一種基于PixelGrid和PixelFactory協(xié)同的正射影像生產(chǎn)工藝研究

□ 趙云波

（山西省測(cè)繪工程院，山西 太原 030002）

0.引言

按照國(guó)務(wù)院對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作的總體部署和測(cè)繪地理信息事業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，從2016年起,我國(guó)的地理國(guó)情信息獲取開(kāi)始進(jìn)入業(yè)務(wù)化、常態(tài)化監(jiān)測(cè)階段。

數(shù)字正射影像（DOM）作為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中主要的調(diào)查數(shù)據(jù)源，為地表覆蓋分類和地理國(guó)情要素的提取提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。正射影像的制作進(jìn)度和質(zhì)量決定了地理國(guó)情監(jiān)測(cè)后續(xù)作業(yè)的進(jìn)度和成果的精度。在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)正射影像的制作上，目前生產(chǎn)單位一般使用某一種影像處理系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，協(xié)同生產(chǎn)方面研究較少，本文立足技術(shù)角度，提出利用PixelGrid和PixelFactory（像素工廠）協(xié)同的正射影像生產(chǎn)方法，基于歷史基準(zhǔn)影像、數(shù)字高程模型等資料，對(duì)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行快速處理，得到符合地理國(guó)情監(jiān)測(cè)要求的數(shù)字正射影像成果，可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。下面以大數(shù)據(jù)量的多源衛(wèi)星遙感影像為研究?jī)?nèi)容，進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。

1.技術(shù)路線

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)正射影像生產(chǎn)數(shù)據(jù)量大，周期要求緊。單獨(dú)使用PixelGrid或PixelFactory系統(tǒng)也可進(jìn)行正射影像生產(chǎn)，但在自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率、人機(jī)交互和影像質(zhì)量等方面還不同程度地存在欠缺。本文提出的方法，就是綜合PixelGrid和PixelFactory軟件的各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)正射影像制作流程進(jìn)行優(yōu)化，第一步，利用PixelGrid，使用已有的數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）等資料，進(jìn)行影像匹配、區(qū)域網(wǎng)平差等環(huán)節(jié)的高效自動(dòng)化處理，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像的快速正射糾正，制作整景全色和多光譜正射影像，并且在變形修改環(huán)節(jié)對(duì)DEM/DOM同步編輯更新，具有自動(dòng)化程度高、精度高、人機(jī)交互好等優(yōu)點(diǎn)；第二步，利用PixelFactory，提供分幅真彩色正射影像成果，軟件在正射影像生產(chǎn)過(guò)程中特別引入了參考影像的概念，并且在拼接過(guò)程中考慮到影像整體及局部的輻射信息，進(jìn)行了全局均勻性的勻光勻色處理，可以保證分幅正射影像成果色彩的豐富性和色調(diào)的一致性，有效提高了正射影像的質(zhì)量，和其他攝影測(cè)量軟件相比具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

正射影像生產(chǎn)流程（如圖1所示）。

圖1 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)衛(wèi)星遙感正射影像生產(chǎn)流程圖

2.研究過(guò)程與實(shí)現(xiàn)

2.1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

2.1.1 多源衛(wèi)星遙感影像

此次研究區(qū)的多源衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)共287景，其中分辨率優(yōu)于1米的衛(wèi)星影像191景，包括高分二號(hào)（GF2）衛(wèi)星159景和北京二號(hào)（BJ2）衛(wèi)星32景，分辨率優(yōu)于2.5米的衛(wèi)星影像96景，包括高分一號(hào)（GF1）衛(wèi)星61景和資源三號(hào)（ZY3）衛(wèi)星35景，影像時(shí)相在2016年1月至2017年7月間。四種衛(wèi)星遙感影像空間分辨率對(duì)照情況（如表1所示）。

表1 衛(wèi)星遙感影像空間分辨率對(duì)照表 單位：m

2.1.2 現(xiàn)有正射影像

（1）近年航空攝影獲取的正射影像成果，分辨率為0.5米，數(shù)據(jù)采集時(shí)間在2009年至2016年間。

（2）山西省第一次地理國(guó)情普查正射影像成果，分辨率為0.5米，數(shù)據(jù)采集時(shí)間在2013年至2015年間。

以上的正射影像成果作為此研究區(qū)的基準(zhǔn)控制影像使用，同時(shí)進(jìn)行已有正射影像測(cè)區(qū)間的接邊精度檢測(cè)工作。

2.1.3 現(xiàn)有全省高精度數(shù)字高程模型

“山西省高精度數(shù)字高程模型”是利用ALS60機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集獲取，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)的覆蓋山西全省15.6萬(wàn)平方公里的3m×3m格網(wǎng)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，在本次研究中用于衛(wèi)星遙感影像的正射糾正。

2.1.4 第一次地理國(guó)情普查項(xiàng)目檢查點(diǎn)

山西省第一次地理國(guó)情普查項(xiàng)目所用檢查點(diǎn)在本次研究中作為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)正射影像成果質(zhì)量檢查的檢查點(diǎn)使用。

2.2 整景正射影像制作

2.2.1 空中三角測(cè)量

（1）空三分區(qū)

根據(jù)原始衛(wèi)星遙感影像提供的先后順序，以已有數(shù)據(jù)連接成片、盡量避免數(shù)據(jù)分散為原則，綜合考慮批次、衛(wèi)星類型、影像分辨率、時(shí)相、分布等因素進(jìn)行分區(qū)。

（2）衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

將衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)按不同衛(wèi)星傳感器類型分別進(jìn)行預(yù)處理及分析，對(duì)原始衛(wèi)星遙感影像文件和軌道參數(shù)文件進(jìn)行處理，生成通用的*.tif和*.rpc文件。

（3）設(shè)置參考數(shù)據(jù)庫(kù)

需要將已有DOM和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后會(huì)生成相應(yīng)的*.db文件（相當(dāng)于索引文件，軟件會(huì)從*.db文件中自動(dòng)搜索相應(yīng)位置的DOM和DEM數(shù)據(jù)）。

（4）設(shè)置并行處理環(huán)境

設(shè)置完成后，單計(jì)算機(jī)情況下是調(diào)用本計(jì)算機(jī)的多核并行處理；計(jì)算機(jī)集群情況下是調(diào)用局域網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行處理，這樣可以最大限度地利用局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)資源，提高處理效率，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間。

（5）連接點(diǎn)匹配

軟件以已有的DOM和DEM數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)控制參考，對(duì)整景衛(wèi)星影像進(jìn)行生成金字塔影像、提取特征信息等處理，利用影像匹配算法自動(dòng)匹配海量的控制點(diǎn)和連接點(diǎn)。

（6）區(qū)域網(wǎng)平差

軟件利用自動(dòng)匹配的連接點(diǎn)及參考控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，以整體聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差的方式獲取衛(wèi)星影像的定向參數(shù)。軟件支持弱交會(huì)整景影像的大范圍區(qū)域網(wǎng)平差處理，提高了處理效率并解決了影像接邊問(wèn)題。區(qū)域網(wǎng)平差后注意檢查連接點(diǎn)、控制點(diǎn)分布情況。

（7）空三精度分析

空三精度檢測(cè)主要是加密分區(qū)外參數(shù)解算誤差，此精度關(guān)乎到空三的平面精度。外參數(shù)解算檢查點(diǎn)中誤差（如表2所示）。

表2 外參數(shù)解算檢查點(diǎn)中誤差統(tǒng)計(jì)表 單位：m

依據(jù)GQJC05-2017《數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定》，如果采用前期普查或監(jiān)測(cè)形成的正射影像作為控制源，外參數(shù)解算的檢查點(diǎn)中誤差應(yīng)優(yōu)于1.5×GSD（GSD為待糾正影像和控制影像中分辨率相對(duì)較低的地面分辨率），最大誤差不超過(guò)2倍中誤差。從表2可以看出，空三外參數(shù)解算精度符合規(guī)定要求，定向成果可供正射糾正使用。

2.2.2 整景正射影像制作

（1）整景衛(wèi)星影像正射糾正

使用區(qū)域網(wǎng)平差后的衛(wèi)星影像定向成果和已有的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行衛(wèi)星遙感影像的自動(dòng)批處理正射糾正。分辨率及投影信息按照成果要求進(jìn)行設(shè)置，并生成DOM編輯輔助數(shù)據(jù)，以便于后期修改變形區(qū)域的DEM。整景糾正正射影像分辨率設(shè)置（如表3所示）。

表3 整景糾正正射影像分辨率對(duì)照表 單位：m

（2）DEM/DOM同步編輯更新

由房屋未完全過(guò)濾、橋梁被濾除等DEM原因引起的影像變形，需要根據(jù)變形區(qū)域周邊地形并參考圖面檢查采集的矢量文件進(jìn)行編輯修改。DEM編輯修改后，重新糾正全色和多光譜影像，輸出最終整景全色和多光譜正射影像成果。表4為局部建筑物變形修改前后對(duì)比示例。

表4 建筑物變形修改前后對(duì)比示例

2.3 分幅真彩色正射影像制作

2.3.1 整景正射影像導(dǎo)入及影像融合

把正射糾正后的整景全色和多光譜正射影像導(dǎo)入PixelFactory，導(dǎo)入過(guò)程中注意檢查波段的選取及對(duì)應(yīng)情況。應(yīng)用軟件中的PANSHARPEN模塊對(duì)全色波段影像和多光譜波段影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。影像融合分辨率設(shè)置（如表5所示）。

表5 影像融合分辨率對(duì)照表 單位：m

2.3.2參考影像制作

在PixelFactory軟件下對(duì)導(dǎo)入的多光譜正射影像進(jìn)行重采樣生成參考影像，參考影像拼接前進(jìn)行拼接線粗略編輯，要選用優(yōu)質(zhì)影像，盡量繞開(kāi)云雪區(qū)域和存在明顯差異的地物地塊，以免影響整個(gè)區(qū)域的色調(diào)。參考影像輸出后在Photoshop下對(duì)參考影像進(jìn)行局部調(diào)整和全局色彩把控，并進(jìn)行各個(gè)分區(qū)參考影像顏色接邊，保證該任務(wù)區(qū)內(nèi)分幅影像整體顏色協(xié)調(diào)一致。

2.3.3 拼接線生成與編輯

使用Mosaic模塊下的AutoMosaCutline功能自動(dòng)計(jì)算拼接線，計(jì)算時(shí)不選擇快速算法，因?yàn)槠唇泳€計(jì)算要參考相鄰景影像的輻射信息，這樣能最大可能地使拼接后的影像色調(diào)保持一致。一般區(qū)域拼接線的修改在參考影像上進(jìn)行，影像拉花、云影、以及薄霧等區(qū)域，要放到全分辨率影像上進(jìn)行細(xì)致編輯。

2.3.4 影像鑲嵌

對(duì)整景融合后的影像進(jìn)行鑲嵌，影像鑲嵌過(guò)程中注意拼接線和參考影像的選取，拼接線使用編輯后的拼接線，參考影像導(dǎo)回PixelFactory時(shí)波段選擇順序?yàn)?XS3、XS2、XS1。

2.3.5 分幅真彩色正射影像裁切輸出

按照數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)的裁切范圍為對(duì)應(yīng)的基本存儲(chǔ)單元最小外接矩形向外擴(kuò)展100個(gè)像素的矩形進(jìn)行圖框制作，在PixelFactory下進(jìn)行打包輸出，輸出影像格式為T(mén)IFF/TFW。

3.精度質(zhì)量評(píng)定

3.1 整景全色正射影像平面幾何精度評(píng)定

經(jīng)對(duì)整景全色正射影像進(jìn)行檢查，1米分辨率整景全色正射影像檢查點(diǎn)平面最大中誤差為4.14米，最大誤差為8.87米；2米分辨率整景全色正射影像檢查點(diǎn)平面最大中誤差為6.24米，最大誤差為12.78米，精度均滿足規(guī)范要求。

3.2 整景全色正射影像接邊精度評(píng)定

在當(dāng)前景全色正射影像的東、南、西、北四個(gè)方向各選擇一景與當(dāng)前景影像重疊度較大的影像進(jìn)行接邊檢查，1米分辨率整景全色正射影像最小接邊誤差為0.13米，最大接邊誤差為9.64米；2米分辨率整景全色正射影像最小接邊誤差為0.64米，最大接邊誤差為9.6米。接邊精度均滿足規(guī)范要求。

3.3 分幅真彩色正射影像平面幾何精度評(píng)定

經(jīng)檢查，1米分辨率分幅真彩色正射影像平面最大中誤差為3.99米,最大誤差為8.7米；2米分辨率分幅真彩色正射影像平面最大中誤差為7.33米，最大誤差為12.79米，精度均滿足規(guī)范要求。

3.4 正射影像質(zhì)量評(píng)價(jià)

經(jīng)檢查，整景正射影像無(wú)大面積噪聲和條帶，融合影像色彩自然，紋理清晰，無(wú)發(fā)虛和重影現(xiàn)象；分幅真彩色正射影像地物細(xì)節(jié)清晰，反差適中，層次分明，色彩基本平衡，影像直方圖基本接近正態(tài)分布，影像接邊處色彩過(guò)渡自然，地物接邊合理，人工地物完整。

4.結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，基于PixelGrid和PixelFactory協(xié)同的正射影像制作流程，可以充分利用兩款軟件的各自優(yōu)勢(shì)，充分利用已有基礎(chǔ)成果資料，有效提高正射影像的整體質(zhì)量，自動(dòng)化程度高，減少了工作量，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)即將開(kāi)展的新一輪地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和第三次全國(guó)土地調(diào)查具有較強(qiáng)的借鑒和參考價(jià)值。