高分一號衛(wèi)星WFV影像全國陸地鑲嵌與制圖技術(shù)研究

江 威， 何國金， 劉慧嬋， 龍騰飛， 王 威， 鄭守住， 馬肖肖

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,三亞 572029； 4.三亞中科遙感研究所,三亞 572029； 5.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院,上海 200092)

高分一號衛(wèi)星WFV影像全國陸地鑲嵌與制圖技術(shù)研究

江 威1,2， 何國金1,3,4， 劉慧嬋1,3,4， 龍騰飛1,3,4， 王 威1， 鄭守住5， 馬肖肖1,2

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,三亞 572029； 4.三亞中科遙感研究所,三亞 572029； 5.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院,上海 200092)

高分一號(GF-1)衛(wèi)星是我國高空間分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)中的首顆衛(wèi)星，目前已正常運(yùn)行4 a多，為全國中、高空間分辨率影像鑲嵌提供了豐富的數(shù)據(jù)源。針對GF-1多光譜寬幅覆蓋(wide field of view,WFV)影像特點(diǎn)，制定了影像處理的技術(shù)流程，主要包括數(shù)據(jù)選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)解決大幅寬影像高精度幾何定位問題； 在選取高質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，自動(dòng)采集控制點(diǎn)，控制點(diǎn)均方根誤差(root mean square error,RMSE)不大于1個(gè)像元，平均每景影像中控制點(diǎn)數(shù)量為54個(gè)； 應(yīng)用有理函數(shù)模型(rational function model,RFM)對影像進(jìn)行正射糾正，然后進(jìn)行色調(diào)調(diào)整和鑲嵌處理，制作全國1∶500萬比例尺陸地衛(wèi)星影像專題地圖。鑲嵌結(jié)果具有空間精度高、地物色彩豐富和時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)。所采用的技術(shù)流程和方法可為高分系列衛(wèi)星全國鑲嵌制圖提供參考，同時(shí)也將促進(jìn)國產(chǎn)高分衛(wèi)星在全國重大資源環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用推廣。

高分一號； WFV影像； 遙感數(shù)據(jù)加工； 正射糾正； 鑲嵌制圖

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類獲取地球表層動(dòng)態(tài)信息的能力進(jìn)一步加強(qiáng)，遙感數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)和能力得到了全面提升[1]。近年來，遙感數(shù)據(jù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛，尤其在大范圍資源環(huán)境調(diào)查中具有獨(dú)特優(yōu)勢。在全球環(huán)境變化的大背景下，我國陸續(xù)開展了如土地利用、水資源、森林資源和生態(tài)環(huán)境評估等項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的開展都依賴于全國中、高空間分辨率遙感衛(wèi)星鑲嵌數(shù)據(jù)[2]。針對中國區(qū)域范圍，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所依據(jù)所接收的Landsat系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，已發(fā)布了4期(2000年、2005年、2010年和2014年)全國鑲嵌產(chǎn)品[3]； 國產(chǎn)衛(wèi)星方面有利用北京一號[4]和中巴資源一號(CBERS-1)衛(wèi)星[5]影像制作的全國鑲嵌數(shù)據(jù)。我國自2010年全面啟動(dòng)高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)以來，接連發(fā)射的高分一號(GF-1)和高分二號(GF-2)衛(wèi)星，為我國中、高空間分辨率衛(wèi)星鑲嵌產(chǎn)品提供了豐富、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。GF-1衛(wèi)星搭載由4臺相機(jī)組成的寬幅覆蓋(wide field of view，WFV)成像儀，獲取的衛(wèi)星影像幅寬大、時(shí)間分辨率較高，目前已應(yīng)用于土地覆蓋調(diào)查[6]、氣溶膠反演[7]、水質(zhì)監(jiān)測[8]、精細(xì)農(nóng)業(yè)調(diào)查[9]和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[10]等方面，在精細(xì)化和定量化遙感監(jiān)測中發(fā)揮了積極作用[11]。因此，開展GF-1衛(wèi)星WFV影像鑲嵌技術(shù)研究，制作全國陸地影像鑲嵌圖，不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且對建立全國資源環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫、拓展國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍具有重要意義。

本文針對GF-1衛(wèi)星WFV影像幅寬大且重疊率高等特點(diǎn)，提出全國陸地鑲嵌與制圖整體技術(shù)流程，對數(shù)據(jù)選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)解決大幅寬影像高精度幾何定位問題，以保證鑲嵌制圖具有較高的空間精度。該處理技術(shù)可為高分系列衛(wèi)星影像的全國鑲嵌提供參考。

1 數(shù)據(jù)源

GF-1衛(wèi)星于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)中的首顆衛(wèi)星[11]。GF-1衛(wèi)星WFV傳感器的主要載荷技術(shù)指標(biāo)如表1[12]。

表1 GF-1衛(wèi)星WFV傳感器主要載荷技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main payload indexes of WFV sensor of GF-1

目前，GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)由中國衛(wèi)星資源應(yīng)用中心負(fù)責(zé)分發(fā)，下載WFV數(shù)據(jù)為1A級。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過數(shù)據(jù)解析、均一化輻射校正、去噪、傳遞函數(shù)補(bǔ)償(modulation transfer function compensation，MTFC)、CCD拼接和波段配準(zhǔn)等處理。下載數(shù)據(jù)文件中包含縮略圖、有理函數(shù)系數(shù)(rational polynomial coefficients，RPC)文件、原始數(shù)據(jù)以及影像元數(shù)據(jù)4種類型文件[12]。

與中空間分辨率Landsat系列衛(wèi)星影像相比，WFV傳感器由4臺相機(jī)組成，幅寬達(dá)800 km，遠(yuǎn)大于Landsat 8 衛(wèi)星影像的幅寬(185 km)。另外，由于衛(wèi)星重返軌道不穩(wěn)定，WFV影像之間的重疊率較高，衛(wèi)星發(fā)射后的1 a多時(shí)間里，我國部分區(qū)域就已經(jīng)有了5景重疊影像。

2 技術(shù)方法

2.1 技術(shù)流程

針對WFV影像幅寬大且重疊率高的特點(diǎn)，制定了全國影像鑲嵌的總體流程(圖1)，關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖，流程中重點(diǎn)對影像進(jìn)行高精度幾何糾正(包含控制點(diǎn)采集、平差和正射糾正3個(gè)步驟)。

圖1 WFV影像全國鑲嵌與制圖技術(shù)流程Fig.1 Technical process of China’s digital mosaicking and mapping with GF-1 WFV images

2.2 數(shù)據(jù)選取

為保證全國影像的幾何糾正精度和鑲嵌質(zhì)量，本文選取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)包括全國GF-1 WFV原始影像、全國30 m空間分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)和全國15 m空間分辨率Landsat8全色參考影像。本文行政界限按照國家測繪地理信息局2002年版全國1∶100萬數(shù)據(jù)庫矢量數(shù)據(jù)繪制。

選擇2014年6—8月獲取的GF-1 WFV原始影像數(shù)據(jù)，部分影像缺失區(qū)域采用鄰近時(shí)相的影像補(bǔ)充。該時(shí)段內(nèi)的影像大多色彩豐富且地物層次分明。數(shù)據(jù)選擇要求[4-5,13]如下： ①影像中云量在10%以下，優(yōu)先選擇晴空無云影像； ②影像沒有缺失掃描行、條帶、噪聲和異常像元值； ③選擇圖像清晰、地物層次分明和色調(diào)一致的影像； ④鄰近區(qū)域優(yōu)選選擇成像時(shí)間相近的影像(北方優(yōu)先選擇8月份獲取的影像，南方優(yōu)先選擇6月份獲取的影像，以減少南、北方影像的色彩差異)。

根據(jù)以上要求下載數(shù)據(jù)，選取覆蓋中國陸地及周邊海域共697景GF-1 WFV影像。

2.3 幾何糾正

2.3.1 控制點(diǎn)采集

為減少地面控制點(diǎn)(ground control point，GCP)采集的時(shí)間，GCP采集搜索范圍為50像素×50像素，采用頻率域相位相關(guān)匹配法自動(dòng)采集控制點(diǎn); 每景影像中GCP均勻分布，在缺少GCP的區(qū)域，手動(dòng)增加GCP。全國697景影像共自動(dòng)采集38 369個(gè)GCP，平均每景影像采集54個(gè)。每景影像的X和Y方向均方根誤差(root mean square error,RMSE)散點(diǎn)圖如圖2(a)所示，X和Y方向最大RMSE均不高于0.8個(gè)像素，RMSE不高于0.5個(gè)像素的影像所占比例為87.23%。每景影像總RMSE和GCP數(shù)量散點(diǎn)圖如2(b)所示，總RMSE平均值為0.53個(gè)像素，僅有7景影像總RMSE高于1個(gè)像素，其余均滿足1個(gè)像素要求。GCP數(shù)不低于20個(gè)的影像占總影像數(shù)的82.41%，大部分影像的GCP數(shù)量都能滿足要求。

(a)X和Y方向RMSE散點(diǎn)圖 (b) 總RMSE和GCP數(shù)量散點(diǎn)圖

圖2影像控制點(diǎn)RMSE和GCP數(shù)量散點(diǎn)圖

Fig.2ScattersofRMSEandnumberofGCP

2.3.2 平差

平差是針對輸入影像進(jìn)行連接點(diǎn)采集，對采集的連接點(diǎn)和GCP進(jìn)行優(yōu)化，以滿足精度需求，然后優(yōu)化每景影像的有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)。數(shù)學(xué)模型采用2階RFM，連接點(diǎn)搜索半徑設(shè)置為50個(gè)像素，匹配算法為頻率域相位相關(guān)[14-15]匹配法。

2.3.3 正射糾正

衛(wèi)星在成像過程中受到大氣折射、地表曲率和地形起伏等諸多因素影響，導(dǎo)致影像發(fā)生幾何形變； 正射糾正的目的是消除幾何形變的影響，將原始影像像素位置關(guān)聯(lián)到地表實(shí)際空間位置[16]。采用目前通用的RFM進(jìn)行正射糾正，該模型形式簡單，能夠?qū)⒌孛纥c(diǎn)空間坐標(biāo)(X,Y,Z)與對應(yīng)的像素坐標(biāo)(r,c)用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來[ 17]，即

(1)

式中: (rn，cn)和(Xn，Yn，Zn)分別為像素坐標(biāo)(r，c)和地面坐標(biāo)(X，Y，Z)經(jīng)平移和縮放后的正則化坐標(biāo); P1,P2,P3和P4均為系數(shù)。

利用選取的GCP、連接點(diǎn)和DEM提高RPC的求解精度，從而實(shí)現(xiàn)高精度影像正射糾正。為便于后續(xù)的鑲嵌處理，將正射糾正后的影像統(tǒng)一輸出為WGS84橢球體經(jīng)緯度。正射糾正效果對比見圖3。

(a) 原始影像 (b) 正射影像

圖3影像正射校正效果

Fig.3Effectofortho-rectificationofimage

為說明影像接邊效果，選取左右和上下2種影像鄰接方式(圖4)進(jìn)行比較。

(a) 左右鄰接影像 (b) 上下鄰接影像

圖4鄰接影像效果

Fig.4Effectofadjacentimages

從圖4可以看出，左右和上下鄰接影像接邊處的地物空間位置均能較好地保持一致，說明影像之間具有較高的接邊精度。

2.4 勻色鑲嵌

勻色鑲嵌是全國影像制圖的關(guān)鍵步驟，直接影響制圖的美觀性和可讀性。盡管選取了獲取時(shí)相相近的影像，但因成像條件不同，影像之間仍然會存在較大的色調(diào)差異； 因此，需對部分影像進(jìn)行勻色調(diào)整，使全國影像色調(diào)能夠保持和諧統(tǒng)一。以往在勻色鑲嵌前多需要進(jìn)行分塊處理，在全國影像鑲嵌時(shí)還需要進(jìn)一步拼接，處理流程復(fù)雜。為提高制圖效率，本文將全國范圍內(nèi)所有影像進(jìn)行一次性整體鑲嵌處理，主要包括色調(diào)調(diào)整和影像鑲嵌。

2.4.1 色調(diào)調(diào)整

色調(diào)調(diào)整前，影像的波段組合選擇為Band3(R)Band4(G)Band 2(B)。該波段組合的假彩色合成影像中，地物層次清晰，色彩飽和度較高。色調(diào)調(diào)整時(shí)，首先需要選定基準(zhǔn)影像，基準(zhǔn)影像應(yīng)滿足色度、亮度和對比度適中，影像內(nèi)地物細(xì)節(jié)清晰的要求； 然后以基準(zhǔn)影像為參考，采用擴(kuò)散聯(lián)調(diào)策略[4]調(diào)整相鄰影像的色調(diào)，局部地區(qū)色調(diào)調(diào)整前、后的對比效果見圖5。

(a) 調(diào)整前 (b) 調(diào)整后

圖5影像色調(diào)調(diào)整前后對比

Fig.5Contrasteffectofimagesbeforeandaftercoloradjustment

2.4.2 影像鑲嵌

影像鑲嵌前、后效果如圖6所示。

(a) 鑲嵌前影像 (b) 鑲嵌后影像

圖6影像鑲嵌效果示意圖(華東地區(qū)部分)

Fig.6Imagemosaicmap(EastChinaregion)

在完成色調(diào)調(diào)整，所有影像的色調(diào)總體接近的基礎(chǔ)上，根據(jù)影像地理坐標(biāo)位置進(jìn)行影像的拼接。影像拼接最重要是根據(jù)地物特征尋找拼接線，使重疊區(qū)域過渡和諧，達(dá)到無縫均勻過渡的效果。鑲嵌后影像整體色調(diào)均勻，植被色彩豐富，并與沙漠地區(qū)過渡均勻，表明取得了較好的鑲嵌效果。

2.5 圖面整飾

與普通專題地圖相比，遙感影像圖具有豐富的地物信息，清晰易讀，能夠展示出影像與地圖的雙重優(yōu)勢。基于已完成勻色鑲嵌的全國遙感影像圖，在制作全國影像鑲嵌圖前，需要根據(jù)行政邊界對鑲嵌影像進(jìn)行裁剪； 然后將投影轉(zhuǎn)換為等面積割圓錐投影，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線設(shè)定為25°N和47°N，中央經(jīng)線為105°E。影像圖圖面整飾主要包括比例尺設(shè)計(jì)、圖文標(biāo)注與整飾和制圖3個(gè)方面。

2.5.1 比例尺設(shè)計(jì)

比例尺是對地理空間描述詳細(xì)程度的表示，受遙感影像空間分辨率、幾何精度以及制圖大小等因素的限制[13]。GF-1衛(wèi)星WFV影像的空間分辨率為16 m，可滿足1∶5萬比例尺衛(wèi)星遙感影像圖的制作要求，對于局部地區(qū)影像幾何精度較低的情況，可采用1∶10萬比例尺制圖。考慮到使用的方便，全國陸地區(qū)域衛(wèi)星遙感影像采用1∶500萬比例尺進(jìn)行制圖。

2.5.2 圖文標(biāo)注與整飾

完整實(shí)用的影像圖需要進(jìn)行圖文標(biāo)注與整飾，主要包括添加注記、行政邊界、比例尺和影像說明等要素。

2.5.3 影像鑲嵌圖制作

根據(jù)設(shè)計(jì)好的比例尺和圖幅要求，利用ArcGIS 10.1軟件進(jìn)行影像鑲嵌圖制圖，添加相關(guān)地理要素； 然后使用Photoshop軟件進(jìn)行修飾，圖件輸出分辨率為300 dpi(圖7)。

圖7 全國GF-1衛(wèi)星WFV影像鑲嵌圖(陸地部分)Fig.7 GF-1 WFV image mosaic map of China (land part)(審圖號： GS(2017)534號，行政邊界均來源于國家測繪地理信息局2002年版全國1∶100萬數(shù)據(jù)庫)

3 結(jié)論

國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)并將繼續(xù)在我國社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。本文針對GF-1衛(wèi)星WFV影像幅寬大和重疊率高的特點(diǎn)，重點(diǎn)解決了影像高精度幾何糾正問題，制定了全國影像處理技術(shù)流程，并對影像選取、幾何糾正、勻色鑲嵌和制圖4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，完成了全國陸地1∶500萬比例尺GF-1衛(wèi)星WFV影像鑲嵌圖。該圖具備色彩豐富、地物層次感強(qiáng)、空間精度高和時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，該技術(shù)流程可為全國區(qū)域范圍內(nèi)高分系列衛(wèi)星影像鑲嵌制圖提供有益參考。

需要改進(jìn)的技術(shù)問題有：

1)雖然本次全國鑲嵌圖取得了較好效果，但仍存在某些問題需要進(jìn)一步改善，例如單景影像采集控制點(diǎn)較多，存在控制點(diǎn)采集時(shí)間長、控制點(diǎn)數(shù)冗余等問題，今后還需要優(yōu)化控制點(diǎn)采集策略，在保證幾何糾正精度的前提下減少控制點(diǎn)采集時(shí)間。

2)在色調(diào)調(diào)整中，基準(zhǔn)影像的色調(diào)主要靠主觀視覺調(diào)整，而周圍影像的色調(diào)調(diào)整則需要較多的人工干預(yù)，如何建立自適應(yīng)的色彩調(diào)整策略也有待進(jìn)一步研究。

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ResearchonChina’slandimagemosaickingandmappingtechnologybasedonGF-1satelliteWFVdata

JINAG Wei1,2， HE Guojin1,3,4， LIU Huichan1,3,4， LONG Tengfei1,3,4，WANG Wei1， ZHENG Shouzhu5， MA Xiaoxiao1,2

(1.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，ChineseAcademyofSciences，Beijing100094，China； 2.UniversityoftheChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China； 3.KeyLaboratoryofEarthObservationHainanProvince，Sanya572029，China；4.SanyaInstituteofRemoteSensing，Sanya572029，China； 5.CollegeofSurveyingandGeo-informatics，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)

GF-1 is the first satellite in the major projects of high resolution observation system in China. It has provided abundant data for high and moderate spatial resolution image mosaicking for more than four years since its launching. The process of image mosaicking was based on the characteristics of the wide field of view (WFV)images of GF-1，including four key techniques i.e., data selection, geometric rectification, color adjustment, image mosaicking and mapping. The high precision geometric positioning of wide image is the key technology. After high quality data selection, ground control points (GCPs) were collected automatically. The root mean square error(RMSE)of each image should be less than 1 pixel with the average number of GCPs being 54. Then rational function model(RFM)was applied to the images for ortho-rectification. The 1: 5 000 000 national land image map was completed after color adjustment and mosaicking. This map has high spatial accuracy, colored pixels and temporal resolution. The method proposed in this paper could provide an important reference for the series of GF satellites image mosaicking and mapping, and would promote the domestic satellites to play a greater role in investigation of major resources and environment in China.

GF-1； WFV image； remote sensing image processing； ortho-rectification； mosaic mapping

10.6046/gtzyyg.2017.04.29

江威，何國金，劉慧嬋,等.高分一號衛(wèi)星WFV影像全國陸地鑲嵌與制圖技術(shù)研究[J].國土資源遙感，2017，29(4)：190-196.(Jiang W,He G J,Liu H C,et al.Research on China’s land image mosaicking and mapping technology based on GF-1 satellite WFV data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4)：190-196.)

TP 751.1

A

1001-070X(2017)04-0190-07

2016-04-27；

2016-08-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃全球變化及應(yīng)對專項(xiàng)課題項(xiàng)目“大尺度全球變化數(shù)據(jù)產(chǎn)品快速生成方法”(編號： 2016YFA0600302)、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目“海南省遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺建設(shè)與應(yīng)用示范”(編號： ZDKJ2016021)和海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目“新型海洋信息感知關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備研發(fā)”(編號： ZDKJ2016015)共同資助。

江 威(1991-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)檫b感圖像處理與夜光遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用。Email： jiangweifz@163.com。

何國金(1968-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事遙感信息挖掘與智能處理等研究。Email： hegj@radi.ac.cn。

(責(zé)任編輯：張仙)