基于IDL的資源一號(hào)02C星HR影像RFM幾何校正

錢志奇，朱曉雯，房瑩瑩，李文林，陸殿梅

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049)

0 引言

資源一號(hào)02C衛(wèi)星(ZY－1 02C星)發(fā)射于2011年12月22日，廣泛應(yīng)用于土地資源、礦產(chǎn)資源、地質(zhì)環(huán)境調(diào)查以及國(guó)土資源、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)等(李德仁等，2006;王海俠等，2011)。同部分高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星(如IKONOS、QuickBird等)一樣，其傳感器信息暫時(shí)未向普通用戶公開(kāi)(李德仁等，2006;楊國(guó)榮，2007;鄭琳等，2007;王海俠等，2011)。由于缺乏衛(wèi)星軌道星歷參數(shù)和傳感器參數(shù)，嚴(yán)格的共線方程模型便不適用，通常應(yīng)用有理函數(shù)模型(Rational Function Model，RFM)來(lái)解決從二維圖像反演三維信息的問(wèn)題。近年來(lái)，RFM模型應(yīng)用于遙感技術(shù)日漸成熟，取得了較高的反演精度(張永生等，2004;胡堃，2009;李慶鵬等，2011;邵俊等，2010;袁修孝等，2012)。ZY－1 02C星HR影像數(shù)據(jù)提供了與QuickBird數(shù)據(jù)格式相似的RPB文件與經(jīng)過(guò)輻射校正后的柵格數(shù)據(jù)，可以使用RFM模型進(jìn)行系統(tǒng)幾何校正或正射校正(胡鳳偉等，2012;胡鋒，2013;楊博等，2013;周偉等，2014)。常規(guī)的影像處理軟件(如ENVI、Erdas等)具有RPC正射校正功能，但數(shù)據(jù)文檔選擇繁瑣，影像讀寫耗時(shí)，且未提供自動(dòng)化的批處理功能，對(duì)于大范圍海量數(shù)據(jù)的處理，不但耗時(shí)、耗力而且容易出錯(cuò)。本次研究旨在利用IDL語(yǔ)言，為需要處理ZY－1 02C星高分影像的用戶提供一種快速有效的數(shù)據(jù)預(yù)處理途徑，推進(jìn)國(guó)產(chǎn)資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用。

1 RFM模型幾何校正

1.1 ZY－1 02C星HR數(shù)據(jù)

ZY－1 02C衛(wèi)星是我國(guó)高分辨率遙感數(shù)據(jù)衛(wèi)星之一，裝有全色多光譜相機(jī)和全色高分辨率相機(jī)HR，主要任務(wù)是獲取全色和多光譜圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以用于1∶2.5萬(wàn)和1∶5萬(wàn)比例尺的礦產(chǎn)資源、土地資源、地質(zhì)環(huán)境調(diào)查業(yè)務(wù)。衛(wèi)星上搭載有2臺(tái)空間分辨率2.36 m的HR相機(jī)，拼接幅寬54 km。搭載有空間分辨率5 m的全色及10 m的多光譜相機(jī)，幅寬為60 km(胡鳳偉等，2012)。中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的數(shù)據(jù)，包括0級(jí)的原始數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品包括1級(jí)的輻射校正產(chǎn)品和2級(jí)的系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品。0級(jí)數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正、數(shù)據(jù)質(zhì)量增強(qiáng)與簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)篩選后生成1級(jí)輻射校正產(chǎn)品，期間將排除云量覆蓋較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量不理想等無(wú)效數(shù)據(jù)。1級(jí)輻射校正產(chǎn)品無(wú)地圖投影信息，但提供RPC模型參數(shù)。2級(jí)系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品為1級(jí)輻射校正產(chǎn)品經(jīng)系統(tǒng)幾何校正處理后生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，具有地圖投影信息。本次研究主要研究1級(jí)輻射校正產(chǎn)品，其文件夾內(nèi)關(guān)鍵文件見(jiàn)表1。

表1 主要使用文件Table 1 Main used files

由表1可知，HR數(shù)據(jù)包括2個(gè)HR傳感器的HR1與HR2影像，可經(jīng)幾何校正處理后鑲嵌而得。HR1與HR2影像的快速幾何校正與鑲嵌便是此次研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1.2 RFM模型

有理多項(xiàng)式函數(shù)模型(Rational Polynomial Coefficients，RPC)本質(zhì)上就是有理函數(shù)模型(Rational Function Model，RFM)，是傳感器幾何模型的一種抽象表達(dá)方式，適用于多種航空航天傳感器，是近似糾正模型更精確的形式(張永生等，2004;張過(guò)等，2007，2010;胡堃，2009;祝小勇等，2009;李慶鵬等，2011;宋妍等，2013)。采用有理多項(xiàng)式模型擬合傳感器內(nèi)外方位元素，可以將地面點(diǎn)空間D(X，Y，Z)作為自變量與對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)d(Line，Sample)采用比值多項(xiàng)式的方式關(guān)聯(lián)起來(lái)。模型的函數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)即為RPC參數(shù)，該參數(shù)隨傳感器瞬時(shí)姿態(tài)變化。在沒(méi)有RPC參數(shù)的情況下，影像一般不會(huì)用于測(cè)繪(李德仁等，2006;蔡耀君等，2013)等高精度應(yīng)用。影像比值多項(xiàng)式如式(1)。

通常為增強(qiáng)模型參數(shù)的求解穩(wěn)定性，需將地面坐標(biāo)和影像坐標(biāo)正則化至［－1，l］范圍。其中(P，L，H)為正則化的地面坐標(biāo)，(X，Y)為正則化的影像坐標(biāo)，下標(biāo)S代表列，下標(biāo)L代表行，正則化表達(dá)式如式(2)所示：

式(2)中，Offset與Scale為地面坐標(biāo)與影像坐標(biāo)的正則化參數(shù)。式(1)每個(gè)多項(xiàng)式有20個(gè)多項(xiàng)式系數(shù)，與式(3)所示類似：

式(3)中，ai(i=0，1，2，…，19)即為各多項(xiàng)式系數(shù)，為保證比值多項(xiàng)式式(1)恒有意義，分母與常數(shù)項(xiàng)通常為1。式(1)中有4個(gè)多項(xiàng)式共包含80個(gè)多項(xiàng)式參數(shù)。利用該80個(gè)多項(xiàng)式參數(shù)與10個(gè)正則化參數(shù)便能進(jìn)行物方空間坐標(biāo)與像方空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)地面坐標(biāo)與影像坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。

1.3 RFM模型應(yīng)用

本次研究主要以ZY－1 02C星的HR數(shù)據(jù)的1級(jí)輻射校正產(chǎn)品的幾何校正為主。采用RFM模型首先需要RPC參數(shù)，RPC標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)存放于同一文件夾內(nèi)的影像同名文件“*.rpb”文件中，該文件類型與QuickBird衛(wèi)星影像附帶文件類型相同，使用ENVI等軟件處理時(shí)，可以采用與QuickBird處理相同的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與正射校正等。首先以規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀取rpb文件中相關(guān)RPC參數(shù)信息(表2)，通過(guò)RFM模型反演影像實(shí)際地面坐標(biāo)(P，L，H)，篩選地面點(diǎn)作為影像地面控制點(diǎn)進(jìn)行影像幾何糾正，后以HR1為基準(zhǔn)影像，對(duì)HR2進(jìn)行基于HR1像元控制點(diǎn)的幾何配準(zhǔn)，再將HR1與HR2進(jìn)行鑲嵌等預(yù)處理，最后通過(guò)頭文件等信息初步判斷合成影像的合理性。詳細(xì)流程如圖1所示。

表2 RPC參數(shù)信息表Table 2 List of the RPC parameters

圖1 基于RPC的ZY－1 02C星HR數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖Fig.1 Flowchart showing pre-processing of the ZY-1 02C data based on RPC

2 RFM幾何校正模型實(shí)現(xiàn)

2.1 RFM模型的IDL程序設(shè)計(jì)

IDL(Interactive Data Language)語(yǔ)言是面向?qū)ο?、面向矩陣操作的交互式?shù)據(jù)語(yǔ)言(韓培友，2006)。利用其可視化控件IDLDrawWidget與非可視化控件COM_IDL_Connect可以實(shí)現(xiàn)與大部分主流開(kāi)發(fā)平臺(tái)的交互與集成。該語(yǔ)言針對(duì)遙感影像處理封裝了大量函數(shù)供用戶調(diào)用，減少用戶從底層進(jìn)行開(kāi)發(fā)的麻煩(錢志奇等，2011;尹新沆等，2014)?？紤]ZY－1 02C星HR數(shù)據(jù)可使用ENVI完成幾何校正等預(yù)處理，而ENVI正是以IDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的遙感應(yīng)用軟件，所以為實(shí)現(xiàn)影像大數(shù)據(jù)量批處理功能，采用IDL語(yǔ)言進(jìn)行功能函數(shù)開(kāi)發(fā)與整合。

根據(jù)流程編寫了4個(gè)自定義函數(shù)，分別是：READ_RPBFILE，用于讀取rpb文件內(nèi)RPC參數(shù);ZY_02C_AUTOREGIST_HR，用于通過(guò)RPC參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)反演與影像幾何校正;ZY_02C_MOSAIC，用于影像鑲嵌;READ_XML，用于讀取XML頭文件信息。由于篇幅有限，在此僅對(duì)調(diào)用的部分關(guān)鍵函數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

首先RPB文件結(jié)構(gòu)固定，數(shù)據(jù)量小，采用簡(jiǎn)單文本逐行讀取即可，返回RPC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組供使用，主要使用函數(shù)如表3。

表3 READ_RPBFILE函數(shù)主要代碼表Table 3 List of main codes for READ_RPBFILE function

在獲取RPC參數(shù)后，通過(guò)該參數(shù)反演地面控制點(diǎn)并進(jìn)行投影變換與幾何校正，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了ZY_02C_AUTOREGIST_HR功能函數(shù)。函數(shù)主要分為2個(gè)部分：一部分為RPC地面控制點(diǎn)反演，主要使用如表4所示函數(shù);另一部分為投影變換與幾何校正，主要使用了ENVI功能函數(shù)ENVI_DOIT下的ENVI_REGISTER_DOIT函數(shù)，該函數(shù)使用形式如下，具體參數(shù)說(shuō)明可以查詢ENVI幫助文檔(下同)：

影像校正后，需要將HR1與HR2進(jìn)行鑲嵌處理。為避免影像誤差過(guò)大導(dǎo)致鑲嵌效果不佳，故以HR2投影為基準(zhǔn)(因?yàn)?HR2為左影像)，首先將HR1進(jìn)行基于像元的控制點(diǎn)幾何校正，主要功能函數(shù)為調(diào)用 ENVI_DOIT下的 ENVI_AUTO_TIE_POINT函數(shù)，再采用ENVI_REGISTER_DOIT進(jìn)行校正，函數(shù)使用形式如下：

表4 ZY_02C_AUTOREGIST_HR函數(shù)主要代碼表Table 4 List of main codes for ZY_02C_AUTOREGIST_HR function

將校正后的HR2與HR1進(jìn)行鑲嵌處理，主要功能函數(shù)為調(diào)用ENVI_DOIT下的MOSAIC_DOIT函數(shù)，函數(shù)使用形式如下：

查詢XML頭文件信息，通常采用IDL下新建'IDLffXMLDOMDocument'對(duì)象的方法，通過(guò)XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下對(duì)應(yīng)名稱查詢信息，使用形式如下：

此處獲取的頭文件信息是指HR1與HR2各自對(duì)應(yīng)頭文件，研究中主要用于獲取其相應(yīng)4個(gè)角點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，用于驗(yàn)證以上數(shù)據(jù)處理結(jié)果的正確性。

2.2 HR影像處理實(shí)例

IDL可以通過(guò)DIALOG_PICKFILE功能函數(shù)快速獲取指定文件夾內(nèi)特定數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)僅以其中部分影像結(jié)果來(lái)判斷程序可靠性。圖2所示為HR2與HR1幾何校正鑲嵌過(guò)程示意圖。其中鑲嵌邊緣局部放大圖上可見(jiàn)，鑲嵌邊緣無(wú)明顯偏差痕跡，顏色過(guò)渡平滑，符合常規(guī)影像使用要求;由圖可知，經(jīng)過(guò)投影變換后，HR2與HR1鑲嵌結(jié)果并非為四邊形，在重疊區(qū)南北兩端存有偏差，若采用簡(jiǎn)單像元線性匹配將會(huì)造成較大誤差。在不考慮羽化邊緣時(shí)，1景HR數(shù)據(jù)程序若采用ENVI軟件人工操作處理時(shí)需要幾十分鐘，而采用此程序運(yùn)行僅需數(shù)十秒即完成鑲嵌結(jié)果，結(jié)果精度與人工操作無(wú)異。

3 結(jié)論

本次研究主要針對(duì)ZY－1 02C衛(wèi)星的1級(jí)輻射校正數(shù)據(jù)進(jìn)行，所得結(jié)果相當(dāng)于其2級(jí)系統(tǒng)幾何校正數(shù)據(jù)，并未進(jìn)行精幾何校正，數(shù)據(jù)精度取決于RPC參數(shù)精度。此程序能夠很好地實(shí)現(xiàn)HR數(shù)據(jù)的批處理功能，對(duì)于只有1級(jí)輻射校正數(shù)據(jù)的用戶可以參考進(jìn)行數(shù)據(jù)幾何校正。同時(shí)，由于該衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)具有相同數(shù)據(jù)形式，可修改后用作多光譜數(shù)據(jù)處理，并集成數(shù)據(jù)融合等預(yù)處理功能。本次研究亦有以下部分需要改進(jìn)。

圖2 HR2與HR1幾何校正鑲嵌過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic mosaic process of HR1 and HR2 geometric correction

(1)并非所有的1級(jí)輻射校正數(shù)據(jù)中均有DEM數(shù)據(jù)，所以未將DEM數(shù)據(jù)納入考慮范圍，故正射校正效果無(wú)法判斷，僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)幾何校正功能。

(2)采用反演控制點(diǎn)的方法能夠同時(shí)將控制點(diǎn)存儲(chǔ)，但缺乏對(duì)控制點(diǎn)的篩選，對(duì)于某些特殊地區(qū)，也許控制點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生異常問(wèn)題，還需改進(jìn)。

(3)影像鑲嵌時(shí)需考慮羽化鑲嵌邊緣問(wèn)題，否則對(duì)于某些區(qū)域在鑲嵌邊緣將產(chǎn)生色差。

(4)研究發(fā)現(xiàn)某些1級(jí)輻射校正數(shù)據(jù)邊緣有1條數(shù)個(gè)像元寬度的固定數(shù)值黑邊，數(shù)值會(huì)使鑲嵌結(jié)果形成1條明顯的鑲嵌黑邊。黑邊問(wèn)題產(chǎn)生原因尚待研究，面對(duì)該問(wèn)題實(shí)驗(yàn)依賴人工裁剪，后續(xù)工作需要設(shè)計(jì)代碼忽略該黑邊值，使程序完善。

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