基于IDL的资源一号02C星HR影像RFM几何校正

2015-04-11钱志奇朱晓雯房莹莹李文林陆殿梅

地质学刊 2015年1期

钱志奇，朱晓雯，房莹莹，李文林，陆殿梅

(江苏省地质勘查技术院，江苏南京 210049)

0 引言

资源一号02C卫星(ZY－1 02C星)发射于2011年12月22日，广泛应用于土地资源、矿产资源、地质环境调查以及国土资源、地质灾害应急监测等(李德仁等，2006;王海侠等，2011)。同部分高分辨率商业遥感卫星(如IKONOS、QuickBird等)一样，其传感器信息暂时未向普通用户公开(李德仁等，2006;杨国荣，2007;郑琳等，2007;王海侠等，2011)。由于缺乏卫星轨道星历参数和传感器参数，严格的共线方程模型便不适用，通常应用有理函数模型(Rational Function Model，RFM)来解决从二维图像反演三维信息的问题。近年来，RFM模型应用于遥感技术日渐成熟，取得了较高的反演精度(张永生等，2004;胡堃，2009;李庆鹏等，2011;邵俊等，2010;袁修孝等，2012)。ZY－1 02C星HR影像数据提供了与QuickBird数据格式相似的RPB文件与经过辐射校正后的栅格数据，可以使用RFM模型进行系统几何校正或正射校正(胡凤伟等，2012;胡锋，2013;杨博等，2013;周伟等，2014)。常规的影像处理软件(如ENVI、Erdas等)具有RPC正射校正功能，但数据文档选择繁琐，影像读写耗时，且未提供自动化的批处理功能，对于大范围海量数据的处理，不但耗时、耗力而且容易出错。本次研究旨在利用IDL语言，为需要处理ZY－1 02C星高分影像的用户提供一种快速有效的数据预处理途径，推进国产资源卫星数据的广泛应用。

1 RFM模型几何校正

1.1 ZY－1 02C星HR数据

ZY－1 02C卫星是我国高分辨率遥感数据卫星之一，装有全色多光谱相机和全色高分辨率相机HR，主要任务是获取全色和多光谱图像数据，数据可以用于1∶2.5万和1∶5万比例尺的矿产资源、土地资源、地质环境调查业务。卫星上搭载有2台空间分辨率2.36 m的HR相机，拼接幅宽54 km。搭载有空间分辨率5 m的全色及10 m的多光谱相机，幅宽为60 km(胡凤伟等，2012)。中国资源卫星应用中心提供的数据，包括0级的原始数据以及标准产品数据。标准产品包括1级的辐射校正产品和2级的系统几何校正产品。0级数据经辐射校正、数据质量增强与简单的数据筛选后生成1级辐射校正产品，期间将排除云量覆盖较大，数据质量不理想等无效数据。1级辐射校正产品无地图投影信息，但提供RPC模型参数。2级系统几何校正产品为1级辐射校正产品经系统几何校正处理后生成的数据产品，具有地图投影信息。本次研究主要研究1级辐射校正产品，其文件夹内关键文件见表1。

表1 主要使用文件Table 1 Main used files

由表1可知，HR数据包括2个HR传感器的HR1与HR2影像，可经几何校正处理后镶嵌而得。HR1与HR2影像的快速几何校正与镶嵌便是此次研究的重点内容。

1.2 RFM模型

有理多项式函数模型(Rational Polynomial Coefficients，RPC)本质上就是有理函数模型(Rational Function Model，RFM)，是传感器几何模型的一种抽象表达方式，适用于多种航空航天传感器，是近似纠正模型更精确的形式(张永生等，2004;张过等，2007，2010;胡堃，2009;祝小勇等，2009;李庆鹏等，2011;宋妍等，2013)。采用有理多项式模型拟合传感器内外方位元素，可以将地面点空间D(X，Y，Z)作为自变量与对应的像点坐标d(Line，Sample)采用比值多项式的方式关联起来。模型的函数多项式系数即为RPC参数，该参数随传感器瞬时姿态变化。在没有RPC参数的情况下，影像一般不会用于测绘(李德仁等，2006;蔡耀君等，2013)等高精度应用。影像比值多项式如式(1)。

通常为增强模型参数的求解稳定性，需将地面坐标和影像坐标正则化至［－1，l］范围。其中(P，L，H)为正则化的地面坐标，(X，Y)为正则化的影像坐标，下标S代表列，下标L代表行，正则化表达式如式(2)所示：

式(2)中，Offset与Scale为地面坐标与影像坐标的正则化参数。式(1)每个多项式有20个多项式系数，与式(3)所示类似：

式(3)中，ai(i=0，1，2，…，19)即为各多项式系数，为保证比值多项式式(1)恒有意义，分母与常数项通常为1。式(1)中有4个多项式共包含80个多项式参数。利用该80个多项式参数与10个正则化参数便能进行物方空间坐标与像方空间坐标的转化，实现地面坐标与影像坐标之间的转换。

1.3 RFM模型应用

本次研究主要以ZY－1 02C星的HR数据的1级辐射校正产品的几何校正为主。采用RFM模型首先需要RPC参数，RPC标准化参数存放于同一文件夹内的影像同名文件“*.rpb”文件中，该文件类型与QuickBird卫星影像附带文件类型相同，使用ENVI等软件处理时，可以采用与QuickBird处理相同的方法进行数据显示与正射校正等。首先以规则数据结构读取rpb文件中相关RPC参数信息(表2)，通过RFM模型反演影像实际地面坐标(P，L，H)，筛选地面点作为影像地面控制点进行影像几何纠正，后以HR1为基准影像，对HR2进行基于HR1像元控制点的几何配准，再将HR1与HR2进行镶嵌等预处理，最后通过头文件等信息初步判断合成影像的合理性。详细流程如图1所示。

表2 RPC参数信息表Table 2 List of the RPC parameters

图1 基于RPC的ZY－1 02C星HR数据预处理流程图Fig.1 Flowchart showing pre-processing of the ZY-1 02C data based on RPC

2 RFM几何校正模型实现

2.1 RFM模型的IDL程序设计

IDL(Interactive Data Language)语言是面向对象、面向矩阵操作的交互式数据语言(韩培友，2006)。利用其可视化控件IDLDrawWidget与非可视化控件COM_IDL_Connect可以实现与大部分主流开发平台的交互与集成。该语言针对遥感影像处理封装了大量函数供用户调用，减少用户从底层进行开发的麻烦(钱志奇等，2011;尹新沆等，2014)。考虑ZY－1 02C星HR数据可使用ENVI完成几何校正等预处理，而ENVI正是以IDL语言开发的遥感应用软件，所以为实现影像大数据量批处理功能，采用IDL语言进行功能函数开发与整合。

根据流程编写了4个自定义函数，分别是：READ_RPBFILE，用于读取rpb文件内RPC参数;ZY_02C_AUTOREGIST_HR，用于通过RPC参数实现控制点反演与影像几何校正;ZY_02C_MOSAIC，用于影像镶嵌;READ_XML，用于读取XML头文件信息。由于篇幅有限，在此仅对调用的部分关键函数进行说明。

首先RPB文件结构固定，数据量小，采用简单文本逐行读取即可，返回RPC数据结构数组供使用，主要使用函数如表3。

表3 READ_RPBFILE函数主要代码表Table 3 List of main codes for READ_RPBFILE function

在获取RPC参数后，通过该参数反演地面控制点并进行投影变换与几何校正，根据数据特点设计了ZY_02C_AUTOREGIST_HR功能函数。函数主要分为2个部分：一部分为RPC地面控制点反演，主要使用如表4所示函数;另一部分为投影变换与几何校正，主要使用了ENVI功能函数ENVI_DOIT下的ENVI_REGISTER_DOIT函数，该函数使用形式如下，具体参数说明可以查询ENVI帮助文档(下同)：

影像校正后，需要将HR1与HR2进行镶嵌处理。为避免影像误差过大导致镶嵌效果不佳，故以HR2投影为基准(因为 HR2为左影像)，首先将HR1进行基于像元的控制点几何校正，主要功能函数为调用 ENVI_DOIT下的 ENVI_AUTO_TIE_POINT函数，再采用ENVI_REGISTER_DOIT进行校正，函数使用形式如下：

表4 ZY_02C_AUTOREGIST_HR函数主要代码表Table 4 List of main codes for ZY_02C_AUTOREGIST_HR function

将校正后的HR2与HR1进行镶嵌处理，主要功能函数为调用ENVI_DOIT下的MOSAIC_DOIT函数，函数使用形式如下：

查询XML头文件信息，通常采用IDL下新建'IDLffXMLDOMDocument'对象的方法，通过XML数据结构下对应名称查询信息，使用形式如下：

此处获取的头文件信息是指HR1与HR2各自对应头文件，研究中主要用于获取其相应4个角点的经纬度信息，用于验证以上数据处理结果的正确性。

2.2 HR影像处理实例

IDL可以通过DIALOG_PICKFILE功能函数快速获取指定文件夹内特定数据类型数据，实验仅以其中部分影像结果来判断程序可靠性。图2所示为HR2与HR1几何校正镶嵌过程示意图。其中镶嵌边缘局部放大图上可见，镶嵌边缘无明显偏差痕迹，颜色过渡平滑，符合常规影像使用要求;由图可知，经过投影变换后，HR2与HR1镶嵌结果并非为四边形，在重叠区南北两端存有偏差，若采用简单像元线性匹配将会造成较大误差。在不考虑羽化边缘时，1景HR数据程序若采用ENVI软件人工操作处理时需要几十分钟，而采用此程序运行仅需数十秒即完成镶嵌结果，结果精度与人工操作无异。

3 结论

本次研究主要针对ZY－1 02C卫星的1级辐射校正数据进行，所得结果相当于其2级系统几何校正数据，并未进行精几何校正，数据精度取决于RPC参数精度。此程序能够很好地实现HR数据的批处理功能，对于只有1级辐射校正数据的用户可以参考进行数据几何校正。同时，由于该卫星多光谱数据具有相同数据形式，可修改后用作多光谱数据处理，并集成数据融合等预处理功能。本次研究亦有以下部分需要改进。