多源控制遙感影像快速處理技術及應用

張宏偉，王忠祥，楊 應

(國家基礎地理信息中心,北京 100830)

高分辨率遙感影像是自然資源監(jiān)測、地圖更新、應急測繪的最主要和最有效的數據源之一。遙感影像精確糾正和地理編碼是上述應用的首要步驟，即求解影像的外參數(外方位元素)，并對其進行糾正和地理編碼，建立和真實地表的對應關系，其糾正精度決定了監(jiān)測等應用的精度。隨著自然資源監(jiān)測和海量遙感影像處理的迫切需要，如何充分利用已有的基礎地理信息數據，通過影像匹配和地物提取，自動確定影像的外參數顯得越來越重要。由于地圖和影像上同名地物表示的方式差異較大，目前對應的控制點仍然需要人工量測。無論在野外還是室內，在地圖上量測控制點都是一件耗時耗力的繁冗工作，且不容易準確量測，因此，這越來越成為海量遙感數據幾何處理中全自動空中三角測量的瓶頸。

隨著航天遙感平臺和傳感器技術的發(fā)展，實時、全天候、大面積獲取地表信息高精度、高分辨率、多時相、多光譜的數字遙感影像成為現實，但與之相反的卻是圖像處理理論和技術手段的嚴重滯后，大量堆積如山的遙感影像與相關的數據處理手段之間存在巨大的反差。攝影測量與遙感技術的快速發(fā)展，及圖像處理與理解、模式識別、數據庫等技術的發(fā)展，使得海量遙感影像快速正射糾正成為可能。本文充分利用影像匹配、影像自動處理及信息快速提取等方面的研究成果，發(fā)揮國家現有海量的基礎地理信息數據和技術儲備優(yōu)勢，結合地理國情監(jiān)測、應急測繪和1∶5萬數據庫更新工程項目的實施，研究如何充分利用已有基礎地理信息，自動進行影像正射糾正，提高遙感影像正射糾正生產和正射影像庫建立與更新的效率，為建立數字化信息測繪技術體系服務。

1 基于已有高精度正射影像控制情況

在高分辨率正射影像庫建成的基礎上，充分利用已有空間數據庫(正射影像數據、控制點數據、數字高程模型數據)，通過遙感影像之間的自動匹配，在數字高程模型內插獲取高程信息的基礎上自動生成大量的控制點，實現遙感影像的自動正射糾正和正射影像庫的自動更新。隨著越來越多的高分辨率正射影像庫和控制點庫的建成，基于已有正射影像匹配的遙感影像正射糾正是較為可行的途徑。

相對于航空攝影測量雙片匹配而言，新原始影像和正射影像之間的匹配存在以下幾個問題：比例尺(分辨率)不一致、影像方位差別大、成像時相差別大造成的色調差別較大，以及地物變化等。本文將基于最小二乘影像匹配的結果作為控制點對影像進行絕對定向，高分辨率衛(wèi)星影像的定向模型仍然采用RPC模型，區(qū)域網的相鄰影像采用區(qū)域網平差方法求解影像的外參數?？刂泣c的地面坐標根據正射影像上匹配點和對應的正射影像坐標參數進行計算，高程值根據數字高程模型內插計算得到。在影像絕對定向或區(qū)域網平差過程中，由于控制點個數很多，可以在迭代計算過程中根據每個控制點殘差，給每個控制點賦予不同的權，對于殘差較大的控制點作為粗差剔除，這樣可以確保匹配產生的控制點沒有錯誤存在。

本文選取了黑龍江齊齊哈爾試驗區(qū)8景WorldView-2影像進行試驗，已有正射影像和DEM數據分別選用1 m分辨率1∶1萬DOM和格網間隔5 m 1∶1萬DEM數據，圖1和表1分別為基于影像匹配的控制點選取和定向精度情況。

表1 基于影像匹配的控制點個數和配準精度情況

2 基于已有空三加密成果控制情況

目前正射影像生產主要采用非立體衛(wèi)星影像，相對于立體衛(wèi)星影像和傳統的航空影像，其相鄰影像重疊度小，連接點光線交會角很小甚至平行，導致影像區(qū)域網連接強度很弱，無法實現高程約束，現行技術用DEM約束，受限于DEM精度，平差精度低。本文通過多源衛(wèi)星影像混合區(qū)域網平差，將立體和非立體衛(wèi)星聯合處理，實現非立體衛(wèi)星影像大區(qū)域網聯合平差。

本文以第三次國土調查正射影像生產為例開展了基于已有立體基準網的遙感影像區(qū)域網平差和正射生產試驗。第三次國土調查要求在全國范圍全面采用優(yōu)于1.0 m分辨率的航天遙感影像生產正射影像，幾何精度達到1∶10 000比例尺制圖要求。青藏高原為代表的西部地區(qū)高精度測圖一直是尚未解決的難題。試驗區(qū)域混合區(qū)域網及其連接點如圖2所示，包含ZY3立體影像和GF2衛(wèi)星影像。可以發(fā)現，雖然這兩種衛(wèi)星影像分辨率、光譜特征、影像時相、初始幾何精度存在很大差異，但是匹配得到的連接點數量、分布都能很好地滿足構網需求。

在GF2加密網上共布設了38個檢查點，分別刺在GF2的全色波段影像及ZY3的前視和后視影像。檢查點分布均勻，覆蓋大部分GF2的區(qū)域，如圖3所示。

在檢查模式下，將所有檢查點參與平差，用以檢查GF2經區(qū)域網平差后的物方坐標精度。經平差計算后所得到的結果見表2。

表2 GF2檢查點模式精度統計 m

對比區(qū)域網聯合平差前后的GF2影像的幾何定位精度情況可以發(fā)現，采用立體-非立體無控制幾何協同區(qū)域網平差可以有效提高GF2高分辨率衛(wèi)星影像的幾何定位精度。

3 結 語

隨著衛(wèi)星軌道參數數據精度的逐步提高，以及高分辨率正射影像數據庫、數字高程模型數據庫和已有立體基準網的建成，如何充分利用這些數據，大大減少甚至避免人工量測控制點，對快速高效地建立與更新全國范圍內的高分辨率正射影像庫具有重要意義，為解決海量遙感數據處理的瓶頸問題提供了新的思路。本文探討了將已有正射影像和空三加密成果作為控制條件下，遙感影像的快速正射糾正的理論和生產技術方面的問題，并結合部分試驗數據，進行了小范圍的算法驗證和生產試驗。綜合考慮目前遙感影像幾何處理的控制數據源，從生產技術角度分析高分辨率遙感影像快速正射糾正技術路線和作業(yè)模式，為遙感影像快速處理及其應用奠定了基礎。