利用集群技术实现卫星影像快速生产数字正射影像

杨　珍，张永志，张文军，焦佳爽，杨九元

(1. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710000； 2. 甘肃省测绘地理信息局地图院，甘肃 兰州 730000)



利用集群技术实现卫星影像快速生产数字正射影像

杨珍1，张永志1，张文军2，焦佳爽1，杨九元1

(1. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710000； 2. 甘肃省测绘地理信息局地图院，甘肃 兰州 730000)

数字正射影像数据是地理国情普查中主要的调查数据源，同时也是普查成果数据的重要组成部分。本文对卫星影像数据快速生产数字正射影像进行了研究，通过充分利用国家基础测绘项目中最新的1∶10 000DEM、DOM成果数据，结合PixelGrid集群匹配点的强大功能，GeowayCIPS1.0集群一体化流程中途无需人工干预的各自优势，主要使用PixelGrid集群来实现整景数字正射影像的生产，GeowayCIPS1.0集群来实现1∶25 000分幅数字正射影像的生产。研究结果表明，生产出的数字正射影像达到了地理国情普查项目对数字正射影像成果的要求，相比传统的数字正射影像生产方法节约了大量的人力、物力，大幅提高了生产效率。

地理国情普查；基础测绘；PixelGrid；DEM；DOM；GeowayCIPS

地理国情普查项目时间紧，任务量大，数字正射影像(digitalorthophotomap，DOM)数据是整个项目的主要调查数据源，也是普查数据成果的重要组成部分，因此高效、准确、快速的数字正射影像生产不仅是地理国情普查项目的基础，也为后续的数据采集、元数据生产、生产入库等工作节省出时间。控制资料准备、区域网平差的实现要花费大量的时间、人力和物力。王彦敏等提出了基于PixelGrid实现DOM的快速更新，利用1∶5000DEM、DOM快速生产1∶10 000DOM[1]，结果证明了集群分布式并行处理的方法生产效率高、实用性强。但是此方法主要针对的是数据排列整齐的航空影像。本文以地理国情普查项目为依托，主要针对数据源情况复杂的卫星影像，利用1∶10 000基础测绘成果DEM、DOM数据，使用PixelGrid集群来实现整景正射影像的生产。对有全色和多光谱的整景成果，使用GeowayCIPS1.0集群下的一体化生产方案“融合—16位转8位—匀光匀色—镶嵌成图”实现1∶25 000分幅数字正射影像的生产，对只有全色的整景成果，使用一体化方案“16位转8位—匀光匀色—镶嵌成图”实现1∶25 000分幅数字正射影像生产。

一、地理国情普查中正射影像概述

地理国情普查中对正射影像的成果要求是不对整景纠正成果(含全色景和多光谱景)进行任何形式的数据增强处理，只对分幅正射影像数据成果进行增强处理。整景影像由于地形原因引起的正射影像拉伸(拉花)不需处理。分幅正射影像数据灰度图像为单通道8位，彩色影像为3通道24位，影像数据文件采用非压缩的标准TIFF格式存储。数字正射影像的分辨率优于(包含)1m，应按照1∶25 000分幅裁切，裁切范围为对应的基本存储单元最小外接矩形向外扩展100个像素的矩形[2]。

1∶10 000地形图覆盖区域和航摄生产区域原则上按1∶10 000地形图成图精度要求进行正射影像生产，非1∶10 000地形图覆盖区域原则上按1∶25 000地形图成图精度要求进行正射影像生产，特殊困难地区正射影像生产精度要求可适当放宽。平面精度要求见表1，对于大面积单一地物地区，例如水体、森林、草原、戈壁等，中误差可以适当放宽，但最大不得大于表1的1.5倍。最大误差不超过中误差2倍。接边精度见表2。

卫星影像单片正射纠正作业流程如图1所示[3-6]。

表1　数字正射影像平面精度　m

图1　卫星影像单片正射纠正作业流程

二、基于PixelGrid的整景卫星影像成果生产

1. 数据基本情况

试验区地貌以平地为主，包含30景卫星影像，遥感卫星资料有QB02(全色和多光谱)6景、WV01(全色)4景、WV02(全色和多光谱)20景，数据级别为level2A，GeoTIFF格式，QB02、WV01、WV02按景分块存储。卫星影像技术指标见表3。

表3　卫星影像技术指标

基础测绘DEM、DOM数据均为2012年1∶10 000成果数据。DEM、DOM镶嵌的图幅文件均按照1∶10 000的标准图号命名，DEM格网尺寸为5m，高程中误差、接边限差见表4。DOM的影像地面分辨率为1.0m，辐射分辨率彩色影像为24bit，波段彩色影像为3个波段，平面位置中误差见表5，接边限差不大于2个像素[7-10]。

表4　基础测绘DEM高程中误差、接边限差　m

表5　基础测绘DOM平面位置中误差　m

卫星影像生产整景、分幅数字正射影像具体实现流程如图2所示。

2. 卫星影像、DEM数据准备

由于提供给用户的卫星数据是分块数据，因此需要将分块的卫星数据拼合成为一个tif文件，可使用“quickbird/worldview影像预处理”功能实现，结果会产生*.tif、*.rpc文件。

使用PixelGrid进行平差处理需要满足*.tif、*.rpc、*.gsd文件齐全，因此还需使用“quickbird/worldview系列卫星影像数据分析”，生成*.tif.rpc和*.tif.gsd文件。此时使用拼合的大tif文件、*.tif.rpc和*.tif.gsd文件进行后续操作。

图2　卫星影像生产整景、分幅数字正射影像流程

基础测绘成果的DEM格式为JX4格式，而PixelGrid软件要求的DEM格式为*.dtm。因此使用DEM数据格式转换功能将DEM格式批量转为*.dtm，如图3所示。

图3　DEM格式转换

3. 根据已有DEM、DOM数据进行全色影像自动平差

(1) 全色卫星影像自动平差的参数设置

在PixelGrid下，新建工程文件加载卫星影像、DEM、DOM数据，设置投影、分辨率等。由于地理国情要求的正射影像为6°分带，因此设置为“2000大地坐标系-6°(中国)”。由于WV01、WV02的分辨率为0.5m，分幅DOM的成果数据分辨率也为0.5m，因此卫星影像分辨率设置为0.5m，QB02通过将全色0.5m分辨率影像重采样得到0.6m分辨率的整景数字正射影像。基础测绘的DOM和DEM都需要转换为6°分带加载进来，且基础测绘DEM和DOM的数据范围要大于卫星影像的范围，全色卫星影像自动平差的参数设置如图4所示。

图4　全色卫星影像自动平差的参数设置

(2) 自动匹配控制点及检查自动匹配结果

自动匹配控制点是采用计算机自动寻找基础测绘DOM与卫星影像的同名点而无需人工选点。自动匹配出的控制点数量多、密度大且分布均匀。自动匹配的效率远远高于人工选点的效率，自动匹配控制点的效果如图5所示。

图5　自动匹配控制点所得结果

由于自动匹配出的控制点数量很大，不可能逐一检查，检查自动匹配结果是人工选取一些特征明显、地物发生变化的区域对自动匹配的控制点进行正确性检查，通常情况下自动匹配控制点正确率几乎100%。

(3) 多光谱自动定向、正射纠正与精度检查

多光谱自动定向这一过程的实质是根据全色影像依据同名点将多光谱影像匹配到全色影像上。直至这一步，基于PixelGrid的区域网平差完成，每景影像的RPC文件都会被更新，在RPC文件的最后，6个改正系数从0变为有效值。WV01、WV02的结果直接作为整景成果数据，QB02在ERDAS软件下通过重采样得到0.6m分辨率全色和2.4m分辨率多光谱的整景成果数据。

执行正射纠正功能便可完成全色与多光谱影像的正射纠正，整景数字正射影像至此生产完成。在进行分幅数字正射影像生产之前，必须对整景数字正射影像进行精度检查，精度检查通过人工选取检查点的方式进行，本试验区选取了108个检查点，且检查点分布均匀，平面中误差为3.92m，小于5m，符合精度要求。

三、基于Geoway CIPS1.0的分幅正射影像生产

为了制作1∶25 000分幅数字正射影像，WV02、QB02必须先将0.5m分辨率全色影像与2.0m的多光谱影像进行融合，接着进行后续操作，WV01无需融合。

为了实现一体化生产流程，对QB02、WV02选择生产方案“融合—16位转8位—匀光匀色—镶嵌成图”，对WV01选择生产方案“16位转8位—匀光匀色—镶嵌成图”。

1. 准备工作

(1) 制作影像配对规划

在执行生产方案“融合—16位转8位—匀光匀色—镶嵌成图”之前，先在集群上新建pan和mul两个文件夹。全色影像(tif和RPC文件)拷贝至pan文件夹，多光谱影像(tif和RPC文件)拷贝至mul文件夹，且两个文件夹中的影像必须一一对应。

影像配对规划实质是提取卫星影像的有效范围，通过卫星影像的文件名确定全色与多光谱的一一对应关系，确保融合操作时按照正确的配对进行融合，制作影像配对规划文件Mosaic.mdl，如图6所示，影像配对规划完成后，可以自动生成融合所需的全色影像与多光谱影像的xml文件、规划文件PlanModel.xml，以及状态文件_ImageModelFileState.xml。

检查规划文件PlanModel.xml是否存在配对错误，如果融合的影像很多，配对有可能出错，自动配对的正确率有98%以上，为了确保生产一体化的流程顺利进行，必须人工对规划文件中全色与多光谱是否一一对应进行检查修改。

图6　影像配对规划

由于GeowayCIPS1.0软件安装在Linux系统下，因此要修改全色影像与多光谱影像的xml文件和PlanModel.xml文件中的Windows路径为Linux路径。

(2) 制作匀光匀色模板

制作匀光匀色模板，要根据这片区域的总体色彩特征，地貌地物特征，选取一块包含了这片区域的大部分地貌地物，色彩自然、纹理清晰的区域作为模板，在Photoshop下进行调整，调整后，模板的直方图大致成正态分布，影像清晰、反差适中、色彩自然，不会因太亮或太暗失去细节的区域，明显地物点能够准确识别和定位。

(3) 制作图幅范围文件

制作图幅范围文件的目的是镶嵌成图时按照图幅范围的坐标信息进行准确的裁切。

为了简单清楚地说明，此处以4景影像为例。首先进行规划导入，将规划好的Mosaic.mdl文件加载进来，可以看到规划的范围是完全沿着提取影像的有效范围边缘的，如图7所示。再次执行生成图幅范围线，设置投影时，注意设置东偏，影像是带号的需要在东偏的500km之前加带号，按照需求设置1∶25 000比例尺，生成的图幅范围如图8所示，最后导出坐标文本文件，将图幅范围输出成txt文本格式。

2. 执行方案时主要参数设置

融合参数设置：融合方法选择PANSHARP融合，需要排除背景色，成果输出格式为IMG。16位转8位参数设置：直方图阈值为5e-05。

图7　导入规划

图8　生成图幅

匀光匀色参数设置：选择制作好的模板文件，匀色策略选择逐块匀色，成果影像格式选择IMG，分块大小选择500。

镶嵌成图参数设置：处理策略选择自适应镶嵌，成图比例尺分母选择25 000，重采用方法选择双三次卷积法，成图影像分辨率选择0.5，图幅外扩选择100个像素，图幅外扩方式选择矩形外扩，羽化宽度(像素)选择30，镶嵌成果影像格式选择TFW(tif+tfw)，采样点位置选择整像素。

参数设置完成后，执行“融合—16位转8位—匀光匀色—镶嵌成图”一体化的生产方案，生产1∶25 000的分幅数字正射影像。

最后使用Photoshop软件对1∶25 000的分幅数字正射影像进行检查修改，不满幅进行镶嵌，色彩差异大的进行调整等。

四、结束语

本文通过研究在集群软件PixelGrid、GeowayCIPS1.0下进行卫星影像生产数字正射影像得出结果如下：①生产出的成果符合地理国情普查项目的要求；②充分利用基础测绘成果，实现区域网平差花费的时间大量减少，节约了人力、物力；③1∶25 000数字正射影像制作时的一体化生产方案只需开始设置好各项参数，中途无需人工干预，自动化程度高。这些研究结果充分说明了集群的优势，自动化程度高，自动匹配控制点正确率稳定，可靠性高，人工干预少，生产效率高。本文还没有解决融合时全色与多光谱配对规划正确率未达到100%的问题，每次都需要人工对规划文件进行检查，此环节还需不断改进。

[1]王彦敏，卢刚.基于PixelGrid实现DOM的快速更新[C]∥地理信息与物联网论坛暨江苏省测绘学会2010年学术年会论文集.南京：江苏省测绘学会，2010.

[2]国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室.第一次全国地理国情普查数字正射影像生产技术规定：GDPJ05—2013[S].北京：国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室，2013.

[3]周志勇.像素工厂空三转换及数字正射影像图制作研究[J].测绘通报，2012(S0)：183-185.

[4]党安荣，王晓栋.遥感图像处理方法[M].北京：清华大学人居环境研究中心，2002.

[5]张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社，2002.

[6]叶海全.PixelGrid系统在高分辨率遥感影像数据处理中的应用[J].测绘通报，2012(S0)：183-185.

[7]国家测绘局.基础地理信息数字产品1∶10 000、1∶50 000生产技术规程 第2部分：数字高程模型(DEM)：CH/T1015.2—2007[S].北京：测绘出版社，2007.

[8]国家测绘局.基础地理信息数字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000数字高程模型：CH/T9009.2—2010[S].北京：测绘出版社，2010.

[9]国家测绘局.基础地理信息数字产品1∶10 000、1∶50 000生产技术规程 第3部分：数字正射影像图(DOM)：CH/T1015.3—2007[S].北京：测绘出版社，2007.

[10]国家测绘局.基础地理信息数字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000数字正射影像图：CH/T9009.3—2010[S].北京：测绘出版社，2010.

Study on Digital Orthophoto Map(DOM) Quickly Produced by SatelliteImageBasedonClusters

YANG Zhen，ZHANG Yongzhi，ZHANG Wenjun，JIAO Jiashuang，YANG Jiuyuan

2015-08-10；

2015-10-21

国家自然科学基金(41374028)

杨珍(1984—)，女，博士生，研究方向为地理信息技术。E-mail：yangzhen6@qq.com

P237

B

0494-0911(2016)08-0065-05

引文格式：杨珍，张永志，张文军,等.利用集群技术实现卫星影像快速生产数字正射影像[J].测绘通报，2016(8)：65-69.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0258.