江 威， 何國(guó)金， 劉慧嬋， 龍騰飛， 王 威， 鄭守住， 馬肖肖

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,三亞 572029； 4.三亞中科遙感研究所,三亞 572029； 5.同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海 200092)

高分一號(hào)衛(wèi)星WFV影像全國(guó)陸地鑲嵌與制圖技術(shù)研究

江 威1,2， 何國(guó)金1,3,4， 劉慧嬋1,3,4， 龍騰飛1,3,4， 王 威1， 鄭守住5， 馬肖肖1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,三亞 572029； 4.三亞中科遙感研究所,三亞 572029； 5.同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海 200092)

高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星是我國(guó)高空間分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)中的首顆衛(wèi)星，目前已正常運(yùn)行4 a多，為全國(guó)中、高空間分辨率影像鑲嵌提供了豐富的數(shù)據(jù)源。針對(duì)GF-1多光譜寬幅覆蓋(wide field of view,WFV)影像特點(diǎn)，制定了影像處理的技術(shù)流程，主要包括數(shù)據(jù)選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)解決大幅寬影像高精度幾何定位問(wèn)題； 在選取高質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，自動(dòng)采集控制點(diǎn)，控制點(diǎn)均方根誤差(root mean square error,RMSE)不大于1個(gè)像元，平均每景影像中控制點(diǎn)數(shù)量為54個(gè)； 應(yīng)用有理函數(shù)模型(rational function model,RFM)對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，然后進(jìn)行色調(diào)調(diào)整和鑲嵌處理，制作全國(guó)1∶500萬(wàn)比例尺陸地衛(wèi)星影像專題地圖。鑲嵌結(jié)果具有空間精度高、地物色彩豐富和時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)。所采用的技術(shù)流程和方法可為高分系列衛(wèi)星全國(guó)鑲嵌制圖提供參考，同時(shí)也將促進(jìn)國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星在全國(guó)重大資源環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用推廣。

高分一號(hào)； WFV影像； 遙感數(shù)據(jù)加工； 正射糾正； 鑲嵌制圖

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類獲取地球表層動(dòng)態(tài)信息的能力進(jìn)一步加強(qiáng)，遙感數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)和能力得到了全面提升[1]。近年來(lái)，遙感數(shù)據(jù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛，尤其在大范圍資源環(huán)境調(diào)查中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在全球環(huán)境變化的大背景下，我國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了如土地利用、水資源、森林資源和生態(tài)環(huán)境評(píng)估等項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的開(kāi)展都依賴于全國(guó)中、高空間分辨率遙感衛(wèi)星鑲嵌數(shù)據(jù)[2]。針對(duì)中國(guó)區(qū)域范圍，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所依據(jù)所接收的Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，已發(fā)布了4期(2000年、2005年、2010年和2014年)全國(guó)鑲嵌產(chǎn)品[3]； 國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星方面有利用北京一號(hào)[4]和中巴資源一號(hào)(CBERS-1)衛(wèi)星[5]影像制作的全國(guó)鑲嵌數(shù)據(jù)。我國(guó)自2010年全面啟動(dòng)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)以來(lái)，接連發(fā)射的高分一號(hào)(GF-1)和高分二號(hào)(GF-2)衛(wèi)星，為我國(guó)中、高空間分辨率衛(wèi)星鑲嵌產(chǎn)品提供了豐富、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。GF-1衛(wèi)星搭載由4臺(tái)相機(jī)組成的寬幅覆蓋(wide field of view，WFV)成像儀，獲取的衛(wèi)星影像幅寬大、時(shí)間分辨率較高，目前已應(yīng)用于土地覆蓋調(diào)查[6]、氣溶膠反演[7]、水質(zhì)監(jiān)測(cè)[8]、精細(xì)農(nóng)業(yè)調(diào)查[9]和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)[10]等方面，在精細(xì)化和定量化遙感監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了積極作用[11]。因此，開(kāi)展GF-1衛(wèi)星WFV影像鑲嵌技術(shù)研究，制作全國(guó)陸地影像鑲嵌圖，不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且對(duì)建立全國(guó)資源環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫(kù)、拓展國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍具有重要意義。

本文針對(duì)GF-1衛(wèi)星WFV影像幅寬大且重疊率高等特點(diǎn)，提出全國(guó)陸地鑲嵌與制圖整體技術(shù)流程，對(duì)數(shù)據(jù)選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)解決大幅寬影像高精度幾何定位問(wèn)題，以保證鑲嵌制圖具有較高的空間精度。該處理技術(shù)可為高分系列衛(wèi)星影像的全國(guó)鑲嵌提供參考。

1 數(shù)據(jù)源

GF-1衛(wèi)星于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)中的首顆衛(wèi)星[11]。GF-1衛(wèi)星WFV傳感器的主要載荷技術(shù)指標(biāo)如表1[12]。

表1 GF-1衛(wèi)星WFV傳感器主要載荷技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main payload indexes of WFV sensor of GF-1

目前，GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)由中國(guó)衛(wèi)星資源應(yīng)用中心負(fù)責(zé)分發(fā)，下載WFV數(shù)據(jù)為1A級(jí)。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析、均一化輻射校正、去噪、傳遞函數(shù)補(bǔ)償(modulation transfer function compensation，MTFC)、CCD拼接和波段配準(zhǔn)等處理。下載數(shù)據(jù)文件中包含縮略圖、有理函數(shù)系數(shù)(rational polynomial coefficients，RPC)文件、原始數(shù)據(jù)以及影像元數(shù)據(jù)4種類型文件[12]。

與中空間分辨率Landsat系列衛(wèi)星影像相比，WFV傳感器由4臺(tái)相機(jī)組成，幅寬達(dá)800 km，遠(yuǎn)大于Landsat 8 衛(wèi)星影像的幅寬(185 km)。另外，由于衛(wèi)星重返軌道不穩(wěn)定，WFV影像之間的重疊率較高，衛(wèi)星發(fā)射后的1 a多時(shí)間里，我國(guó)部分區(qū)域就已經(jīng)有了5景重疊影像。

2 技術(shù)方法

2.1 技術(shù)流程

針對(duì)WFV影像幅寬大且重疊率高的特點(diǎn)，制定了全國(guó)影像鑲嵌的總體流程(圖1)，關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖，流程中重點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行高精度幾何糾正(包含控制點(diǎn)采集、平差和正射糾正3個(gè)步驟)。

圖1 WFV影像全國(guó)鑲嵌與制圖技術(shù)流程Fig.1 Technical process of China’s digital mosaicking and mapping with GF-1 WFV images

2.2 數(shù)據(jù)選取

為保證全國(guó)影像的幾何糾正精度和鑲嵌質(zhì)量，本文選取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包括全國(guó)GF-1 WFV原始影像、全國(guó)30 m空間分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)和全國(guó)15 m空間分辨率Landsat8全色參考影像。本文行政界限按照國(guó)家測(cè)繪地理信息局2002年版全國(guó)1∶100萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)矢量數(shù)據(jù)繪制。

選擇2014年6—8月獲取的GF-1 WFV原始影像數(shù)據(jù)，部分影像缺失區(qū)域采用鄰近時(shí)相的影像補(bǔ)充。該時(shí)段內(nèi)的影像大多色彩豐富且地物層次分明。數(shù)據(jù)選擇要求[4-5,13]如下： ①影像中云量在10%以下，優(yōu)先選擇晴空無(wú)云影像； ②影像沒(méi)有缺失掃描行、條帶、噪聲和異常像元值； ③選擇圖像清晰、地物層次分明和色調(diào)一致的影像； ④鄰近區(qū)域優(yōu)選選擇成像時(shí)間相近的影像(北方優(yōu)先選擇8月份獲取的影像，南方優(yōu)先選擇6月份獲取的影像，以減少南、北方影像的色彩差異)。

根據(jù)以上要求下載數(shù)據(jù)，選取覆蓋中國(guó)陸地及周邊海域共697景GF-1 WFV影像。

2.3 幾何糾正

2.3.1 控制點(diǎn)采集

為減少地面控制點(diǎn)(ground control point，GCP)采集的時(shí)間，GCP采集搜索范圍為50像素×50像素，采用頻率域相位相關(guān)匹配法自動(dòng)采集控制點(diǎn); 每景影像中GCP均勻分布，在缺少GCP的區(qū)域，手動(dòng)增加GCP。全國(guó)697景影像共自動(dòng)采集38 369個(gè)GCP，平均每景影像采集54個(gè)。每景影像的X和Y方向均方根誤差(root mean square error,RMSE)散點(diǎn)圖如圖2(a)所示，X和Y方向最大RMSE均不高于0.8個(gè)像素，RMSE不高于0.5個(gè)像素的影像所占比例為87.23%。每景影像總RMSE和GCP數(shù)量散點(diǎn)圖如2(b)所示，總RMSE平均值為0.53個(gè)像素，僅有7景影像總RMSE高于1個(gè)像素，其余均滿足1個(gè)像素要求。GCP數(shù)不低于20個(gè)的影像占總影像數(shù)的82.41%，大部分影像的GCP數(shù)量都能滿足要求。

(a)X和Y方向RMSE散點(diǎn)圖 (b) 總RMSE和GCP數(shù)量散點(diǎn)圖

圖2影像控制點(diǎn)RMSE和GCP數(shù)量散點(diǎn)圖

Fig.2ScattersofRMSEandnumberofGCP

2.3.2 平差

平差是針對(duì)輸入影像進(jìn)行連接點(diǎn)采集，對(duì)采集的連接點(diǎn)和GCP進(jìn)行優(yōu)化，以滿足精度需求，然后優(yōu)化每景影像的有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)。數(shù)學(xué)模型采用2階RFM，連接點(diǎn)搜索半徑設(shè)置為50個(gè)像素，匹配算法為頻率域相位相關(guān)[14-15]匹配法。

2.3.3 正射糾正

衛(wèi)星在成像過(guò)程中受到大氣折射、地表曲率和地形起伏等諸多因素影響，導(dǎo)致影像發(fā)生幾何形變； 正射糾正的目的是消除幾何形變的影響，將原始影像像素位置關(guān)聯(lián)到地表實(shí)際空間位置[16]。采用目前通用的RFM進(jìn)行正射糾正，該模型形式簡(jiǎn)單，能夠?qū)⒌孛纥c(diǎn)空間坐標(biāo)(X,Y,Z)與對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)(r,c)用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來(lái)[ 17]，即

(1)

式中: (rn，cn)和(Xn，Yn，Zn)分別為像素坐標(biāo)(r，c)和地面坐標(biāo)(X，Y，Z)經(jīng)平移和縮放后的正則化坐標(biāo); P1,P2,P3和P4均為系數(shù)。

利用選取的GCP、連接點(diǎn)和DEM提高RPC的求解精度，從而實(shí)現(xiàn)高精度影像正射糾正。為便于后續(xù)的鑲嵌處理，將正射糾正后的影像統(tǒng)一輸出為WGS84橢球體經(jīng)緯度。正射糾正效果對(duì)比見(jiàn)圖3。

(a) 原始影像 (b) 正射影像

圖3影像正射校正效果

Fig.3Effectofortho-rectificationofimage

為說(shuō)明影像接邊效果，選取左右和上下2種影像鄰接方式(圖4)進(jìn)行比較。

(a) 左右鄰接影像 (b) 上下鄰接影像

圖4鄰接影像效果

Fig.4Effectofadjacentimages

從圖4可以看出，左右和上下鄰接影像接邊處的地物空間位置均能較好地保持一致，說(shuō)明影像之間具有較高的接邊精度。

2.4 勻色鑲嵌

勻色鑲嵌是全國(guó)影像制圖的關(guān)鍵步驟，直接影響制圖的美觀性和可讀性。盡管選取了獲取時(shí)相相近的影像，但因成像條件不同，影像之間仍然會(huì)存在較大的色調(diào)差異； 因此，需對(duì)部分影像進(jìn)行勻色調(diào)整，使全國(guó)影像色調(diào)能夠保持和諧統(tǒng)一。以往在勻色鑲嵌前多需要進(jìn)行分塊處理，在全國(guó)影像鑲嵌時(shí)還需要進(jìn)一步拼接，處理流程復(fù)雜。為提高制圖效率，本文將全國(guó)范圍內(nèi)所有影像進(jìn)行一次性整體鑲嵌處理，主要包括色調(diào)調(diào)整和影像鑲嵌。

2.4.1 色調(diào)調(diào)整

色調(diào)調(diào)整前，影像的波段組合選擇為Band3(R)Band4(G)Band 2(B)。該波段組合的假彩色合成影像中，地物層次清晰，色彩飽和度較高。色調(diào)調(diào)整時(shí)，首先需要選定基準(zhǔn)影像，基準(zhǔn)影像應(yīng)滿足色度、亮度和對(duì)比度適中，影像內(nèi)地物細(xì)節(jié)清晰的要求； 然后以基準(zhǔn)影像為參考，采用擴(kuò)散聯(lián)調(diào)策略[4]調(diào)整相鄰影像的色調(diào)，局部地區(qū)色調(diào)調(diào)整前、后的對(duì)比效果見(jiàn)圖5。

(a) 調(diào)整前 (b) 調(diào)整后

圖5影像色調(diào)調(diào)整前后對(duì)比

Fig.5Contrasteffectofimagesbeforeandaftercoloradjustment

2.4.2 影像鑲嵌

影像鑲嵌前、后效果如圖6所示。

(a) 鑲嵌前影像 (b) 鑲嵌后影像

圖6影像鑲嵌效果示意圖(華東地區(qū)部分)

Fig.6Imagemosaicmap(EastChinaregion)

在完成色調(diào)調(diào)整，所有影像的色調(diào)總體接近的基礎(chǔ)上，根據(jù)影像地理坐標(biāo)位置進(jìn)行影像的拼接。影像拼接最重要是根據(jù)地物特征尋找拼接線，使重疊區(qū)域過(guò)渡和諧，達(dá)到無(wú)縫均勻過(guò)渡的效果。鑲嵌后影像整體色調(diào)均勻，植被色彩豐富，并與沙漠地區(qū)過(guò)渡均勻，表明取得了較好的鑲嵌效果。

2.5 圖面整飾

與普通專題地圖相比，遙感影像圖具有豐富的地物信息，清晰易讀，能夠展示出影像與地圖的雙重優(yōu)勢(shì)。基于已完成勻色鑲嵌的全國(guó)遙感影像圖，在制作全國(guó)影像鑲嵌圖前，需要根據(jù)行政邊界對(duì)鑲嵌影像進(jìn)行裁剪； 然后將投影轉(zhuǎn)換為等面積割圓錐投影，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線設(shè)定為25°N和47°N，中央經(jīng)線為105°E。影像圖圖面整飾主要包括比例尺設(shè)計(jì)、圖文標(biāo)注與整飾和制圖3個(gè)方面。

2.5.1 比例尺設(shè)計(jì)

比例尺是對(duì)地理空間描述詳細(xì)程度的表示，受遙感影像空間分辨率、幾何精度以及制圖大小等因素的限制[13]。GF-1衛(wèi)星WFV影像的空間分辨率為16 m，可滿足1∶5萬(wàn)比例尺衛(wèi)星遙感影像圖的制作要求，對(duì)于局部地區(qū)影像幾何精度較低的情況，可采用1∶10萬(wàn)比例尺制圖?？紤]到使用的方便，全國(guó)陸地區(qū)域衛(wèi)星遙感影像采用1∶500萬(wàn)比例尺進(jìn)行制圖。

2.5.2 圖文標(biāo)注與整飾

完整實(shí)用的影像圖需要進(jìn)行圖文標(biāo)注與整飾，主要包括添加注記、行政邊界、比例尺和影像說(shuō)明等要素。

2.5.3 影像鑲嵌圖制作

根據(jù)設(shè)計(jì)好的比例尺和圖幅要求，利用ArcGIS 10.1軟件進(jìn)行影像鑲嵌圖制圖，添加相關(guān)地理要素； 然后使用Photoshop軟件進(jìn)行修飾，圖件輸出分辨率為300 dpi(圖7)。

圖7 全國(guó)GF-1衛(wèi)星WFV影像鑲嵌圖(陸地部分)Fig.7 GF-1 WFV image mosaic map of China (land part)(審圖號(hào)： GS(2017)534號(hào)，行政邊界均來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪地理信息局2002年版全國(guó)1∶100萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù))

3 結(jié)論

國(guó)產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)并將繼續(xù)在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。本文針對(duì)GF-1衛(wèi)星WFV影像幅寬大和重疊率高的特點(diǎn)，重點(diǎn)解決了影像高精度幾何糾正問(wèn)題，制定了全國(guó)影像處理技術(shù)流程，并對(duì)影像選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，完成了全國(guó)陸地1∶500萬(wàn)比例尺GF-1衛(wèi)星WFV影像鑲嵌圖。該圖具備色彩豐富、地物層次感強(qiáng)、空間精度高和時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，該技術(shù)流程可為全國(guó)區(qū)域范圍內(nèi)高分系列衛(wèi)星影像鑲嵌制圖提供有益參考。

需要改進(jìn)的技術(shù)問(wèn)題有：

1)雖然本次全國(guó)鑲嵌圖取得了較好效果，但仍存在某些問(wèn)題需要進(jìn)一步改善，例如單景影像采集控制點(diǎn)較多，存在控制點(diǎn)采集時(shí)間長(zhǎng)、控制點(diǎn)數(shù)冗余等問(wèn)題，今后還需要優(yōu)化控制點(diǎn)采集策略，在保證幾何糾正精度的前提下減少控制點(diǎn)采集時(shí)間。

2)在色調(diào)調(diào)整中，基準(zhǔn)影像的色調(diào)主要靠主觀視覺(jué)調(diào)整，而周圍影像的色調(diào)調(diào)整則需要較多的人工干預(yù)，如何建立自適應(yīng)的色彩調(diào)整策略也有待進(jìn)一步研究。

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ResearchonChina’slandimagemosaickingandmappingtechnologybasedonGF-1satelliteWFVdata

JINAG Wei1,2， HE Guojin1,3,4， LIU Huichan1,3,4， LONG Tengfei1,3,4，WANG Wei1， ZHENG Shouzhu5， MA Xiaoxiao1,2

(1.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，ChineseAcademyofSciences，Beijing100094，China； 2.UniversityoftheChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China； 3.KeyLaboratoryofEarthObservationHainanProvince，Sanya572029，China；4.SanyaInstituteofRemoteSensing，Sanya572029，China； 5.CollegeofSurveyingandGeo-informatics，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)

GF-1 is the first satellite in the major projects of high resolution observation system in China. It has provided abundant data for high and moderate spatial resolution image mosaicking for more than four years since its launching. The process of image mosaicking was based on the characteristics of the wide field of view (WFV)images of GF-1，including four key techniques i.e., data selection, geometric rectification, color adjustment, image mosaicking and mapping. The high precision geometric positioning of wide image is the key technology. After high quality data selection, ground control points (GCPs) were collected automatically. The root mean square error(RMSE)of each image should be less than 1 pixel with the average number of GCPs being 54. Then rational function model(RFM)was applied to the images for ortho-rectification. The 1: 5 000 000 national land image map was completed after color adjustment and mosaicking. This map has high spatial accuracy, colored pixels and temporal resolution. The method proposed in this paper could provide an important reference for the series of GF satellites image mosaicking and mapping, and would promote the domestic satellites to play a greater role in investigation of major resources and environment in China.

GF-1； WFV image； remote sensing image processing； ortho-rectification； mosaic mapping

10.6046/gtzyyg.2017.04.29

江威，何國(guó)金，劉慧嬋,等.高分一號(hào)衛(wèi)星WFV影像全國(guó)陸地鑲嵌與制圖技術(shù)研究[J].國(guó)土資源遙感，2017，29(4)：190-196.(Jiang W,He G J,Liu H C,et al.Research on China’s land image mosaicking and mapping technology based on GF-1 satellite WFV data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4)：190-196.)

TP 751.1

A

1001-070X(2017)04-0190-07

2016-04-27；

2016-08-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃全球變化及應(yīng)對(duì)專項(xiàng)課題項(xiàng)目“大尺度全球變化數(shù)據(jù)產(chǎn)品快速生成方法”(編號(hào)： 2016YFA0600302)、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目“海南省遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用示范”(編號(hào)： ZDKJ2016021)和海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目“新型海洋信息感知關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研發(fā)”(編號(hào)： ZDKJ2016015)共同資助。

江 威(1991-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)檫b感圖像處理與夜光遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用。Email： jiangweifz@163.com。

何國(guó)金(1968-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事遙感信息挖掘與智能處理等研究。Email： hegj@radi.ac.cn。

(責(zé)任編輯：張仙)