高分辨率卫星影像数据操作平台的建立与立体量测

第33卷第6期2010年12月
测绘与空间地理信息
G EoM A Tl C s＆S PA TI A L I N FO R M A T l oN T E C H N O L O G Y
V01．33．N o．6
D ec．，2010
高分辨率卫星影像数据操作平台的建立与立体量测
王卫安，王伟，乔刚
(同济大学测量与国土信息工程系，上海200092)
摘要：高分辨率卫星影像由于高空间分辨率和立体成像观测使得数据量通常很大，建立一个快速操作高分辨率卫星影像数据的平台非常必耍。

本文利用G D A L开源库研究建立了高分辨率卫星影像数据操作平台，主要包括大数据量卫星影像读取、显示、缩放、平移、截取等基本操作。

在此平台基础上，利用有理函数模型进行立体影像几何定位，实现了高分辨率卫星影像立体量测。

关键词：高分辨率；数据量大；立体观测
中图分类号：T P79文献标识码：B文章编号：1672—5867(2010)06—0056—03
T he E s t a bl i s hm ent of H i gh--r es ol ut i on Sat el l i t e I m age D at a Pl at f or m
and T hr ee．．．di m ensi onal M eas ur em ent
W A N G W e i—a n，W A N G W ei，Q I A O G ang
(D epar t m ent of Surve y i ng an d G eo—i nf or m at i cs Engi nee ri ng，Tongj i U n i v er s i t y，1239Si pi ng R oad，S ha ngh ni200092，C hi na)
A b s t ra ct：
B e ca u s e of i t s hi gh s pat i al r es ol ut i on a nd t h r e e—di m en si o na l i m a gi ng obs er vat i on，hi gh—r esol ut i on s at el li t e i m agery(H R—SI)da t a i s usual l y ver y l ar ge，w hi ch m akes i t ver y ne cess ar y t o es t abl i s h a fa s t ope r at i on pl at f or m f or hi g h—r esol ut i on s at el l it e i m a ge dat a．I n t hi s pa per，w e ut il i zed t he open s our ce G D A L l i br ar y t o bui l d H R S I dat a pl at f or m t h at i ncl u des a l ot of basi c oper a t i ons of sat—el li te i m a ge dat a s uch a s r ead，d i s pl ay，zoom，pan and i nt e r cept i o n．B ased o n t hi s pl at for m，w e us e d R at i o nal F u nc t i o n M od e l f or t hr ee—di m e ns i onal i m a ge ge om et r i c posi t i oni ng a nd ac hi e ve d t h r e e—di m en si o na l m ea sur i ng f or hi g h—r esol ut i on s at el l it e i m ages．
K e y w or ds：hi gh—r e sol ut i on；l a r ge vol um es of dat a；st er eo m ea s ure m ent
0引言1影像数据操作平台的建立
随着遥感技术的发展，遥感影像的分辨率越来越高，数据量越来越大，一景高分辨率卫星影像，数据量可能会达到几个G B。

在实际工作中，很多情况下我们需要写程序读取和操作大数据量卫星影像，面对如此大数据量的卫星影像，常规的图像读取方法遇到了问题，常规的图像读取方法很难读取如此大的影像，这就给后续影像处理和研究工作带来了困难。

因此，如何快速有效地读取和操作大数据量卫星影像是一个迫切需要解决的问题。

本文在解决上述问题的基础上，利用G D A L开源库建立大数据量卫星影像的操作平台，实现了大数据量卫星影像读取、缩放、平移、截取和建立金字塔等基本操作。

并采用了立体影像操作界面，利用控制点辅助几何校正的有理函数模型(R FM，R at i onal F unct i on M odel)实现高分辨率卫星影像的立体量测分析¨’2o。

卫星影像处理系统在进行大数据量操作时，如果读取整幅影像，对于上G B的高分辨率影像数据，显然要占用大量的内存。

实际上，很多时候系统需要同时操作多幅影像数据，例如在进行立体量测时，为了方便准确地标识影像立体像对的同名点，通常需要将每张影像三级放大显示，这样就相当于打开6张高分辨率的卫星影像，数据量增大6倍，采用对整幅影像进行读取、增强的方法显然是不可取的。

因此，本文通过对卫星影像建立金字塔文件，再根据实际需要每次读取金字塔文件中的某一层或者某一层中的一小块影像，较好地解决了大数据量的问题。

读取影像的核心函数是G D A L中的R as t e r I O()函数，该函数不仅可以用来读取影像，而且可以用来实现影像的缩放、平移以及下文提到的影像的截取。

本文中的高分辨率卫星影像数据操作平台是建立在W i ndow s环境下，采用V i s ual St udi o2008平台实现的，主要实现的功能
收稿日期：2010—09—01
作者简介：王卫安(1960一)，男，上海人，教授，硕士，博士生导师，主要研究向：地理信息系统，摄影测量与遥感。

第6期王卫安等：高分辨率卫星影像数据操作平台的建立与立体量测57如图1所示：
图1影像数据操作平台功能示意图
Fi g．1Fu nc t i o ns of i m age dat a op e r at i on s ys t em
1．1建立卫星影像金字塔
影像按分辨率分级存储与管理，最底层的分辨率最高，数据量最大；最高层的分辨率最低，数据量最小。

这样不同分辨率的卫星影像形成了塔式结构，即影像金字塔。

为了提高海量影像数据的实时缩放显示速度，快速获取不同分辨率的影像信息，需要对原始的数据生成影像金字塔，并根据不同的显示要求调用不同分辨率的影像，达到快速显示漫游的目的。

G D A L开源库自带的gd al．addo工具可以方便地为大多数数据格式建立或者重建金字塔，本文就是调用gdal a ddo工具来对Q ui ckB i r d卫星影像建立影像金字塔。

1．2影像读取
对卫星影像建立金字塔文件以后，先利用G D A L中的R ast e r I O()函数读取感兴趣的部分，该函数可以读写金字塔影像的某一层或某一层的一个子块，然后计算出读入内存中的小块影像的最大和最小的灰度值，接着按照一定的比例切掉部分灰度值以调节亮度，重新计算小块影像的最大灰度和最小灰度的差值，然后将16位影像映射成8位保存到数组中，最后用V C++中S t r et chD I B i t()函数将影像显示到计算机屏幕上(如图2所示)。

1．3影像截取
在许多遥感图像研究过程中，经常需要利用整幅图像中的某个特定的区域做特别的试验，要求能提供分割提取整幅图像的某个区域，并能严格确保子图像与整幅图像之间像素位置关系，确保整体成像计算。

因此，我们在系统中添加了截取影像的功能。

具体过程为：首先，利用G D A L中的驱动poD r i ve r来创建一个数据集da t ase t，这里用G D A L中C r e at e()函，
然后利用R ast er I O()函先读取目标影像到内存中，最后再利用R as t e r l O()函将内存中的影像写入到文
R ast er l00函数渎取一小块卫星影像
』
计算小块影像的最大和最小灰度值
切掉部分灰度值以调节亮度
l
l重新汁算小块影像的最大和最小灰度值
l
16bi t影像映射成8bi t
I
V c++函数显示影像
图2读取大数据量影像流程图
Fi g．2G e n e r a l pr ocedur e f or l a r ge vol u m es of
i m age dat a r ea di ng
件中。

2高分辨率卫星影像立体量测
2．1有理函数模型的基本原理
I K O N O S，Q ui ckB i r d等高分辨率卫星遥感影像的成像和定位模型是遥感影像处理和应用的关键技术。

其中，严密传感器模型数学形式较为复杂且需要完整的传感器信息，缺乏通用性。

为此，I K O N O S，Q ui ckB i r d等商用卫星采用了一种与其体传感器类型无关，数学模型形式简单的通用的成像模型——有理函数模型(R FM—R at i ona l Func t i on M odel)。

它通过两个多项式的比值来拟合地面点3维坐标与相应像点2维坐标的对应关系，利用影像数据提供的一组称为R P C的成像参数，从而获得与严格物理模型相近的定位精度。

卫星影像成像几何的有理函数模型表示如下：
P，(X，l／，Z)。

P2(X，y，Z)…
P，(x，y，z)。

P。

(X，l，，Z)
式中：(r，c)是像平面坐标，(x，y，z)是地面坐标，它们均是经过标准化后的坐标值。

标准化形式如下：
x=专≥
式中：X r是原坐标值；x。

x。

分别是平移参数与比例参数，x是标准化后的坐标值，其值在[一1，1]之间。

标准化的目的是为了方便R P C参数的解算，提高计算精度。

对于线阵推扫式影像，P(i=1，2，3，4)是一个20项的三阶多项式：
m l m2柑
∑∑∑
i=0，=0女=0
c融=C o+C l X+C2Y+ C3Z+c4X Y+c5X Z+c6yZ+c7矛+c8y2+
c。

矛+c l oX Y Z+C l l X2Y+c12X2Z+
c13X y2+c14y2Z+C15X Z2+c16yZ2+
58
测绘与空间地理信息
2010舞
c17r +c18P +c1923
(3)
其中c 。

是多项式的系数，即为有理多项式系数R PC s (Ra t i onal Pol ynom i a l C oef f i ci ent s )。

I K O N O S 和Q ui ckB i r d
影像均提供了这80个系数作为影像的几何模型，这里多
项式的排列顺序在不同的文献中有不同的排列。

2．2
R FM 几何校正的原因与控制点辅助的R FM
几何校正
在常用的遥感图像处理软件中，摄影测量模块利用
的是原始影像辅助文件提供的RPC ，而原始影像辅助文件提供的R PC 进行立体定位具有明显的系统误差。

因
此，在实际的应用中，我们利用部分地面控制点对此系统
误差进行补偿，以提高其定位精度。

加入控制点提高R FM 的定位精度通常有两种方式，物方几何校正模型和
像方几何校正模型，本文仅介绍像方校正模型，像方校正模型公式如下：
，P 。

(x ，y ，z)
7+口。

+。

t 7+827
2
Zi i jF 丽
，．、。

2
P3(X ，l ，，z)
¨60+6t ¨6：。

2赤Z 瓦历
将经过校正的R PC 封装成函数模块，该函数模块可
以将像素坐标转换成W G S 一84或地方城市坐标，且定位
精度比原始影像辅助文件提供的R PC 有显著提高。

利用像方校正模型公式(4)得到的校正结果，如图3所示，一阶像方R F M 几何校正模型在控制点足够多的情况下，可以达到1m 的平面精度和高程精度。

J
25’
，、
2，
吕
茸1．5
主
1
—--～
．
0．5-一
二
二
一
一
一
一
O
481216l +高程428093O ．93l +纬度
0．560540．540．55}—P 经度
O ．73
0．54
055
O 52
控制点数目
图3影像校正结果分析
Fi g ．3
I m age co r r ect i o n r es ul t ana l ys i s
2．3影像立体量测
在进行立体量测时，选取同名像片的像素坐标的误差应尽量小，才能保证量测定位精度。

为了能方便准确地标识影像立体像对同名点，系统中采用了将每张影像三级放大。

如图4所示，左影像或右影像中的3张像片是
相互关联的，在其中的任一张像片中进行平移或缩放操作，都会引起另外两张像片平移或缩放。

在图4中，分别在左右像片上选取同名像点(本文选
取东明珠塔尖为同名像点)，即可获得同名像点的像素
图4立体量测示意图
Fi g ．4
St er e o
m eas ur em ent
坐标，然后调用上文提到的封装好的R PC 函数模块，此模
块可将同名像点像素坐标转换成W G S 一84或上海市城市坐标，然后利用A r cEngi ne 打开陆家嘴地区的矢量地图，
将影像上的同名点在矢量图上准确地标示出来，如图4下
方矢量图所示(图4下方矢量图中圆形标记符号对应于影像中的同名点)，从而实现影像立体像对的量测定位。

本文从上海市区Q ui ckB i r d 影像中选取东方明珠的塔
尖做实验，左片中塔尖的像素坐标是(10261．754883，10028．587891)，右片中塔尖的像素坐标是(10853．605469，10450．477539)通过计算得到东方明珠的
塔尖的上海城市坐标是(2677．510658，712．934791)高程
是468．862043m 。

经验证，量测的平面精度和高程精度
均优于1
m 。

此外，在此平台的基础上还可以做进一步应用研究，
包括利用投影轨迹法-z 一在立体像对上生成同名核线，在建立同名核线的基础上，利用最小二乘影像匹配"1实现立体影像半自动和自动匹配，以及实现地物的识别和提
取等诸多工作。

3结束语
通过利用G D A L 开源库研究建立高分辨率卫星影像
数据的操作平台，以及研究有理函数模型进行立体影像几
何定位可以得出如下结论：
1)G D A L 开源库操作栅格数据方便实用，程序中采用每次只读取金字塔影像的某一层或某一层的一个子块，然后再对这一小块图像进行处理的方法，有效地解决了大数
据量卫星影像读取、缩放、浏览速度慢的问题。

经测试，本
系统在C PU 为A M D 双核2．61G H z ，内存为2G B 的PC 机上运行，(在影像已经建立金字塔的情况下)打开一景1．33
G B 的卫星影像文件所耗费的时间约为0．078s 。

实践证
明，该
法读取大
量卫星影像速度快，效果好。

(下转第63页
)
第6期戴韫卓：第二次土地调查县级数据库建设研究63
的原则，以地类的实际变化为准，精度低的数据库要服从于精度高的数据库，主要用各种电子数据进行更新。

不定期组织专业人员对土地调查数据库质量进行巡查，现场进行数据库建设及维护技术指导，及时发现解决工作中存在的问题。

同时，加强对数据库质量的跟踪和检查，定期开展数据建库质量考核。

6．3加大数据库应用力度
二次调查数据是土地利用数据方面最权威、最准确的成果，二次调查数据库成果的价值在于将数据库的各项成果应用到国土资源管理工作中，为土地利用规划修编、建设用地审批、耕地及基本农田保护、土地开发整理复垦以及农业产业结构调控提供第一手基础资料，促进国土资源的科学管理，使土地数据成为国家实施土地监管、有效参与国民经济宏观调控的基本依据。

要在动态更薪土地利用数据库的基础上，借助县级土地利用现状管理信息系统对土地利用数据库进行13常管理和维护，确保数据质量，加大数据库应用力度，扩大应用范围，根据需要进行土地信息的快速分析和快速统计，时时掌控土地利用动态变化趋势，让数据库成为一个动态的基础成果，不断在土地管理日常工作中发挥作用。

7结束语
县级土地调查数据库建设是确保土地调查成果现势性和科学性的基础，依据系统化、标准化、开放性、现势性的原则，采用规范的技术方法和流程进行数据库建设，把握影响数据库质量的关键技术环节，同时加强对数据库持续更新和应用工作的重视，才能切实提高土地基础数据对国土资源管理的贡献率。

参考文献：
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[责任编辑：王丽欣]
(上接第55页)
研究能够解决在统计地理信息系统中统计数据的时空数据的保存、追溯和查询等要求。

当然在实际应用中还需考虑到算法的优化和可视化等问题。

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济地理，2006，26(3)：418—420．
[责任编辑：王丽欣]
(上接第58页)
2)有理函数模型形式简单，基于有理函数模型的立13j 体定位计算方便快速，采用适当的补偿方案进行系统误
差纠正过的冗PC系数进行立体定位，则能得到较高的定L4J 位精度，本文将经过纠正的RPC封装成函数模块，在已经
建立的系统平台上调用该模块，获得了较好的定位精度，L J J 经测试，利用校正过的即c量测的平面精度和高程精度一一均优于l m。

另外，本软件平台预留的一些接E l，支持可…。

扩展，新的功能可以很方便地集成进来。

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[编辑：栾丽杰]。