張金盈，崔靚，徐鳳玲，王宏昌，林琳

(1.山東省國土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013；2.山東華峰地理信息科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的高速發(fā)展，國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像的獲取能力及影像質(zhì)量大幅度提高，其成果在國土資源普查、土地利用調(diào)查、地理國情監(jiān)測(cè)、地理信息測(cè)繪、自然災(zāi)害與公共安全應(yīng)急響應(yīng)、全球地理信息資源建設(shè)、國防安全建設(shè)等方面有巨大的應(yīng)用效益[1]。遙感影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速處理與高分辨率遙感影像信息提取應(yīng)用是“十四五”測(cè)繪地理信息領(lǐng)域的重要內(nèi)容[2-3]。

國產(chǎn)衛(wèi)星影像相對(duì)國外較成熟的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，處理難度大。影像分辨率大幅度提高使得影像獲取受衛(wèi)星平臺(tái)波動(dòng)影響更大。國產(chǎn)衛(wèi)星影像存在的有理函數(shù)模型(RPC)參數(shù)精度不穩(wěn)定、控制點(diǎn)匹配難度大、空三加密處理無效冗余大等問題。有效解決高分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像處理難的問題，對(duì)于提高國產(chǎn)衛(wèi)星影像的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 國產(chǎn)衛(wèi)星影像及處理平臺(tái)

歐美在傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。繼IKONOS、QuickBird之后，Geoeye、WorldView系列衛(wèi)星成功發(fā)射，全色商用影像空間分辨率達(dá)到0.3m[1]。近幾年，國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星取得突破性進(jìn)展，天繪系列衛(wèi)星、資源三號(hào)衛(wèi)星、高分一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星、北京二號(hào)、高景一號(hào)衛(wèi)星、歐比特系列衛(wèi)星等以不斷提高的影像空間分辨率、逐步增強(qiáng)的影像獲取能力、較好的影像現(xiàn)勢(shì)性等特點(diǎn)逐步打破了國外商業(yè)衛(wèi)星的主導(dǎo)地位，開始廣泛服務(wù)于各行業(yè)用戶[4-6]。海量數(shù)據(jù)、大時(shí)空數(shù)據(jù)、海量計(jì)算等需求對(duì)遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)[7]，出現(xiàn)了包括基于GPU集群、分布式計(jì)算、云計(jì)算平臺(tái)、云格計(jì)算等海量遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[8]。例如，法國空客集團(tuán)的PixelFactory(像素工廠)、加拿大PCI公司的GXL系統(tǒng)；中國武漢大學(xué)張祖勛院士領(lǐng)銜研制的DPGrid、中國測(cè)繪科學(xué)研究院的PixelGrid以及北京吉威時(shí)代軟件公司的CIPS系統(tǒng)等[9-12]。

2 國產(chǎn)衛(wèi)星處理關(guān)鍵技術(shù)流程

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)提供的原始數(shù)據(jù)一般是Level 1級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)和影像的RPC參數(shù)及元數(shù)據(jù)等文件，需要進(jìn)行處理才能得到正射影像成果。處理流程主要包括影像預(yù)處理、空三加密、影像糾正、影像融合、鑲嵌拼接、勻光勻色、數(shù)據(jù)分幅等。

2.1 影像預(yù)處理

主流的商用衛(wèi)星影像處理軟件均采用基于有理函數(shù)模型的區(qū)域網(wǎng)平差的方法。有理函數(shù)模型RFM(Rational Function Model)是利用有理函數(shù)來描述衛(wèi)星影像傳感器模型，采用比值的方式將像點(diǎn)坐標(biāo)和物方點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)[13]。對(duì)于遙感影像，可定義為比值多項(xiàng)式形式的有理函數(shù)模型，將像點(diǎn)坐標(biāo)(Line，Sample)分別表示以對(duì)應(yīng)地面坐標(biāo)(Latitude，Longitude，Height)為自變量的多項(xiàng)式的商，多項(xiàng)式的最高階數(shù)通常為3階。

(1)

式中：Y，X—?dú)w一化像點(diǎn)坐標(biāo);P，L，H—?dú)w一化物方點(diǎn)坐標(biāo);NL,DL,NS,DS—一般多項(xiàng)式。將公式中的地面坐標(biāo)和像點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行歸一化，這樣可以增強(qiáng)參數(shù)求解的穩(wěn)定性。

2.2 基于RMF的區(qū)域網(wǎng)平差

區(qū)域網(wǎng)平差，又稱區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量，是利用少量的地面控制點(diǎn)和像方同名點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出地面上加密點(diǎn)大地坐標(biāo)的方法[14]。衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用線陣推掃方式成像，通常采用一定的模型對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行模擬，然后按照傳統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)平差的方法計(jì)算出影像的定向參數(shù)[15]。由于RPC參數(shù)存在較大的系統(tǒng)性誤差[16]，可以通過像方約束關(guān)系對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以提高定位精度[17]。目前應(yīng)用較為成熟的像方平差模型是仿射變換模型。在影像上定義變換:

(2)

式中:x，y—控制點(diǎn)的像方量測(cè)坐標(biāo);s，l—地面控制點(diǎn)利用RPC投影到影像面的投影值，該仿射變換參數(shù)和RPC模型參數(shù)一起等同嚴(yán)格成像幾何模型的衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)。

2.3 影像正射校正

正射校正通過在像片上選取一些地面控制點(diǎn)，利用該像片范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，消除因傳感器成像側(cè)視角和地形起伏引起的像點(diǎn)位移的誤差，并將影像重采樣成正射影像的過程[18]。

由于糾正后的影像像素陣列中像元坐標(biāo)一般不為整數(shù)，需對(duì)影像進(jìn)行重采樣。重采樣的像素值是根據(jù)其周圍原像素像素值按一定的權(quán)函數(shù)內(nèi)插而來[19]。在實(shí)際應(yīng)用中，最常用的雙線性內(nèi)插法，該法的重采樣函數(shù)是一個(gè)三角形線性函數(shù)：

W(x)=1-(x),0≤│x│≤1

(3)

重采樣點(diǎn)P的灰度值是周圍4個(gè)像元灰度值的距離加權(quán)和：

(4)

2.4 影像融合

遙感影像融合是將空間、時(shí)間、波譜上冗余或者互補(bǔ)的多源遙感數(shù)據(jù)按照一定算法進(jìn)行處理，得到比任何單一數(shù)據(jù)更精確、更豐富的信息，生成具有新的空間、波譜、時(shí)間特征的合成影像數(shù)據(jù)[20]。根據(jù)需要和融合目的選擇合適的融合方法，并在融合過程中對(duì)一系列參數(shù)進(jìn)行選擇?？蓪?duì)不同融合算法進(jìn)行試驗(yàn)比較，對(duì)比后確定最適當(dāng)?shù)娜诤戏椒皡?shù)。

2.5 鑲嵌與輸出

影像融合完成后，經(jīng)過勻光勻色后可進(jìn)入集群鑲嵌線自動(dòng)匹配工序。鑲嵌線自動(dòng)匹配后，就需要人工進(jìn)行干預(yù)，對(duì)自動(dòng)匹配效果不好的鑲嵌線進(jìn)行編輯，避免鑲嵌線橫穿明顯地物。其中建筑區(qū)鑲嵌線人工編輯工作量稍大。鑲嵌線人工編輯完畢，將編輯后的鑲嵌線導(dǎo)入工程中，分幅輸出，即可輸出標(biāo)準(zhǔn)DOM成果。這時(shí)需要對(duì)DOM成果進(jìn)行圖面檢查和修復(fù)，彌補(bǔ)之前工序中個(gè)別無法修復(fù)的圖面問題。

以部分變流器退出運(yùn)行為擾動(dòng),對(duì)本文所提控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖8所示。初始狀態(tài)下無通信故障。

3 優(yōu)化處理方法

根據(jù)上述生產(chǎn)關(guān)鍵生產(chǎn)流程，進(jìn)行以下四方面優(yōu)化方法，主要包括：預(yù)處理優(yōu)化、空三優(yōu)化、DEM數(shù)據(jù)優(yōu)選及成果整理優(yōu)化(圖1)。

圖1 國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像優(yōu)化流程

3.1 預(yù)處理優(yōu)化

從海量多期數(shù)據(jù)中快速篩選無云數(shù)據(jù)、有效時(shí)相并較少冗余的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星影像原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的元數(shù)據(jù)中包含了原始數(shù)據(jù)的許多信息，包括數(shù)據(jù)的文件名、衛(wèi)星名稱、傳感器名稱、云覆蓋量、拍攝日期、軌道號(hào)、景號(hào)等。制定篩選原則，先以影像填充算法[21]進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的快速篩選，然后進(jìn)行有效數(shù)據(jù)自動(dòng)拷貝整理。從無云數(shù)據(jù)中優(yōu)先挑選時(shí)相較新的數(shù)據(jù)，將其覆蓋范圍面從目標(biāo)區(qū)域中去除，最終得到目標(biāo)區(qū)域剩余覆蓋面(圖2)：

圖2 影像填充算法示意圖

3.2 區(qū)域網(wǎng)平差優(yōu)化

根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制提出一種DOM匹配優(yōu)化方法：假設(shè)分塊左上角坐標(biāo)為(X1，Y1)，影像分辨率為R，則分塊右下角坐標(biāo)為(X2，Y2)，不足20000像素分塊按20000像素計(jì)算。其中：

X2=X1+20000*R

Y2=Y1-20000*R

(5)

判斷(X1，Y1)(X2，Y2)是否在待處理影像覆蓋面內(nèi)，若結(jié)果為True，則為有效匹配分塊，若False，則為無效匹配分塊。將結(jié)果為True的子塊文件名列表保存為新的索引文件Ortho.S，將原始索引文件改名為OrthoOriginal.S，然后使用Ortho.S進(jìn)行控制點(diǎn)匹配即可在不增加數(shù)據(jù)冗余的情況下精確化影像匹配范圍。

3.3 DEM數(shù)據(jù)優(yōu)選

在正射校正過程中，利用DEM數(shù)據(jù)的高程信息可以有效消除地形起伏引起的投影誤差。因此，DEM的質(zhì)量必然對(duì)校正結(jié)果有影響。研究發(fā)現(xiàn)，使用高分辨率的DEM進(jìn)行正射糾正反而會(huì)加大橋梁等影像的扭曲變形[21]。

3.3.1 DEM對(duì)正射校正精度影響研究

采用不同分辨率的DEM對(duì)正射校正精度的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將5m分辨率DEM進(jìn)行抽稀得到15m、30mDEM成果，并進(jìn)行正射校正試驗(yàn)分析，并對(duì)試驗(yàn)區(qū)均勻分布的30個(gè)野外控制點(diǎn)對(duì)正射校正影像進(jìn)行精度檢測(cè)，對(duì)比結(jié)果如表1：通過結(jié)果可以看出，在一定分辨率范圍內(nèi)，使用抽稀后DEM進(jìn)行正射校正對(duì)成果精度影響不大。

表1 不同分辨率DEM對(duì)影像數(shù)學(xué)精度結(jié)果

3.3.2 DEM對(duì)正射校正扭曲變形影響

(1)選擇中低分辨率對(duì)正射校正變形影響小。選取5m，15m，30mDEM進(jìn)行正射校正試驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比圖3發(fā)現(xiàn)，在同樣情況下，DEM分辨率越低，成果的變形越少。因此在正射校正時(shí)可以對(duì)DEM進(jìn)行抽稀使用。

圖3 不同分辨率DEM糾正變形

(2)利用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)減少正射校正圖形變形。常規(guī)采用的DEM數(shù)據(jù)中橋梁等人工構(gòu)筑物的高程信息缺失，造成影像中的橋梁等平移和變形。因此嘗試從LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出橋梁等構(gòu)筑物的點(diǎn)云信息并柵格化生成專門的構(gòu)筑物DEM，將橋梁信息補(bǔ)償?shù)紻EM成果中。 利用補(bǔ)償高程值后的DEM對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行糾正處理，生產(chǎn)得到的DOM成果橋梁、高架路等扭曲變形得到有效的解決，成果精度得到較大的改善，減少后期人工圖面修復(fù)的工作圖4。

圖4 精度效果圖

3.4 成果整理優(yōu)選

成果附件的整理也是影像生產(chǎn)工作中的重要一環(huán)，針對(duì)其中較為繁瑣的元數(shù)據(jù)文件的制作、成果目錄的組織以及控制點(diǎn)影像制作等均通過ArcEngine開發(fā)、EXCEL宏工具開發(fā)對(duì)應(yīng)的軟件，減少人工工作量和錯(cuò)誤以提高效率。

4 結(jié)果及分析

以2019年3月—7月期間499景衛(wèi)星數(shù)據(jù)，主要包含高分一號(hào)、高分二號(hào)、北京二號(hào)和資源三號(hào)等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)為例，以新舊2種生產(chǎn)流程進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。最后將2組試驗(yàn)耗時(shí)不同環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)比，得出優(yōu)化效率提升結(jié)果。實(shí)驗(yàn)耗時(shí)對(duì)比如表2：

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從結(jié)果可以看到，采用了該文所設(shè)計(jì)的優(yōu)化處理流程和開發(fā)自動(dòng)處理軟件，大大提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度、減輕了人工工作量，避免了重復(fù)勞動(dòng)造成人為錯(cuò)誤的出現(xiàn)，提高了國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像處理的效率。

5 結(jié)論

從國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像處理的全局角度出發(fā)，設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)生產(chǎn)到成果規(guī)范化整理的全流程優(yōu)化方案，極大提高了處理的自動(dòng)化程度。通過將整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)的整合優(yōu)化，部分解決了制約國產(chǎn)衛(wèi)星影像生產(chǎn)效率的問題，結(jié)果證明得到了較好的效果。優(yōu)化后進(jìn)一步提升了集群式影像處理系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，對(duì)作業(yè)單位產(chǎn)生了較高的生產(chǎn)和社會(huì)效益，高效快速的衛(wèi)星影像處理使得用戶在最短時(shí)間內(nèi)接受到最新的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)。目前該優(yōu)化方案在山東省第三次國土調(diào)查、松線蟲監(jiān)測(cè)防治、冬小麥估產(chǎn)、地理省情監(jiān)測(cè)、天地圖季度衛(wèi)星影像等重點(diǎn)任務(wù)生產(chǎn)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果。