利用GeoEye影像制作濟南市南部山區1∶5 000衛星影像圖

田永明，王鴻，張興國，顧曉莉

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

利用GeoEye影像制作濟南市南部山區1∶5 000衛星影像圖

田永明?，王鴻，張興國，顧曉莉

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

采用有理函數模型法利用GeoEye影像制作濟南市南部山區1∶5 000衛星影像圖，并對成果精度進行分析。

GeoEye影像；正射糾正；大氣校正；分辨率融合

1 引 言

隨著社會經濟和技術的發展，商用高分辨率遙感衛星的發射，衛星遙感影像也在不斷的豐富，其應用面也在不斷的擴大，城市高分辨率影像圖在城市管理、城市規劃建設中應用也越來越廣泛。

GeoEye－1衛星是迄今技術最先進、分辨率最高的商業對地成像衛星，由美國GeoEye公司2008年9月6日成功發射，其影像具有多光譜成像(1個全色通道，4個多光譜通道)、全色波段分辨率(0.5 m)、多光譜波段分辨率(2 m)、成像幅寬(15 km×15 km)、軌道高度(684 km)、重訪周期為2天～3天等特點。

2 測區概況、技術要求

濟南市位于山東省中部，東經116°11′～117°44′，北緯36°01′～37°32′，南依泰山，北跨黃河，地處魯中南丘陵與魯西北沖積平原的交接帶上，地勢南高北低。本次制作濟南市南部山區正射影像成圖面積約1 300 km2。DOM成圖數學基礎:平面坐標系統采用1980西安坐標系統，高程采用1985國家高程基準。其基本技術指標如表1所示。

基本技術指標 表1

3 技術流程

3.1 影像預處理

GeoEye原始影像為4個單波段(紅、綠、藍、近紅外)16 bit影像和一個全色波段16 bit影像，數據量比較大而且光譜信息不是很豐富，在進行大氣校正和正射糾正前需要對數據進行預處理。

圖1 技術流程圖

(1)先將16 bit的數據轉換為8 bit的數據。

(2)對原始的 4個波段影像利用 PCI的 Data Merge功能組合成一個多光譜影像，為了增強影像的判讀能力，在對波段進行組合后利用EASI功能進行波段運算，達到增強影像光譜信息的效果。

3.2 大氣校正

光學衛星傳感器是科學環境調查的一個重要信息來源，然而由于空氣中的水汽和氣溶膠產生的薄霧會影響傳感器接受的信號，同時還會屏蔽重要的地物光譜。另外，地形的影響也會極大地影響傳感器記錄的信號，在崎嶇地帶，不同的光照條件(陽坡和陰坡)對地表的光譜特征會產生不同的影響。大氣校正的目的就是消除大氣和光照的影響，得到正確的地球表面參數，衛星影像經過大氣校正后可以提高數據分析能力。

大氣校正分平坦地區和崎嶇地帶分別進行，在校正過程中大氣信息及校正參數按照實際情況設定，主要涉及定標文件的制作，根據?＿metadata.txt文件提供的信息，制作GeoEye的定標文件內容如表2所示。

制作GeoEye的定標文件內容 表2

將上述文件以文本格式存儲為?.cal的文件，其中第一列為波段數，第二列C0為偏移量(bias)，第三列C1為增量(gain)，第四列為單位，以上內容根據每一景影像提供的相關文件信息進行修改，如:快鳥影像的定標文件信息是在每一景的?.imd文件中，GeoEye影像的定標文件信息是在每一景的?＿metadata.txt文件中。

3.3 分辨率融合

分辨率融合是以圖像為主要研究內容的數據融合技術，是把多個不同模式的圖像傳感器獲得同一場景的多幅圖像或同一傳感器在不同時刻獲得的同一場景的多幅圖像合成為一幅圖像的過程。影像融合可以消除各種冗余和矛盾，加以互補。

GeoEye多光譜影像與全色影像是同時獲取，可不需配準直接進行融合，融合后的影像有效地提高了影像的空間分辨率和光譜特征，生成的高分辨率彩色影像(0.5 m)保留原有多光譜影像色彩信息。影像融合前后效果如圖2～圖4所示。

圖2 多光譜影像

圖3 全色影像

圖4 融合后影像

3.4 糾正控制點數據及DEM數據準備

數字高程模型DEM是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是一定區域范圍內規則格網點和地形特征點、線的平面坐標及高程的數據集。該數據集從數學上描述了該區域地貌形態的空間分布。獲取DEM的方法很多，有來自機載激光掃描儀、Insar技術、野外測量、攝影測量以及基于數字化等高線和高程點信息創建DEM等。本文使用的DEM是采用攝影測量的方法獲得，內插后得到5 m×5 m格網間距的高精度DEM。

糾正控制點數據來源主要有3個方面:

(1)2005年濟南市全野外實測像控點，用于生產濟南市1∶2 000比例尺DOM，覆蓋范圍約4 300 km2，像控點間距東西約3.0 km、南北約1.5 km，采用當前GPS測量中最為先進的RTK方法進行的測量，精度高，覆蓋范圍廣，其坐標三維精度最大值為 0.070 m，最小值為0.012 m。

(2)充分利用濟南市1∶500全野外數字化地形圖(DLG)。

(3)在前兩種已有數據還不能滿足控制點均勻、合理分布的前提下，采用GPS RTK全野外實測像控點。

上述DEM及控制點數據平面坐標系統采用濟南市地方坐標系統，經過坐標轉換后平面坐標系統采用1980西安坐標系統，高程采用1985國家高程基準。

3.5 正射糾正

GeoEye衛星遙感影像的正射糾正是指利用基礎控制資料和數字高程模型(DEM)，通過使用有理函數模型對遙感圖像進行投影差改正和地理信息改正。

有理函數模型(Rational Function)的建立采用“獨立于地形”的方式，即首先利用星載GPS測定的衛星軌道參數及恒星相機、慣性測量單元測定的姿態參數建立嚴格的幾何模型；之后，利用嚴格模型生成大量均勻分布的虛擬地面控制點，再利用這些控制點計算RPC模型參數，其實質是利用RPC模型擬合嚴格幾何模型。理論上可以達到跟嚴格衛星傳感器模型相當的定位精度。

控制方案采用4×4的16點布點方案，利用PCI軟件的有理函數模型對每景影像分別糾正，每景影像的控制點要均勻分布，在控制點采集的過程中，糾正控制點殘差中誤差控制1個像素以內，并采用雙線性內插法進行重采樣。

3.6 影像鑲嵌、影像裁切

單景影像正射糾正完成后，采用Erdas的影像鑲嵌、影像裁切功能對每景影像進行鑲嵌、標準分幅，對分幅后的影像進行格式轉換，由img格式轉換為tif格式，并生成地理坐標文件tfw。

在影像鑲嵌之前，調整相鄰景DOM的色彩基本趨于一致，拼接線應沿地物邊線走向，避開高大建筑物、房屋、橋梁等，須在圖像重疊處仔細挑選，以使色調變化和看得見的拼接線減到最少。

3.7 色彩調整

在鑲嵌的過程中進行色彩平衡，使得景與景之間色彩過渡自然，色調連續變化。標準分幅完成后在Photoshop中對影像進行進一步的色彩調整和平衡處理，確保DOM的整體色彩均勻一致，最終DOM影像應該清晰，反差適中，色彩飽滿，色調正常，以達到應用要求。

4 成果分析

4.1 誤差來源分析

(1)全野外像控點實測誤差，控制點應選擇影像上能夠準確定位且不易變化的地物，同時點位選擇應盡量選擇在高程變化不大的地面上。

(2)1∶500全野外數字化地形圖(DLG)，作業員在圖上讀取控制點坐標時存在一定的誤差。

(3)坐標系統轉換誤差，同名點從濟南獨立坐標系向西安1980坐標系轉換產生的誤差。

(4)遙感影像的正射糾正誤差，在正射糾正過程中，使用的傳感器物理模型本身含有少量誤差。

(5)控制點的分布，每景影像的糾正控制點要求均勻分布，但個別景影像上選點比較困難，造成點位分布不太均勻，此外還有人工選點誤差。

(6)地形起伏對成果精度有一定的影響，平地、丘陵地精度較高，山地精度相對較低。

(7)成像時的入射角和DEM精度也對成果精度有一定影響。

4.2 精度分析

參照GB/T18315－2001《數字地形圖系列和基本要求》成圖精度要求不大于表3規定:

成圖精度要求 表3

成果精度評定是以外業實測 GPS像控點及1∶500全野外數字化地形圖(DLG)上讀取的點作為檢查點，依據GB/T18316－2001《數字測繪產品檢查驗收規定和質量評定》中驗收要求，按照平地、丘陵地、山地和高山地的不同共抽取33幅影像進行精度檢測，根據具體情況在每幅DOM影像上選取20個～30個同名點并讀取坐標值，根據GB/T 18316－2001規定的計算中誤差公式為:

其中，Ms為點位中誤差，n為檢查點個數，Xi、Yi為檢查點的平面坐標，xi、yi為DOM影像上讀取同名點的平面坐標，由表4可以看出 DOM成果能夠滿足1∶5 000成圖精度要求。

1∶5 000 DOM成果精度檢測匯總表 表4

5 結 語

高分辨率衛星數據的應用前景十分廣闊，其應用值得深入研究。本次遙感衛星影像主要服務于濟南市第二次土地調查，應用于土地利用動態監測。高分辨率衛星數據在地籍調查、大比例尺地形圖更新、在城市規劃管理中也發揮了重要的作用。

[1]曹立，劉偉，周靖等.QuickBird影像制作1∶10 000 DOM方法探討.地理空間信息，2008(6)

[2]劉善偉，張杰，馬毅.1∶5萬地形圖對海岸帶遙感影像精校正能力的實力分析.測繪通報，2009(6)

[3]濟南市勘察測繪研究院.濟南市1∶2000彩色正射影像圖技術總結.2006(10)

[4]張利平，崔永利，王寶山.不同地形條件下Quick Bird影像正射糾正精度分析.測繪與空間地理信息，2009(4)

[5]黎貴發.基于RFM的QuickBird少量控制點糾正控制方案與模型.城市勘測，2009(4)

Using GeoEye Remote Sensing Image to Make 1∶5 000 Remote Sensing Image Of South Mountainous Area IN JiNan

Tian YongMing，Wang Hong，Zhang XingGuo，Gu XiaoLi
(Jinan Geotechnical Investigation And Surveying Institute，Jinan 250013，China)

Using GeoEye Remote Sensing Image to make 1∶5 000 Remote Sensing Image of south mountainous area in JiNan by rational function，And precision of production were analyzed.

GeoEye Image；Ortho－rectification；Atmospheric Correction Configuration；Resolution Merge

1672－8262(2010)04－107－03

P237

B

2009—11—13

田永明(1979—)，男，助理工程師，主要從事攝影測量與遙感專業相關工作。