梁星

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學院，湖北 宜昌 443100）

1 引言

北京二號衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的高分辨率衛(wèi)星，于2015 年7 月發(fā)射，由3 顆同軌道面、120 度等距離分布的衛(wèi)星組成，可向用戶提供幅寬約24 公里的0.8米全色影像和3.2 米多光譜影像，衛(wèi)星的重訪周期僅需1 天[1]。北京二號具備高效獲取亞米級高分辨率影像的能力，在地理國情監(jiān)測、國土資源管理、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市綜合應用等國民經(jīng)濟建設(shè)各個領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用[2]。

PCI Geomatica 軟件是加拿大PCI 公司開發(fā)的用于遙感圖像處理、GIS 分析、攝影測量和制圖輸出的多功能軟件系統(tǒng)[3]。PCI 軟件強大的影像匹配、高效的批處理功能，在衛(wèi)星影像處理，特別是開展正射影像快速生產(chǎn)方面具有獨特優(yōu)勢。

2 基本作業(yè)流程

基于PCI 軟件進行北京二號衛(wèi)星正射影像快速生產(chǎn)時，首先進行資料整理，檢查原始影像、控制資料、參考資料等，然后分別建立全色及多光譜影像工程。正確建立工程后，導入影像數(shù)據(jù)，選定模板，選取連接點和控制點，開展全色影像平差處理。當平差計算指標合限后，基于已有DEM 數(shù)據(jù)進行全色影像正射糾正。根據(jù)單片全色正射影像與多光譜影像的對應關(guān)系，對每張多光譜影像進行影像配準，將配準得到的點作為控制點，對多光譜影像平差計算后進行正射糾正。糾正完成后，進行全色單片正射影像和多光譜單片正射影像融合處理，建立鑲嵌工程進行拼接鑲嵌，對拼接鑲嵌成果進行分幅處理、質(zhì)量檢查，檢查合格后提交最終成果。利用PCI 軟件進行正射影像快速更新生產(chǎn)工作流程如圖1 所示。

圖1 基于PCI軟件正射影像快速更新處理流程

3 生產(chǎn)作業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3.1 資料檢查整理

在生產(chǎn)作業(yè)前，需要對資料進行細致檢查，若有不足需要求影像提供單位及時補充，方便后期記錄檢查情況、填寫元數(shù)據(jù)。對原始影像的檢查分析主要包括測區(qū)影像覆蓋情況、云區(qū)分布、影像表現(xiàn)質(zhì)量以及數(shù)據(jù)完備性。其中，云區(qū)覆蓋情況盡量用矢量數(shù)據(jù)（如shp 格式）詳細記錄，以便影像鑲嵌及成果檢查時使用。此外，還需對參考資料包括已有DOM 及DEM 數(shù)據(jù)進行歸一化處理，確保平差計算及后期檢查時使用。

3.2 平差計算

（1）連接點選取?；赑CI 軟件的強大影像匹配能力，可使用自動匹配方式進行連接點選取。為保證選點成功率，應添加高精度DEM 數(shù)據(jù)，選點困難地區(qū)可將搜索半徑由100 像素增大至200 至300 像素，同時將影像相關(guān)系數(shù)由0.75 降至0.7。對于修改系數(shù)仍無法成功匹配連接點的區(qū)域，需人工添加適當?shù)倪B接點，確保平差計算后影像接邊精度可靠。

（2）控制點選取。利用PCI 軟件選取控制點時，可通過人工及自動匹配方式進行。針對正射影像快速生產(chǎn)任務，推薦使用自動匹配方式選取控制點；對于匹配困難區(qū)域（如海洋、沙漠、無人區(qū)、境外等區(qū)域，缺少明顯標志物信息，導致地面控制點難以獲?。4]，參考連接點選取時的方法修改參數(shù)，提高匹配成功率。

（3）解算選擇。連接點、控制點匹配完成后，進行平差解算。第一次計算時盡量選擇Robust（固網(wǎng)算法），剔除粗差點后，修改Point 頁面內(nèi)連接點及控制點的權(quán)值，控制點權(quán)值改為0.3，連接點改為300，同時選擇Regular 算法進行平差計算。每次計算后剔除或人工交互修改點文件，直至平差計算符合要求。

3.3 糾正融合

PCI 軟件要求影像分辨率與工程設(shè)置的分辨率一致，因此全色和多光譜影像需建立兩個工程。為提高配準精度，全色影像與多光譜影像配準時建議將正射糾正后的單片全色影像與對應的多光譜影像一一匹配，將匹配得到的點作為控制點添加到多光譜影像工程。

為了融合多光譜影像的豐富光譜信息和全色影像的精細紋理信息，需對多光譜影像和全色影像進行融合，以獲得具有高空間分辨率的多光譜影像[5]。PCI軟件提供HVS、PCA、Brovey、PANSHARP2 等多種影像融合算法[6]，根據(jù)多次試驗，建議采用PANSHARP2 算法。該算法是一種基于最小二乘法的融合算法，可在多光譜和全色影像間建立最佳近似灰度值關(guān)系，從而達到最佳融合效果。利用PCI 軟件提供的Modeler 模塊可搭建工作流進行批量融合，如圖2 所示。

圖2 PCI影像批量融合工作示意圖

3.4 拼接鑲嵌

利用PCI 軟件進行拼接鑲嵌時，可以人工鑲嵌編輯，也可以自動鑲嵌。其中，自動鑲嵌計算，PCI 軟件提供了最小差別、最小相關(guān)差別、邊緣特征、整個影像四種算法。經(jīng)多次試驗，對于類似北京二號這類高分辨率影像，采用邊緣特征算法進行自動鑲嵌效果最佳。當自動鑲嵌完成后，對部分鑲嵌線不理想?yún)^(qū)域進行人工修改編輯，既可提高生產(chǎn)效率，又可確保生產(chǎn)質(zhì)量。在鑲嵌編輯時，除了保證鑲嵌線不切割田地、池塘等面狀地物，還要特別注意鑲嵌影像的攝影日期，在影像質(zhì)量相同的前提下，盡量最大化利用攝影時間最新的影像，以確保最終成果的時效性。

3.5 質(zhì)量檢查

對于分幅輸出的成果，要檢查正射影像的表觀質(zhì)量和精度。表觀質(zhì)量檢查主要包括影像拉伸、顏色異常、云區(qū)覆蓋、顏色過曝等問題，要按照圖幅將問題詳細記錄，以便修改和后期元數(shù)據(jù)生產(chǎn)。影像精度檢查包括絕對定位精度檢查和鑲嵌精度檢查。對于鑲嵌精度，可在DOM 疊加鑲嵌線文件進行檢查，一般要求不超過兩個像素。對于絕對定位精度，一般通過外業(yè)控制數(shù)據(jù)或已有DOM 數(shù)據(jù)進行檢查，利用外業(yè)控制數(shù)據(jù)檢查時，應人工檢查每個點位誤差情況并記錄；利用參考DOM 檢查時，利用PCI 軟件批量匹配功能大量匹配同名點，剔除粗差點后統(tǒng)計得出成果的檢查精度。

4 試驗情況

4.1 測區(qū)概況

試驗測區(qū)位于山東省東部，地理范圍為東經(jīng)119°08′49″到119°38′53″，北緯35°50′59″到36°13′26″之間，海拔為10 米至600 米，地形以平原和丘陵為主。開展生產(chǎn)作業(yè)共接收北京二號衛(wèi)星影像12 景，攝影時間為2017 年11 月。測區(qū)內(nèi)具有2013 年實測外業(yè)控制點數(shù)據(jù)25 個，以及2013 年航攝生產(chǎn)的平面精度為0.6 米的1∶2000 正射影像和高程精度為0.5 米的DEM 成果數(shù)據(jù)。

4.2 作業(yè)過程

為對比不同作業(yè)方法的成果精度，分別利用9 個實測外業(yè)控制點和1∶2000 比例尺正射影像作為平差控制資料開展生產(chǎn)作 業(yè)，采用兩種控制方案進行平差精度統(tǒng)計，如表1 所示。由表1 可知，采用高精度DOM 和實測外業(yè)控制點作為控制資料生產(chǎn)作業(yè)，影像平差精度基本相當，但是采用高精度DOM 密集控制方案時，無需人工選取控制點，作業(yè)效率得到極大提高，因此，條件具備時建議采用高精度DOM 控制方案開展生產(chǎn)作業(yè)。此外，為提高最終影像色彩質(zhì)量，在影像融合完成后，可利用如沃韋等專業(yè)調(diào)色軟件對融合成果進行色彩均衡處理，然后再進行鑲嵌作業(yè)。

表1 北京二號衛(wèi)星影像兩種方案平差精度統(tǒng)計

4.3 影像成果

經(jīng)過平差計算、糾正融合、拼接鑲嵌、色彩調(diào)整等生產(chǎn)作業(yè)后，最終正射影像成果色彩紋理豐富，顏色真實，色調(diào)一致。北京二號正射影像效果如圖3 所示。

圖3 北京二號正射影像效果

4.4 作業(yè)時間對比

為了體現(xiàn)PCI 軟件在北京二號衛(wèi)星正射影像生產(chǎn)過程中的速度優(yōu)勢，本文選擇與EDARS 軟件進行對比。PCI 軟件較EDARS 軟件在以下幾方面有較大優(yōu)勢。

4.4.1 同名點采集

（1）PCI 軟件：PCI 軟件可以進行自動同名點采集配置，并可進行批量生產(chǎn)。根據(jù)多次生產(chǎn)試驗，PCI軟件同名點匹配成功率一般地區(qū)可達80%以上，沙漠、高山等困難地區(qū)匹配成功率也可達到50%，在控制點和連接點選取環(huán)節(jié)只需極少量人工編輯，極大地提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。

（2）ERDAS 軟件：在LPS 模塊中進行配準，在沙漠、高山等影像質(zhì)量不好、同名點判讀不清晰等困難區(qū)域無法自動采集到高精度點位，需人工均勻在未刺點區(qū)域進行采集。由于是人工進行單景作業(yè)，無法批量處理，比較耗時耗力。

4.4.2 批處理

PCI 軟件在影像糾正、配準、融合等模塊均可以在建好Modeler 模塊之后進行批處理，并且自動設(shè)置合適的CPU 個數(shù)參與處理。而EDARS 軟件無法設(shè)定參與運算的CPU 個數(shù)。

4.4.3 海量影像的無控糾正

PCI 軟件和ERDAS 軟件均能進行無控糾正或者有控糾正。若作業(yè)區(qū)域具有海量影像且控制點稀少，使用PCI 軟件進行單景無控糾正，使用ERDAS 軟件在1∶50000 DOM 上采集控制點進行糾正，兩者的成果平面精度均能在10m 以內(nèi)。

為進行直觀對比，分別使用兩種軟件各自生產(chǎn)4.1節(jié)測區(qū)的3 景影像來進行試驗。每景影像各階段的平均處理時間如表2 所示。

表2 各階段處理時間統(tǒng)計表（min/景）

5 結(jié)束語

PCI 軟件強大的影像匹配、高效快捷的自動化處理、支持多類型傳感器的特點，在正射影像快速生產(chǎn)方面具有顯著優(yōu)勢。本文方法通過優(yōu)化資料整理、影像平差、拼接鑲嵌、精度檢查等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，不僅確保最終成果色調(diào)統(tǒng)一、色彩真實自然，還極大地提高了生產(chǎn)效率，為規(guī)?；萌绫本┒柕葒a(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像進行正射影像快速生產(chǎn)提供借鑒。