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        衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐

        2023-08-28 03:09:04李萬清
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年24期
        關(guān)鍵詞:控制點(diǎn)校正修正

        李萬清

        (甘肅省地圖院,蘭州 730000)

        伴隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與航天科技的快速發(fā)展,目前獲得全球地理空間信息的主要技術(shù)方法,已經(jīng)逐漸發(fā)展為利用衛(wèi)星遙感影像信息處理技術(shù),以及不斷提高的衛(wèi)星遙感影像分辨率,使得衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)在人類的經(jīng)濟(jì)與社會中得到普遍運(yùn)用。

        以這一點(diǎn)為基礎(chǔ),本論文將重點(diǎn)研究衛(wèi)星的遙感影像信息處理技術(shù),并將目前情況與環(huán)境監(jiān)測、土地利用研究等眾多社會應(yīng)用領(lǐng)域中的普遍使用情況相聯(lián)系,以推動衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)最大程度地發(fā)揮出其獨(dú)特的社會應(yīng)用價(jià)值。

        1 衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)概述

        衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)所采集的影像數(shù)據(jù)是地物目標(biāo)電磁信號的一部分,其包括2 種形態(tài):一種是反射,另一種是自反射。在進(jìn)入大氣后,反射的能量在空氣中衰減,然后被記錄下來,通過衛(wèi)星地面接收站進(jìn)行加工,就可以在最大程度上恢復(fù)出影像。

        衛(wèi)星影像是多元信息與噪音的復(fù)合體,對其進(jìn)行分析處理,可以實(shí)現(xiàn)對多元信息的高效識別,降低外部有害信息的干擾。經(jīng)過長期的發(fā)展,衛(wèi)星遙感影像處理具有如下特征。

        第一,衛(wèi)星的多重感應(yīng)器,該探測器的應(yīng)用將提高對全彩色光譜帶的空間分辨能力,為研究對象的研究提供更豐富的資料。

        第二,利用各種不同的技術(shù)手段,把重旅行的時(shí)間限制在數(shù)日以內(nèi)。

        第三,地物的質(zhì)地特性具有多樣性,地物的同質(zhì)性成分較多,地物的頻譜統(tǒng)計(jì)特性較不穩(wěn)固。

        2 衛(wèi)星遙感影像處理的主要技術(shù)

        2.1 衛(wèi)星遙感數(shù)字影像糾正處理

        為了提高遙感影像的使用效率和防止信息泄漏,大多數(shù)的遙感影像資料都會給使用者一個(gè)與傳感器無關(guān)的一般的影像幾何模式,即有理函數(shù)模式。該方法取代了常規(guī)的基于共線性約束的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膸缀谓7椒?,是一種全新的建模方法?;谟欣砗瘮?shù)的建模方法具有不依賴于地面的特點(diǎn),利用衛(wèi)星上的GPS 數(shù)據(jù)獲取衛(wèi)星軌道、相機(jī)和慣性測量單元等數(shù)據(jù),能夠保證空間幾何建模的正確性和準(zhǔn)確性。

        基于此,可以產(chǎn)生具有較強(qiáng)空間一致性的虛擬地表控制點(diǎn),并通過對其進(jìn)行有理函數(shù)建模,從而達(dá)到2類模式的同步擬合。當(dāng)前,基于有理函數(shù)的校正方法可以應(yīng)用到各種不同的衛(wèi)星遙感影像。在校正時(shí),可以使用的校正控制數(shù)據(jù)種類繁多,包括高分辨率DEM、外業(yè)控制點(diǎn)、DOM、DLG 和DRG 等,校正的總體方法是通過多項(xiàng)式擬合法完成的,其中包括二級和三級的校正,且校正的對象比較多。

        為了保證矯正的結(jié)果,在矯正工作開展以前,要對其座標(biāo)體系的信息進(jìn)行全面了解,并將其與有理函數(shù)的參數(shù)和控制數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系聯(lián)系起來,保證控制點(diǎn)的精確位置,并對其進(jìn)行精確的定位,當(dāng)偏差超出了容許的極限時(shí),就需要對其進(jìn)行適當(dāng)修正,并與對應(yīng)的參照數(shù)據(jù)和地貌差別相配合,保證校正的質(zhì)量,防止影像中出現(xiàn)重影、模糊等現(xiàn)象。

        在使用衛(wèi)星遙感影像技術(shù)時(shí),如果沒有根據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行校正,那么就會對后續(xù)的資料處理造成很大的影響。假如在技術(shù)使用的最后階段,在其早期存在校正問題重新進(jìn)行校正,不但增加了工作的難度和工作量,還會使技術(shù)使用的效果下降。

        在校正過程中,最重要的是要對控制點(diǎn)的精度和均勻性、控制點(diǎn)的單點(diǎn)誤差、控制點(diǎn)的殘差中誤差和影像的精度等進(jìn)行檢驗(yàn)和控制。

        2.2 區(qū)域網(wǎng)平差求解方法

        在此基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù),采用適當(dāng)?shù)母叱陶{(diào)整方式。針對這一問題,本項(xiàng)目擬采用稀疏控制點(diǎn)高階平差、基于影像數(shù)據(jù)的稠密配準(zhǔn)和影像數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)的高階平差。當(dāng)影像與控制點(diǎn)均被完全覆蓋時(shí),通常使用稠密匹配平差算法對影像進(jìn)行修正。利用控制點(diǎn)對影像進(jìn)行精準(zhǔn)探測,實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、批量地獲取糾正后的全彩色、多光譜影像;在同一幅影像中,多波段和全波段的連通性好,具有比較高的測量精度。使用高質(zhì)量的控制點(diǎn)進(jìn)行精確檢查,能夠客觀地反映修正結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        2.3 影像批量區(qū)域化處理

        2.3.1 整體場景與影像的融合

        影像融合是指在相同的空間位置上,采用一定的處理方法,實(shí)現(xiàn)多源影像的合成。衛(wèi)星攝影是一項(xiàng)將不同空間、光譜、時(shí)間等空間分辨的影像進(jìn)行綜合處理的新技術(shù),其結(jié)果是獲得高空間分辨的多光譜影像。影像融合技術(shù)不僅拓寬了衛(wèi)星影像的使用范圍,還提升了影像的信息表示能力與大數(shù)據(jù)分析的精度。

        2.3.2 融合影像降序采樣輸出

        現(xiàn)在,通常使用的是16 比特的影像資料,16 比特影像具有更多色彩的特征,但是16 比特影像的數(shù)據(jù)規(guī)模太大,對內(nèi)存的要求太高,導(dǎo)致影像的運(yùn)算和傳送速度很慢。此外,一些16 比特的影像在一些程序中不能很好地顯示。所以,在對影像進(jìn)行顏色變換前,必須對影像進(jìn)行顏色變換。

        影像的合并與下降次序很關(guān)鍵。在影像的基礎(chǔ)上,通過對影像的降階,可以有效降低影像數(shù)據(jù)規(guī)模。然而,在該方法中,影像在壓縮過程中會損失掉一些影像內(nèi)容,影響了影像的質(zhì)量。所以,在影像產(chǎn)生時(shí),一般都會首先進(jìn)行影像合并,然后進(jìn)行縮減的方式來保存影像中最有用的信息。

        3 衛(wèi)星遙感影像處理

        3.1 衛(wèi)星遙感影像糾正處理

        在保證其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)不受泄露的前提下,大多數(shù)遙感影像都采用不依賴于觀測對象的、基于共線性的、具有普適性的、多源遙感影像的幾何建模方法——有理函數(shù)(RPC)。

        該方法以“不依賴于地物”為基礎(chǔ),以由GPS 測量得到的衛(wèi)星軌跡和由恒星照相機(jī)和慣性測量單元測量得到的姿態(tài)信息為基礎(chǔ),構(gòu)建精確的空間幾何建模。在此基礎(chǔ)上,通過建立嚴(yán)密的三維影像處理方法,產(chǎn)生一系列的三維影像數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行精確的三維影像處理。RPC 校正方法因其自身的特性而被廣泛應(yīng)用于各種星載遙感影像,但其校正過程中對DEM 的擬合要求很高,通常為2~3 次,且對觀測點(diǎn)要求很高。

        矯正控制資料通常包括外業(yè)控制點(diǎn)、DOM、DLG或者DRG。在矯正之前,必須要對控制資料的坐標(biāo)體系進(jìn)行清晰了解,利用RPC 參數(shù)和控制資料之間的相互映射關(guān)系,對控制點(diǎn)進(jìn)行迅速而精確的定位,中偏差需要控制在2~3 個(gè)像素之內(nèi),如果很大,就需要進(jìn)行修正,其細(xì)節(jié)要依據(jù)參照資料和地勢的不同來決定。如果是為了全色與多光譜的配準(zhǔn),那么最好將其保持在0.5~1 個(gè)像素之間,這樣就可以確保融合后的影像中不會出現(xiàn)重影、模糊的情況,通常情況下,采用的是雙立方體或3 次卷積的方式,這樣可以有效防止并降低直線地物的鋸齒現(xiàn)象。

        對衛(wèi)星遙感影像的修正質(zhì)量把控是否嚴(yán)格,直接影響到后期工作處理和結(jié)果的準(zhǔn)確性,如果最終發(fā)現(xiàn)修正有問題,就需要重新進(jìn)行返工處理,這會極大降低效率,因此,必須要對修正質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格地檢測,重點(diǎn)從下面的一些角度來檢驗(yàn)。一是對控制點(diǎn)位置平均精確分布;二是對某一控制點(diǎn)處的最大偏差進(jìn)行修正,以確定其最大偏差值;三是對檢測結(jié)果進(jìn)行修正,確定檢測結(jié)果的偏差值;四是對成像準(zhǔn)確度的校正。

        3.2 衛(wèi)星遙感影像融合處理

        “影像合成”指的是將相同的場景或目標(biāo)的影像進(jìn)行合成的技術(shù)與手段,其能夠得到的影像比起單個(gè)影像具有更加準(zhǔn)確、完整、可靠的估算與判定結(jié)果,為特定領(lǐng)域提供高質(zhì)量的信息,其功能如下。①影像的銳化和空間分辨率的提高;②在對象抽取和辨識過程中,解決了資料的不完備問題,改善了判讀效果;③改進(jìn)了用以改進(jìn)分類準(zhǔn)確度的光譜學(xué)分辨率;④通過光學(xué)、紅外、雷達(dá)3 種不同類型的影像信息互補(bǔ),增強(qiáng)影像信息的檢測性能。通常,影像融合可以劃分為像素級、特征級和決策級3 個(gè)層次。

        3.3 衛(wèi)星遙感影像鑲嵌和裁切

        衛(wèi)星遙感影像的拼接,就是將經(jīng)過校正和融合的影像進(jìn)行拼接,要確保在拼接之前,各個(gè)影像之間的接邊精度都要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn),通常在2 個(gè)像素之內(nèi),拼接線應(yīng)該盡可能地沿著地物和地塊的邊界,選擇開闊的地方和谷地,避免將一個(gè)完全的地物切掉,不要將云霧或者其他質(zhì)量比較低的地方影像去掉,在鑲嵌線的過程中,要確保拼接處沒有裂縫,沒有模糊,沒有重影,整個(gè)拼接影像的紋理,色彩過渡自然,色調(diào)均勻,在拼接過程中,根據(jù)剪切范圍,輸出結(jié)果。

        4 遙感影像處理應(yīng)用實(shí)例

        由于其具有宏觀、客觀、綜合、實(shí)時(shí)、動態(tài)和快速等優(yōu)點(diǎn),因此,在地球資源調(diào)查與開發(fā)、土地治理、環(huán)境監(jiān)測和全球研究等方面,都可以為人們帶來一種全新的檢測方法,在測繪、動態(tài)監(jiān)測、地球資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與救治、軍事偵查等方面有著廣泛應(yīng)用。能夠還原出光譜信息,地理幾何位置信息的衛(wèi)星影像分析技術(shù);能夠用于提升遙感影像的分辨效果,加強(qiáng)對特殊地物信息的辨識,對遙感影像的分析、解釋,具有非常關(guān)鍵的意義,其是衛(wèi)星影像的技術(shù)保證,是遙感影像的一個(gè)關(guān)鍵組成部分,也是衛(wèi)星技術(shù)的一個(gè)必不可少的技術(shù)手段。在遙感影像技術(shù)的應(yīng)用與科研工作中,始終貫徹著衛(wèi)星影像的信息分析與應(yīng)用。

        圖1 的左側(cè)影像是3 個(gè)頻帶的顏色綜合陸地衛(wèi)星TM 影像,該影像已經(jīng)進(jìn)行輻照修正和初步的幾何修正,右側(cè)影像已經(jīng)進(jìn)行了初步的幾何修正,并在右側(cè)影像上顯示一個(gè)子區(qū)影像,在右側(cè)影像上顯示一個(gè)白色的小塊。從視覺上來說,2 個(gè)畫面是以一個(gè)不同的角度轉(zhuǎn)動的,2 個(gè)畫面都有一定比例的扭曲。精確修正后的影像與地形圖在同一坐標(biāo)下,在空間上彼此吻合,方便比較、分析、解讀以及最后生成的影像。右側(cè)影像的信息量較左側(cè)影像更大,可以將多個(gè)影像的圖象表現(xiàn)得更好,而且可以將影像中的各層影像進(jìn)行比較,通過直線影像的加強(qiáng),可以凸顯出各種影像的差異,方便影像的解析和解讀,而子區(qū)影像則可以更好地體現(xiàn)該影像的處理結(jié)果。

        圖1 影像輻射校正、幾何校正和影像增強(qiáng)處理

        圖2 的左側(cè)上部是TM4 光譜影像,右側(cè)上部是通過HIS 轉(zhuǎn)換模式在該光譜中所得到的視覺反射性影像,下方是與該光譜(參考1∶50 000 光譜影像)相一致的地質(zhì)學(xué)影像。通過對影像的分析,可以明顯看出,該方法消除了地表的遮擋,并加強(qiáng)了光譜的特征。

        圖2 TM4 影像及其地質(zhì)圖

        深色帶礦巖體與周邊巖體區(qū)別顯著,易于辨認(rèn)。而且輝綠巖和賦礦層之間的界面十分明顯,這2 個(gè)巖體在原始TM4 影像上很難分辨。現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證了視反射率影像所顯示的巖石特征是準(zhǔn)確的。

        5 遙感衛(wèi)星行業(yè)未來發(fā)展

        遙感衛(wèi)星是空間地理信息獲取的主要工具,其作用越來越大,數(shù)據(jù)及增值業(yè)務(wù)的市場規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大。中國的衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)長期以來一直是一種以政府為導(dǎo)向,以專項(xiàng)資金為項(xiàng)目的發(fā)展方式,這就造成了我國空間技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化帶動作用較弱。相對于歐、美等發(fā)達(dá)國家而言,中國的遙感衛(wèi)星的商業(yè)利用水平還不高。

        “十三五”時(shí)期,我國制定了一系列促進(jìn)空間技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的政策措施,突破了空間技術(shù)的限制,促進(jìn)了空間技術(shù)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。在國家的積極支持下,中國的遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了商品化階段。在這個(gè)行業(yè)的發(fā)展過程中,伴隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,新的業(yè)務(wù)、新的商業(yè)模式和新的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí),政府對高精度、高質(zhì)量、高安全性的GIS 服務(wù)的要求也日益提高。除此之外,在數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大環(huán)境中,以定位、導(dǎo)航、地圖等服務(wù)為基礎(chǔ)的外賣、共享單車和網(wǎng)約車等產(chǎn)業(yè)對地理信息行業(yè)的依賴性非常大,高精度定位、高質(zhì)量地圖、導(dǎo)航等服務(wù)的需求不斷上升,而遙感衛(wèi)星是提升位置、導(dǎo)航、地圖服務(wù)的重要手段。所以,中國遙感衛(wèi)星工業(yè)的市場需求將繼續(xù)推動其發(fā)展。

        6 結(jié)束語

        隨著衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)的發(fā)展,其逐漸被運(yùn)用到了社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的每一個(gè)領(lǐng)域中。在土地調(diào)查、城市規(guī)劃、軍事和環(huán)境管理等領(lǐng)域中,都能將其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)完全展現(xiàn)出來,并獲得了很好的應(yīng)用結(jié)果。在不斷發(fā)展和改進(jìn)的過程中,衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)將會在越來越多的方面獲得更為高效的運(yùn)用,進(jìn)一步推動我國的高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。

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