張赟

（內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測試研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

1 引言

地理國情普查是對我國自然資源以及國情現(xiàn)狀的調(diào)查，是掌握我國地表自然資源、水環(huán)境、農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀以及人類活動對各行各業(yè)影響的基礎(chǔ)性工作，是制定和實(shí)施重大國家安全發(fā)展戰(zhàn)略、優(yōu)化國土空間格局和資源配置的重要依據(jù)，是做好防災(zāi)減災(zāi)、化解重大災(zāi)害影響和應(yīng)急保障服務(wù)的重要支撐，也是自然資源相關(guān)行業(yè)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。傳統(tǒng)的地理國情普查主要依靠外業(yè)人員進(jìn)行調(diào)繪，將調(diào)繪結(jié)果標(biāo)記在圖紙上，然后由內(nèi)業(yè)進(jìn)行制圖與信息采集，這種工作方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往需要半年以上的作業(yè)工期，數(shù)據(jù)更新時(shí)效性較差。隨著新型測繪技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)作業(yè)方式逐漸被替代。目前，地理國情普查外業(yè)工作底圖及內(nèi)業(yè)信息采集底圖多采用國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像制作的正射影像成果[2]。高分影像不僅可以作為工作底圖，還可以結(jié)合目前應(yīng)用較多的人工智能深度學(xué)習(xí)算法，在正射影像上快速提取地物信息、開展變化圖斑監(jiān)測等，且將提取的圖斑套合矢量資料，還可以開展執(zhí)法督查等工作。

衛(wèi)星遙感影像具有獲取影像能力強(qiáng)、影像信息量大、單景影像覆蓋范圍廣、獲取影像成本低等特點(diǎn)，在地表資源監(jiān)測、土地利用分類、植被覆蓋監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展與提升，衛(wèi)星拍攝的影像分辨率越來越高。通過多年地理國情監(jiān)測工作的開展，高分辨率衛(wèi)星影像已成為大比例尺測繪與信息采集的重要數(shù)據(jù)源與作業(yè)底圖，較常用的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像有兩米級的GF1、GF1B/C/D、GF6、ZY3，亞米級衛(wèi)星影像有GF2、GF7 等公益性衛(wèi)星[3]。隨著國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像的日益增多，衛(wèi)星影像獲取時(shí)相不一致、原始數(shù)據(jù)源質(zhì)量差異等問題也日益顯現(xiàn)，因此，如何快速、高質(zhì)量地完成地理國情衛(wèi)星遙感影像制作是首要問題[4]。

本研究結(jié)合地理國情普查高分影像制作，利用影像自動預(yù)處理系統(tǒng)，研究影像自動預(yù)處理過程中的平差配準(zhǔn)、正射糾正、融合與勻色等步驟處理效果，并通過自動預(yù)處理生成的精度分析報(bào)告進(jìn)行質(zhì)量檢查，為地理國情監(jiān)測工作提供參考依據(jù)。

2 系統(tǒng)介紹

研究選用的數(shù)據(jù)自動預(yù)處理系統(tǒng)主要包含原始數(shù)據(jù)統(tǒng)籌入庫、預(yù)處理等步驟。

（1）統(tǒng)籌入庫：本系統(tǒng)支持對原始衛(wèi)星影像進(jìn)行文件完整性檢測和影像內(nèi)容質(zhì)量檢測，對影像的損壞、缺失、內(nèi)容異常、幾何、色彩等進(jìn)行全面檢測，保證入庫影像的質(zhì)量，全面了解數(shù)據(jù)的質(zhì)量情況和可用范圍，讓數(shù)據(jù)的處理生產(chǎn)更高效。

（2）自動預(yù)處理：獨(dú)創(chuàng)免像控幾何精校正技術(shù)，融合AI 的勻光勻色技術(shù)，具有優(yōu)秀的抗云抗霧抗噪能力，建立半經(jīng)驗(yàn)半物理的深度大氣和輻射校正模型。支持對發(fā)起任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控、在線查看處理結(jié)果、生成幾何精度檢查報(bào)告等信息。

3 自動預(yù)處理

國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)自動預(yù)處理流程為：將高分辨率全色衛(wèi)星影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，平差過程中引入外業(yè)像控點(diǎn)與高精度DEM 數(shù)據(jù)，保障平差精度；對高分辨率多光譜影像進(jìn)行單片平差配準(zhǔn)；將平差后的全色與多光譜影像疊加高精度DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正，并對全色影像進(jìn)行正射校正；以更新過RPC 的全色衛(wèi)星影像為參考，對多光譜衛(wèi)星影像進(jìn)行平差處理和正射糾正，糾正后的多光譜影像在空間位置上與全色影像保持一致；將糾正后的全色與多光譜影像進(jìn)行融合，選用雙線性內(nèi)插或其他算法進(jìn)行全色多光譜融合，得到具有高分辨率與豐富光譜信息的融合影像；最后進(jìn)行影像鑲嵌、裁切和色彩調(diào)整。具體處理流程如圖1 所示。

圖1 自動預(yù)處理流程

（1）區(qū)域網(wǎng)平差

在區(qū)域網(wǎng)平差過程中，影像區(qū)域應(yīng)布設(shè)足夠的連接點(diǎn)，以保證相鄰影像的相對精度。對匹配的連接點(diǎn)要逐一檢查、修正，確認(rèn)相鄰影像的匹配精度。此外，在多景影像重疊區(qū)域要保證連接點(diǎn)精度，對無連接點(diǎn)或連接點(diǎn)較少的區(qū)域進(jìn)行刺點(diǎn)與修正。連接點(diǎn)中誤差應(yīng)優(yōu)于1 個(gè)像素，地形起伏較大地區(qū)的連接點(diǎn)中誤差不大于2 個(gè)像素。對于不滿足要求的連接點(diǎn)進(jìn)行檢查、修正或剔除。區(qū)域網(wǎng)平差的連接點(diǎn)如圖2 所示。

圖2 連接點(diǎn)生成

影像自動預(yù)處理過程中的控制點(diǎn)匹配，參考正射影像成果進(jìn)行單景糾正，采用一次多項(xiàng)式放射變換進(jìn)行RPC 參數(shù)的精化，每景影像生成的控制點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于5 個(gè)，檢查點(diǎn)數(shù)量不得低于3 個(gè)，且要求控制點(diǎn)點(diǎn)位分布均勻，生成的控制點(diǎn)如圖3 所示。

圖3 正射影像成果質(zhì)量控制

區(qū)域網(wǎng)平差解算時(shí)，要引入數(shù)字高程模型DEM 數(shù)據(jù)，通過平差解算，對于不滿足精度要求的點(diǎn)位進(jìn)行檢查、修正、剔除，最終保證滿足正射影像生產(chǎn)的平面精度要求。

（2）正射糾正

影像自動預(yù)處理過程中的正射糾正是對影像進(jìn)行幾何修復(fù)，對由地形起伏、衛(wèi)星鏡頭、幾何參數(shù)等因素造成的幾何畸變進(jìn)行處理，最終得到與實(shí)際情況吻合的正射影像圖。通常采用嚴(yán)格物理模型或有理函數(shù)模型對單景數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正。單景控制點(diǎn)選擇9～15個(gè)，同時(shí)保證相鄰景不少于3 個(gè)公共控制點(diǎn)；工作區(qū)涉及連片多景同源遙感數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先使用區(qū)域糾正方法進(jìn)行整體糾正，采用嚴(yán)格物理模型或有理函數(shù)模型。理論控制點(diǎn)的數(shù)量與分布如圖4 所示。

圖4 理論控制點(diǎn)

通過影像自動預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行正射糾正，生成公共控制點(diǎn)，如圖5 所示。通過生成的點(diǎn)位可知：為了保證自動預(yù)處理的數(shù)據(jù)生產(chǎn)精度，在山地生成的點(diǎn)位分布整體較為密集，且均勻分布在整幅影像中，未出現(xiàn)某一方向無點(diǎn)位或點(diǎn)位過于集中的情況。

圖5 自動與處理控制點(diǎn)

（3）影像融合

影像融合是采用特定的算法將全色影像與多光譜影像進(jìn)行融合，最終得到具有高空間分辨率與豐富光譜信息的成果影像。影像融合過程中有些因素會引起誤差，因此要進(jìn)行質(zhì)量控制。在影像自動預(yù)處理過程中添加融合規(guī)則，即融合影像的亮度與對比度是否適中、成果影像整景顏色過渡是否合理、融合影像紋理是否豐富等。

通過規(guī)則約束，自動融合的成果影像如圖6 所示。由圖可知，融合后的影像無論是色彩還是分辨率均有顯著提升，并且通過增加大氣校正，剔除了大氣的影響，影像對地物的反映更加真實(shí)。

圖6 融合影像

此外，自動預(yù)處理還根據(jù)上傳的勻色模板或谷歌模板進(jìn)行勻光勻色，經(jīng)過勻色后的影像與勻色前相比存在明顯的質(zhì)量差別，如圖7 所示：勻色后的鑲嵌成果整體顏色飽和度較高，曝光較少，影像拼接附近地物紋理與顏色差異較小。

圖7 勻色示意圖

4 精度檢查

（1）正射糾正檢查

對系統(tǒng)正射糾正的單景影像帶入ArcMap 軟件，與基礎(chǔ)底圖在同一窗口打開，采用卷簾對比等方法，逐屏幕檢查是否有錯位情況。正射糾正精度檢查如圖8所示。

（2）融合檢查

由于地形因素、云量、參考底圖等因素，融合過程中會出現(xiàn)重影現(xiàn)象，如圖9 所示，因此，要對問題影像進(jìn)行單景重新預(yù)處理，并在區(qū)域網(wǎng)平差過程中加大平差閾值約束，從而保證融合成果的精度。若仍出現(xiàn)配準(zhǔn)較差現(xiàn)象，則尋找替代影像，以此保證影像制作精度。

（3）質(zhì)檢報(bào)告

影像自動預(yù)處理系統(tǒng)針對每一景預(yù)處理成果單獨(dú)生成一份精度報(bào)告，報(bào)告為Excel 文件，包含生成的所有點(diǎn)位以及點(diǎn)位的誤差極限等信息，且表中的各點(diǎn)位誤差極限保持在誤差范圍之內(nèi)，針對誤差超限的點(diǎn)位要進(jìn)行二次計(jì)算，若仍超限，即刪除該點(diǎn)位并重新刺點(diǎn)。

5 結(jié)論

本研究利用自研國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像自動預(yù)處理系統(tǒng)，結(jié)合地理國情普查工作對正射影像成果的制作精度要求，開展DOM 影像自動預(yù)處理研究，并進(jìn)行了質(zhì)量檢查，詳細(xì)闡述了影像處理過程中會引起影像誤差的步驟、因素以及解決辦法，確保獲得高精度的DOM 影像成果。然而，地理國情普査正射影像在制作時(shí)仍面臨范圍大、數(shù)據(jù)源種類多、影像時(shí)相不一致等問題，導(dǎo)致勻色勻光效果不佳等，有待后續(xù)進(jìn)一步探索研究。