沃韦软件在数字正射影像生产中的应用

韩红涛 刘军 张传帅 王斐

（1.自然资源部第一航测遥感院，陕西 西安 710054; 2.自然资源部第一地形测量队，陕西 西安 710054；3.东方通用航空摄影有限公司，山西 太原 030031）

1 引言

数字正射影像不仅具有影像特征，还具备地图几何精度，信息内容丰富、效果直观真实，符合人眼观测习惯，对比传统线划地图优势明显，可作为地图分析背景控制信息，提取地表覆盖等自然资源和社会经济发展相关的信息，为自然灾害防治和城市规划等应用领域提供可靠数据支撑，还可通过数据挖掘方法提取和派生新的地理信息，实现传统地形图的修测与更新。目前，数字正射影像已成为重要的基础地理信息数据之一。

近年来，伴随着“一带一路”国家重大发展战略的稳步推进和相关政策的不断落地，我国在经济建设、国防建设、社会发展和生态保护等方面，急需及时更新基础测绘地理信息成果。在全球基础地理信息更新、实景三维中国建设、第三次全国国土调查、地理国情监测等重大项目和研究课题中，对大跨度、大区域数字正射影像的生产需求不断增加，而我国对地观测能力和空间影像获取能力空前提升，国产卫星和传感器技术不断取得突破，资源三号系列、高分系列、天绘系列卫星相继升空，北京一号、吉林一号等系列小卫星群组网后，也相继投入使用，重返周期逐步缩短，空间分辨率已经达到亚米级水平，影像数据在数量、质量和获取渠道方面，均十分友好，为大规模、大跨度的数字正射影像快速生产提供便利条件。

如果数据源是卫星影像，全色影像和多光谱影像是分开纠正的，纠正完毕后还需要再增加全色、多光谱的配准及多分辨融合步骤。

3 匀光匀色、镶嵌处理及常见软件分析

2 数字正射影像生产技术流程

数字正射影像生产主要涉及区域网平差、数字高程模型匹配、数字微分纠正、匀光匀色及镶嵌分幅等关键技术，一般生产流程如图1 所示。

图1 数字正射影像生产流程

数字正射影像产品质量标准规定，图面质量要满足色调均匀，无明显失真，反差适度，色彩自然，层次丰富，且无明显拼接痕迹，拼接处影像亮度、色调应基本一致等系列要求[1]。遥感影像数据在采集时，由于获取时间、太阳光照强度以及大气状态、传感器种类不同，影像亮度和色彩会有较大差异[2]，有时还会有一些噪声，若处理不当，将会造成影像色调反差过大、不协调的问题，严重影响产品质量和最终使用。

常见匀光匀色软件，有以Geodogding、PixelGrid、EPT 为代表的国产软件，以及INPHO 数字摄影测量系统的OrthoVista 匀光匀色模块。每款软件各有侧重和优势，这里以Geodogding 和OrthoVista 为例加以说明。Geodogding 采用基于样图的匀光匀色模式，首先选出一小块能代表测区特征的影像，人工在Photoshop 下精细调整色彩、亮度、对比度，以此作为匀光匀色模板，利用Wallis 滤波方法使影像不同区域有相似的均值和方差，其他影像均与之相匹配，进而使所有影像的色彩、亮度趋于一致，其优势为速度快，操作便捷，缺陷是样图难以囊括测区所有的地物色彩亮度特征，容易造成整体或局部性色偏，难以适应范围跨度大、地物复杂多样情况下的匀光匀色需要[3]；OrthoVista 软件有基于单片和基于影像间的色彩均衡调节功能，能调整单片或多片影像色彩、亮度、饱和度，能自动去除太阳在水域的反射，进行全局平衡。这两款软件主要针对面积不大的测区进行处理，而对于影像处理，尤其是大面积、大跨度的数字正射影像生产，则很难达到较好效果，且无法顾及作业区之间的颜色接边问题。现行的卫星影像数据源还带来了海量数据处理问题，动辄几百GB 甚至上TB 的数据量，让传统软件在数据处理方面面临着巨大计算压力。

影像镶嵌一般是软件通过特征检测算法，自动生成镶嵌线，并辅以一定的人工编辑，尽量避开建筑物、色调反差较大区域，达到地物无错位、色彩过渡自然的效果。一般的航空影像处理，利用OrthoVista、PixelGrid、EPT 等软件均能达到很好的镶嵌效果；在处理多源多时相的卫星影像时，要根据项目对时相、质量的要求选择影像，需要大量人工编辑。

沃韦软件主要用于大范围、多源多时相影像快速辐射校正和影像镶嵌，是遥感图像调色的专门软件，具有影像拉伸、色彩合成、色彩校正（匀光、匀色、色彩均衡）、图像恢复（雾气、噪声、条带去除）等工具，影像镶嵌时还能进行基于概览图的二次色彩调整，为大面积、大跨度数字正射影像生产提供了完整的匀光匀色与镶嵌解决方案。所有操作均支持自动批量化、流程化处理，在全球基础地理信息更新、实景三维中国建设、国土调查、地理国情监测等重大项目中得到了广泛应用。

4 沃韦软件技术要点和处理流程

沃韦辐射校正原理是一种基于小波变换和Wallis变换的卫星图像色彩平衡方法，对原始卫星图像和参考图像进行小波分解，获得相应的高、低频信息，通过高、低频信息将原始卫星图像与参考图像进行色彩匹配，最后进行小波重构，获得均衡后的图像。在进行图像内的色彩均衡处理时，可通过提高图像对比度，改善影像的“压平”现象；在进行图像间的色彩均衡处理时，可以在整个拼接范围内实现色彩平衡，使整个拼接范围内的图像有一致性的色彩表现[4]。

参考图像数据一般是从百度地图、天地图、谷歌地球等网络资源下载，对分辨率要求不高，40 ～60米即可，用来生成颜色模板。如果原始影像有条带等其他的系统噪声，需要提前进行降噪处理。卫星影像匀光匀色处理流程如图2 所示。

图2 卫星影像匀光匀色处理流程

沃韦镶嵌模块支持基于概览图的二次色调调整，可对颜色进行二次干预。在进行镶嵌处理时，先镶嵌出一套低分辨率区域概览图，人工对概览图进行色调调整，可输出与概览图色彩效果完全一致的镶嵌结果；如果提前对相邻测区的概览图进行颜色接边，就会使得相邻测区输出的大块成果接边处色调基本一致，为相邻作业区最终成果之间的颜色接边提供了极大便利。沃韦软件的镶嵌处理流程如图3 所示。

图3 卫星影像镶嵌处理流程

5 沃韦软件使用中常见问题及解决方案

5.1 色彩模板问题

参考模板对于沃韦软件的匀光匀色处理非常重要，测区的色彩基调都来自参考模板。由于色彩参考模板是从网上下载的，质量不能完全保证，往往存在色调、地物的“硬”折现象，不能直接使用。使用前一定要全面仔细检查，针对有颜色突变和漏洞区域，必须人工干预处理，消除这些问题，否则会造成匀光匀色后局部色调异常，造成严重的影像产品质量问题。

5.2 镶嵌线问题

沃韦镶嵌模块，支持自动生成镶嵌线，如不考虑时相和影像质量差异问题，在自动生成镶嵌线的基础上，稍加人工编辑调整即可。在处理多源卫星影像时，由于测区跨度大、影像获取时间差异大、传感器类型不同等原因造成影像质量差异较大，自动镶嵌功能很难适用。例如，在全球基础地理信息更新项目中，提供的卫星影像来自不同的卫星传感器，时相和影像质量差异都很大，为了适应项目需要，对影像的选取原则有如下规定：

（1）优先选择质量好、时相新的影像；

（2）涉及地物地貌有重大变化的，优先选择时相更新的影像；

（3）对于时相差异较大，有重大地物变化，时相较新影像质量较差（影像上有薄云、薄雾等情况），不影响地物判读时，优先选择时相较新影像；

（4）影像重叠区有人工地物时，应保证人工地物的完整性。

自动镶嵌线生成时，软件无法判断影像时相及影像质量，自动生成的镶嵌线无法满足以上需求，且在实际项目生产中经常遇到影像重叠度较高，甚至有完全压盖的情况，如果在自动生成镶嵌线的基础上根据影像选取原则修改，工作量会更大。

经过多次尝试，最终采用先在ArcGIS 里纯人工编辑镶嵌线，然后导入沃韦镶嵌模块进行。流程如下：

（1）将所有影像加载到ArcGIS 中，并按照时相由新到旧的顺序排列；

（2）新建镶嵌线*.shp 文件，添加景号字段；

（3）按照步骤（1）排列好的顺序，从新到旧依次创建影像范围矢量面，及时填写景号信息；兼顾影像质量，根据影像选取原则随时调整，直至生产区被覆盖完全；

（4）人工编辑精化镶嵌线，使之避开人工地物等；

（5）统一修改镶嵌线属性字段，使之符合沃韦软件的格式要求；

（6）将镶嵌线导入沃韦镶嵌工程，进行后续镶嵌。

镶嵌线要保证距离整景影像边缘10 个像素以上，沃韦软件镶嵌默认的过渡宽度是10 个像素，太靠近边缘会导致黑边现象。

6 小结

沃韦软件在针对大面积、大跨度的多源卫星遥感影像处理中，较好解决了匀光匀色问题。但却难以处理时相和质量差异较大影像的镶嵌，目前最简单的办法还是全人工编辑镶嵌线。下一步，应该加强特征检测算法的提升，统筹考虑影像时相和影像质量，为大规模影像处理做好技术支撑。