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        衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品快視圖地理校正研究

        2022-07-23 06:01:52想,高
        現(xiàn)代測繪 2022年3期
        關(guān)鍵詞:視圖校正定位

        李 想,高 磊

        (1.江蘇星月測繪科技股份有限公司南京雨花臺分公司,江蘇 南京 210000;2.江蘇省測繪工程院,江蘇 南京 210013)

        0 引 言

        近十年來,國產(chǎn)遙感衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量不斷增加,空間、時(shí)間和光譜分辨率不斷提升,用戶對高分辨率遙感數(shù)據(jù)的需求日益提升。目前我國已有包含高分、資源、環(huán)境減災(zāi)等多個(gè)系列在內(nèi)的陸地觀測衛(wèi)星近30顆,形成了多尺度、多觀測要素、多級別產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化對地觀測體系,衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品分發(fā)服務(wù)機(jī)制也日趨完善[1-3]。

        終端用戶訂購獲取的衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品除影像數(shù)據(jù)外,通常還包括元數(shù)據(jù)、成像幾何模型參數(shù)文件、快視圖等[4]。其中快視圖是柵格影像經(jīng)拉伸增強(qiáng)后的真彩色或假彩色圖片,用于直接顯示影像數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的地表環(huán)境狀態(tài),如地理范圍、云雪覆蓋、水陸分布等,方便用戶快速了解影像質(zhì)量情況進(jìn)行選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì),早期的國產(chǎn)陸地衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品中的快視圖都沒有提供定位信息,近年來高分系列的PMS、資源一號02d、北京二號等少數(shù)產(chǎn)品的快視圖逐步增加了定位文件,其它如高分一號和高分六號的WFV、資源三號(01、02、03星)、高分七號、高景一號等遙感影像產(chǎn)品中快視圖仍然只是一張普通的JPG格式圖片,缺少定位信息,無法結(jié)合行政區(qū)劃或研究區(qū)矢量邊界范圍進(jìn)行針對目標(biāo)區(qū)域的快速瀏覽和數(shù)據(jù)篩選,在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用項(xiàng)目中較為不便。遙感產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)文件記錄了影像產(chǎn)品的成像時(shí)間、太陽角度、觀測角度、四至坐標(biāo)、像元大小或影像尺寸等基本信息[5]。本文在分析圖像坐標(biāo)定位文件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,探討了利用元數(shù)據(jù)提供的影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)信息計(jì)算定位參數(shù)的方法,并通過Python編程語言結(jié)合空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(Geospatial Data Abstraction Library,GDAL)開發(fā)了快視圖定位文件生成工具,以期為相關(guān)研究和生產(chǎn)作業(yè)人員提供參考。

        1 研究方法

        本文的研究數(shù)據(jù)源是幾種主要的國產(chǎn)中高分辨率光學(xué)遙感影像產(chǎn)品,其中高分、資源和環(huán)境等系列影像來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,高景影像由北京航天世景信息技術(shù)有限公司提供。

        1.1 定位文件結(jié)構(gòu)分析

        圖像以柵格數(shù)據(jù)形式存儲,柵格圖像中的每個(gè)像元都具有一個(gè)對應(yīng)于特定行號和列號的像素坐標(biāo)。要在正確的地理位置顯示圖像,需要建立特定的變換關(guān)系,以將像元坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為真實(shí)世界坐標(biāo),通常使用6參數(shù)構(gòu)建的仿射變換關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換[6]:

        (1)

        寫為方程組的形式:

        x′=Ax+By+C

        (2)

        y′=Dx+Ey+F

        (3)

        式中,x、y分別為像素坐標(biāo)中的列號和行號,x′、y′為該像元對應(yīng)的地理坐標(biāo);A、E分別為像素在地圖坐標(biāo)系X和Y方向上的尺寸,采用地圖單位;B和D為旋轉(zhuǎn)項(xiàng);C和F分別左上角像素中心點(diǎn)的地圖坐標(biāo)。由于圖像坐標(biāo)系和地圖坐標(biāo)系的起點(diǎn)分別位于左上角和左下角,Y正方向相反,因此E為負(fù)值。

        仿射變換信息可以存儲在圖像文件的文件頭內(nèi)部,也可以存儲在單獨(dú)的普通文本文件中,這個(gè)文本文件就是圖像坐標(biāo)定位文件,也稱世界文件(world file)[7],仿射變換的6個(gè)參數(shù)以十進(jìn)制數(shù)字的形式,按A、D、B、E、C、F的順序,依次分行存儲在文件中。坐標(biāo)定位文件的主文件名與圖像文件相同,后綴名分兩種:在圖像文件的擴(kuò)展名最后添加字母w,或使用圖像文件擴(kuò)展名中的第一個(gè)和第三個(gè)字符,最后再添加字母w,如jpg格式圖像的坐標(biāo)定位文件后綴名可以是jpgw或者jgw,通常后者更為常用。圖1為2021年1月11日某景高分一號PMS影像的坐標(biāo)定位文件內(nèi)容,產(chǎn)品號為L1A0005387434。

        圖1 圖像坐標(biāo)定位文件示例

        1.2 定位參數(shù)解算原理

        圖像定位校正與仿射變換參數(shù)的關(guān)系如圖2所示,X-O-Y為地圖坐標(biāo)系,影像產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)中記錄了影像四角的坐標(biāo)信息,以此可以計(jì)算影像在X方向的距離w和Y方向的距離h,均為地圖單位:

        圖2 圖像定位校正與仿射變換參數(shù)關(guān)系示意圖

        ΔX1=xur-xul

        (4)

        ΔY1=yur-yul

        (5)

        (6)

        同理,

        ΔX2=xur-xlr

        (7)

        ΔY2=yur-ylr

        (8)

        (9)

        并計(jì)算得到:

        (10)

        Rx=w/col

        (11)

        Ry=h/row

        (12)

        式中,xur、yur、xul、yur分別為圖像右上角和左上角的地理坐標(biāo),row、col為圖像行數(shù)和列數(shù),Rx、Ry為像元在X和Y方向上的尺寸,t為圖像旋轉(zhuǎn)角度,以X軸逆時(shí)針方向?yàn)檎?。由此可以得到?/p>

        A=Rx×cost

        (13)

        B=Ry×sint

        (14)

        D=Rx×sint

        (15)

        E=-Ry×cost

        (16)

        (17)

        (18)

        2 編程實(shí)現(xiàn)

        遙感影像產(chǎn)品按處理的程度進(jìn)行分級,其中L0級和L1級產(chǎn)品未經(jīng)幾何校正,地理坐標(biāo)信息存儲在成像幾何模型參數(shù)文件中,影像文件本身不帶地理信息,大部分國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像如高分、資源系列等都按L1級產(chǎn)品分發(fā);L2級產(chǎn)品是指經(jīng)過系統(tǒng)幾何校正的影像產(chǎn)品,影像文件帶有地理坐標(biāo),如環(huán)境、中巴系列等[8]。為適應(yīng)不同級別遙感產(chǎn)品快視圖定位的需要,本文利用Python編程語言和GDAL轉(zhuǎn)換庫,從元數(shù)據(jù)解析出發(fā),結(jié)合影像四角地理坐標(biāo)和快視圖圖像坐標(biāo)構(gòu)建控制點(diǎn),快速計(jì)算仿射變換參數(shù)并生成坐標(biāo)定位文件,主要流程如圖3所示。

        圖3 坐標(biāo)定位文件參數(shù)計(jì)算流程

        2.1 元數(shù)據(jù)解析

        元數(shù)據(jù)文件通常以可擴(kuò)展標(biāo)記語言(EXtensible Markup Language,XML)格式隨衛(wèi)星影像產(chǎn)品下發(fā),XML是一種用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語言,以純文本格式存儲,便于讀取、記錄、調(diào)試,使不同系統(tǒng)、不同程序之間的數(shù)據(jù)共享變得更加簡單。Python自帶的Minidom庫可以方便地對XML文件進(jìn)行解析,提取出所需要的數(shù)據(jù)[9],主要過程如圖4所示。至此即可獲取左上角坐標(biāo)(ulx、uly)、右上角坐標(biāo)(urx、ury)、左下角坐標(biāo)(llx、lly)、右下角坐標(biāo)(lrx、lry)共計(jì)四對值。

        圖4 元數(shù)據(jù)解析主要代碼

        2.2 地理變換參數(shù)解算

        地理變換參數(shù)涉及到坐標(biāo)的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移,由于地理校正后的影像存在扭曲、變形等原因,并非常規(guī)矩形,利用角點(diǎn)坐標(biāo)不同組合計(jì)算按理論方法計(jì)算得到的值會存在差異,存在多組已知點(diǎn)時(shí),需要用最小二乘法解算最佳變換參數(shù),計(jì)算過程較為繁瑣。GDAL是一個(gè)在X/MIT許可協(xié)議下的開源柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫,使用抽象數(shù)據(jù)模型來解析它所支持的數(shù)據(jù)格式,抽象數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)集、坐標(biāo)系統(tǒng)、仿射地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、大地控制點(diǎn)等,具有強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)處理能力[10],利用其提供的函數(shù)可以通過已知控制點(diǎn)計(jì)算地理變換參數(shù),具體方法如圖5所示。

        圖5 地理變換參數(shù)解析主要代碼

        3 結(jié)果評價(jià)

        計(jì)算地理仿射變換參數(shù)并生成坐標(biāo)定位文件后,快視圖就可以在地理信息系統(tǒng)或遙感平臺軟件里進(jìn)行地理定位,在真實(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)下顯示。本研究以產(chǎn)品號為GF1_WFV1_E121.6_N31.2_20211126_L1A0006081870的高分一號WFV影像產(chǎn)品為例,對快視圖地理校正的效果進(jìn)行評價(jià)。從目視對比看,恢復(fù)地理信息后的快視圖(左半幅)與實(shí)際影像數(shù)據(jù)(右半幅)的空間位置基本一致(圖6)。由于產(chǎn)品快視圖的分辨率在160 m左右,為影像分辨率的十分之一,無法準(zhǔn)確定位同名地物的位置,本文以影像四角像素的外側(cè)角點(diǎn)為檢查點(diǎn),計(jì)算校正偏差(表1),計(jì)算得到X、Y方向上偏差的中誤差分別為0.010 5、0.000 5(單位/°),偏差主要體現(xiàn)在經(jīng)度方向上,約6個(gè)像素,該精度已能夠滿足粗略定位和范圍顯示的需要。

        圖6 地理校正后的快視圖與影像文件疊加對比

        表1 檢查點(diǎn)校正偏差(單位/°)

        4 結(jié) 語

        “十四五”期間,我國將有計(jì)劃地陸續(xù)發(fā)射多顆陸地觀測衛(wèi)星,進(jìn)一步推動遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用向市場化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。遙感影像產(chǎn)品直接面向終端用戶,包括影像文件、元數(shù)據(jù)、快視圖等內(nèi)容,其中快視圖是影像文件的縮略圖,為普通的圖片格式,便于用戶直接瀏覽,了解影像文件的質(zhì)量概況。本研究利用影像產(chǎn)品附帶元數(shù)據(jù)的四角坐標(biāo)信息構(gòu)建控制點(diǎn),通過GDAL空間數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算坐標(biāo)定位參數(shù),生成坐標(biāo)定位文件,實(shí)現(xiàn)對快視圖的地理校正,恢復(fù)快視圖的地理信息,為用戶進(jìn)行影像產(chǎn)品存檔、篩選、預(yù)覽、建庫等工作提供有效的幫助。

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