高分辨率卫星影像数据正射图制作工艺及应用

高分辨率卫星影像数据正射图制作工艺及应用

朱继东程晓阳刘宏陈绍光

（北京天目创新科技有限公司北京 100088）

摘要：本文阐述了应用高分辨率卫星获取地球表面影像数据制作正射影像图的工艺及在抗震救灾、全国第二次土地调查中的应用。随着航天技术的发展和普及，针对卫星影像数据的相关应用处理技术将成为我国地理信息相关产业空间信息获取和保障的重要手段。

关键词：卫星；数据；正射影像图

应用卫星获取地球表面影像数据制作正射影像图，可以为地理信息系统及时提供可靠的地形信息，测地卫星能不断地对地球拍摄，提供新的地表信息，卫星影像数据全部采用通用的电子计算机处理，工艺简便，生产效率高。所以，应用卫星影像数据制作正射影像图具有很大优势。目前，美国QuickBird(快鸟)和World View-1(视界-1)影像分辨率分别达到0.61米和0.47米像素，为制作大、中比例尺正射影像图创造了必要条件。随着航天技术的不断发展和普及，应用卫星影像数据制作大、中比例尺正射影像图将会成为重要的技术途径。

一、基于卫星影像数据的地表正射影像图基本制作工艺

应用卫星影像数据制作正射影像图的整个工艺流程，都是在通用的电子计算机中进行，采用专门遥感处理软件进行数据处理。

1.1控制资料

●导航矢量数据

针对成果的精度要求，利用少量精度相对较高的矢量资料作为控制资料。

●已有地形图

利用现有的1:10000或1:50000比例尺的地形图作为控制资料。

●实测控制点

利用外业GPS实测控制点作为控制资料，适合高精度成果。

1.2 处理软件

PCI Geomatica10.1专业遥感影像处理软件，PhotoShop等其它辅助软件。

1.3正射影像制作流程

针对通用的快鸟捆绑数据正射影像图制作流程见图1。

●影像数据配准融合

影像数据配准融合是通过高级影像处理技术来复合多源遥感影像，以达到全色和多光谱数据优势互补，增强空间细节，减少颜色失真，形成对地面目标较完整的信息描述。

融合方法多采用PCA主成分变换或Pansharp融合算法。目前后者融合效果较优，建议采用Pansharp算法对高分辨率卫星影像进行。

●影像数据调色

影像数据调色的目的是统一各景融合后的原始影像色调，还原地物真实色彩或根据不同应用对象的需求，达到预期的地物色彩。

使用软件PCI 10.1和Photoshop CS结合。

●影像数据纠正

影像数据纠正是纠正原始影像产生的辐射畸变和几何畸变，以获取地表正射影像。

影像数据纠正必须有控制资料，如：合理分布的纠正控制点。这些点可以从已有控制资料通过内业转点方法选取、也可以用野外实测获得。对于大、中比例尺正射影像图制作，野外实测一般采用GPS定位测量方法完成。

影像数据拼接

影像数据拼接是通过对相邻影像的无缝拼接处理，保持地物连续一致性的基础上，取出重叠区多余影像，从而形成整景影像。

二、快速获取震区大面积的正射影像

今年5月12日，我国四川发生8.0级大地震。我公司作为美国高分辩率卫星“快鸟”和“视界-1”的中国总代理，同时又是获得测绘资质的测绘单位，意识到这场抗震救灾应急保障工作中，快速获取并提供震后卫星影像数据对“紧急救援”行动意义重大。时间就是生命，我们立即行动起来，连夜与美方取得联系。从5月13日开始连续一周对震中地区汶川、绵阳等地进行紧急编程拍摄，快速获取了震后的高分辩率卫星影像数据。

公司领导与员工，争分夺秒进行震区卫星影像数据的接收和处理。利用“视界-1”(worldview-1)优良的定位精度，利用少量控制资料，连续加班，赶制出地震地区在震前和震后的实地影像（1:2000至1:10000比例尺），总面积约五千平方公里。全部无偿提供给国家测绘局、民政部、武警总队司令部，为抗震救灾取得急需的地理信息（见图1—图10）。

三、应用卫星影像数据制作全国第二次土地调查用1:10000比例尺底图

今年我国全面开展第二次土地调查，需要新的1:10000比例尺正射影像图作为调查底图。由于测图面积庞大，调查底图覆盖全国。不少地区测绘条件差，难度大，而且时间紧迫，完全采用传统测绘方法是难以完成任务的，全国第二次土地调查办公室决定采用航测和航天技术，开展大面积测制工作。快鸟/视界-1卫星影像承担底图任务涉及河北、内蒙、新疆、宁夏、甘肃等12个省，120万平方公里，图幅数48178幅。共计项目协作单位17家，其中内业（含内外业承包）协作单位11家。平均承担底图生产任务约7.5万平方公里/单位。

3.1 项目特殊生产工艺及技术

3.1.1 基于光谱特性的半自动彩色补偿技术（已建立自动化处理模型）

a)基本原理：

由于地物波谱反射特性的差异，使得不同地物在传感器上反映的色调各不相同。习惯上地物在可见光成像的卫星影像上的色调要求应与人眼观察到的地物一致。但由于地球大气对不同波段的透过率有所不同，使得星载传感器对植被的成像会产生一定的偏色。利用基于光谱特性的半自动色彩补偿技术，根据光谱原理，按照人眼习惯色调，通过各种手段，如近红外波段影像数据掩模、NDVI图层掩模等，可以有效提高影像色调与人眼习惯地物色调的相似性，提高影像的真实感。

b)实施经验：

卫星影像数据有的是夏季的影像，有的是冬季的影像数据，季节的不一致，导致地物色调存在巨大差异。针对此种情况，制定出色调调整方案，经小范围实验效果非常好，后实施于项目中。先将色调调整方案介绍如下：

i.对于全部影像，为了减弱大气影响，降低蓝色波段的亮度；

ii.对于初夏季节的影像，其植物生长状况好，将单波段的近红外影像经过拉伸及阈值处理后，获得明显的植被范围（DN值普遍偏高），掩模到绿色波段上；同时可以获得水体的范围（DN值很低），掩模水体。

iii.对于冬季的影像，需要首先进行NDVI（植被指数）层的提取，可以获得较好的植被覆盖情况，然后掩模绿色波段；水体的掩模同上。

3.1.2 拼接工艺

●影像样本贴边

快鸟卫星影像数据通常每扫描带像幅不超过16公里，考虑到条带重叠，对于大面积处理，通常需要多条带拼接。在对单独像幅影像进行完调色处理后，拼接时，为保证地物纹理连续一致，需要进行拼接处理。具体处理如下：选取一幅影像为色调样本，裁切重叠区，覆盖在另一幅影像上，着重调整拼接处，达到色调连续一致为止。

●隐藏拼接线

将裁切样本区上的拼接线边界，将拼接线隐藏在树林、马路中线、山脊山谷、河流等地物中。

3.1.3 加快纠正速度的手段

●输出低分辨率预览图

纠正控制点刺点完成后，需要重采样生成处理结果，快鸟卫星影像一景数据波段融合后约８GB，重采样一景最少半个小时，非常耽误时间，在处理中，一般先输出2.5米分辨率的小样，自检无误后，再输出最终结果。经过实践，节约了大量处理过程时间，大大提高生产效率。

●利用中间结果作为控制资料过渡

在新疆的部分沙漠戈壁、山地等特别地形地貌地区，外业控制稀少，分布不均匀，利用经过控制点改正后ETM等低分辨率控制资料，刺点精度无法控制，容易产生问题。由此，利用输出的２.5米中间结果（小样）作为控制传递手段。具体的，利用经过控制点改正后ETM对2.5米分辨率的中间结果进行控制，然后将中间结果拼接成图，作为0.5米分辨率底图成果的直接控制资料。能够很好的保证刺点误差的一致性，对成果质量保障起到积极的作用，同时，提高了成果生产效率。

3.1.4 黑白影像底图伪彩色处理

按照本次底图生产成果要求，全部底图成果需彩色，由于原始影像资料部分是由视界0.5米分辨率黑白立体测图卫星采集，通过实验发现，部分地区影像可以直接进行伪彩色处理。