余詠勝，彭艷麗，秦思嫻，傅曉俊，魏 翔

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022；2.武漢市規(guī)劃研究院，湖北 武漢430014）

武漢市地理國情普查中高分辨率遙感影像的處理

余詠勝1，彭艷麗2，秦思嫻1，傅曉俊1，魏 翔1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022；2.武漢市規(guī)劃研究院，湖北 武漢430014）

以武漢市地理國情普查為例，針對標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)下發(fā)影像數(shù)據(jù)處理存在的問題，構(gòu)建了一套國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理流程，提出了基于局部幾何糾正的精度處理方法和基于影像融合的勻色處理方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法提高了核準(zhǔn)影像的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，為國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像的處理和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

地理國情普查；國產(chǎn)高分辨率影像；局部幾何糾正；融合；勻色；鑲嵌

地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)以最新的遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，在已有地理國情普查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，輔助其他相關(guān)資料，核準(zhǔn)地表覆蓋與地理要素的空間分布與屬性變化信息，準(zhǔn)確反映各地區(qū)地理國情在時點(diǎn)范圍內(nèi)的實(shí)際情況。武漢市第一次地理國情普查的標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)為

2015- 06- 30，標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)所需遙感影像數(shù)據(jù)由湖北省第一次地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室（下文簡稱“省普辦”）統(tǒng)一下發(fā)，其數(shù)據(jù)源主要為國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)需生產(chǎn)單位處理后才能應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)生產(chǎn)。遙感影像數(shù)據(jù)的處理效果與精度直接影響標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)時人工判讀的精度與準(zhǔn)確性。如何快速、準(zhǔn)確完成武漢市域范圍遙感影像處理是數(shù)據(jù)生產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

本文結(jié)合“省普辦”下發(fā)的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像特點(diǎn)，總結(jié)了武漢市標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像處理存在的問題，構(gòu)建了一套針對國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)處理流程，并通過以下方法保證影像成果的準(zhǔn)確性與可靠性：①通過基于局部幾何糾正的方法控制遙感影像的平面精度，提高作業(yè)靈活性；②通過數(shù)據(jù)篩選、裁切、波段與色深處理等方法合理控制影像數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理效率；③ 通過基于數(shù)據(jù)融合的勻色處理方法保證不同衛(wèi)星、不同時相的高分辨率衛(wèi)星影像的輻射一致性。實(shí)際生產(chǎn)工作證明，本文方法能夠在滿足標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像處理要求的前提下，快速、高效地完成遙感影像處理工作。

1 問題分析

“省普辦”下發(fā)的衛(wèi)星影像共199景，總數(shù)據(jù)量為456 GB，包括高分1號、天繪1號、資源3號等多種高分辨率衛(wèi)星遙感影像，數(shù)據(jù)獲取時間跨度為2014年12月～2015年4月，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過初步的幾何糾正、輻射校正和數(shù)據(jù)融合等處理，坐標(biāo)系統(tǒng)為2000國家大地坐標(biāo)系。當(dāng)前面臨的主要問題與技術(shù)難點(diǎn)包括：

1）遙感影像數(shù)據(jù)源種類多樣，影像獲取時間跨度較大，影像數(shù)據(jù)16 bit與8 bit色深并存，不同區(qū)域、不同時相間的影像色差較大；

2）影像數(shù)據(jù)冗余量大，單景影像數(shù)據(jù)量和總影像數(shù)據(jù)量龐大，影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度與效率；

3）下發(fā)的影像數(shù)據(jù)部分區(qū)域存在精度超限，需要進(jìn)行幾何糾正處理后才能用于數(shù)據(jù)生產(chǎn)；

4）下發(fā)的影像數(shù)據(jù)投影信息不一致，給后續(xù)數(shù)據(jù)處理造成一定的影響。

2 處理流程與關(guān)鍵步驟

2.1 標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像處理流程

標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)遙感影像數(shù)據(jù)處理是以地理國情普查所使用的高分辨率航空影像和衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)，對下發(fā)的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行篩選和平面精度檢查，確定所使用的影像和圖面精度超限區(qū)域，并對該區(qū)域影像進(jìn)行幾何糾正；然后對滿足精度要求的糾正影像進(jìn)行裁切、波段和色深處理，生成中間影像成果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單景勻色和整體色彩處理、投影變換及拼接鑲嵌，最后按數(shù)據(jù)分幅要求對遙感影像進(jìn)行裁切，得到最終的影像成果。

遙感影像處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于影像的幾何糾正和勻色處理，為此，本文通過基于局部幾何糾正的方法控制遙感影像的平面精度，通過基于數(shù)據(jù)融合的勻色處理方法保證遙感影像的圖面勻色質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)遙感影像數(shù)據(jù)處理的主要流程如圖1所示。

2.2 基于局部幾何糾正的精度處理

為滿足武漢市地理國情標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)要求，根據(jù)“全面覆蓋、時相最新”的原則對下發(fā)的遙感影像數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，共篩選19景遙感影像，其中高分1號14景、天繪1號3景、資源3號2景。該數(shù)據(jù)根據(jù)地面控制點(diǎn)和10 m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正，經(jīng)融合處理后按景重采樣為2 m分辨率的影像數(shù)據(jù)。為核實(shí)數(shù)據(jù)源的平面精度，本文利用地理國情普查所使用0.2 m航空影像和0.5 m衛(wèi)星影像對該19景影像進(jìn)行了套合檢查，確定影像內(nèi)部可能存在的變形和精度超限區(qū)域。經(jīng)核查，共發(fā)現(xiàn)精度超限區(qū)域30處，主要集中于黃陂區(qū)北部、蔡甸區(qū)西部和江夏區(qū)南部，大部分問題區(qū)域面積不足1 km2、精度超限5～8 m，其中江夏南部部分區(qū)域精度超限達(dá)12～20 m。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)遙感影像數(shù)據(jù)處理流程

由于現(xiàn)有影像數(shù)據(jù)源已經(jīng)消除了大部分系統(tǒng)誤差和幾何變形，再利用控制點(diǎn)和DEM資料對整景影像進(jìn)行幾何糾正難以取得較好處理效果[1-3]，本文采用局部多項(xiàng)式糾正方法進(jìn)行處理。因源影像數(shù)據(jù)分辨率為2 m，直接采用1：2 000等大比例尺地形圖數(shù)據(jù)或像控點(diǎn)資料進(jìn)行糾正處理，精度冗余較大且會降低工作效率，為此，本文將地理國情普查影像數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)影像，對精度超限區(qū)域影像進(jìn)行二次多項(xiàng)式糾正處理，單幅影像糾正的控制點(diǎn)數(shù)量一般為15～20個。

影像幾何糾正在ArcGIS環(huán)境下完成，利用GeoReferencing工具進(jìn)行控制點(diǎn)輸入和影像糾正，通過卷簾方式實(shí)時查看影像糾正效果，以便根據(jù)需要增加或刪除控制點(diǎn)。為防止糾正影像邊緣變形影響接邊質(zhì)量，糾正時需要在影像邊緣選取8～10個控制點(diǎn)以減小局部糾正區(qū)域影像邊緣的幾何變形。幾何糾正后的影像直接替換原始影像的對應(yīng)區(qū)域，生成整景的16 bit糾正影像成果。

2.3 基于影像融合的勻色處理

標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)的勻色處理是本文的重要內(nèi)容，直接影響最終影像成果的圖面質(zhì)量和整體效果。由于現(xiàn)有高分辨率衛(wèi)星影像覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)量大、影像間重疊度高，導(dǎo)致后續(xù)影像勻色處理效率低下，如高分1號、天繪1號、資源3號單景數(shù)據(jù)量分別為2.2 GB、5.3 GB和7.5 GB。天繪1號與相鄰影像間重疊度達(dá)80%，且部分?jǐn)?shù)據(jù)超出武漢市域范圍，影像實(shí)際利用率不足10%。為此，本文通過裁切、波段和色深處理等手段對糾正后的遙感影像進(jìn)行整理和預(yù)處理，有效控制影像數(shù)據(jù)量。首先根據(jù)圖幅結(jié)合表對影像有效范圍進(jìn)行裁切，減小單景影像數(shù)據(jù)量?？紤]到原始影像有4個波段，成果影像僅需要三波段真彩色數(shù)據(jù)，需要將裁切后的糾正影像按R=3、G=2、B=1的波段順序輸出。原始影像中只有天繪1號為8 bit數(shù)據(jù)，高分1號和資源3號均為16 bit數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，高分1號影像的灰度值范圍為R∈[38，100]、G∈[30，110]、B∈[20，105]，資源3號影像的灰度值范圍為R∈[50，130]、G∈[40，130]、B∈[40，140]，因此高分1號和資源3號影像可以直接截取低8 bit數(shù)據(jù)作為灰度值輸出范圍。

不同數(shù)據(jù)源影像在色彩和亮度上存在較大差異，采用常規(guī)勻色軟件（ImagePro、OrthoVista等）難以取得較好的效果，Photoshop圖像處理功能強(qiáng)大，但數(shù)據(jù)量超過2 GB后處理效率較低[4-6]。針對這些問題，本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)融合的影像勻色方法，其基本原理是：對經(jīng)過預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，得到較粗分辨率的多光譜影像M，同時對預(yù)處理影像進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，得到相同分辨率的全色影像G；在此基礎(chǔ)上對影像M進(jìn)行勻色處理，得到符合色彩質(zhì)量要求的影像，再將影像M與G進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到最后成果影像。該方法能夠在保證影像分辨率的情況下，將影像數(shù)據(jù)量控制在可操作范圍。

對于多光譜影像M，為了在影像融合效果和數(shù)據(jù)量大小之間取得平衡，本文分別在6 m、8 m、10 m、12 m和14 m等5種分辨率下進(jìn)行重采樣和融合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：將遙感影像重采樣至8 m時，能夠在保證融合效果的前提下，有效減少影像數(shù)據(jù)量。對于全色影像G，本文通過Lab色彩模式變換將影像的明度與色彩分離，提取明度通道作為全色影像的輸出結(jié)果，能夠有效保留原始影像信息。為了得到最佳的影像融合效果，本文選取了3種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法進(jìn)行了影像數(shù)據(jù)融合實(shí)驗(yàn)，并對比影像融合前后的效果，如圖2所示。圖2a為影像融合前8 m分辨率的遙感影像；圖2b中PCA法融合后能夠較好地保持影像的光譜特征，同時空間分辨率接近于原始的灰度影像；圖2c中Wavelet法融合后空間分辨率沒有得到有效提高，圖2d中Brovey法融合后光譜信息發(fā)生較明顯改變，色彩亮度和飽和度明顯降低。通過比較可以看出，基于PCA算法在本文影像融合處理中明顯優(yōu)于其他兩種融合方法。

圖2 影像融合前后效果比較

2.4 影像拼接鑲嵌和成果輸出

標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像的拼接鑲嵌是將整體勻色后的遙感影像進(jìn)行拼接，形成一幅色彩均衡的無縫鑲嵌影像[7]。由于勻色影像繼承了原始影像的投影信息，即CGCS2000、6°分帶第19帶和20帶，現(xiàn)有的影像鑲嵌軟件不能識別該投影信息，直接載入不同分帶的影像數(shù)據(jù)會產(chǎn)生坐標(biāo)偏移，因此必須根據(jù)需要進(jìn)行換帶計(jì)算，將影像坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至CGCS2000、3°分帶第38帶。換帶計(jì)算通常采用高斯正算、反算公式進(jìn)行處理，ArcGIS 10之后的版本可以直接支持CGCS2000投影坐標(biāo)系，通過ArcToolbox工具箱中提供的Projection工具實(shí)現(xiàn)影像的批量換帶計(jì)算處理[8]。

本文影像拼接鑲嵌工作采用德國Inpho軟件的OrthoVista模塊完成，該軟件在多源影像數(shù)據(jù)的勻色、拼接鑲嵌及海量數(shù)據(jù)處理等方面效率較高，滿足遙感影像快速拼接鑲嵌的生產(chǎn)要求。由于遙感影像地面分辨率遠(yuǎn)低于大比例尺航空正射影像，且影像拼接鑲嵌的數(shù)量較少，可以直接采用系統(tǒng)Feature Detection算法完成影像的自動拼接選線，在此基礎(chǔ)上選取時相較新的影像數(shù)據(jù)對拼接線進(jìn)行人工編輯，以滿足鑲嵌影像對于時相的要求。經(jīng)影像套合檢查，該拼接線的選線質(zhì)量完全滿足影像鑲嵌質(zhì)量要求。

原始影像與勻色影像拼接鑲嵌后的影像效果比較如圖3所示，鑲嵌后，相鄰影像間色彩過渡自然、拼接線兩側(cè)影像無縫接邊，鑲嵌影像質(zhì)量滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的要求。影像拼接鑲嵌工作完成后，根據(jù)圖幅結(jié)合表對鑲嵌影像進(jìn)行分幅裁切，生成滿足生產(chǎn)需要的分幅影像數(shù)據(jù)成果。

圖3 原始影像與勻色鑲嵌影像效果比較

2.5 結(jié)果分析

為檢驗(yàn)本文標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)處理成果的質(zhì)量，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，本文以地理國情普查使用的影像數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對全部分幅影像數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了套合檢查。質(zhì)量檢查內(nèi)容主要包括圖像質(zhì)量和平面精度，其他內(nèi)容如數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)范圍、影像分辨率等一般性項(xiàng)目通過程序自動完成。影像數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查采用全人工方式上機(jī)檢查，精度超限區(qū)域和影像拼接線位置是重點(diǎn)核查范圍。經(jīng)目視檢查，影像數(shù)據(jù)整體色彩適中、過渡自然，局部放大后細(xì)節(jié)層次較強(qiáng)、紋理豐富，便于標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)影像解譯的識別和分類；影像數(shù)據(jù)平面精度按景進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其檢查情況如表1所示，該結(jié)果表明，影像成果整體套合誤差不超過3個像素（6 m），滿足標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)影像處理的精度要求。

表1 糾正影像幾何精度檢查表

3 結(jié) 語

本文針對武漢市地理國情普查遙感影像數(shù)據(jù)量大、局部精度超限以及影像間色差較大等問題，設(shè)計(jì)了一套適用于標(biāo)準(zhǔn)時點(diǎn)核準(zhǔn)的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像處理流程，處理成果影像質(zhì)量和平面精度滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需求。與常規(guī)遙感影像數(shù)據(jù)處理方式相比，本文提出的局部糾正方式靈活性高，便于多人同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；基于數(shù)據(jù)融合的勻色處理方法，在保證影像細(xì)節(jié)的前提下有效降低了影像數(shù)據(jù)量，便于控制單景遙感影像色調(diào)和整體影像效果，結(jié)合影像拼接鑲嵌軟件，實(shí)現(xiàn)了影像間色彩的自然過渡，影像成果的質(zhì)量和作業(yè)效率得到了較大提高。生產(chǎn)結(jié)果表明，本文提出的方法為國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理和地理國情普查底圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作探索了一條行之有效的技術(shù)思路。

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P237

B

1672-4623（2016）05-0025-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.008

余詠勝，高級工程師，注冊測繪師，主要從事遙感數(shù)字圖像處理、GIS數(shù)據(jù)應(yīng)用研究與開發(fā)工作。

2015-07-01。

項(xiàng)目來源：精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（PF2013-14）。