高分二号卫星影像区域正射影像生成策略

2019-11-09徐汉超张五洋

水利技术监督 2019年5期

徐汉超，张五洋，王绪

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110006)

多年来，国外卫星影像一直占据我国卫星遥感应用主要市场，对国产卫星应用发展和自主创新造成了一定影响[1]。作为我国高分辨率对地观测系统项目内容，高分二号(GF- 2)卫星的成功发射，标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。它可提供全色0.8m、多光谱3.2m的卫星影像，并具有定位精度高、机动能力强等特点，一举打破了亚米级卫星影像被国外垄断的局面[2]。

遥感影像数据存储和处理速度是其高效应用于工程的关键，其核心目标是要对大区域覆盖的卫星影像进行快速正射纠正，从而为规划设计、施工及运维提供数据支撑。这就要求纠正后影像的绝对精度应满足测绘规范要求，以及相邻影像间接边处的相对位置精度满足影像镶嵌精度要求[3]。

传统正射影像生产包括单景影像正射纠正、匀光匀色、影像镶嵌与裁切等环节，需要人工采集控制点，此方法存在效率低、精度差、数据处理周期长等不足，且相邻影像接边精度普遍较差，容易出现错位。通常采取人工选取同名点后再局部正射纠正的方法，但工作量大，且经过多次采样后会降低影像的辐射质量[4- 7]。

本文研究采用自动配准和纠正的处理策略，并运用到实际工程项目，实践证明，该方法可减少控制点且大幅缩短影像处理时间，可有效提升影像处理效率。

1 总体技术流程

根据项目要求开展技术设计，首先收集区域内已有的DEM、控制点、历史DOM，以及高分二号的多光谱影像、全色影像。在相关软件中经过数据融合、正射纠正、同名点匹配、加入控制点进行区域网平差、精度检查、匀光匀色、影像镶嵌和裁切等处理后，形成最终DOM成果[8]。总体技术流程如图1所示。

图1 高分二号卫星影像数据处理技术流程

2 关键技术步骤

2.1 RPC计算

高分二号卫星数据由于RPC仅仅进行了辐射纠正，没有进行高精度的几何纠正，存在较大的误差，所以利用可靠的控制点计算RPC从而得到一个与高分二号卫星数据精度相当的RPC参数文件，这种方法可以解决卫星影像数据畸变大的问题，从而提高纠正精度[9- 11]。

计算RPC的关键是采集大量准确且均匀分布的控制点。采用相关软件利用基于频率的自动匹配算法，该算法提取速度快，且对不同传感器类型、影像分辨率和坐标系统等均能提取到可靠的控制点。通过设置不同系统参数，就能采集到大量的控制点，且匹配精度可达1/1000像素，得到的结果可以满足计算RPC所需的控制点要求。采用RPC模型进行几何纠正，其原理就是利用有理多项式模拟影像成像时的空间几何关系，将大地坐标X、Y、Z与其对应的像点坐标x、y进行关联[12]。基本模型可表示为

(1)

式中，NL(X，Y，Z)、DL(X，Y，Z)、Ns(X，Y，Z)、Ds(X，Y，Z)—X、Y、Z的3次有理多项式函数。

2.2 区域网联合平差

通过影像自动匹配技术获取各影像与参考影像之间的连接点，作为地面控制点，建立整个区域网平差模型，将(a0，a1，a2，b0，b1，b2)作为未知数和地面点坐标D(φ，λ，h)及对应像点坐标d(L，S)，得到区域网整体平差误差模型，一并求解[13- 15]。

v=BT+CX-l

(2)

式中，

X=[Δφ Δλ Δh]T

(3)

(4)

由此计算出影像各点的地面点坐标改正数(Δφ，Δλ，Δh)，对卫星影像进行正射纠正，从而得到高精度正射影像。

2.3 影像融合

影像融合主要是在不破坏原有色调层次的基础上，分别对全色影像和多光谱影像进行预处理(去噪、去云雾等)，对全色波段和多光谱波段进行融合和增强，使融合影像色彩明亮、细部纹理清晰。融合方法可以采用Pansharpen或高通滤波融合方法来完成。卫星遥感影像的多光谱彩色中BLUE为蓝色波段，GREEN为绿色波段，RED为红色波段，Near IR为近红外波段，1、2、3、4则表示相应的波段号。融合影像应色彩自然、层次丰富、反差适中，影像纹理清晰，无影像发虚和重影现象[16- 19]。

3 工程应用及结果分析

项目采用2018年2月4日、2月5日、2月9日、2月14日、2月20日、2月24日、3月1日、4月15日接收的28景1A级多光谱影像和全色影像数据，见表1。对影像质量进行检查，包括云量、位置精度等，剔除不合格的影像。在影像预处理阶段，对其中6景影像的多光谱和全色影像进行了自动配准。

采用自动配准方法，以历史影像作为参考，自动提取连接点和控制点，其数量分别是21100个、15008个，如图2所示。该方法节约了采集控制点所需的人力、物力、财力和时间。

对高分二号影像进行自动配准和区域网平差，平差采用1∶1万DEM，格网大小是1m×1m，作为高程约束条件，进行区域网平差，提高不同地形环境下区域网平差的物方平面精度。在完成平差后，在原参考的历史影像和原始高分二号影像上选取均匀分布的10对同名点作为检查点，以此作为自动配准精度评价的依据。结果见表2，影像自动配准的最大误差分布为0.94～1.20个像元，影像配准的中误差为0.52～0.89个像元，满足影像纠正技术指标要求。