利用像素工廠系統(tǒng)對(duì)SPOT－5影像鑲嵌圖進(jìn)行局部修正

徐瑩，王永峰，王濤

(天津市測繪院，天津 300381)

1 像素工廠介紹

像素工廠系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的海量遙感影像自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，由歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)EADS的子公司Infoterra法國開發(fā)研制。具有快速、自動(dòng)處理海量衛(wèi)星遙感影像及航空影像的強(qiáng)大功能。能生產(chǎn)多種制圖產(chǎn)品，如正射影像鑲嵌圖、數(shù)字地表模型、數(shù)字高程模型、真正射影像等產(chǎn)品。像素工廠系統(tǒng)的核心是在一個(gè)大型的、可伸縮的并行處理器環(huán)境下，利用衛(wèi)星傳感器、數(shù)字航空相機(jī)的幾何性能和元數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照攝影測量算法進(jìn)行處理，生產(chǎn)出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的各種地理產(chǎn)品。

像素工廠系統(tǒng)的特性包括以下5個(gè)方面:

(1)支撐多種航天、航空遙感數(shù)據(jù)，包括:SPOT影像、ASTER影像、IKONOS影像、快鳥影像、ERS影像等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù);DMC影像、UCD影像、ADS40影像等數(shù)字航空影像;數(shù)字化的航空影像。

(2)海量影像數(shù)據(jù)并行處理能力。比如像素工廠系統(tǒng)可在一個(gè)空三過程中處理過200景SPOT－5影像，唯一的限制來自于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間大小。

(3)經(jīng)融合處理的正射影像色彩十分接近現(xiàn)實(shí)真彩色，這源于系統(tǒng)采用了先進(jìn)、豐富的地物光譜庫和融合算法。這樣不僅保證了大面積鑲嵌影像在色彩上的連續(xù)性，而且可避免因季節(jié)不同而導(dǎo)致的影像間的色彩差異。

(4)正射影像鑲嵌圖達(dá)到了近無縫的效果，這是因?yàn)椴捎昧霜?dú)特的拼接線選擇方法和復(fù)雜的對(duì)比匹配算法，消除了太陽高度角、光線變化、季節(jié)不同及云朵水體等造成的差異。

(5)顯著減少對(duì)于地面控制點(diǎn)數(shù)量的要求。通常SPOT－5影像正射糾正要求每景至少需16個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)于大面積區(qū)域的項(xiàng)目來說，獲取地面控制點(diǎn)的成本極高。像素工廠采用自動(dòng)光學(xué)傳感器的攝影機(jī)模型和同軌影像合并成條帶的空三處理方法，極大地減少了控制點(diǎn)采集工作量，顯著地節(jié)省了成本，對(duì)偏遠(yuǎn)及條件惡劣地區(qū)測圖來說有著明顯的優(yōu)勢。

像素工廠系統(tǒng)處理衛(wèi)星遙感影像生成正射影像鑲嵌圖的流程如下:

①數(shù)據(jù)預(yù)處理及導(dǎo)入。

②空三處理。包括:初始化;導(dǎo)入控制點(diǎn);自動(dòng)計(jì)算同名點(diǎn);設(shè)置高度參數(shù);檢驗(yàn)同名點(diǎn);正射糾正編輯;網(wǎng)平差參數(shù)優(yōu)化;網(wǎng)平差結(jié)果查看及確認(rèn)。

③對(duì)影像進(jìn)行正射糾正。

④對(duì)全分辨率影像進(jìn)行影像融合及真彩色轉(zhuǎn)換。

⑤以快視圖影像為參考對(duì)全分辨率影像進(jìn)行自動(dòng)鑲嵌。

⑥影像鑲嵌圖的質(zhì)量控制，包括幾何精度和色彩。

2 項(xiàng)目概述

天津金宇信息技術(shù)有限公司與北京視寶衛(wèi)星圖像有限公司合作，在中國及亞太地區(qū)開展基于像素工廠系統(tǒng)的遙感影像制圖應(yīng)用，已完成多項(xiàng)基于衛(wèi)星遙感影像及數(shù)字航空影像的地理數(shù)據(jù)制作項(xiàng)目。

有一快速制作23對(duì)SPOT－5同步數(shù)據(jù)的鑲嵌影像圖項(xiàng)目，是建設(shè)部三江流域資源調(diào)查工作的一子項(xiàng)目，其覆蓋區(qū)域?yàn)槲覈髂细咴貐^(qū)三江源頭流域。23對(duì)SPOT－5數(shù)據(jù)均為同步獲取的2.5 m全色影像和10 m多光譜影像，其處理級(jí)別為1A級(jí)，質(zhì)量級(jí)別為excellent級(jí)。該項(xiàng)目利用像素工廠處理，并在通用圖像處理軟件Photoshop中進(jìn)行鑲嵌影像圖的色彩編輯處理。其中，比較關(guān)鍵的空三處理過程為:設(shè)置加密工程的精度;分塊提取連接點(diǎn)并各自進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整;將所有的連接點(diǎn)文件合并后進(jìn)行整體的區(qū)域網(wǎng)平差;輸出精度報(bào)告。

經(jīng)空三、正射糾正、影像融合、影像鑲嵌等處理得到的2.5 m鑲嵌影像圖如圖1所示。

圖1 SPOT－5鑲嵌影像圖

圖2 “雙眼皮”現(xiàn)象示意圖

圖1同時(shí)顯示了鑲嵌影像圖與影像邊界矢量圖的疊加示意。像素工廠系統(tǒng)可將同軌的若干景SPOT－5影像合并成一個(gè)大的片段影像，圖1中的若干個(gè)大矩形即表示片段影像。

但當(dāng)項(xiàng)目進(jìn)行到利用Photoshop軟件進(jìn)行影像鑲嵌圖色彩編輯后處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分融合影像存在像素錯(cuò)位問題，即俗稱的“雙眼皮”現(xiàn)象，如圖2所示，這屬于融合數(shù)據(jù)的幾何質(zhì)量問題。分析知原因是同步獲取的全色影像與多光譜影像配準(zhǔn)精度不高，而根源在于在空三過程中對(duì)應(yīng)的兩對(duì)影像間的連接點(diǎn)數(shù)量不足或分布不合理。圖3為空三工程中該兩對(duì)影像的連接點(diǎn)分布示意圖。通常像素工廠處理SPOT－5影像要求一對(duì)影像內(nèi)連接點(diǎn)至少有6個(gè)且應(yīng)分布均勻，而從圖3可看出該片段影像內(nèi)的連接點(diǎn)空間分布極不合理且數(shù)量偏少，這直接導(dǎo)致了其配準(zhǔn)精度不高而產(chǎn)生融合影像的像素錯(cuò)位問題。

圖3 空三工程連接點(diǎn)分布示意圖

圖4 修正后連接點(diǎn)分布示意圖

3 鑲嵌影像局部修正方法

3.1 局部修正原理

在此情況下，最可靠的改正方法是整個(gè)項(xiàng)目重新進(jìn)行。考慮到項(xiàng)目成本及工期，該方法并不可取，故而考慮局部修正方法。該方法的思路是:

(1)對(duì)有問題的片段影像補(bǔ)充做一局部的空三工程，其必要前提是該局部空三工程的精度設(shè)置與整個(gè)項(xiàng)目的空三工程的精度一致。而為保證局部空三工程的幾何精度，該過程須具備數(shù)量充足且分布均勻的連接點(diǎn)。

(2)將該局部空三工程合并到全局空三工程中進(jìn)行一次整體網(wǎng)平差。若平差結(jié)果與前次的全局平差結(jié)果相一致，則加做的空三處理結(jié)果合理可被采用。

(3)加做的局部空三處理通過后，對(duì)該片段影像包含的2對(duì)影像進(jìn)行正射糾正及融合。最后在Photoshop軟件中用此修正的融合數(shù)據(jù)替換像素錯(cuò)位范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的色彩編輯處理。

得益于像素工廠系統(tǒng)對(duì)SPOT－5影像制作的極大便利性，先做局部影像的空三工程再與全局空三工程合并進(jìn)行整體網(wǎng)平差在像素工廠系統(tǒng)上是可執(zhí)行的，這初步證實(shí)該思路的可行性。經(jīng)上述分析，決定采用局部影像修正的方法，但非常重要的是需對(duì)處理后的融合影像進(jìn)行幾何精度檢查，包括影像內(nèi)部幾何精度檢查和外部接邊幾何精度檢查，檢查的方式有目視粗檢及嚴(yán)格檢查。

3.2 修正過程及質(zhì)量檢查

按上述步驟處理，局部空三工程提取了充足、合理的連接點(diǎn)，其點(diǎn)位分布如圖4所示。前后兩次全局空三處理區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果如表1所示。

兩次空三處理區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果 表1

從表1可見修正后的全局空三網(wǎng)平差結(jié)果與前次全局空三網(wǎng)平差結(jié)果一致，這初步保證了前后兩次正射糾正影像在幾何精度上的一致性，于是對(duì)局部影像進(jìn)行正射糾正及融合。

對(duì)融合影像進(jìn)行100%檢查，未發(fā)現(xiàn)像素錯(cuò)位現(xiàn)象。接著需檢查局部融合影像與前期整體鑲嵌影像的幾何接邊質(zhì)量。對(duì)此采用了100%目視粗檢與利用檢查點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格檢查相結(jié)合的方法。100%目視粗檢方法是:在Photoshop軟件中將前后兩次影像疊加，采用交替顯示方式進(jìn)行目視對(duì)比檢查，需100%檢查，其過程如圖5所示。嚴(yán)格檢查是在局部影像范圍內(nèi)人工選取特征明顯、數(shù)量充足且均勻分布的檢查點(diǎn)，并在局部融合影像和前期影像上采集其坐標(biāo)，計(jì)算檢查點(diǎn)坐標(biāo)的較差以檢核接邊幾何精度。本次檢查共選取了10個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)的選取原則為影像上獨(dú)立地物的中心點(diǎn)或道路交叉點(diǎn)等明顯特征點(diǎn)，且其成像應(yīng)清晰易辨。檢查點(diǎn)分布如圖6所示，檢查點(diǎn)較差結(jié)果如表2所示。

圖5 目視粗檢示意圖

圖6 檢查點(diǎn)分布圖

檢查點(diǎn)較差結(jié)果 表2

融合影像的分辨率為2.5 m，按影像鑲嵌圖制作標(biāo)準(zhǔn)要求融合影像間的接邊誤差不超過兩個(gè)像素，即5 m，由上表可知修正的融合影像幾何精度符合要求，則修正的融合影像合格。

下一步操作是在Photoshop軟件里用修正的融合影像進(jìn)行替換及色彩處理，此操作較容易，在此就不贅述。

4 結(jié)語

對(duì)于大區(qū)域衛(wèi)星影像鑲嵌圖制作項(xiàng)目來說，像素工廠系統(tǒng)不僅具有速度快、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，而且由于其采用了開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，可方便地在XML文件中嵌入數(shù)據(jù)、任務(wù)及工作流等，因而其在空三處理上具有較高的便利性，且可保證影像的幾何精度。本項(xiàng)目即是一個(gè)例證。同時(shí)，實(shí)際遙感影像制作項(xiàng)目千差萬別，在面臨類似問題時(shí)，充分挖掘像素工廠系統(tǒng)的操作優(yōu)點(diǎn)及功能，將會(huì)避免返工情形的發(fā)生，達(dá)到事半功倍的效果。

［1］劉子剛，趙洪山，關(guān)鴻亮.“像素工廠”進(jìn)神州——訪四維航空遙感有限公司常務(wù)副總經(jīng)理關(guān)鴻亮［J］.中國測繪，2006(3).

［2］曹敏，史照良.新一代海量影像自動(dòng)處理系統(tǒng)“像素工廠”初探［J］.測繪通報(bào)，2006(10).

［3］李德仁，周月琴，金為銑.攝影測量與遙感概論［M］.北京:測繪出版社，2001.

［4］像素工廠 Pixel Factory——工業(yè)化解決方案［EB/0L］.http://www.spotimage.com.cn/web/896 － pixel－ factory.php