鄭文革，郭 錦，劉鳳君，楊 娜

(1.北京市水土保持工作總站，北京 100036； 2.航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，北京 100195)

1 問(wèn)題的提出

為及時(shí)、全面地反映我國(guó)水土流失狀況，2018年開(kāi)始水利部組織開(kāi)展了全國(guó)水土流失年度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，以全面掌握全國(guó)、各省及重點(diǎn)區(qū)域的水土流失面積和強(qiáng)度變化狀況，為科學(xué)推進(jìn)水土流失綜合防治工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。目前，北京市已完成2018、2019年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，正在2019年工作基礎(chǔ)上繼續(xù)開(kāi)展水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。2020年北京市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作首先是采集用于土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施專題信息提取的遙感影像[1]，并通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理形成各類工作底圖。其中，亞米級(jí)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)主要用于解譯土地利用、水土保持措施等，數(shù)據(jù)源包括高分二號(hào)(GF-2)、北京二號(hào)(BJ-2)等。然后收集2019年項(xiàng)目DOM成果作為基準(zhǔn)影像，并采用已有比例尺不低于1∶5萬(wàn)的DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)國(guó)產(chǎn)遙感圖像處理軟件PIE-Ortho 6.0[2]對(duì)項(xiàng)目所需的高分遙感衛(wèi)星影像進(jìn)行預(yù)處理。

采用 PIE-Ortho 6.0生產(chǎn)DOM的技術(shù)流程(圖1)為：采用PIE-Ortho 6.0流程化地對(duì)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行平差計(jì)算，優(yōu)化影像的原始RPC解算參數(shù)；根據(jù)平差后的影像RPC參數(shù)和已有的DEM數(shù)據(jù)對(duì)原始全色數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正，再以全色正射影像為基準(zhǔn)對(duì)多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)；影像經(jīng)融合、色彩增強(qiáng)后進(jìn)行勻光勻色、鑲嵌線編輯、成果輸出、影像裁切等處理[3-4]，最后制作出整景影像和分幅的正射影像。

圖1 DOM生產(chǎn)技術(shù)流程

按照2020年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的要求，為保證土地利用及水土保持措施變化圖斑解譯精度，同時(shí)確保與2019年成果在空間上的匹配度，將DOM質(zhì)檢精度[5]尤其是山區(qū)控制在5個(gè)像元以內(nèi)。而在DOM實(shí)際生產(chǎn)及質(zhì)檢過(guò)程中會(huì)不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些精度超限的情況[6-9]，本研究主要通過(guò)PIE-Ortho 6.0軟件針對(duì)精度超限的3種情況提出解決方案。

2 GF-2數(shù)據(jù)RPC模型精度問(wèn)題引起的精度超限

2.1 RPC模型精度問(wèn)題導(dǎo)致匹配不到同名點(diǎn)

2020年4月份之后的GF-2數(shù)據(jù)因RPC模型精度問(wèn)題，使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)流程無(wú)控定位后的影像與參考底圖相同位置距離偏差至少有1 000 m以上，使得軟件在進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)位匹配時(shí)，因距離太遠(yuǎn)而無(wú)法找到同名點(diǎn)。由于影像定位精度較差，無(wú)法在項(xiàng)目解譯過(guò)程中使用，因此基于PIE-Ortho 6.0軟件特點(diǎn)，我們提出了一個(gè)半自動(dòng)化的通過(guò)人工添加控制點(diǎn)來(lái)提升RPC模型精度的解決方案。

2.2 精度超限處理方法

在DOM生產(chǎn)過(guò)程中，通常是多源遙感影像同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)，我們?cè)诔Ｓ蒙a(chǎn)流程基礎(chǔ)上，針對(duì)某月份影像問(wèn)題進(jìn)行生產(chǎn)流程的優(yōu)化，具體生產(chǎn)流程見(jiàn)圖2。

圖2 RPC精度超限處理流程

工程創(chuàng)建完成后，在控制點(diǎn)自動(dòng)生成的參數(shù)設(shè)置中，為了盡可能匹配到一定數(shù)量的同名點(diǎn)，需要把搜索半徑調(diào)整到50以上，種子點(diǎn)數(shù)量增加到2 000以上，其他參數(shù)可依據(jù)參考底圖分辨率、DEM數(shù)據(jù)精度等控制資料情況做適當(dāng)調(diào)整。

控制點(diǎn)自動(dòng)匹配完成后，對(duì)控制點(diǎn)數(shù)量、布局等整體情況進(jìn)行質(zhì)檢。篩選出定位精度不符合要求的影像，刪除其自動(dòng)匹配的控制點(diǎn)，再用添加點(diǎn)位工具通過(guò)人工交互添加控制點(diǎn)的方式(全色和多光譜影像均進(jìn)行添加)修正RPC改正參數(shù)，然后根據(jù)新生成較為準(zhǔn)確的RPC模型重新對(duì)全色影像進(jìn)行自動(dòng)匹配控制點(diǎn)。當(dāng)控制點(diǎn)位數(shù)量、分布范圍、殘差等符合要求后，開(kāi)始執(zhí)行流程化處理。

流程化處理步驟主要包括連接點(diǎn)自動(dòng)生成、區(qū)域網(wǎng)平差、配準(zhǔn)點(diǎn)匹配。在點(diǎn)位匹配參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要在“匹配時(shí)使用已有空三結(jié)果”處選擇“是”。為能得到較好的配準(zhǔn)效果，可通過(guò)擴(kuò)大搜索半徑的方式提高尋找同名點(diǎn)的范圍，具體修改位置是在控制點(diǎn)匹配的高級(jí)設(shè)置中調(diào)整搜索半徑。

3 正射影像內(nèi)局部區(qū)域精度超限

3.1 單幅影像正射糾正后與相鄰影像的接邊精度

傳統(tǒng)的基于RPC模型的糾正方法，受到參考底圖內(nèi)部幾何均勻度、原始衛(wèi)星影像自身因素如側(cè)擺角、DEM精度等因素的影響，單幅正射影像局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)精度超限的情況[6-7]。針對(duì)項(xiàng)目中這個(gè)較為常見(jiàn)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用軟件提供的影像局部糾正工具可以很好地解決。影像局部糾正工具可以對(duì)影像之間的相對(duì)精度誤差超限或者影像內(nèi)局部區(qū)域精度超限進(jìn)行糾正，并且能實(shí)時(shí)看到糾正效果。

3.2 精度超限處理方法

對(duì)某月份影像問(wèn)題進(jìn)行生產(chǎn)流程的優(yōu)化，具體生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 正射影像內(nèi)部超限解決方法流程

將待糾正影像與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)同時(shí)加載到影像局部糾正中。在基準(zhǔn)設(shè)置工具中設(shè)置參考影像，其他影像以所選參考影像為基準(zhǔn)進(jìn)行糾正，待糾正影像的糾正區(qū)域與參考影像紋理保持一致。對(duì)待糾正影像進(jìn)行精度檢查，找出精度超限區(qū)域，用變形區(qū)工具圈選出精度超限范圍，在超限范圍內(nèi)手動(dòng)添加控制點(diǎn)，軟件自動(dòng)采用一次多項(xiàng)式的方式進(jìn)行糾正，并實(shí)時(shí)顯示糾正后的效果。添加的控制點(diǎn)數(shù)量越多，影像紋理套合得越準(zhǔn)確。處理前、后對(duì)比如圖4所示。

圖4 處理效果對(duì)比

4 相鄰正射影像接邊引起的精度超限

4.1 單幅影像正射糾正后與相鄰影像的接邊精度

在利用遙感影像制作正射影像的過(guò)程中，由于部分遙感影像內(nèi)部存在畸變或者平差結(jié)果精度一般，可能會(huì)出現(xiàn)單幅影像正射糾正后與區(qū)域相鄰影像的接邊精度較差的情況，因此為滿足項(xiàng)目規(guī)定中的技術(shù)指標(biāo)要求，需要進(jìn)行整體的修改。

4.2 精度超限處理方法

目前PIE-Ortho 6.0修改接邊精度主要有兩種方法：第一種是在影像局部糾正工具中進(jìn)行修改，把一景影像設(shè)置為基準(zhǔn)，其他影像與基準(zhǔn)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配[8]；第二種是基于正射影像自身重新生成RPC模型，然后按照傳統(tǒng)的DOM生產(chǎn)方法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，進(jìn)而得到較為精確的接邊精度。第一種方法比較適用于正射影像兩兩之間的接邊糾正，但當(dāng)進(jìn)行多幅影像之間接邊時(shí)，影像局部糾正工具因無(wú)法靈活設(shè)置基準(zhǔn)影像而無(wú)法進(jìn)行處理，這時(shí)能夠進(jìn)行大規(guī)模接邊精度修改的第二種方法則更為適用。具體生產(chǎn)流程如圖5所示。

圖5 接邊精度超限修改方法生產(chǎn)流程

PIE-Ortho 6.0提供的正射影像生成RPC工具可以對(duì)待糾正影像重新構(gòu)建RPC文件，其原理是以待糾正影像自身為基準(zhǔn)選取大量均勻分布的控制點(diǎn)，然后根據(jù)匹配的控制點(diǎn)生成RPC文件。RPC文件生成后，通過(guò)創(chuàng)建DOM工程把待糾正影像、基準(zhǔn)影像、DEM數(shù)據(jù)加載到工程中，按照常用生產(chǎn)流程匹配連接點(diǎn)并進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。在區(qū)域網(wǎng)平差后，軟件可實(shí)時(shí)顯示糾正成果并對(duì)正射影像接邊精度進(jìn)行質(zhì)檢。若質(zhì)檢合格，即可進(jìn)行影像輸出，若精度不合格，則需人工編輯連接點(diǎn)。在質(zhì)檢過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)定位精度存在超限情況，那么也可以以底圖為基準(zhǔn)生成控制點(diǎn)重新進(jìn)行校正。處理過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 處理過(guò)程示意

5 結(jié) 語(yǔ)

以解決在2020年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)高分遙感影像DOM生產(chǎn)中出現(xiàn)較多的3種精度超限引起的成果質(zhì)量問(wèn)題為研究?jī)?nèi)容，利用PIE-Ortho 6.0軟件對(duì)高分辨率衛(wèi)星遙感影像DOM成果位置偏移現(xiàn)象進(jìn)行精度糾正，并在北京市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目DOM生產(chǎn)過(guò)程中成功應(yīng)用，具有一定的指導(dǎo)意義。實(shí)踐證明，該解決方案簡(jiǎn)單可操作，同時(shí)所采用的PIE-Ortho 6.0遙感圖像軟件功能較全面，精度和效率具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，能有效解決動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中高分辨率影像精度超限引起的成果質(zhì)量問(wèn)題。