多源遥感影像数字正射影像的生产
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【摘要】本文结合第一次全国地理国情普查的实际生产经验，采用PCIGXL和GEOWAY CIPS进行多源遥感影像数字正射影像生产，针对两者的优势，进行不同阶段的处理。对在数据准备、控制点采集、平差、融合、匀光匀色等步骤中需注意的细节和容易出现的问题进行了归纳总结。
【关键词】数字正射影像 正射纠正 多源遥感影像
1、概述
全国地理国情普查利用高分辨率航空航天影像数据、基础地理信息数据和其他专题数据等，查清我国地形地貌、地表覆盖等地表自然和人文地理要素的现状和空间分布情况[1]，多源遥感影像处理从而成为了普查开展的第一步。
生产区内高分辨率卫星影像数据源有WorldView-1、WorldView-2、QUICKBIRD、GeoEye-1，全色分辨率为0.5米和0.6米，均为下视数据，在正射影像生产时需使用数字高程模型即DEM参加影像数字微分纠正。根据生产区域实际情况，将数据进行分区处理，同时考虑到软件的最佳处理效率，每个分区的影像尽量不要超过200景，同时尽量保持分区较规则，如图1。
图1 生产区分区图
2、前期数据准备
2.1 原始影像准备
由于影像较多、数据源较多，对原始影像进行筛选时，优先选择分辨率较高、时相较新、云雪覆盖少、侧视角小于25°的影像，在结合新疆的实际情况，尽量选择5-10月拍摄的卫星影像。
在影像选取时还需要对原始影像数据是否完整做一个简单的判断，查看原始数据里是否有轨道参数文件，WorldView和QUICKBIRD数据会有分块信息文件，查看分块数和影像数是否匹配，是否缺少影像信息文件等。
2.2 DEM准备
普查使用的DEM有1：10000和1：50000两种基础数据，DEM格网间距分别为5米、25米，成图时间不一致，坐标系统也不一致。在正射影像生产前需要对任务区内的DEM坐标系转换为2000国家大地坐标系，重采样为同一格网间距并进行接边处理，然后将DEM转换为PCIGXL的内部格式（PCIDSK格式），设置投影信息。
2.3 控制资料准备
控制资料可以是控制点影像库、正射纠正后的影像/地理参考影像、线状矢量数据（道路网）、多边形矢量数据（湖泊）等，这些数据都需要统一坐标系，参考影像需要转换为PIX格式，并设置投影信息。
3、数据处理
通过对生产经验的总结，将PCIGXL和GEOWAY CIPS两个软件的优点结合使用，整景影像纠正、融合采用PCIGXL软件，然后采用GEOWAY CIPS集群处理效率高的优势，进行后续匀色、影像裁切等。具体像生产流程如图2：
图2 生产流程图
3.1 影像导入
影像导入将原始的影像数据转换为内部格式，同时读入原始数据中的包括星历参数等模型数据，将原始卫星传感器数据转化为PCIDSK 格式，使其可用于随后的其他GXL模块的处理。
影像导入主要设置输入影像目录、输出目录、导入的数据类型、数学模型，其中数学模型有任意、有理函数模型、严格数学模型。对于WorldView、QUICKBIRD、ZY-3影像数据在生产时通常都选择有理函数模型，根据生产情况部分ZY-3可能会用到严格数学模型。
3.2 控制点采集
PCIGXL支持从4 种参考数据中自动采集GCP：正射校正后的影像/地理参考影像、控制点影像库、线状矢量数据（道路网）、多边形矢量数据（湖泊）。
在通用参数设置里需要注意RPC或多项式数学模型次数的设置，WorldView选0阶，QUICKBIRD和ZY-3选1阶，如果WorldView和QUICKBIRD都有的情况就选自动。
在使用参考影像进行GCP自动采集时需要设置合适的GCP个数和搜索半径。每景原始影像可能会对应对个参考影像，GCP个数是指在每一个参考影像上采集的个数，因此在设置时需要参考每景原始影像对应的参考影像数，GCP个数过少会影响精度，过多耗时很长。搜索半径的确定，需要打开影像导入之后的原始影像和对应的参考影像，量测同名点之间的距离，计算合适的像素，搜索半径过小会导致采集不上GCP，过大会影响速度。
控制点采集只在全色影像上采集，全色影像的分辨率高，采集精度好，自动采集的地面控制点存储在PCIDSK 文件中的GCP 段中，采集结束后，需要人工检查采集的点位是否合理，采集的个数是否符合要求，剔除残差大的点，重新计算模型并输出GCP段。（如图3、图4）
3.3 平差
平差主要是采集影像之间的连接点，对齐相邻影像的重叠区域，优化任务区内影像的相对精度。
连接点采集的需要设置合理的TP搜索半径，打开相邻影像，量测同名点的距离，并计算所需像素，考虑DEM的不准确度可另外增加30至50个像素。
平差也只在全色影像上进行，平差完成后，需要人工检查采集的连接点分布是否合理，采集的个数是否符合要求，剔除残差大的点，重新计算模型并修改RPC参数。（如图3、图4）
图3 点位分布图
图4 手动剔除残差
3.4 正射纠正
正射纠正使得用户将该影像中的特征与它们在地球上的实际位置关联在一起，并为用户提供进行测量和采取精确决策步骤的措施。
正射纠正之前，需将多光谱影像与全色影像放在同一个目录下，在正射纠正时，利用全色影像的RPC模型来对对应多光谱影像进行正射纠正。正射纠正完成之后进行平面精度检查和全色多光谱匹配精度的检查，对超限数据进行重新匹配纠正。
3.5 Pansharpen融合
Pansharpen融合算法利用多光谱若干波段拟合一个全色波段，使拟合全色波段与源全色波段具有较高相似性，从而降低融合过程的光谱失真问题；经过 PanSharpen 融合后的影像解译后在地物破碎度、精确度方面都优于原始多光谱影像的解译效果[2]。
在参数设置MS/PAN对匹配方式里，有用MS找PAN和PAN找MS两种，当全色多光谱影像均成对时，用两种均可，当全色比多光谱影像多时，用MS找PAN会节约一些时间。通道设置里多光谱参考通道设置为“3，2，1”，进行波段重组，融合后的影像为真彩色，接近实地真实颜色。
3.6 整景成果输出
PCIGXL生产的过程数据均为PCIDSK格式，需将空间数据（栅格或矢量）转换为所需要的格式进行后续生产，我们将全色、多光谱、融合后的整景成果数据转换为ERDAS IMAG的格式。
3.7 位深调整
位深调整的目的是将16位的整景数据转换为8位数据，方便进行分幅图的制作。
3.8 匀光匀色
由于原始影像彩色差异，采用GEOWAY CIPS软件进行匀光匀色处理。处理之前将数据进行划分，按照不同地形类别、不同地貌等情况分别制作合适的匀色模板。影像之间的色差不大时匀色策略选择整幅匀色，色差较大时选择逐块匀色，逐块匀色将每景影像分成了多个小块进行匀色处理。
3.9 影像裁切
影像裁切是根据生产需要进行裁切，GEOWAY CIPS软件集群处理方式能同时对192个任务进行处理，生产效率较高，同时提供多种比例尺、多种外扩方式的裁切。
3.10 成果整理
所有数据生产好后，按照规范的要求对成果进行整理，至此一个完整的生产流程就进行好了。
结束语
通过第一次全国地理国情普查的生产，利用PCIGXL软件对海量遥感影像数据的进行自动化生产，对多源数据的同时处理，在保证精度的情况下，提高了数据的处理速度和处理效率。GEOWAY CIPS集群处理方式能同时处理192个任务，对于大批量数据的影像裁切非常快速。
另外在数据生产的每一步都需要进行必要的检查，而根据不同的生产目的，检查的标准也不尽相同，在这里就不一一阐述。
参考文献
[1] 第一次全国地理国情普查实施方案，国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室，2013年9月17日.
[2] 李国明，应国伟，陈济才.WorldView-2 影像数据融合方法比较研究―以在四川省地理国情监测项目中应用为例[J] .科学技术与工程，2013，13（33）：10021-10025.