楊　珍，張永志，張文軍，焦佳爽，楊九元

(1. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710000； 2. 甘肅省測(cè)繪地理信息局地圖院，甘肅 蘭州 730000)

?

利用集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像快速生產(chǎn)數(shù)字正射影像

楊珍1，張永志1，張文軍2，焦佳爽1，楊九元1

(1. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710000； 2. 甘肅省測(cè)繪地理信息局地圖院，甘肅 蘭州 730000)

數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)是地理國情普查中主要的調(diào)查數(shù)據(jù)源，同時(shí)也是普查成果數(shù)據(jù)的重要組成部分。本文對(duì)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)數(shù)字正射影像進(jìn)行了研究，通過充分利用國家基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目中最新的1∶10 000DEM、DOM成果數(shù)據(jù)，結(jié)合PixelGrid集群匹配點(diǎn)的強(qiáng)大功能，GeowayCIPS1.0集群一體化流程中途無需人工干預(yù)的各自優(yōu)勢(shì)，主要使用PixelGrid集群來實(shí)現(xiàn)整景數(shù)字正射影像的生產(chǎn)，GeowayCIPS1.0集群來實(shí)現(xiàn)1∶25 000分幅數(shù)字正射影像的生產(chǎn)。研究結(jié)果表明，生產(chǎn)出的數(shù)字正射影像達(dá)到了地理國情普查項(xiàng)目對(duì)數(shù)字正射影像成果的要求，相比傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像生產(chǎn)方法節(jié)約了大量的人力、物力，大幅提高了生產(chǎn)效率。

地理國情普查；基礎(chǔ)測(cè)繪；PixelGrid；DEM；DOM；GeowayCIPS

地理國情普查項(xiàng)目時(shí)間緊，任務(wù)量大，數(shù)字正射影像(digitalorthophotomap，DOM)數(shù)據(jù)是整個(gè)項(xiàng)目的主要調(diào)查數(shù)據(jù)源，也是普查數(shù)據(jù)成果的重要組成部分，因此高效、準(zhǔn)確、快速的數(shù)字正射影像生產(chǎn)不僅是地理國情普查項(xiàng)目的基礎(chǔ)，也為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集、元數(shù)據(jù)生產(chǎn)、生產(chǎn)入庫等工作節(jié)省出時(shí)間。控制資料準(zhǔn)備、區(qū)域網(wǎng)平差的實(shí)現(xiàn)要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力。王彥敏等提出了基于PixelGrid實(shí)現(xiàn)DOM的快速更新，利用1∶5000DEM、DOM快速生產(chǎn)1∶10 000DOM[1]，結(jié)果證明了集群分布式并行處理的方法生產(chǎn)效率高、實(shí)用性強(qiáng)。但是此方法主要針對(duì)的是數(shù)據(jù)排列整齊的航空影像。本文以地理國情普查項(xiàng)目為依托，主要針對(duì)數(shù)據(jù)源情況復(fù)雜的衛(wèi)星影像，利用1∶10 000基礎(chǔ)測(cè)繪成果DEM、DOM數(shù)據(jù)，使用PixelGrid集群來實(shí)現(xiàn)整景正射影像的生產(chǎn)。對(duì)有全色和多光譜的整景成果，使用GeowayCIPS1.0集群下的一體化生產(chǎn)方案“融合—16位轉(zhuǎn)8位—?jiǎng)蚬鈩蛏偳冻蓤D”實(shí)現(xiàn)1∶25 000分幅數(shù)字正射影像的生產(chǎn)，對(duì)只有全色的整景成果，使用一體化方案“16位轉(zhuǎn)8位—?jiǎng)蚬鈩蛏偳冻蓤D”實(shí)現(xiàn)1∶25 000分幅數(shù)字正射影像生產(chǎn)。

一、地理國情普查中正射影像概述

地理國情普查中對(duì)正射影像的成果要求是不對(duì)整景糾正成果(含全色景和多光譜景)進(jìn)行任何形式的數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理，只對(duì)分幅正射影像數(shù)據(jù)成果進(jìn)行增強(qiáng)處理。整景影像由于地形原因引起的正射影像拉伸(拉花)不需處理。分幅正射影像數(shù)據(jù)灰度圖像為單通道8位，彩色影像為3通道24位，影像數(shù)據(jù)文件采用非壓縮的標(biāo)準(zhǔn)TIFF格式存儲(chǔ)。數(shù)字正射影像的分辨率優(yōu)于(包含)1m，應(yīng)按照1∶25 000分幅裁切，裁切范圍為對(duì)應(yīng)的基本存儲(chǔ)單元最小外接矩形向外擴(kuò)展100個(gè)像素的矩形[2]。

1∶10 000地形圖覆蓋區(qū)域和航攝生產(chǎn)區(qū)域原則上按1∶10 000地形圖成圖精度要求進(jìn)行正射影像生產(chǎn)，非1∶10 000地形圖覆蓋區(qū)域原則上按1∶25 000地形圖成圖精度要求進(jìn)行正射影像生產(chǎn)，特殊困難地區(qū)正射影像生產(chǎn)精度要求可適當(dāng)放寬。平面精度要求見表1，對(duì)于大面積單一地物地區(qū)，例如水體、森林、草原、戈壁等，中誤差可以適當(dāng)放寬，但最大不得大于表1的1.5倍。最大誤差不超過中誤差2倍。接邊精度見表2。

衛(wèi)星影像單片正射糾正作業(yè)流程如圖1所示[3-6]。

表1　數(shù)字正射影像平面精度　m

圖1　衛(wèi)星影像單片正射糾正作業(yè)流程

二、基于PixelGrid的整景衛(wèi)星影像成果生產(chǎn)

1. 數(shù)據(jù)基本情況

試驗(yàn)區(qū)地貌以平地為主，包含30景衛(wèi)星影像，遙感衛(wèi)星資料有QB02(全色和多光譜)6景、WV01(全色)4景、WV02(全色和多光譜)20景，數(shù)據(jù)級(jí)別為level2A，GeoTIFF格式，QB02、WV01、WV02按景分塊存儲(chǔ)。衛(wèi)星影像技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3　衛(wèi)星影像技術(shù)指標(biāo)

基礎(chǔ)測(cè)繪DEM、DOM數(shù)據(jù)均為2012年1∶10 000成果數(shù)據(jù)。DEM、DOM鑲嵌的圖幅文件均按照1∶10 000的標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)命名，DEM格網(wǎng)尺寸為5m，高程中誤差、接邊限差見表4。DOM的影像地面分辨率為1.0m，輻射分辨率彩色影像為24bit，波段彩色影像為3個(gè)波段，平面位置中誤差見表5，接邊限差不大于2個(gè)像素[7-10]。

表4　基礎(chǔ)測(cè)繪DEM高程中誤差、接邊限差　m

表5　基礎(chǔ)測(cè)繪DOM平面位置中誤差　m

衛(wèi)星影像生產(chǎn)整景、分幅數(shù)字正射影像具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

2. 衛(wèi)星影像、DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

由于提供給用戶的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是分塊數(shù)據(jù)，因此需要將分塊的衛(wèi)星數(shù)據(jù)拼合成為一個(gè)tif文件，可使用“quickbird/worldview影像預(yù)處理”功能實(shí)現(xiàn)，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生*.tif、*.rpc文件。

使用PixelGrid進(jìn)行平差處理需要滿足*.tif、*.rpc、*.gsd文件齊全，因此還需使用“quickbird/worldview系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分析”，生成*.tif.rpc和*.tif.gsd文件。此時(shí)使用拼合的大tif文件、*.tif.rpc和*.tif.gsd文件進(jìn)行后續(xù)操作。

圖2　衛(wèi)星影像生產(chǎn)整景、分幅數(shù)字正射影像流程

基礎(chǔ)測(cè)繪成果的DEM格式為JX4格式，而PixelGrid軟件要求的DEM格式為*.dtm。因此使用DEM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能將DEM格式批量轉(zhuǎn)為*.dtm，如圖3所示。

圖3　DEM格式轉(zhuǎn)換

3. 根據(jù)已有DEM、DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行全色影像自動(dòng)平差

(1) 全色衛(wèi)星影像自動(dòng)平差的參數(shù)設(shè)置

在PixelGrid下，新建工程文件加載衛(wèi)星影像、DEM、DOM數(shù)據(jù)，設(shè)置投影、分辨率等。由于地理國情要求的正射影像為6°分帶，因此設(shè)置為“2000大地坐標(biāo)系-6°(中國)”。由于WV01、WV02的分辨率為0.5m，分幅DOM的成果數(shù)據(jù)分辨率也為0.5m，因此衛(wèi)星影像分辨率設(shè)置為0.5m，QB02通過將全色0.5m分辨率影像重采樣得到0.6m分辨率的整景數(shù)字正射影像。基礎(chǔ)測(cè)繪的DOM和DEM都需要轉(zhuǎn)換為6°分帶加載進(jìn)來，且基礎(chǔ)測(cè)繪DEM和DOM的數(shù)據(jù)范圍要大于衛(wèi)星影像的范圍，全色衛(wèi)星影像自動(dòng)平差的參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4　全色衛(wèi)星影像自動(dòng)平差的參數(shù)設(shè)置

(2) 自動(dòng)匹配控制點(diǎn)及檢查自動(dòng)匹配結(jié)果

自動(dòng)匹配控制點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋找基礎(chǔ)測(cè)繪DOM與衛(wèi)星影像的同名點(diǎn)而無需人工選點(diǎn)。自動(dòng)匹配出的控制點(diǎn)數(shù)量多、密度大且分布均勻。自動(dòng)匹配的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工選點(diǎn)的效率，自動(dòng)匹配控制點(diǎn)的效果如圖5所示。

圖5　自動(dòng)匹配控制點(diǎn)所得結(jié)果

由于自動(dòng)匹配出的控制點(diǎn)數(shù)量很大，不可能逐一檢查，檢查自動(dòng)匹配結(jié)果是人工選取一些特征明顯、地物發(fā)生變化的區(qū)域?qū)ψ詣?dòng)匹配的控制點(diǎn)進(jìn)行正確性檢查，通常情況下自動(dòng)匹配控制點(diǎn)正確率幾乎100%。

(3) 多光譜自動(dòng)定向、正射糾正與精度檢查

多光譜自動(dòng)定向這一過程的實(shí)質(zhì)是根據(jù)全色影像依據(jù)同名點(diǎn)將多光譜影像匹配到全色影像上。直至這一步，基于PixelGrid的區(qū)域網(wǎng)平差完成，每景影像的RPC文件都會(huì)被更新，在RPC文件的最后，6個(gè)改正系數(shù)從0變?yōu)橛行е?。WV01、WV02的結(jié)果直接作為整景成果數(shù)據(jù)，QB02在ERDAS軟件下通過重采樣得到0.6m分辨率全色和2.4m分辨率多光譜的整景成果數(shù)據(jù)。

執(zhí)行正射糾正功能便可完成全色與多光譜影像的正射糾正，整景數(shù)字正射影像至此生產(chǎn)完成。在進(jìn)行分幅數(shù)字正射影像生產(chǎn)之前，必須對(duì)整景數(shù)字正射影像進(jìn)行精度檢查，精度檢查通過人工選取檢查點(diǎn)的方式進(jìn)行，本試驗(yàn)區(qū)選取了108個(gè)檢查點(diǎn)，且檢查點(diǎn)分布均勻，平面中誤差為3.92m，小于5m，符合精度要求。

三、基于Geoway CIPS1.0的分幅正射影像生產(chǎn)

為了制作1∶25 000分幅數(shù)字正射影像，WV02、QB02必須先將0.5m分辨率全色影像與2.0m的多光譜影像進(jìn)行融合，接著進(jìn)行后續(xù)操作，WV01無需融合。

為了實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)流程，對(duì)QB02、WV02選擇生產(chǎn)方案“融合—16位轉(zhuǎn)8位—?jiǎng)蚬鈩蛏偳冻蓤D”，對(duì)WV01選擇生產(chǎn)方案“16位轉(zhuǎn)8位—?jiǎng)蚬鈩蛏偳冻蓤D”。

1. 準(zhǔn)備工作

(1) 制作影像配對(duì)規(guī)劃

在執(zhí)行生產(chǎn)方案“融合—16位轉(zhuǎn)8位—?jiǎng)蚬鈩蛏偳冻蓤D”之前，先在集群上新建pan和mul兩個(gè)文件夾。全色影像(tif和RPC文件)拷貝至pan文件夾，多光譜影像(tif和RPC文件)拷貝至mul文件夾，且兩個(gè)文件夾中的影像必須一一對(duì)應(yīng)。

影像配對(duì)規(guī)劃實(shí)質(zhì)是提取衛(wèi)星影像的有效范圍，通過衛(wèi)星影像的文件名確定全色與多光譜的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保融合操作時(shí)按照正確的配對(duì)進(jìn)行融合，制作影像配對(duì)規(guī)劃文件Mosaic.mdl，如圖6所示，影像配對(duì)規(guī)劃完成后，可以自動(dòng)生成融合所需的全色影像與多光譜影像的xml文件、規(guī)劃文件PlanModel.xml，以及狀態(tài)文件_ImageModelFileState.xml。

檢查規(guī)劃文件PlanModel.xml是否存在配對(duì)錯(cuò)誤，如果融合的影像很多，配對(duì)有可能出錯(cuò)，自動(dòng)配對(duì)的正確率有98%以上，為了確保生產(chǎn)一體化的流程順利進(jìn)行，必須人工對(duì)規(guī)劃文件中全色與多光譜是否一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行檢查修改。

圖6　影像配對(duì)規(guī)劃

由于GeowayCIPS1.0軟件安裝在Linux系統(tǒng)下，因此要修改全色影像與多光譜影像的xml文件和PlanModel.xml文件中的Windows路徑為Linux路徑。

(2) 制作勻光勻色模板

制作勻光勻色模板，要根據(jù)這片區(qū)域的總體色彩特征，地貌地物特征，選取一塊包含了這片區(qū)域的大部分地貌地物，色彩自然、紋理清晰的區(qū)域作為模板，在Photoshop下進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后，模板的直方圖大致成正態(tài)分布，影像清晰、反差適中、色彩自然，不會(huì)因太亮或太暗失去細(xì)節(jié)的區(qū)域，明顯地物點(diǎn)能夠準(zhǔn)確識(shí)別和定位。

(3) 制作圖幅范圍文件

制作圖幅范圍文件的目的是鑲嵌成圖時(shí)按照?qǐng)D幅范圍的坐標(biāo)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的裁切。

為了簡單清楚地說明，此處以4景影像為例。首先進(jìn)行規(guī)劃導(dǎo)入，將規(guī)劃好的Mosaic.mdl文件加載進(jìn)來，可以看到規(guī)劃的范圍是完全沿著提取影像的有效范圍邊緣的，如圖7所示。再次執(zhí)行生成圖幅范圍線，設(shè)置投影時(shí)，注意設(shè)置東偏，影像是帶號(hào)的需要在東偏的500km之前加帶號(hào)，按照需求設(shè)置1∶25 000比例尺，生成的圖幅范圍如圖8所示，最后導(dǎo)出坐標(biāo)文本文件，將圖幅范圍輸出成txt文本格式。

2. 執(zhí)行方案時(shí)主要參數(shù)設(shè)置

融合參數(shù)設(shè)置：融合方法選擇PANSHARP融合，需要排除背景色，成果輸出格式為IMG。16位轉(zhuǎn)8位參數(shù)設(shè)置：直方圖閾值為5e-05。

圖7　導(dǎo)入規(guī)劃

圖8　生成圖幅

勻光勻色參數(shù)設(shè)置：選擇制作好的模板文件，勻色策略選擇逐塊勻色，成果影像格式選擇IMG，分塊大小選擇500。

鑲嵌成圖參數(shù)設(shè)置：處理策略選擇自適應(yīng)鑲嵌，成圖比例尺分母選擇25 000，重采用方法選擇雙三次卷積法，成圖影像分辨率選擇0.5，圖幅外擴(kuò)選擇100個(gè)像素，圖幅外擴(kuò)方式選擇矩形外擴(kuò)，羽化寬度(像素)選擇30，鑲嵌成果影像格式選擇TFW(tif+tfw)，采樣點(diǎn)位置選擇整像素。

參數(shù)設(shè)置完成后，執(zhí)行“融合—16位轉(zhuǎn)8位—?jiǎng)蚬鈩蛏偳冻蓤D”一體化的生產(chǎn)方案，生產(chǎn)1∶25 000的分幅數(shù)字正射影像。

最后使用Photoshop軟件對(duì)1∶25 000的分幅數(shù)字正射影像進(jìn)行檢查修改，不滿幅進(jìn)行鑲嵌，色彩差異大的進(jìn)行調(diào)整等。

四、結(jié)束語

本文通過研究在集群軟件PixelGrid、GeowayCIPS1.0下進(jìn)行衛(wèi)星影像生產(chǎn)數(shù)字正射影像得出結(jié)果如下：①生產(chǎn)出的成果符合地理國情普查項(xiàng)目的要求；②充分利用基礎(chǔ)測(cè)繪成果，實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)平差花費(fèi)的時(shí)間大量減少，節(jié)約了人力、物力；③1∶25 000數(shù)字正射影像制作時(shí)的一體化生產(chǎn)方案只需開始設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，中途無需人工干預(yù)，自動(dòng)化程度高。這些研究結(jié)果充分說明了集群的優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)化程度高，自動(dòng)匹配控制點(diǎn)正確率穩(wěn)定，可靠性高，人工干預(yù)少，生產(chǎn)效率高。本文還沒有解決融合時(shí)全色與多光譜配對(duì)規(guī)劃正確率未達(dá)到100%的問題，每次都需要人工對(duì)規(guī)劃文件進(jìn)行檢查，此環(huán)節(jié)還需不斷改進(jìn)。

[1]王彥敏，盧剛.基于PixelGrid實(shí)現(xiàn)DOM的快速更新[C]∥地理信息與物聯(lián)網(wǎng)論壇暨江蘇省測(cè)繪學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.南京：江蘇省測(cè)繪學(xué)會(huì)，2010.

[2]國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.第一次全國地理國情普查數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)規(guī)定：GDPJ05—2013[S].北京：國務(wù)院第一次全國地理國情普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2013.

[3]周志勇.像素工廠空三轉(zhuǎn)換及數(shù)字正射影像圖制作研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(S0)：183-185.

[4]黨安榮，王曉棟.遙感圖像處理方法[M].北京：清華大學(xué)人居環(huán)境研究中心，2002.

[5]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2002.

[6]葉海全.PixelGrid系統(tǒng)在高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(S0)：183-185.

[7]國家測(cè)繪局.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10 000、1∶50 000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程 第2部分：數(shù)字高程模型(DEM)：CH/T1015.2—2007[S].北京：測(cè)繪出版社，2007.

[8]國家測(cè)繪局.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字高程模型：CH/T9009.2—2010[S].北京：測(cè)繪出版社，2010.

[9]國家測(cè)繪局.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10 000、1∶50 000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程 第3部分：數(shù)字正射影像圖(DOM)：CH/T1015.3—2007[S].北京：測(cè)繪出版社，2007.

[10]國家測(cè)繪局.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000數(shù)字正射影像圖：CH/T9009.3—2010[S].北京：測(cè)繪出版社，2010.

Study on Digital Orthophoto Map(DOM) Quickly Produced by SatelliteImageBasedonClusters

YANG Zhen，ZHANG Yongzhi，ZHANG Wenjun，JIAO Jiashuang，YANG Jiuyuan

2015-08-10；

2015-10-21

國家自然科學(xué)基金(41374028)

楊珍(1984—)，女，博士生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)。E-mail：yangzhen6@qq.com

P237

B

0494-0911(2016)08-0065-05

引文格式：楊珍，張永志，張文軍,等.利用集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像快速生產(chǎn)數(shù)字正射影像[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(8)：65-69.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0258.