武汉市地理国情普查中高分辨率遥感影像的处理

余咏胜，彭艳丽，秦思娴，傅晓俊，魏 翔

（1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022；2.武汉市规划研究院，湖北 武汉430014）

武汉市地理国情普查中高分辨率遥感影像的处理

余咏胜1，彭艳丽2，秦思娴1，傅晓俊1，魏 翔1

（1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022；2.武汉市规划研究院，湖北 武汉430014）

以武汉市地理国情普查为例，针对标准时点核准下发影像数据处理存在的问题，构建了一套国产高分辨率卫星影像数据处理流程，提出了基于局部几何纠正的精度处理方法和基于影像融合的匀色处理方法。实验结果表明，该方法提高了核准影像的生产效率和质量，为国产高分辨率卫星影像的处理和应用奠定了坚实基础。

地理国情普查；国产高分辨率影像；局部几何纠正；融合；匀色；镶嵌

地理国情普查标准时点核准以最新的遥感影像为主要数据源，在已有地理国情普查数据基础上，辅助其他相关资料，核准地表覆盖与地理要素的空间分布与属性变化信息，准确反映各地区地理国情在时点范围内的实际情况。武汉市第一次地理国情普查的标准时点为

2015- 06- 30，标准时点核准所需遥感影像数据由湖北省第一次地理国情普查领导小组办公室（下文简称“省普办”）统一下发，其数据源主要为国产高分辨率卫星影像数据，该数据需生产单位处理后才能应用于标准时点核准生产。遥感影像数据的处理效果与精度直接影响标准时点核准时人工判读的精度与准确性。如何快速、准确完成武汉市域范围遥感影像处理是数据生产面临的严峻考验。

本文结合“省普办”下发的国产高分辨率卫星影像特点，总结了武汉市标准时点核准影像处理存在的问题，构建了一套针对国产高分辨率卫星影像的数据处理流程，并通过以下方法保证影像成果的准确性与可靠性：①通过基于局部几何纠正的方法控制遥感影像的平面精度，提高作业灵活性；②通过数据筛选、裁切、波段与色深处理等方法合理控制影像数据量，提高数据处理效率；③ 通过基于数据融合的匀色处理方法保证不同卫星、不同时相的高分辨率卫星影像的辐射一致性。实际生产工作证明，本文方法能够在满足标准时点核准影像处理要求的前提下，快速、高效地完成遥感影像处理工作。

1 问题分析

“省普办”下发的卫星影像共199景，总数据量为456 GB，包括高分1号、天绘1号、资源3号等多种高分辨率卫星遥感影像，数据获取时间跨度为2014年12月～2015年4月，所有数据均经过初步的几何纠正、辐射校正和数据融合等处理，坐标系统为2000国家大地坐标系。当前面临的主要问题与技术难点包括：

1）遥感影像数据源种类多样，影像获取时间跨度较大，影像数据16 bit与8 bit色深并存，不同区域、不同时相间的影像色差较大；

2）影像数据冗余量大，单景影像数据量和总影像数据量庞大，影响后续数据处理的速度与效率；

3）下发的影像数据部分区域存在精度超限，需要进行几何纠正处理后才能用于数据生产；

4）下发的影像数据投影信息不一致，给后续数据处理造成一定的影响。

2 处理流程与关键步骤

2.1 标准时点核准影像处理流程

标准时点核准遥感影像数据处理是以地理国情普查所使用的高分辨率航空影像和卫星影像为基础，对下发的国产高分辨率卫星影像进行筛选和平面精度检查，确定所使用的影像和图面精度超限区域，并对该区域影像进行几何纠正；然后对满足精度要求的纠正影像进行裁切、波段和色深处理，生成中间影像成果，在此基础上进行单景匀色和整体色彩处理、投影变换及拼接镶嵌，最后按数据分幅要求对遥感影像进行裁切，得到最终的影像成果。

遥感影像处理的重点和难点在于影像的几何纠正和匀色处理，为此，本文通过基于局部几何纠正的方法控制遥感影像的平面精度，通过基于数据融合的匀色处理方法保证遥感影像的图面匀色质量。标准时点核准遥感影像数据处理的主要流程如图1所示。

2.2 基于局部几何纠正的精度处理

为满足武汉市地理国情标准时点核准要求，根据“全面覆盖、时相最新”的原则对下发的遥感影像数据源进行分析，共筛选19景遥感影像，其中高分1号14景、天绘1号3景、资源3号2景。该数据根据地面控制点和10 m格网的DEM数据进行几何纠正，经融合处理后按景重采样为2 m分辨率的影像数据。为核实数据源的平面精度，本文利用地理国情普查所使用0.2 m航空影像和0.5 m卫星影像对该19景影像进行了套合检查，确定影像内部可能存在的变形和精度超限区域。经核查，共发现精度超限区域30处，主要集中于黄陂区北部、蔡甸区西部和江夏区南部，大部分问题区域面积不足1 km2、精度超限5～8 m，其中江夏南部部分区域精度超限达12～20 m。

图1 标准时点核准遥感影像数据处理流程

由于现有影像数据源已经消除了大部分系统误差和几何变形，再利用控制点和DEM资料对整景影像进行几何纠正难以取得较好处理效果[1-3]，本文采用局部多项式纠正方法进行处理。因源影像数据分辨率为2 m，直接采用1：2 000等大比例尺地形图数据或像控点资料进行纠正处理，精度冗余较大且会降低工作效率，为此，本文将地理国情普查影像数据作为基准影像，对精度超限区域影像进行二次多项式纠正处理，单幅影像纠正的控制点数量一般为15～20个。

影像几何纠正在ArcGIS环境下完成，利用GeoReferencing工具进行控制点输入和影像纠正，通过卷帘方式实时查看影像纠正效果，以便根据需要增加或删除控制点。为防止纠正影像边缘变形影响接边质量，纠正时需要在影像边缘选取8～10个控制点以减小局部纠正区域影像边缘的几何变形。几何纠正后的影像直接替换原始影像的对应区域，生成整景的16 bit纠正影像成果。

2.3 基于影像融合的匀色处理

标准时点核准影像数据的匀色处理是本文的重要内容，直接影响最终影像成果的图面质量和整体效果。由于现有高分辨率卫星影像覆盖范围广、数据量大、影像间重叠度高，导致后续影像匀色处理效率低下，如高分1号、天绘1号、资源3号单景数据量分别为2.2 GB、5.3 GB和7.5 GB。天绘1号与相邻影像间重叠度达80%，且部分数据超出武汉市域范围，影像实际利用率不足10%。为此，本文通过裁切、波段和色深处理等手段对纠正后的遥感影像进行整理和预处理，有效控制影像数据量。首先根据图幅结合表对影像有效范围进行裁切，减小单景影像数据量。考虑到原始影像有4个波段，成果影像仅需要三波段真彩色数据，需要将裁切后的纠正影像按R=3、G=2、B=1的波段顺序输出。原始影像中只有天绘1号为8 bit数据，高分1号和资源3号均为16 bit数据。经分析，高分1号影像的灰度值范围为R∈[38，100]、G∈[30，110]、B∈[20，105]，资源3号影像的灰度值范围为R∈[50，130]、G∈[40，130]、B∈[40，140]，因此高分1号和资源3号影像可以直接截取低8 bit数据作为灰度值输出范围。

不同数据源影像在色彩和亮度上存在较大差异，采用常规匀色软件（ImagePro、OrthoVista等）难以取得较好的效果，Photoshop图像处理功能强大，但数据量超过2 GB后处理效率较低[4-6]。针对这些问题，本文设计了基于数据融合的影像匀色方法，其基本原理是：对经过预处理后的影像数据进行重采样，得到较粗分辨率的多光谱影像M，同时对预处理影像进行模式转换，得到相同分辨率的全色影像G；在此基础上对影像M进行匀色处理，得到符合色彩质量要求的影像，再将影像M与G进行数据融合得到最后成果影像。该方法能够在保证影像分辨率的情况下，将影像数据量控制在可操作范围。

对于多光谱影像M，为了在影像融合效果和数据量大小之间取得平衡，本文分别在6 m、8 m、10 m、12 m和14 m等5种分辨率下进行重采样和融合实验。实验结果表明：将遥感影像重采样至8 m时，能够在保证融合效果的前提下，有效减少影像数据量。对于全色影像G，本文通过Lab色彩模式变换将影像的明度与色彩分离，提取明度通道作为全色影像的输出结果，能够有效保留原始影像信息。为了得到最佳的影像融合效果，本文选取了3种具有代表性的融合算法：主成分分析法（PCA）、小波分析法（Wavelet）和Brovey法进行了影像数据融合实验，并对比影像融合前后的效果，如图2所示。图2a为影像融合前8 m分辨率的遥感影像；图2b中PCA法融合后能够较好地保持影像的光谱特征，同时空间分辨率接近于原始的灰度影像；图2c中Wavelet法融合后空间分辨率没有得到有效提高，图2d中Brovey法融合后光谱信息发生较明显改变，色彩亮度和饱和度明显降低。通过比较可以看出，基于PCA算法在本文影像融合处理中明显优于其他两种融合方法。

图2 影像融合前后效果比较

2.4 影像拼接镶嵌和成果输出

标准时点核准影像的拼接镶嵌是将整体匀色后的遥感影像进行拼接，形成一幅色彩均衡的无缝镶嵌影像[7]。由于匀色影像继承了原始影像的投影信息，即CGCS2000、6°分带第19带和20带，现有的影像镶嵌软件不能识别该投影信息，直接载入不同分带的影像数据会产生坐标偏移，因此必须根据需要进行换带计算，将影像坐标统一转换至CGCS2000、3°分带第38带。换带计算通常采用高斯正算、反算公式进行处理，ArcGIS 10之后的版本可以直接支持CGCS2000投影坐标系，通过ArcToolbox工具箱中提供的Projection工具实现影像的批量换带计算处理[8]。

本文影像拼接镶嵌工作采用德国Inpho软件的OrthoVista模块完成，该软件在多源影像数据的匀色、拼接镶嵌及海量数据处理等方面效率较高，满足遥感影像快速拼接镶嵌的生产要求。由于遥感影像地面分辨率远低于大比例尺航空正射影像，且影像拼接镶嵌的数量较少，可以直接采用系统Feature Detection算法完成影像的自动拼接选线，在此基础上选取时相较新的影像数据对拼接线进行人工编辑，以满足镶嵌影像对于时相的要求。经影像套合检查，该拼接线的选线质量完全满足影像镶嵌质量要求。

原始影像与匀色影像拼接镶嵌后的影像效果比较如图3所示，镶嵌后，相邻影像间色彩过渡自然、拼接线两侧影像无缝接边，镶嵌影像质量满足实际生产应用的要求。影像拼接镶嵌工作完成后，根据图幅结合表对镶嵌影像进行分幅裁切，生成满足生产需要的分幅影像数据成果。

图3 原始影像与匀色镶嵌影像效果比较

2.5 结果分析

为检验本文标准时点核准影像数据处理成果的质量，根据相关技术规范要求，本文以地理国情普查使用的影像数据作为基准数据，对全部分幅影像数据成果进行了套合检查。质量检查内容主要包括图像质量和平面精度，其他内容如数据格式、数据范围、影像分辨率等一般性项目通过程序自动完成。影像数据成果质量检查采用全人工方式上机检查，精度超限区域和影像拼接线位置是重点核查范围。经目视检查，影像数据整体色彩适中、过渡自然，局部放大后细节层次较强、纹理丰富，便于标准时点影像解译的识别和分类；影像数据平面精度按景进行了统计分析，其检查情况如表1所示，该结果表明，影像成果整体套合误差不超过3个像素（6 m），满足标准时点核准影像处理的精度要求。

表1 纠正影像几何精度检查表

3 结 语

本文针对武汉市地理国情普查遥感影像数据量大、局部精度超限以及影像间色差较大等问题，设计了一套适用于标准时点核准的国产高分辨率卫星影像处理流程，处理成果影像质量和平面精度满足实际生产应用的需求。与常规遥感影像数据处理方式相比，本文提出的局部纠正方式灵活性高，便于多人同时进行数据处理；基于数据融合的匀色处理方法，在保证影像细节的前提下有效降低了影像数据量，便于控制单景遥感影像色调和整体影像效果，结合影像拼接镶嵌软件，实现了影像间色彩的自然过渡，影像成果的质量和作业效率得到了较大提高。生产结果表明，本文提出的方法为国产高分辨率卫星影像数据处理和地理国情普查底图数据生产工作探索了一条行之有效的技术思路。

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P237

B

1672-4623（2016）05-0025-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.008

余咏胜，高级工程师，注册测绘师，主要从事遥感数字图像处理、GIS数据应用研究与开发工作。

2015-07-01。

项目来源：精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目（PF2013-14）。