02C星HR影像RFM幾何校正

錢志奇，朱曉雯，房瑩瑩，李文林，陸殿梅

(江蘇省地質勘查技術院，江蘇 南京 210049)

0 引言

資源一號02C衛(wèi)星(ZY－1 02C星)發(fā)射于2011年12月22日，廣泛應用于土地資源、礦產資源、地質環(huán)境調查以及國土資源、地質災害應急監(jiān)測等(李德仁等，2006;王海俠等，2011)。同部分高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星(如IKONOS、QuickBird等)一樣，其傳感器信息暫時未向普通用戶公開(李德仁等，2006;楊國榮，2007;鄭琳等，2007;王海俠等，2011)。由于缺乏衛(wèi)星軌道星歷參數和傳感器參數，嚴格的共線方程模型便不適用，通常應用有理函數模型(Rational Function Model，RFM)來解決從二維圖像反演三維信息的問題。近年來，RFM模型應用于遙感技術日漸成熟，取得了較高的反演精度(張永生等，2004;胡堃，2009;李慶鵬等，2011;邵俊等，2010;袁修孝等，2012)。ZY－1 02C星HR影像數據提供了與QuickBird數據格式相似的RPB文件與經過輻射校正后的柵格數據，可以使用RFM模型進行系統(tǒng)幾何校正或正射校正(胡鳳偉等，2012;胡鋒，2013;楊博等，2013;周偉等，2014)。常規(guī)的影像處理軟件(如ENVI、Erdas等)具有RPC正射校正功能，但數據文檔選擇繁瑣，影像讀寫耗時，且未提供自動化的批處理功能，對于大范圍海量數據的處理，不但耗時、耗力而且容易出錯。本次研究旨在利用IDL語言，為需要處理ZY－1 02C星高分影像的用戶提供一種快速有效的數據預處理途徑，推進國產資源衛(wèi)星數據的廣泛應用。

1 RFM模型幾何校正

1.1 ZY－1 02C星HR數據

ZY－1 02C衛(wèi)星是我國高分辨率遙感數據衛(wèi)星之一，裝有全色多光譜相機和全色高分辨率相機HR，主要任務是獲取全色和多光譜圖像數據，數據可以用于1∶2.5萬和1∶5萬比例尺的礦產資源、土地資源、地質環(huán)境調查業(yè)務。衛(wèi)星上搭載有2臺空間分辨率2.36 m的HR相機，拼接幅寬54 km。搭載有空間分辨率5 m的全色及10 m的多光譜相機，幅寬為60 km(胡鳳偉等，2012)。中國資源衛(wèi)星應用中心提供的數據，包括0級的原始數據以及標準產品數據。標準產品包括1級的輻射校正產品和2級的系統(tǒng)幾何校正產品。0級數據經輻射校正、數據質量增強與簡單的數據篩選后生成1級輻射校正產品，期間將排除云量覆蓋較大，數據質量不理想等無效數據。1級輻射校正產品無地圖投影信息，但提供RPC模型參數。2級系統(tǒng)幾何校正產品為1級輻射校正產品經系統(tǒng)幾何校正處理后生成的數據產品，具有地圖投影信息。本次研究主要研究1級輻射校正產品，其文件夾內關鍵文件見表1。

表1 主要使用文件Table 1 Main used files

由表1可知，HR數據包括2個HR傳感器的HR1與HR2影像，可經幾何校正處理后鑲嵌而得。HR1與HR2影像的快速幾何校正與鑲嵌便是此次研究的重點內容。

1.2 RFM模型

有理多項式函數模型(Rational Polynomial Coefficients，RPC)本質上就是有理函數模型(Rational Function Model，RFM)，是傳感器幾何模型的一種抽象表達方式，適用于多種航空航天傳感器，是近似糾正模型更精確的形式(張永生等，2004;張過等，2007，2010;胡堃，2009;祝小勇等，2009;李慶鵬等，2011;宋妍等，2013)。采用有理多項式模型擬合傳感器內外方位元素，可以將地面點空間D(X，Y，Z)作為自變量與對應的像點坐標d(Line，Sample)采用比值多項式的方式關聯(lián)起來。模型的函數多項式系數即為RPC參數，該參數隨傳感器瞬時姿態(tài)變化。在沒有RPC參數的情況下，影像一般不會用于測繪(李德仁等，2006;蔡耀君等，2013)等高精度應用。影像比值多項式如式(1)。

通常為增強模型參數的求解穩(wěn)定性，需將地面坐標和影像坐標正則化至［－1，l］范圍。其中(P，L，H)為正則化的地面坐標，(X，Y)為正則化的影像坐標，下標S代表列，下標L代表行，正則化表達式如式(2)所示：

式(2)中，Offset與Scale為地面坐標與影像坐標的正則化參數。式(1)每個多項式有20個多項式系數，與式(3)所示類似：

式(3)中，ai(i=0，1，2，…，19)即為各多項式系數，為保證比值多項式式(1)恒有意義，分母與常數項通常為1。式(1)中有4個多項式共包含80個多項式參數。利用該80個多項式參數與10個正則化參數便能進行物方空間坐標與像方空間坐標的轉化，實現地面坐標與影像坐標之間的轉換。

1.3 RFM模型應用

本次研究主要以ZY－1 02C星的HR數據的1級輻射校正產品的幾何校正為主。采用RFM模型首先需要RPC參數，RPC標準化參數存放于同一文件夾內的影像同名文件“*.rpb”文件中，該文件類型與QuickBird衛(wèi)星影像附帶文件類型相同，使用ENVI等軟件處理時，可以采用與QuickBird處理相同的方法進行數據顯示與正射校正等。首先以規(guī)則數據結構讀取rpb文件中相關RPC參數信息(表2)，通過RFM模型反演影像實際地面坐標(P，L，H)，篩選地面點作為影像地面控制點進行影像幾何糾正，后以HR1為基準影像，對HR2進行基于HR1像元控制點的幾何配準，再將HR1與HR2進行鑲嵌等預處理，最后通過頭文件等信息初步判斷合成影像的合理性。詳細流程如圖1所示。

表2 RPC參數信息表Table 2 List of the RPC parameters

圖1 基于RPC的ZY－1 02C星HR數據預處理流程圖Fig.1 Flowchart showing pre-processing of the ZY-1 02C data based on RPC

2 RFM幾何校正模型實現

2.1 RFM模型的IDL程序設計

IDL(Interactive Data Language)語言是面向對象、面向矩陣操作的交互式數據語言(韓培友，2006)。利用其可視化控件IDLDrawWidget與非可視化控件COM_IDL_Connect可以實現與大部分主流開發(fā)平臺的交互與集成。該語言針對遙感影像處理封裝了大量函數供用戶調用，減少用戶從底層進行開發(fā)的麻煩(錢志奇等，2011;尹新沆等，2014)?？紤]ZY－1 02C星HR數據可使用ENVI完成幾何校正等預處理，而ENVI正是以IDL語言開發(fā)的遙感應用軟件，所以為實現影像大數據量批處理功能，采用IDL語言進行功能函數開發(fā)與整合。

根據流程編寫了4個自定義函數，分別是：READ_RPBFILE，用于讀取rpb文件內RPC參數;ZY_02C_AUTOREGIST_HR，用于通過RPC參數實現控制點反演與影像幾何校正;ZY_02C_MOSAIC，用于影像鑲嵌;READ_XML，用于讀取XML頭文件信息。由于篇幅有限，在此僅對調用的部分關鍵函數進行說明。

首先RPB文件結構固定，數據量小，采用簡單文本逐行讀取即可，返回RPC數據結構數組供使用，主要使用函數如表3。

表3 READ_RPBFILE函數主要代碼表Table 3 List of main codes for READ_RPBFILE function

在獲取RPC參數后，通過該參數反演地面控制點并進行投影變換與幾何校正，根據數據特點設計了ZY_02C_AUTOREGIST_HR功能函數。函數主要分為2個部分：一部分為RPC地面控制點反演，主要使用如表4所示函數;另一部分為投影變換與幾何校正，主要使用了ENVI功能函數ENVI_DOIT下的ENVI_REGISTER_DOIT函數，該函數使用形式如下，具體參數說明可以查詢ENVI幫助文檔(下同)：

影像校正后，需要將HR1與HR2進行鑲嵌處理。為避免影像誤差過大導致鑲嵌效果不佳，故以HR2投影為基準(因為 HR2為左影像)，首先將HR1進行基于像元的控制點幾何校正，主要功能函數為調用 ENVI_DOIT下的 ENVI_AUTO_TIE_POINT函數，再采用ENVI_REGISTER_DOIT進行校正，函數使用形式如下：

表4 ZY_02C_AUTOREGIST_HR函數主要代碼表Table 4 List of main codes for ZY_02C_AUTOREGIST_HR function

將校正后的HR2與HR1進行鑲嵌處理，主要功能函數為調用ENVI_DOIT下的MOSAIC_DOIT函數，函數使用形式如下：

查詢XML頭文件信息，通常采用IDL下新建'IDLffXMLDOMDocument'對象的方法，通過XML數據結構下對應名稱查詢信息，使用形式如下：

此處獲取的頭文件信息是指HR1與HR2各自對應頭文件，研究中主要用于獲取其相應4個角點的經緯度信息，用于驗證以上數據處理結果的正確性。

2.2 HR影像處理實例

IDL可以通過DIALOG_PICKFILE功能函數快速獲取指定文件夾內特定數據類型數據，實驗僅以其中部分影像結果來判斷程序可靠性。圖2所示為HR2與HR1幾何校正鑲嵌過程示意圖。其中鑲嵌邊緣局部放大圖上可見，鑲嵌邊緣無明顯偏差痕跡，顏色過渡平滑，符合常規(guī)影像使用要求;由圖可知，經過投影變換后，HR2與HR1鑲嵌結果并非為四邊形，在重疊區(qū)南北兩端存有偏差，若采用簡單像元線性匹配將會造成較大誤差。在不考慮羽化邊緣時，1景HR數據程序若采用ENVI軟件人工操作處理時需要幾十分鐘，而采用此程序運行僅需數十秒即完成鑲嵌結果，結果精度與人工操作無異。

3 結論

本次研究主要針對ZY－1 02C衛(wèi)星的1級輻射校正數據進行，所得結果相當于其2級系統(tǒng)幾何校正數據，并未進行精幾何校正，數據精度取決于RPC參數精度。此程序能夠很好地實現HR數據的批處理功能，對于只有1級輻射校正數據的用戶可以參考進行數據幾何校正。同時，由于該衛(wèi)星多光譜數據具有相同數據形式，可修改后用作多光譜數據處理，并集成數據融合等預處理功能。本次研究亦有以下部分需要改進。

圖2 HR2與HR1幾何校正鑲嵌過程示意圖Fig.2 Schematic mosaic process of HR1 and HR2 geometric correction

(1)并非所有的1級輻射校正數據中均有DEM數據，所以未將DEM數據納入考慮范圍，故正射校正效果無法判斷，僅實現了系統(tǒng)幾何校正功能。

(2)采用反演控制點的方法能夠同時將控制點存儲，但缺乏對控制點的篩選，對于某些特殊地區(qū)，也許控制點會產生異常問題，還需改進。

(3)影像鑲嵌時需考慮羽化鑲嵌邊緣問題，否則對于某些區(qū)域在鑲嵌邊緣將產生色差。

(4)研究發(fā)現某些1級輻射校正數據邊緣有1條數個像元寬度的固定數值黑邊，數值會使鑲嵌結果形成1條明顯的鑲嵌黑邊。黑邊問題產生原因尚待研究，面對該問題實驗依賴人工裁剪，后續(xù)工作需要設計代碼忽略該黑邊值，使程序完善。

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