ENVI高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

楊 龍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

空間信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，我國(guó)衛(wèi)星事業(yè)已進(jìn)入全面、高速發(fā)展時(shí)期，加快發(fā)展以衛(wèi)星信息技術(shù)應(yīng)用為主的空間信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》確定的16個(gè)重大專項(xiàng)之一，屬軍民融合型項(xiàng)目[1]。該項(xiàng)目的實(shí)施將為城市資源環(huán)境、城鄉(xiāng)規(guī)劃、旅游管理、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、公共安全等重要領(lǐng)域提供及時(shí)精確的決策支持和信息服務(wù)。

遙感衛(wèi)星影像簡(jiǎn)單地講是利用遙感衛(wèi)星所攜帶的“相機(jī)”對(duì)地表進(jìn)行“拍照”，然后從“照片”中提取相關(guān)的信息。不過(guò)，實(shí)際上高分辨率遙感衛(wèi)星的成像過(guò)程是十分復(fù)雜的，需要經(jīng)歷太空輻射、大氣層影響、傳感器接收等一系列復(fù)雜的過(guò)程，而過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都要受到大氣、太陽(yáng)高度角、傳感器、地球自轉(zhuǎn)、地形等因素的干擾，導(dǎo)致衛(wèi)星傳感器接收到的數(shù)據(jù)信息與地表真實(shí)信息不一致，出現(xiàn)偏差，這些偏差會(huì)嚴(yán)重影響我們對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)的提取和判讀。所以，為了獲得準(zhǔn)確的信息，我們要對(duì)接收到的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，減少甚至消除不利因素對(duì)遙感影像的影響。

1.數(shù)據(jù)處理流程

本文以2016年7月獲取的三門峽市高分二號(hào)數(shù)據(jù)為例（圖1），介紹在ENVI5.3下GF2數(shù)據(jù)預(yù)處理的詳細(xì)操作步驟。高分二號(hào)遙感衛(wèi)星于2014年8月19日發(fā)射成功，衛(wèi)星上搭載有高分辨率1 m全色和4 m多光譜兩臺(tái)相機(jī)，而全色數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)影像具有不同的特點(diǎn)，在處理過(guò)程中要分別進(jìn)行正射校正，然后進(jìn)行影像配準(zhǔn)和圖像融合。其中，在多光譜影像正射矯正時(shí)還要進(jìn)行FLAASH大氣校正，具體流程如圖2所示。

圖1 GF2-PMS1數(shù)據(jù)

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

2.數(shù)據(jù)打開

通過(guò)前面介紹我們可以看到，GF2影像數(shù)據(jù)文件夾中有多個(gè)文件（圖1），這里面包括多光譜數(shù)據(jù)文件和全色數(shù)據(jù)文件，也包括一些輔助文件。在ENVI影像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，我們首先要在菜單欄中通過(guò)影像數(shù)據(jù)的路徑找到需要處理的文件，打開文件夾后選擇后綴名為“.tiff”的兩個(gè)文件，然后打開。隨后在Layer Manager（圖層管理）界面里面選擇我們要校正的多光譜圖層（全色數(shù)據(jù)圖層打開與之相同），用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊查看它的元數(shù)據(jù)信息，我們發(fā)現(xiàn)軟件已經(jīng)讀取到了用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正的模型信息，即RPC（圖3）。

圖3 自動(dòng)識(shí)別RPC信息

在我們獲取的GF2影像數(shù)據(jù)中包含后綴名為“.rpb”的文件，該文件即為模型信息（RPC參數(shù)）。由于受地表形狀、衛(wèi)星拍攝角度、大氣等因素的影像，遙感衛(wèi)星將三維的地表信息通過(guò)二維（影像）的方式展現(xiàn)出來(lái)。在不做處理之前，我們獲取的影像與實(shí)際相比，都發(fā)生了或多或少的拉伸、壓縮變形，所以，我們需要通過(guò)影像上的坐標(biāo)點(diǎn)和與之對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，以地面點(diǎn)相互之間的位置關(guān)系，調(diào)整影像上與之對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)位置，從而達(dá)到對(duì)影像的校正。而根據(jù)校正時(shí)用到的坐標(biāo)方位信息、已知坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)信息等參數(shù)所建立的幾何模型就是RPC文件。

3.正射校正

通過(guò)前面的工作，我們已經(jīng)將需要校正的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ENVI軟件中，且軟件也已經(jīng)自動(dòng)獲取了用于幾何校正的模型信息，下來(lái)開始進(jìn)行多光譜數(shù)據(jù)的幾何校正。其目的如前所述，是改正影像由多方面因素而產(chǎn)生的變形，所以，在校正之后輸出的影像會(huì)是與實(shí)地相符的正射影像。

在工具箱中選擇影像校正工具（Orthorectification Workflow）, 在彈出的校正界面中，根據(jù)需要校正的多光譜數(shù)據(jù)路徑導(dǎo)入“.tiff”文件。此時(shí)，軟件會(huì)默認(rèn)選擇通用的DEM數(shù)據(jù)，在這里不需要進(jìn)行更改，除非有更高分辨率的DEM數(shù)據(jù)。

在幾何校正模型中，如果我們有實(shí)地測(cè)量的控制點(diǎn)坐標(biāo)，可以將該坐標(biāo)加入到校正模型中，用于影像的校正。點(diǎn)擊“下一步”之后，我們?cè)诟呒?jí)選項(xiàng)界面中需要設(shè)定輸出像元的大小和重采樣方法。在本例中，輸出像元設(shè)定為4 m，重采樣方法設(shè)定為雙線性內(nèi)插法。除了雙線性內(nèi)插法，根據(jù)不同項(xiàng)目需求，重采樣方法還可以設(shè)定為最鄰近法、三次卷積內(nèi)插法，這些方法的數(shù)據(jù)精度和重采樣效果都不相同。

最后，切換到數(shù)據(jù)輸出界面，設(shè)定文件輸出的路徑、格式和文件名，點(diǎn)擊“Finish”完成多光譜數(shù)據(jù)校正，生產(chǎn)出切合實(shí)際的正射影像。全色數(shù)據(jù)校正過(guò)程和上述的多光譜數(shù)據(jù)校正是相同的，唯一不同的是在設(shè)定輸出像元大小時(shí)，全色數(shù)據(jù)校正設(shè)定為1 m，而不是4 m。

4.圖像配準(zhǔn)及融合

前面提到，高分二號(hào)衛(wèi)星搭載有全色和多光譜兩臺(tái)相機(jī)，我們從衛(wèi)星獲取的遙感影像也分為全色影像和多光譜影像兩種。全色影像相機(jī)的光譜接收范圍為0.45~0.90μm，是對(duì)地物輻射的過(guò)程中全色波段的接收，分辨率較高，可以達(dá)到1 m。不過(guò)，由于其接收波段的特點(diǎn)，全色影像在顯示的時(shí)候均為灰度影像，也就是我們所說(shuō)的“黑白影像”。多光譜影像是對(duì)地物輻射中的多個(gè)波段進(jìn)行接收，將得到的多個(gè)波段的光譜信息成像于影像圖中，不同的波段在影像圖中會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，從而得到“彩色”的遙感影像圖。高分二號(hào)搭載的多光譜相機(jī)包含0.45~0.52μm、0.52~0.59μm、0.63~0.69μm、0.77~0.89μm四個(gè)波段。

所以說(shuō)，全色影像和多光譜影像在行業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了使遙感影像能更好地服務(wù)于行業(yè)生產(chǎn)，我們需要將衛(wèi)星相機(jī)獲取的全色和多光譜兩種影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和融合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而得到分辨率較高的彩色遙感影像，便于影像中信息的識(shí)讀和提取。

4.1 圖像配準(zhǔn)

在圖像融合之前需要對(duì)校正過(guò)的全色和多光譜影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，其目的是將全色和多光譜影像進(jìn)行匹配和疊加，使不同傳感器得到的地面影像信息能完全關(guān)聯(lián)起來(lái)（圖4）。其原理是分別提取多個(gè)全色和多光譜影像中的共同特征點(diǎn)，按照特征點(diǎn)得到相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)影像進(jìn)行匹配。配準(zhǔn)后的兩幅圖像達(dá)到位置吻合，坐標(biāo)一致[2]。

圖4 檢查全色和多光譜正射結(jié)果配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)時(shí)使用ENVI軟件中的自動(dòng)配準(zhǔn)工具。因?yàn)槿跋穹直媛瘦^高，多光譜影像色彩強(qiáng)、分辨率低，所以在配準(zhǔn)的時(shí)候以全色影像為配準(zhǔn)基準(zhǔn)對(duì)多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)。

需要注意的是，在圖像配準(zhǔn)的過(guò)程中，由于受前述多種因素影響，不能做到兩個(gè)影像的完全配準(zhǔn)，從而出現(xiàn)有些點(diǎn)的誤差值較大。這時(shí)我們需要打開Tie點(diǎn)列表，查看連接點(diǎn)的誤差大小，對(duì)誤差值較大的Tie點(diǎn)直接進(jìn)行刪除。為了能快速過(guò)濾誤差值較大的Tie點(diǎn)，在查看Tie點(diǎn)列表時(shí)可以對(duì)其按誤差值大小進(jìn)行排序 (圖5)，然后進(jìn)行刪除，最后輸出配準(zhǔn)結(jié)果。

圖5 Tie點(diǎn)的刪除

4.2 圖像融合

至此，我們只需要進(jìn)行最后一步——圖像融合，生產(chǎn)出可以供行業(yè)應(yīng)用的影像圖。多源遙感影像融合通過(guò)整合多個(gè)傳感器的影像數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 達(dá)到提高空間分辨率、分類精度和增強(qiáng)目標(biāo)特征等目的[3]。在進(jìn)行圖像融合之前，考慮到背景顏色會(huì)對(duì)圖像融合的效果產(chǎn)生一定的影響，如背景顏色為黑色時(shí)，會(huì)導(dǎo)致融合后的圖像顏色較深，從而影響到對(duì)圖像的識(shí)讀，所以，我們首先要分別設(shè)定矯正后的全色影像和多光譜影像背景顏色，在軟件中將背景的忽略值直接設(shè)定為0（圖6），成為透明背景，不對(duì)圖像融合效果產(chǎn)生任何影響（圖7）。

圖6 設(shè)定背景忽略值為0

圖7 透明背景效果

背景色設(shè)置完成后，在ENVI工具箱中選擇NNDiffuse Pan Sharpening，在彈出的面板中添加前面經(jīng)過(guò)正射校正后的全色和多光譜影像數(shù)據(jù)，最終完成本例的GF2影像的處理，如圖8所示。

圖8 GF2影像融合對(duì)比

5.結(jié)語(yǔ)

隨著衛(wèi)星資源的不斷豐富，影像分辨率的不斷提高，數(shù)據(jù)更新周期的不斷縮短，高分辨率衛(wèi)星影像將在更大比例尺的正射影像制作與地形圖更新中，在城市的規(guī)劃建設(shè)、管理中發(fā)揮重要的作用[4]。本文以高分二號(hào)衛(wèi)星獲取的三門峽局部區(qū)域影像為例，對(duì)影像進(jìn)行了信息解譯之前的一系列預(yù)處理，處理之后的產(chǎn)品能在后期為相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展提供較大的信息支持，較之前極大地提高了工作效率，這也是未來(lái)眾多行業(yè)信息化管理的一個(gè)發(fā)展方向。