基于EasyOrtho的高分二號衛星批量數據自動處理試驗

姚新春 張亞亞

(1.江蘇省土地資源調查中心,江蘇 南京 210024；2.國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室,江蘇 南京 210024；3.吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130012；4.北京中色測繪院有限公司,北京 100012)

基于EasyOrtho的高分二號衛星批量數據自動處理試驗

姚新春1，2張亞亞3，4

(1.江蘇省土地資源調查中心,江蘇 南京 210024；2.國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室,江蘇 南京 210024；3.吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春 130012；4.北京中色測繪院有限公司,北京 100012)

隨著遙感數據的廣泛應用，遙感應用行業對亞米級遙感影像數據的處理速度和處理精度有了更高的要求。文章以黑龍江省鶴崗市興安區作為試驗區，基于EasyOrtho軟件，對高分二號衛星數據進行批量快速自動處理，生成正射影像圖；并與人工處理成果進行對比，分析該方法的可行性，提出合理化建議。

EasyOrtho軟件 高分二號衛星 批量自動處理

1 引言

近幾年，隨著遙感數據應用的廣泛深入，遙感應用行業對亞米級遙感影像數據的處理速度和處理精度有了更高的要求。常規的遙感影像處理軟件，如ERDAS Imagine、PCI Geomatica、ENVI等軟件雖然功能比較強大，但操作比較復雜，人工干預較多，自動化程度不足，已無法完全滿足年度土地利用變更調查、全天候監測等數據量大、時間緊的工程項目。針對此現象，已有大批專家經過潛心專研，開發了各種不同類型的遙感影像自動處理軟件，如PCI Geolmaging Accelerator(GXL)、國產資源衛星校正軟件以及PixEngine_EasyOrtho等。

本文以2015年度全國土地利用變更調查監測與核查遙感監測項目為依托，采用EasyOrtho軟件，對亞米級遙感衛星—高分二號衛星數據進行自動化批量處理，從處理速度和處理精度兩個方面，與人工處理方法進行對比，確定該方法的適應性，尋求高分二號衛星批量數據快速處理方法，以期為高分二號廣泛應用于各種工期緊、任務重的大型工程項目提供有益參考。

高分二號衛星(以下簡稱GF2)是我國自主研制的首顆空間分辨優于1米的民用光學遙感衛星，搭載有兩臺高分辨率1米全色、4米多光譜相機，具有亞米級空間分辨率、高定位精度和快速姿態機動能力等特點，有效地提升了衛星綜合觀測效能，達到了國際先進水平。高分二號衛星于8月19日成功發射，8月21日首次開機成像并下傳數據。這是我國目前分辨率最高的民用陸地觀測衛星，星下點空間分辨率可達0.8米，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。高分二號衛星的發射有效地緩解了國內亞米級分辨率遙感數據的供應不足，推動了高分辨率衛星數據應用，為土地利用動態監測提供了強有力地服務支撐，改變了該領域長期以來只能依靠國外商業衛星數據的局面。同時，亦為礦產資源調查、城鄉規劃監測評價、交通路網規劃、森林資源調查、荒漠化監測等行業和首都圈等區域應用提供了服務支撐[1]。

EasyOrtho是一款針對多源衛星遙感影像數字正射影像圖和數字高程模型產品生產的處理軟件。它無需人工干預，可以快速地完成平差解算、數字高程模型(DEM)生成、數字正射影像產品(DOM)生成。該軟件提供四種模式，供不同需求使用；軟件界面依照影像產品生產步驟設計，簡潔易上手；具備智能數據分析系統：對輸入的原始數據、基準影像和DEM數據進行自動分組；控制資料包括歷史基準影像和DEM數據時，可實現控制點的自動搜尋工作，匹配與正射精度能達到像素級；在無基準影像情況下，亦可支持人工刺控制點的方式來完成影像生產工作；支持流程化生產定制：一鍵即可生成融合后的正射影像圖[2]。

2 試驗區域及數據準備

2.1 試驗區域

試驗區域選擇黑龍江省鶴崗市興安區，位于鶴崗市西南部，北面與南山區相鄰，橫跨小鶴立河兩岸。地理坐標東經129°40’～130°57’，北緯47°4’～47°6’之間，總面積約259.6km2。興安區地勢東西長，南北窄，地型呈長方形，東西較高，中間較洼，是三江平原向小興安嶺山地過渡的明顯上升地段。興安區境內主要河流大、小鶴河和阿凌達河，從北到南流入境內。興安區屬寒溫帶大陸性季風氣候，受極地大陸氣團和季風的影響，四季明顯，冬季寒冷干燥，夏季溫熱多雨[3]。

2.2 數據準備

本次試驗平面控制資料采用興安區第二次全國土地調查底圖，分辨率為1米，全色數據；高程控制資料采用ASTGTM30米的高程數據，坐標系統為1980西安坐標系，GeoTIFF格式；原始數據選用4景覆蓋興安區的GF2衛星PMS數據,包括1米PAN數據和4米MSS數據，見表1。

表1 GF2原始數據情況統計表

3 技術路線

試驗采用EasyOrtho軟件，對興安區4景GF2號衛星數據進行批量自動處理。考慮到GF2號衛星數據的PAN與MSS數據同步獲取，且原始PAN與MSS數據無法套合，需先將PAN數據與MSS數據進行配準、融合，再將融合后4個波段數據進行真彩色輸出，然后以興安區第二次全國土地調查底圖和高程數據為控制資料，進行控制點和連接點選取，輸出正射影像[4-6]，最后從處理速度和處理精度兩個方面，將EasyOrtho軟件自動處理生成的DOM與人工處理生成的DOM進行對比分析。技術路線見圖1。

4 技術方法

4.1 數據配準、融合

GF2號衛星PMS數據的PAN數據與MSS數據為同源同步獲取數據，但由于原始的PAN數據與MSS數據無法匹配，需先將PAN數據與MSS數據進行配準。EasyOrtho軟件的1A/1B配準融合模塊將批量自動配準和融合步驟進行了合成。

配準、融合前，先在EasyOrtho軟件中新建工程，將輸出格式設置為IMG；為批量導入待處理影像的全色數據和多光譜數據，先通過自動搜索，將待處理影像PAN數據和MSS數據的.tiff和.rpb數據分別存放；然后進行參數設置，包括預設種子點數、幾何校正選項、是否輸出融合結果，同時設置成果輸出路徑。

4.2 波段組合

EasyOrtho軟件配準融合后數據為4個波段數據，正射糾正前可通過波段組合將融合后數據轉換為真彩色影像。采用EasyOrtho的真彩色輸出模塊，批量導入融合后的GF2數據，通過待處理影像波段和影像合成等參數設置，將16Bit的GF2融合數據轉換為8Bit的GF2真彩色數據。

4.3 正射糾正

以興安區第二次全國土地調查底圖和高程數據為控制資料，采用EasyOrtho軟件，對興安區波段組合后的8Bit GF2真彩色數據進行批量自動正射糾正，輸出正射影像成果。具體方法如下：

(1)正射校正前，需通過自動搜索，將待處理數據中PAN數據的rpb文件復制到真彩色數據文件夾中，并將rpb文件名改成與其對應景的真彩色數據文件名一致。

(2)在EasyOrtho軟件的數據模塊分別導入待處理的真彩色數據和控制資料。

(3)控制點自動選取。在控制點生成模塊，通過設置紋理質量、幾何均勻度、預設種子點數量等參數，批量自動生成控制點。試驗中紋理質量、幾何均勻度選“一般”，預設種子點數量設為10000。

(4)連接點自動選取。控制點生成之后，根據待處理影像區域的實際情況，設置連接點分布、測區地形、紋理質量、平均高程，以及搜尋半徑等參數，進行連接點生成。試驗中連接點分布設為“稠密”，測區地形設為“平原”，紋理質量設為“一般”，平均高程設為200米，搜尋半徑默認200像素。

(5)進行區域網平差，區域網模型中誤差默認≤1個像素。

(6)正射糾正。在EasyOrtho軟件數字正射影像模塊，添加待正射糾正影像，通過設置插值方法和糾正模型，批量自動生成正射糾正影像成果。試驗中插值方法選用雙線性插值，考慮到控制資料與原始數據時相相差較大，糾正模型選用小面元糾正。

5 與人工處理方法進行對比

從處理速度與處理精度兩個方面，將基于EasyOrtho軟件進行批量快速自動處理的結果與采用人工處理方法得到的結果進行對比。

5.1 處理速度對比

試驗將GF2號衛星批量自動處理的速度,與熟練掌握GF2衛星處理作業流程人員的平均人工處理速度進行對比，各處理階段處理速度對比具體見表2。

表2 GF2衛星各處理階段處理速度對比表

從上表可以看出，采用EasyOrtho軟件進行批量自動處理，其處理速度在人工基礎上提升了將近一倍，尤其是EasyOrtho軟件將波段組合與轉8位合成、將配準與融合合成，其速度提升了將近1.5倍。

5.2 處理精度對比

試驗從融合效果、相對精度、重疊精度三個方面，對比軟件批量自動處理精度與操作熟手人工平均處理精度。

(1)融合效果對比

從色調差異、紋理信息、層次、光譜保持、邊界清晰度等方面對GF2號衛星融合效果進行目視對比分析：考慮到大數據量作業時，Pansharp變換、Subtractive Resolution Merge等融合方法處理速度較慢，主成分變化融合效果亦能滿足相應的應用要求，本次試驗人工融合方法選用主成分變換法，但是該方法融合效果在光譜保持方面效果稍微不足，融合后影像有蒙霧感；EasyOrtho軟件批量融合的影像紋理清晰，光譜信息損失少，利于地類判讀。

(2)相對精度對比

在ArcGis中逐個打開EasyOrtho軟件批量自動校正和人工校正后的影像，與控制資料疊加，通過“卷簾”、“閃爍”等方法，逐屏進行精度檢查，并對相對精度檢查結果進行對比。相對精度對比情況見表3。

表3 相對精度對比情況

從上表可以看出，人工校正后，4景數據相對精度基本滿足要求，其中景號為1148846的影像由于存在云霧覆蓋，糾正后個別地區局部存在超限；采用EasyOrtho軟件批量自動糾正后，景號為1148846的影像，整體偏移，其余3景影像相對精度滿足要求。

(3)重疊精度對比

在ArcGis中，分別載入EasyOrtho軟件批量自動校正影像和人工校正影像，通過“卷簾”、“閃爍”等方法，逐屏對相鄰景重疊區域的相對精度進行檢查，并對重疊精度檢查結果進行對比。重疊精度對比情況見表4。

表4 重疊精度對比情況

從上表可以看出，人工校正后，同一條帶的相鄰影像橫向重疊精度滿足要求，相鄰條帶的縱向重疊精度個別地區誤差較大，但不影響影像鑲嵌；EasyOrtho軟件批量自動糾正后，由于景號為1148846的影像整體偏移，導致與其接邊的影像重疊精度均整體超限，其余景間重疊精度基本滿足要求。

6 可行性分析和建議

試驗表明，利用EasyOrtho軟件對高分二號衛星數據進行批量自動處理：處理精度方面，融合效果完全可以滿足應用要求；相對精度和重疊精度上，由于原始數據本身質量原因，加上本次試驗采用的控制資料和原始數據時相相差較為久遠，成果符合要求的比例大概在70%左右；但是其處理速度較之人工處理方法，基本可以提高一倍左右。

由于本文試驗數據源僅選用了高分二號衛星數據，且試驗數據相對較少，其處理精度可能存在一定的折扣，該方法對于其他亞米級遙感影像數據是否試用，也有待進一步驗證。但對于高分二號衛星數據來講，該方法有其可行性和優勢，尤其是針對大數據量任務且時間要求緊迫的工程項目。首先采用EasyOrtho軟件進行批量自動處理，通過質量檢查，對相對精度不滿足要求的影像，采用軟件自動配準、融合、波段組合、轉8bit之后的影像進行人工正射糾正，通過采取自動-人工相結合的方法，最大程度地利用軟件和人工的優勢，以達到快速、準確的處理目的。

采用EasyOrtho軟件對高分二號衛星數據進行批量快速自動處理之后，其工作量隨之轉移到了精度檢查方面，目前該軟件暫不支持自動進行精度檢查，已知的國內外遙感影像自動處理軟件中，也大都不具備該功能，建議未來遙感影像處理，可做這方面發展。

[1] 高分二號衛星.百度百科[EB/OL]. http://baike. baidu.com/view/11497364.htm.

[2] EasyOrtho 軟件介紹[Z].北京天地智繪科技有限公司，2015.

[3] 興安區_百度百科[EB/OL].http://baike. baidu. com/view/481005.htm.

[4] 中華人民共和國國土資源部.土地利用動態遙感監測規程[S].北京：地質出版社.2015.

[5] 柴淵，李萬東.土地利用動態遙感監測技術與方法[M].北京：地質出版社.2011.

[6] 李智峰.高分一號衛星在土地利用遙感監測中的應用[J].國土資源導刊，2015，12(3)：85-88.

Bulk GF-2 Satellite Data Automatic Processing Test Based on EasyOrtho

YAO Xin-chun1,2, ZHANG Ya-ya3,4

(1. Jiangsu Provincial Institute of Land Resources investigation, Nanjing Jiangsu 210024, China;2. Key Laboratory of Coastal Zone Exploitation and Protection, Ministry of Land and Resource Nanjing Jiangsu 210024, China;3.College of GeoExploration Sicence and Technology,Jilin University,Changchun Jilin 130012,China；4. Beijing CNNC Institute of Surveying and Mapping Co., Ltd., Beijing 100012,China)

With the extensive application of remote sensing data, remote sensing application industry has higher requirements on the processing speed and processing accuracy of remote sensing image resolution of less than 1 meter. This paper takes Xingan area, Hegang City of Heilongjiang province as test area. Basing on EasyOrtho, it produces DOM by automatic rapid processing GF-2 satellite data. Meanwhile, it can be compared with artificial treatment results. Thus analysis of the feasibility of the method, and put forward reasonable suggestions.

EasyOrtho;GF-2 staellite; automatic batch processing

2016-05-11

P228.1

B

1007-3000(2016)06-5