利用GeoEye影像制作济南市南部山区1∶5 000卫星影像图

田永明，王鸿，张兴国，顾晓莉

(济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013)

利用GeoEye影像制作济南市南部山区1∶5 000卫星影像图

田永明∗，王鸿，张兴国，顾晓莉

(济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013)

采用有理函数模型法利用GeoEye影像制作济南市南部山区1∶5 000卫星影像图，并对成果精度进行分析。

GeoEye影像；正射纠正；大气校正；分辨率融合

1 引 言

随着社会经济和技术的发展，商用高分辨率遥感卫星的发射，卫星遥感影像也在不断的丰富，其应用面也在不断的扩大，城市高分辨率影像图在城市管理、城市规划建设中应用也越来越广泛。

GeoEye－1卫星是迄今技术最先进、分辨率最高的商业对地成像卫星，由美国GeoEye公司2008年9月6日成功发射，其影像具有多光谱成像(1个全色通道，4个多光谱通道)、全色波段分辨率(0.5 m)、多光谱波段分辨率(2 m)、成像幅宽(15 km×15 km)、轨道高度(684 km)、重访周期为2天～3天等特点。

2 测区概况、技术要求

济南市位于山东省中部，东经116°11′～117°44′，北纬36°01′～37°32′，南依泰山，北跨黄河，地处鲁中南丘陵与鲁西北冲积平原的交接带上，地势南高北低。本次制作济南市南部山区正射影像成图面积约1 300 km2。DOM成图数学基础:平面坐标系统采用1980西安坐标系统，高程采用1985国家高程基准。其基本技术指标如表1所示。

基本技术指标 表1

3 技术流程

3.1 影像预处理

GeoEye原始影像为4个单波段(红、绿、蓝、近红外)16 bit影像和一个全色波段16 bit影像，数据量比较大而且光谱信息不是很丰富，在进行大气校正和正射纠正前需要对数据进行预处理。

图1 技术流程图

(1)先将16 bit的数据转换为8 bit的数据。

(2)对原始的 4个波段影像利用 PCI的 Data Merge功能组合成一个多光谱影像，为了增强影像的判读能力，在对波段进行组合后利用EASI功能进行波段运算，达到增强影像光谱信息的效果。

3.2 大气校正

光学卫星传感器是科学环境调查的一个重要信息来源，然而由于空气中的水汽和气溶胶产生的薄雾会影响传感器接受的信号，同时还会屏蔽重要的地物光谱。另外，地形的影响也会极大地影响传感器记录的信号，在崎岖地带，不同的光照条件(阳坡和阴坡)对地表的光谱特征会产生不同的影响。大气校正的目的就是消除大气和光照的影响，得到正确的地球表面参数，卫星影像经过大气校正后可以提高数据分析能力。

大气校正分平坦地区和崎岖地带分别进行，在校正过程中大气信息及校正参数按照实际情况设定，主要涉及定标文件的制作，根据∗＿metadata.txt文件提供的信息，制作GeoEye的定标文件内容如表2所示。

制作GeoEye的定标文件内容 表2

将上述文件以文本格式存储为∗.cal的文件，其中第一列为波段数，第二列C0为偏移量(bias)，第三列C1为增量(gain)，第四列为单位，以上内容根据每一景影像提供的相关文件信息进行修改，如:快鸟影像的定标文件信息是在每一景的∗.imd文件中，GeoEye影像的定标文件信息是在每一景的∗＿metadata.txt文件中。

3.3 分辨率融合

分辨率融合是以图像为主要研究内容的数据融合技术，是把多个不同模式的图像传感器获得同一场景的多幅图像或同一传感器在不同时刻获得的同一场景的多幅图像合成为一幅图像的过程。影像融合可以消除各种冗余和矛盾，加以互补。

GeoEye多光谱影像与全色影像是同时获取，可不需配准直接进行融合，融合后的影像有效地提高了影像的空间分辨率和光谱特征，生成的高分辨率彩色影像(0.5 m)保留原有多光谱影像色彩信息。影像融合前后效果如图2～图4所示。

图2 多光谱影像

图3 全色影像

图4 融合后影像

3.4 纠正控制点数据及DEM数据准备

数字高程模型DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是一定区域范围内规则格网点和地形特征点、线的平面坐标及高程的数据集。该数据集从数学上描述了该区域地貌形态的空间分布。获取DEM的方法很多，有来自机载激光扫描仪、Insar技术、野外测量、摄影测量以及基于数字化等高线和高程点信息创建DEM等。本文使用的DEM是采用摄影测量的方法获得，内插后得到5 m×5 m格网间距的高精度DEM。

纠正控制点数据来源主要有3个方面:

(1)2005年济南市全野外实测像控点，用于生产济南市1∶2 000比例尺DOM，覆盖范围约4 300 km2，像控点间距东西约3.0 km、南北约1.5 km，采用当前GPS测量中最为先进的RTK方法进行的测量，精度高，覆盖范围广，其坐标三维精度最大值为 0.070 m，最小值为0.012 m。

(2)充分利用济南市1∶500全野外数字化地形图(DLG)。

(3)在前两种已有数据还不能满足控制点均匀、合理分布的前提下，采用GPS RTK全野外实测像控点。

上述DEM及控制点数据平面坐标系统采用济南市地方坐标系统，经过坐标转换后平面坐标系统采用1980西安坐标系统，高程采用1985国家高程基准。

3.5 正射纠正

GeoEye卫星遥感影像的正射纠正是指利用基础控制资料和数字高程模型(DEM)，通过使用有理函数模型对遥感图像进行投影差改正和地理信息改正。

有理函数模型(Rational Function)的建立采用“独立于地形”的方式，即首先利用星载GPS测定的卫星轨道参数及恒星相机、惯性测量单元测定的姿态参数建立严格的几何模型；之后，利用严格模型生成大量均匀分布的虚拟地面控制点，再利用这些控制点计算RPC模型参数，其实质是利用RPC模型拟合严格几何模型。理论上可以达到跟严格卫星传感器模型相当的定位精度。

控制方案采用4×4的16点布点方案，利用PCI软件的有理函数模型对每景影像分别纠正，每景影像的控制点要均匀分布，在控制点采集的过程中，纠正控制点残差中误差控制1个像素以内，并采用双线性内插法进行重采样。

3.6 影像镶嵌、影像裁切

单景影像正射纠正完成后，采用Erdas的影像镶嵌、影像裁切功能对每景影像进行镶嵌、标准分幅，对分幅后的影像进行格式转换，由img格式转换为tif格式，并生成地理坐标文件tfw。

在影像镶嵌之前，调整相邻景DOM的色彩基本趋于一致，拼接线应沿地物边线走向，避开高大建筑物、房屋、桥梁等，须在图像重叠处仔细挑选，以使色调变化和看得见的拼接线减到最少。

3.7 色彩调整

在镶嵌的过程中进行色彩平衡，使得景与景之间色彩过渡自然，色调连续变化。标准分幅完成后在Photoshop中对影像进行进一步的色彩调整和平衡处理，确保DOM的整体色彩均匀一致，最终DOM影像应该清晰，反差适中，色彩饱满，色调正常，以达到应用要求。

4 成果分析

4.1 误差来源分析

(1)全野外像控点实测误差，控制点应选择影像上能够准确定位且不易变化的地物，同时点位选择应尽量选择在高程变化不大的地面上。

(2)1∶500全野外数字化地形图(DLG)，作业员在图上读取控制点坐标时存在一定的误差。

(3)坐标系统转换误差，同名点从济南独立坐标系向西安1980坐标系转换产生的误差。

(4)遥感影像的正射纠正误差，在正射纠正过程中，使用的传感器物理模型本身含有少量误差。

(5)控制点的分布，每景影像的纠正控制点要求均匀分布，但个别景影像上选点比较困难，造成点位分布不太均匀，此外还有人工选点误差。

(6)地形起伏对成果精度有一定的影响，平地、丘陵地精度较高，山地精度相对较低。

(7)成像时的入射角和DEM精度也对成果精度有一定影响。

4.2 精度分析

参照GB/T18315－2001《数字地形图系列和基本要求》成图精度要求不大于表3规定:

成图精度要求 表3

成果精度评定是以外业实测 GPS像控点及1∶500全野外数字化地形图(DLG)上读取的点作为检查点，依据GB/T18316－2001《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》中验收要求，按照平地、丘陵地、山地和高山地的不同共抽取33幅影像进行精度检测，根据具体情况在每幅DOM影像上选取20个～30个同名点并读取坐标值，根据GB/T 18316－2001规定的计算中误差公式为:

其中，Ms为点位中误差，n为检查点个数，Xi、Yi为检查点的平面坐标，xi、yi为DOM影像上读取同名点的平面坐标，由表4可以看出 DOM成果能够满足1∶5 000成图精度要求。

1∶5 000 DOM成果精度检测汇总表 表4

5 结 语

高分辨率卫星数据的应用前景十分广阔，其应用值得深入研究。本次遥感卫星影像主要服务于济南市第二次土地调查，应用于土地利用动态监测。高分辨率卫星数据在地籍调查、大比例尺地形图更新、在城市规划管理中也发挥了重要的作用。

[1]曹立，刘伟，周靖等.QuickBird影像制作1∶10 000 DOM方法探讨.地理空间信息，2008(6)

[2]刘善伟，张杰，马毅.1∶5万地形图对海岸带遥感影像精校正能力的实力分析.测绘通报，2009(6)

[3]济南市勘察测绘研究院.济南市1∶2000彩色正射影像图技术总结.2006(10)

[4]张利平，崔永利，王宝山.不同地形条件下Quick Bird影像正射纠正精度分析.测绘与空间地理信息，2009(4)

[5]黎贵发.基于RFM的QuickBird少量控制点纠正控制方案与模型.城市勘测，2009(4)

Using GeoEye Remote Sensing Image to Make 1∶5 000 Remote Sensing Image Of South Mountainous Area IN JiNan

Tian YongMing，Wang Hong，Zhang XingGuo，Gu XiaoLi
(Jinan Geotechnical Investigation And Surveying Institute，Jinan 250013，China)

Using GeoEye Remote Sensing Image to make 1∶5 000 Remote Sensing Image of south mountainous area in JiNan by rational function，And precision of production were analyzed.

GeoEye Image；Ortho－rectification；Atmospheric Correction Configuration；Resolution Merge

1672－8262(2010)04－107－03

P237

B

2009—11—13

田永明(1979—)，男，助理工程师，主要从事摄影测量与遥感专业相关工作。