基于控制点影像数据库的国产卫星影像几何纠正

赵筱榕，刘 津

（1.中国地图出版集团，北京100054;2.中测新图（北京）遥感技术有限责任公司，北京100038）

一、引 言

随着航天遥感技术的发展，遥感影像以其获取方便、周期短、信息丰富等特点而得到广泛应用，特别是高空间分辨率和高光谱分辨率卫星遥感影像。目前，我国应用卫星的研制生产已形成系列化，正在从试验应用型向业务服务型转变，卫星应用已成为经济建设、社会发展和政府决策的重要支撑。虽然传感器的设计工艺和制作水平不断提高，但由于卫星遥感成像时受到自身结构因素(如摄影机焦距变动、像主点偏移、镜头畸变等)和各种环境因素(如地球曲率、地形起伏、地球旋转等)的影响，遥感影像必定存在一定的几何畸变。根据卫星遥感影像的类型和成像方式，采用正确方法消除各种因素的几何畸变影响，获得无几何畸变的正射遥感影像，是遥感影像应用于资源监测、自然灾害分析、土地利用、交通等领域和行业的必要前提和基础。

二、传统遥感影像纠正处理中的问题

为了消除遥感影像的几何变形，生成正射遥感影像产品，必须对遥感影像进行几何纠正。而建立校正变换的几何多项式是实现几何精校正自动化的关键，目前在几何纠正处理过程中，无论是共线方程法还是多项式纠正法，都需要利用地面控制点来解算转换矩阵以实现几何纠正。传统的遥感影像几何纠正处理往往依赖遥感影像处理商业软件(如 ERDAS、ENVI、ArcGIS 等)，利用 GPS 采集的控制点，在影像上人工判读出相应的位置，并根据相应的算法来进行纠正处理。其中，控制点资料的准备和获取是最主要的问题。传统获取地面控制点的方法周期长，很难适应现代化、产业化应用的需求，尤其难以满足遥感业务化及许多应急事件中遥感数据处理的需求，如防汛、森林火灾监测、土地利用动态监测、军事应用等。因此，有必要研究一种方法来改进传统的作业方式，以减少数据资源浪费，降低人工作业负荷，提高影像几何纠正精度。基于以上论述，建立控制点影像库以实现控制点影像数据的有效利用显得非常必要，同时控制点数据库的建立可以实现控制点的有效利用。此外，加强控制点的科学管理是节省资金、提高效率的重要保障。

针对传统纠正中的问题，本文提出了以控制点影像库为基础来解决传统遥感影像纠正处理中资料准备工作量大、控制点采集效率低等问题，同时针对遥感影像快速纠正的关键技术进行了深入研究。

三、控制点影像数据库

为了解决控制点采集效率低这一制约影像纠正的瓶颈，本文经过探索，引入了控制点影像数据库。它的引入使得原有成果能够被重复地利用，提高了纠正处理的时间效率。控制点影像数据库用来对控制点影像进行有效的管理并方便地提取控制点来实现图像的几何纠正，以提高控制点资料的重复利用率，减少几何纠正过程中控制点数据的准备时间，实现遥感影像几何纠正的快速处理。对控制点数据进行建库管理，实现控制点选取的自动化不仅可以提高选点的效率和精度，并能保证数据的安全性，同时还可实现已有控制点成果的有效利用。

本文使用的控制点影像库依据Oracle数据平台，可以在局域网内通过客户端软件来进行访问。控制点影像库主要包括图像数据和属性数据，属性数据中需要包含地理位置信息，即控制点的地理坐标，这是控制点影像的主要特征。此外，还需要包括一些其他信息，包括坐标必要的辅助信息，如坐标系、投影方式、精度、成图比例尺、行政区域、获取时间、3°带或6°带等。图像数据主要是存放控制点影像栅格图像，目前数据库内主要有1∶1万和1∶5万两种影像库，控制点影像块的大小主要是511像素×511像素和1023像素×1023像素，其与采集影像的分辨率有关，一般分辨率在0.5 m左右的为1023像素×1023像素大小。控制点影像库部分表结构和相关控制点影像如表1、图1、图2所示。

表1 控制点影像库表结构

图1 511像素×511像素(1∶1万、1∶5万)控制点影像块

图2 1023像素 ×1023像素(1∶1万、1∶5万)控制点影像块

四、基于控制点库遥感影像的几何纠正方案

为了更好地实现遥感影像数据的快速处理，中国测绘科学研究院自主研发了一套软件系统，即遥感影像几何纠正系统。它是基于影像控制点库的遥感影像快速几何处理的软件系统，实现了遥感影像自动/半自动几何纠正，同时该系统支持传统模式的控制点影像选取及纠正功能，包括 IKONOS、QuickBird、SPOT、TM/ETM、中巴资源卫星、资源 02B卫星影像，拥有多项式纠正、有理函数模型、严密轨道模型多种纠正方式。软件界面如图3所示。

图3 软件界面图

1.纠正试验数据

本文以河北石家庄、浙江嘉兴、上海青浦区的资源三号影像为数据源，基于上海、浙江、河北省遥感影像控制点库，利用遥感影像几何纠正系统软件对资源三号原始影像进行纠正处理。数据源信息见表2。

2.利用控制点纠正流程

首先，连接数据库并对新建的工程文件进行配置，传感器位置选择“资源三号卫星影像”，数学模型方法选择“有理函数模型”，坐标系统选择“Xian 1980”，投影方式为“高斯投影”3°分带，中央经线可默认为0;选择待纠正影像，查看影像的基本信息，并加载坐标系为“Xian 1980”的DEM，这里要注意投影带的选择。

表2 数据源信息表

其次，针对控制点的选取，本文采取手工选点的方式进行选点工作。由于软件纠正采用的模型为二次有理函数模型，一般一景影像选取9～16个控制点不等。选点过程如图4所示，左边是待纠正影像，右边是控制点库内的控制点影像数据。

图4 控制点影像匹配结果图

最后进行纠正。纠正过程中支持最邻近像元、双线性内插、三次卷积等重采样方式，一般采用双线性差值法(Bilinear)进行纠正，纠正完毕后，可以对纠正好的影像进行精度检查，并输出相应的精度报告。纠正前后卫星影像如图5所示。

图5 纠正前后卫星影像图

五、纠正精度和效率分析

基于示范区影像控制点数据库，利用国产遥感卫星影像快速正射处理软件完成了3个示范区资源三号卫星影像的正射纠正，完成后的正射影像采样间隔为2.1 m。利用影像控制点数据库中已有控制资料对纠正后的正射影像进行精度评价，基于《基础地理信息数字成果 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶10 000 数字正射影像图》(CH/T 9900.3—2010)标准规范，平面位置中误差要求见表3，平面位置中误差的两倍为最大误差。

表3 精度要求表 m

本文分别在3个区域纠正影像上选取了控制影像点来进行检查，其中河北选择了33个影像点、浙江选择了14个影像点、上海选择了19个影像点。具体精度情况见表4。

由表4可知，纠正后的示范区正射影像精度均可满足1∶1万正射影像精度要求。图6是处理后采样间隔为2.1 m的资源三号正射影像，在精度上可作为国土项目的底图参考数据，应用于土地督察、土地执法等项目中，以满足遥感业务化及许多应急事件的遥感数据处理的需要。

通过应用控制点影像数据库及数据库应用系统，极大地提高了国产卫星数据的处理效率，减少了控制资料获取的难度，在控制点资料获取方面节约了大量的人力物力，同时也大幅度提高了作业人员的工作效率。传统的基于地形图的选点工作依赖于人工目视判读，地形图符号化特征点选取工作对于初学者的判读能力要求较高，选择一个控制点约20 min，而应用控制点影像快来纠正时，查询选点仅需5 min。这是由于大部分同名点查找工作交由计算机自动完成，需要人工调整的工作量大大减少，对于整个正射影像的制作，大大提高了效率，也解决传统遥感影像纠正处理中资料准备工作量大、控制点采集效率低等问题。

表4 河北省遥感影像控制点采集完成情况统计

图6 纠正后应用图

六、结束语

随着我国国产卫星的应用，卫星影像的利用将会拥有更便利的优势和更快的更新速度，而实现影像的快速、高精度处理将会发挥越来越重要的作用。高精度遥感影像控制点数据库的建立，突破了控制点人工判读选点的传统模式，而且使得控制资料在数据获取、成果管理等方面更加趋于科学化和高效率，为国产卫星影像的应用提供了市场需求和发展前景。在今后工作中，将针对国产卫星影像的快速处理作更深入的研究。

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