賈永紅， 祝夢花， 刁永洲， 管玉娟

1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，武漢430079

2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079

3.上海大學(xué)期刊社，上海200444

資源三號衛(wèi)星(ZY-3)于2012年1月9日成功發(fā)射.它是我國第1顆自主研制的民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星.星上搭載的前、正、后視相機(jī)可獲取同一地區(qū)3個不同觀測角度立體像對.利用該衛(wèi)星影像能提取地表信息并重建三維地表模型，生動而直觀地再現(xiàn)實(shí)地表面.

目前地表影像三維可視化主要是應(yīng)用全色立體像對生成數(shù)字表面模型，并在DSM上疊加影像、地理要素和文字符號標(biāo)注等多種數(shù)據(jù)，生成三維彩色立體影像圖[1].文獻(xiàn)[2]利用植物葉片的幾何特征重建三維影像來估算生物量.文獻(xiàn)[3]將同一地區(qū)的航空立體影像和LIDAR數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三維重建，然后進(jìn)行定性和定量對比分析，用于城市建筑物的三維重建[3].文獻(xiàn)[4]提出基于陸地影像的三維建模，利用未配準(zhǔn)的影像自動重建三維影像，由配準(zhǔn)的影像自動和半自動重建三維影像.文獻(xiàn)[5]利用QuickBird數(shù)據(jù)提取軌道的立體圖像，生成數(shù)字表面模型并完成三維實(shí)體造型.

核線影像是生成視差的基礎(chǔ)，可以達(dá)到視覺上的立體效果，同時加快同名點(diǎn)的搜索速度，提高計算效率和可靠性.目前關(guān)于核線影像的研究已取得很多成果，文獻(xiàn)[6]針對SPOT異軌立體影像提出基于同名像點(diǎn)坐標(biāo)多項式擬合的近似核線生成方法.文獻(xiàn)[7]提出一種基于RPC的推掃式衛(wèi)星影像核曲線重采樣方法，得到的核曲線精度比基于平行投影模型得到的核曲線精度高.文獻(xiàn)[8]提出一種新的核線模型用于線陣推掃衛(wèi)星影像核線重排，能直接通過傳感器幾何模型建立原始影像與核線影像的坐標(biāo)變換關(guān)系.文獻(xiàn)[9]分析了線陣衛(wèi)星影像投影軌跡法計算局部范圍近似核線影像的基本原理，并以分段直線來擬合近似核線.文獻(xiàn)[10]提出一種利用兩幅未校準(zhǔn)的圖像自動重建核線幾何的方法.文獻(xiàn)[11]對基于投影軌跡法的擴(kuò)展核線模型進(jìn)行深入全面的研究，分別采用共線方程的嚴(yán)格模型和簡化模型推導(dǎo)核線關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式[11].

對于ZY-3衛(wèi)星能獲取高空間分辨率的前、后、正視全色影像和低空間分辨率的多光譜影像的特點(diǎn)，本文提出基于融合的高分辨率衛(wèi)星影像彩色立體可視化方法.該方法先將高分辨率全色立體影像與多光譜影像進(jìn)行融合處理，再由融合后的影像基于物方投影基準(zhǔn)面的線陣推掃式衛(wèi)星影像核線模型生成核線影像，最終實(shí)現(xiàn)遙感影像高分辨率彩色立體可視化.

1 遙感影像融合

遙感影像融合就是將覆蓋同一場景的遙感圖像進(jìn)行空間配準(zhǔn)，然后將各圖像數(shù)據(jù)中所含的信息有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生新圖像數(shù)據(jù)或場景解釋的技術(shù).影像融合能實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，增強(qiáng)目標(biāo)特征，提高目標(biāo)識別率等.按照信息表征層次的不同，通常將影像融合分為3個層次：像素級影像融合、特征級影像融合和決策級影像融合.像素級影像融合是最基本的影像融合，常用方法有加權(quán)融合、IHS變換融合、PCA變換融合、小波變換融合和Pansharpening融合等.Pansharpening融合是一種基于統(tǒng)計的自動融合方法，在融合過程中考慮了傳感器成像特性，對同源影像融合效果好.Pansharpening融合表達(dá)式為

式中，X(i)為第i波段融合影像，HPan為高分辨率全色影像，Xs(i)為重采樣后的多光譜第i波段，HPansyn為由多光譜影像模擬得到的全色影像，其計算公式為

式中，參數(shù)φi由原全色和多光譜影像進(jìn)行最小二乘擬合得到，如式(3)所示：相對于其他融合方法，Pansharpening融合方法主要有兩大特點(diǎn)[12]：

1)波段匹配過程中采用最小方差擬合，充分考慮了傳感器特性，因此融合后影像光譜扭曲小；

2)采用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行融合處理，對輸入影像的波段沒有限制，于是本文采用Pansharpening融合方法對資源三號影像進(jìn)行融合.

2 近似核線影像生成

基于物方投影基準(zhǔn)面的核線影像生成方法來獲取近似核線影像，具有計算過程簡單以及便于進(jìn)行立體量測和立體判讀的特點(diǎn).該方法主要包括3點(diǎn)：1)確定核曲線在投影基準(zhǔn)面上投影點(diǎn)的近似直線方向；2)建立左右核線影像與左右原始影像像點(diǎn)的嚴(yán)格坐標(biāo)變換關(guān)系；3)核線重排列生成核線影像.

2.1 核線投影點(diǎn)“近似直線”排列方向的確定

如圖1所示，OX YZ為物方局部直角坐標(biāo)系(local vertical coordinates system,LVCs)，將該坐標(biāo)系下的一水平面定義為投影基準(zhǔn)面(projection reference plane,PRP)，而PRP高程一般取測區(qū)平均高程.若測區(qū)內(nèi)一物點(diǎn)P對應(yīng)的同名像點(diǎn)分別為p1和p2，ep1和ep2為投影軌跡法定義的核線，則依據(jù)核曲線的性質(zhì)可知ep1和ep2在PRP上的投影點(diǎn)軌跡ED為近似直線，過ED和物點(diǎn)P的平面為物點(diǎn)P的近似核面.

圖1 衛(wèi)星立體像對基于物方PRP的核線模型Figure 1 Epipolarity model of satellite stereoimagery based on PRP of object-space

為確定核曲線在PRP上投影點(diǎn)的近似直線方向，首先以測區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)O(J,W,0)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立LVCs，其中J、W分別為緯度和經(jīng)度.LVCs為左手系，Y軸與參考橢球相切并指向橢球的正北方向.然后取測區(qū)平均高程面為PRP，其高程為H.根據(jù)有理多項式模型(rational function model,RFM)及所設(shè)定的橢球參考和坐標(biāo)基準(zhǔn)，可以使用RPC參數(shù)實(shí)現(xiàn)像點(diǎn)坐標(biāo)、地面點(diǎn)大地坐標(biāo)及LVCs坐標(biāo)之間的換算.設(shè)(x,y)為像點(diǎn)坐標(biāo)，(J,W,H)為大地坐標(biāo)，(X,Y,Z)為LVCs坐標(biāo).式(4)表示基于RFM計算像點(diǎn)在特定大地高的地面大地坐標(biāo)，式(5)表示基于RFM由地面大地坐標(biāo)計算像點(diǎn)坐標(biāo)，式(6)表示由大地坐標(biāo)計算LVCs坐標(biāo)，式(7)表示由LVCs坐標(biāo)計算大地坐標(biāo)

核曲線在PRP上投影點(diǎn)軌跡的近似直線方向求取步驟如下：

步驟1 如圖2所示，在左影像中心取一點(diǎn)A，其攝影光線在高程H附近有兩點(diǎn)P1、P2，由變換式(4)可以計算得到P1、P2的大地坐標(biāo)；

圖2 核線“近似直線”排列方向的確定Figure 2 Approximate line direction of PRP projection trajectory of epipolar lines

步驟2 由變換式(5)計算P1、P2在右片上對應(yīng)像點(diǎn)B、C的像點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟3 由變換式(4)和(6)計算B、C在PRP上投影點(diǎn)P3、P4的LVCs坐標(biāo)，則P3、P4的連線方向即為核曲線在PRP上投影點(diǎn)的近似直線方向，即立體像對近似核線在PRP上的排列方向.

2.2 左右核線影像與左右原始影像像點(diǎn)的嚴(yán)格坐標(biāo)變換關(guān)系

建立左右核線影像與左右原始影像像點(diǎn)的嚴(yán)格坐標(biāo)變換關(guān)系包含以下步驟：

步驟1 利用式(4)和(6)確定左右原始影像在PRP上的覆蓋范圍；

步驟2 取PRP上左右影像投影覆蓋區(qū)域在近似核線排列方向上的最小外廓矩形，使左右核線影像具有相同的行列數(shù)；

步驟3 建立左右核線影像像點(diǎn)與PRP投影點(diǎn)的嚴(yán)格坐標(biāo)變換關(guān)系；

步驟4 根據(jù)式(4)和(6)及步驟3得到的坐標(biāo)變換關(guān)系建立核線影像像點(diǎn)坐標(biāo)與原始影像坐標(biāo)的嚴(yán)格變換關(guān)系.

2.3 核線影像的生成

根據(jù)以上步驟得到的左右核線影像與原始影像嚴(yán)格坐標(biāo)變換關(guān)系，采用類似于數(shù)字影像糾正的方法進(jìn)行核線重排，完成核線影像的生成.

按照先融合再生成核線影像的方法對資源三號衛(wèi)星影像進(jìn)行融合，生成核線影像獲得彩色立體像對，與全色立體影像相比，不僅能真實(shí)反映地形地貌特征，而且比全色立體影像信息更豐富，更易于正確解譯.

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證方法的有效性，以資源三號衛(wèi)星SC級前、后視及多光譜影像為數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合與核線影像生成試驗(yàn).資源三號前(后)視影像分辨率為3.5m，多光譜影像分辨率為5.8m.試驗(yàn)首先將多光譜影像與前、后視全色影像進(jìn)行高精度配準(zhǔn)，然后采用Pansharpening融合方法分別對前、后視全色影像與多光譜影像進(jìn)行融合，再基于PRP生成前、后視的近似核線影像.

圖3中的(a)和(b)分別為前視影像和配準(zhǔn)的多光譜真彩色影像，圖4中的(a)和(b)分別為后視全色影像和配準(zhǔn)的多光譜真彩色影像.圖5中的(a)和(b)分別為前視、后視影像Pansharpening融合后的結(jié)果，圖6中的(a)和(b)分別為前視、后視彩色核線影像，圖7中的(a)和(b)分別為前視、后視全色核線影像.通過熵、相關(guān)系數(shù)、平均偏差、平均梯度、通用質(zhì)量指標(biāo)等客觀評價指標(biāo)對融合結(jié)果進(jìn)行評價.表1為前視融合影像客觀評價結(jié)果.表2為后視融合影像的客觀評價結(jié)果.利用格網(wǎng)匹配法在前、后視彩色及全色近似核線影像上尋找同名像點(diǎn)，以評定近似核線影像的精度.表3為資源三號前后視彩色核線立體像對上同名像點(diǎn)的坐標(biāo)及其上下視差.表4為資源三號前后視全色核線立體像對上同名像點(diǎn)的坐標(biāo)及其上下視差.

圖3 前視全色和配準(zhǔn)的多光譜影像Figure 3 Forward panchromatic image and its registrated MS image

圖4 后視全色和配準(zhǔn)的多光譜影像Figure 4 Backward panchromatic image and its registrated MS image

圖5 融合影像Figur e 5 Fusion images

圖6 彩色核線影像Figure 6 Color epipolar images

圖7 全色核線影像Figur e 7 Panchromatic epipolar images

表1 前視融合影像評價結(jié)果Table 1 Objective evaluation results of the fused forward image

表2 后視融合影像客觀評價結(jié)果Table 2 Objective evaluation results of the fused backward image

從圖5中可以看出：與原始多光譜影像相比，Pansharpening融合后的影像空間分辨率明顯提高，說明融合影像在保持光譜特征的同時，增加了許多空間細(xì)節(jié)信息.表1和2列出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Pansharpening融合影像與原多光譜各波段的相關(guān)系數(shù)均大于0.84.可見Pansharpening融合方法充分考慮了資源三號傳感器的特性，計算過程簡單，光譜扭曲小，融合效果好.

表3 ZY-3彩色核線立體像對上同名像點(diǎn)的坐標(biāo)及其上下視差Table 3 Coordinates comparison of conjugate points on the generate ZY-3 color

圖6中前、后視的核線影像可以直接看到彩色立體，同時核線影像具有與全色影像相同的空間分辨力，表3和4列出的試驗(yàn)結(jié)果表明，彩色核線影像上參與檢驗(yàn)的同名像點(diǎn)的上下視差全都在一個全色像素范圍內(nèi)，具有與全色立體影像相同的量測性能，滿足立體觀測的精度要求.由于本次試驗(yàn)所選取的區(qū)域在前、后視重疊區(qū)域內(nèi)，試驗(yàn)影像重疊度較大，故得到的左右視差相對較小.若以整景影像為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則左右視差較大.試驗(yàn)得到的彩色核線影像具有更豐富的色彩信息，更易于準(zhǔn)確判讀并解譯地面目標(biāo)，確定地物屬性；更利于地圖測繪和地圖更新.

表4 ZY-3全色核線立體像對上同名像點(diǎn)的坐標(biāo)及其上下視差Table 4 Coordinates comparison of conjugate points on the generate ZY-3 panchromatic epipolar stereo-imagery

4 結(jié)語

針對資源三號衛(wèi)星影像的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于融合的高分辨率彩色核線影像生成，取得了令人滿意的結(jié)果.在彩色核線影像上進(jìn)行立體觀測時，不僅與左右全色立體影像具有同樣的觀測精度，而且更易于直接判讀并解譯目標(biāo)，更利于地圖測繪和地圖更新.具有處理簡單、立體效果好、易于立體解譯的優(yōu)點(diǎn).

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