基于多源遙感影像的省級(jí)天地圖更新技術(shù)研究

王銀花

（1. 福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州 350003）

機(jī)構(gòu)改革和職能調(diào)整賦予了天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)更多的使命和責(zé)任，為切實(shí)履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)[1-3]，需要天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，加快電子地圖數(shù)據(jù)更新，特別是影像電子地圖的更新。做到每月一更新，保證影像數(shù)據(jù)的時(shí)效性，為自然資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、監(jiān)管、執(zhí)法提供現(xiàn)勢(shì)性最優(yōu)，覆蓋面積全的衛(wèi)星遙感底圖數(shù)據(jù)服務(wù)。因此，如何利用多源、海量的遙感影像數(shù)據(jù)，快速生產(chǎn)更新現(xiàn)勢(shì)性最優(yōu)且清晰的影像電子地圖，并及時(shí)發(fā)布到天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)，對(duì)自然資源業(yè)務(wù)順利開(kāi)展具有非常重要的作用。

1 多源影像電子地圖更新面臨的問(wèn)題

目前，天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)影像電子地圖數(shù)據(jù)源主要包括自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心、中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供的公益性影像以及部分商業(yè)采購(gòu)，公益性影像類(lèi)型包括高分系列衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等，商業(yè)采購(gòu)影像類(lèi)型包括高景一號(hào)、吉林一號(hào)、北京二號(hào)等，空間分辨率為5 m至0.5 m，具體如表1 所示。影像數(shù)據(jù)來(lái)源廣，類(lèi)型多，現(xiàn)勢(shì)性不同，影像質(zhì)量也存在差異，重疊度大。面對(duì)眾多的影像資源，在多景影像覆蓋區(qū)域，如何確定影像顯示的優(yōu)先順序，確保影像電子地圖上每個(gè)區(qū)域表示的影像都是當(dāng)前影像質(zhì)量清晰、現(xiàn)勢(shì)性最優(yōu)的影像。如何正確處理影像結(jié)合圖，使用戶(hù)能夠在天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)上準(zhǔn)確查詢(xún)到與當(dāng)前影像電子地圖相匹配的影像信息，是當(dāng)前影像電子地圖更新面臨的兩大問(wèn)題，也是本文研究的關(guān)鍵技術(shù)。

表1 天地圖·福建影像數(shù)據(jù)來(lái)源情況

2 多源影像電子地圖更新關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 影像電子地圖更新技術(shù)路線(xiàn)

天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)影像電子地圖包括11～18級(jí)，其中11～16級(jí)采用的是分辨率為2.0～2.1 m的中分辨率影像數(shù)據(jù)；17～18級(jí)采用的是分辨率為0.8～0.5 m的高分辨率影像數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)顯示比例尺如表2所示。

表2 天地圖·福建影像電子地圖級(jí)別和顯示比例尺

本文以月度版17～18 級(jí)影像電子地圖更新為例，介紹天地圖·福建影像電子地圖更新技術(shù)方法，具體的更新技術(shù)路線(xiàn)如圖1 所示。首先是數(shù)據(jù)選取和預(yù)處理，選擇分辨率優(yōu)于0.8 m 的影像數(shù)據(jù)最為數(shù)據(jù)源，并進(jìn)行影像質(zhì)量把控、統(tǒng)一坐標(biāo)、色彩均衡等預(yù)處理；然后利用ArcGIS軟件創(chuàng)建鑲嵌數(shù)據(jù)集，即新建一個(gè)GDB數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中新建鑲嵌數(shù)據(jù)集，將預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)添加到鑲嵌數(shù)據(jù)集中；接著構(gòu)建鑲嵌數(shù)據(jù)集中影像數(shù)據(jù)的輪廓線(xiàn)，確定數(shù)據(jù)鑲嵌方法后，對(duì)云量比較多的影像、有黑邊以及接邊痕跡明顯的影像區(qū)域進(jìn)行輪廓線(xiàn)編輯處理，以保證圖面不存在黑邊，云層遮蓋等現(xiàn)象，且整個(gè)圖面自然過(guò)渡；最后進(jìn)行電子地圖瓦片裁切，導(dǎo)出最后處理完后的輪廓線(xiàn)并生產(chǎn)處理成與影像地圖匹配的結(jié)合圖，并將地圖瓦片和結(jié)合圖數(shù)據(jù)發(fā)布到天地圖·福建公共服務(wù)平臺(tái)供用戶(hù)調(diào)用和查詢(xún)。

圖1 影像電子地圖更新技術(shù)路線(xiàn)圖

2.2 多源影像數(shù)據(jù)鑲嵌方法研究

根據(jù)目前自然資源調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及違法圖斑核查等執(zhí)法業(yè)務(wù)需要天地圖·福建提供最新的影像電子地圖作為核查依據(jù)，對(duì)影像電子地圖的現(xiàn)勢(shì)性要求比較高，相同區(qū)域內(nèi)有多景不同時(shí)相的影像數(shù)據(jù)重疊時(shí)，影像清晰的情況下，需以影像現(xiàn)勢(shì)性為優(yōu)先。因此，在利用ArcGIS制作影像數(shù)據(jù)鑲嵌集的時(shí)候，需要對(duì)其影像數(shù)據(jù)鑲嵌方法進(jìn)行研究分析，并選擇合適的鑲嵌方法，使影像數(shù)據(jù)按照現(xiàn)勢(shì)性從新到舊進(jìn)行鑲嵌。ArcGIS鑲嵌集的鑲嵌方法主要有以下8種：

1）None：是指根據(jù)鑲嵌數(shù)據(jù)集屬性表中的ObjectID 對(duì)柵格進(jìn)行排序。

2）Center：顯示距離屏幕中心最近的影像。

3）NorthWest：顯示距離鑲嵌數(shù)據(jù)集邊界西北角最近的影像。

4）LockRaster：選擇要顯示的特定柵格數(shù)據(jù)集。

5）ByAttribut：基于屬性表中的字段顯示影像并設(shè)置影像優(yōu)先級(jí)。

6）Nadir：通過(guò)最近視角到零視角的視角范圍來(lái)顯示柵格。

7）Viewpoint：顯示距離所選視角最近的影像。

8）Seamline：使用接縫線(xiàn)在影像間進(jìn)行平滑過(guò)渡[4]。

通過(guò)每種鑲嵌方法的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除了ByAttribute 鑲嵌方法外，其他7 種鑲嵌方法都是軟件自動(dòng)控制鑲嵌規(guī)則，不能進(jìn)行人為干預(yù)，而B(niǎo)yAttribute 鑲嵌方法可以根據(jù)需要選擇屬性表中的字段，根據(jù)字段值進(jìn)行設(shè)置影像顯示的優(yōu)先順序。具體鑲嵌原理如圖2 所示，根據(jù)輪廓線(xiàn)中的某個(gè)屬性字段值進(jìn)行升序或者降序的順序，從上到下依次進(jìn)行鑲嵌。在影像鑲嵌數(shù)據(jù)集中構(gòu)建輪廓線(xiàn)以后，會(huì)自動(dòng)生成多個(gè)屬性字段，其中ZOrder 屬性字段是一個(gè)空的數(shù)值型字段，可將影像數(shù)據(jù)顯示的優(yōu)先級(jí)權(quán)重信息存儲(chǔ)在這個(gè)字段中。權(quán)重信息可以根據(jù)影像的現(xiàn)勢(shì)性新舊從1 開(kāi)始，從小到大依次排序，或者從大到小排序，然后在影像圖層屬性中，鑲嵌方法選擇ByAttribute，排序字段選擇ZOrder字段。如果ZOrder屬性值是按照現(xiàn)勢(shì)性新舊從小到大排列的，則勾上升序選項(xiàng)，如圖3 所示。相反，如果ZOrder屬性值是按照現(xiàn)勢(shì)性新舊從大到小排序，則不需要勾選升序選項(xiàng)，按照降序的方式進(jìn)行鑲嵌。通過(guò)這2 種排序方式都可以實(shí)現(xiàn)鑲嵌數(shù)據(jù)集中的影像按照現(xiàn)勢(shì)性新舊依次疊加顯示。本文采用的是升序排列法。

圖2 ArcGIS影像鑲嵌原理圖

圖3 影像鑲嵌方法設(shè)置示意圖

2.3 結(jié)合圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法研究

影像電子地圖發(fā)布服務(wù)之后，為了使用戶(hù)能夠查詢(xún)到圖上任意位置影像的現(xiàn)勢(shì)性、影像類(lèi)型等基本信息，需要發(fā)布與之相吻合的影像結(jié)合圖服務(wù)。在鑲嵌數(shù)據(jù)集里，影像重疊區(qū)域雖然只顯示最上層的影像，但是影像輪廓線(xiàn)是相互重疊的，在進(jìn)行影像信息查詢(xún)的時(shí)候，影像重疊區(qū)域會(huì)有多景影像信息。為了準(zhǔn)確查詢(xún)當(dāng)前影像電子地圖影像信息，需要研究如何利用鑲嵌數(shù)據(jù)集的輪廓線(xiàn)生產(chǎn)結(jié)合圖數(shù)據(jù)，如圖4 所示。通過(guò)分析影像數(shù)據(jù)的鑲嵌方法，可以得到影像重疊區(qū)域內(nèi)，輪廓線(xiàn)的疊加情況如圖4 左邊所示，需要進(jìn)一步處理成圖4 右邊所示，即多景影像重疊區(qū)域，結(jié)合圖要素面之間沒(méi)有重疊，只保留最上層的影像數(shù)據(jù)的結(jié)合圖信息。

圖4 結(jié)合圖正確處理示意圖

根據(jù)結(jié)合圖數(shù)據(jù)要求，天地圖·福建影像電子地圖的結(jié)合圖生產(chǎn)方法是采用FME數(shù)據(jù)處理軟件，利用多個(gè)函數(shù)搭建數(shù)據(jù)批處理模塊，對(duì)鑲嵌數(shù)據(jù)集輪廓線(xiàn)進(jìn)行快速處理，生成影像電子地圖的結(jié)合圖。具體處理方法如圖5所示。

圖5 結(jié)合圖處理流程圖

首先利用AreaOnAreaOverlayer面疊置運(yùn)算，將所有輸入要素互相求交并輸出結(jié)果[7]，如圖6所示，假設(shè)將左圖藍(lán)色要素和橙色要素進(jìn)行面疊置運(yùn)算處理后，將得到右圖藍(lán)色面要素、橙色面要素以及黃色要素列表c，黃色面要素列表c包含2個(gè)面要素。

圖6 AreaOnAreaOverlayer面疊置運(yùn)算示意圖

通過(guò)面疊置運(yùn)算之后，將所有輸出要素利用ListSorter 函數(shù)進(jìn)行排序，將含有一個(gè)以上面要素的要素列表按照屬性ZOrder 字段進(jìn)行升序依次向下疊加排序，取第一個(gè)要素面作為相交部分的要素，即取ZOrder 值最小的面要素，刪掉列表后其他的要素，解決消除面要素重疊問(wèn)題。然后通過(guò)Dissolver函數(shù)，將剩余要素中ZOrder 值相同且名稱(chēng)一樣的相鄰要素進(jìn)行合并，最后利用FeatureMerger 對(duì)多余字段、重復(fù)字段進(jìn)行刪除、合并和整理，最終得到?jīng)]有重疊，且與影像電子地圖所顯示的影像數(shù)據(jù)吻合的結(jié)合圖數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了基于ArcGIS鑲嵌數(shù)據(jù)集處理多源影像數(shù)據(jù)，并對(duì)影像鑲嵌數(shù)據(jù)集鑲嵌方法進(jìn)行了分析，提出了利用FME軟件中的函數(shù)搭建數(shù)據(jù)批處理模塊處理結(jié)合圖數(shù)據(jù)的方法。解決了面對(duì)多源、海量的影像數(shù)據(jù)源，影像電子地圖更新中影像設(shè)置顯示優(yōu)先級(jí)問(wèn)題和結(jié)合圖數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在影像電子地圖生產(chǎn)過(guò)程中，按照現(xiàn)勢(shì)性新舊顯示影像，保證全省范圍內(nèi)所用的數(shù)據(jù)是當(dāng)前可用于更新的現(xiàn)勢(shì)性最好的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了結(jié)合圖的快速處理。該研究成果應(yīng)用于天地圖·福建月度影像電子地圖更新，提高了影像電子地圖更新效率，保障月度影像電子地圖的時(shí)效性，及時(shí)為自然資源監(jiān)測(cè)、執(zhí)法等業(yè)務(wù)提供最新的底圖服務(wù)。