多源控制遥感影像快速处理技术及应用

张宏伟，王忠祥，杨 应

(国家基础地理信息中心,北京 100830)

高分辨率遥感影像是自然资源监测、地图更新、应急测绘的最主要和最有效的数据源之一。遥感影像精确纠正和地理编码是上述应用的首要步骤，即求解影像的外参数(外方位元素)，并对其进行纠正和地理编码，建立和真实地表的对应关系，其纠正精度决定了监测等应用的精度。随着自然资源监测和海量遥感影像处理的迫切需要，如何充分利用已有的基础地理信息数据，通过影像匹配和地物提取，自动确定影像的外参数显得越来越重要。由于地图和影像上同名地物表示的方式差异较大，目前对应的控制点仍然需要人工量测。无论在野外还是室内，在地图上量测控制点都是一件耗时耗力的繁冗工作，且不容易准确量测，因此，这越来越成为海量遥感数据几何处理中全自动空中三角测量的瓶颈。

随着航天遥感平台和传感器技术的发展，实时、全天候、大面积获取地表信息高精度、高分辨率、多时相、多光谱的数字遥感影像成为现实，但与之相反的却是图像处理理论和技术手段的严重滞后，大量堆积如山的遥感影像与相关的数据处理手段之间存在巨大的反差。摄影测量与遥感技术的快速发展，及图像处理与理解、模式识别、数据库等技术的发展，使得海量遥感影像快速正射纠正成为可能。本文充分利用影像匹配、影像自动处理及信息快速提取等方面的研究成果，发挥国家现有海量的基础地理信息数据和技术储备优势，结合地理国情监测、应急测绘和1∶5万数据库更新工程项目的实施，研究如何充分利用已有基础地理信息，自动进行影像正射纠正，提高遥感影像正射纠正生产和正射影像库建立与更新的效率，为建立数字化信息测绘技术体系服务。

1 基于已有高精度正射影像控制情况

在高分辨率正射影像库建成的基础上，充分利用已有空间数据库(正射影像数据、控制点数据、数字高程模型数据)，通过遥感影像之间的自动匹配，在数字高程模型内插获取高程信息的基础上自动生成大量的控制点，实现遥感影像的自动正射纠正和正射影像库的自动更新。随着越来越多的高分辨率正射影像库和控制点库的建成，基于已有正射影像匹配的遥感影像正射纠正是较为可行的途径。

相对于航空摄影测量双片匹配而言，新原始影像和正射影像之间的匹配存在以下几个问题：比例尺(分辨率)不一致、影像方位差别大、成像时相差别大造成的色调差别较大，以及地物变化等。本文将基于最小二乘影像匹配的结果作为控制点对影像进行绝对定向，高分辨率卫星影像的定向模型仍然采用RPC模型，区域网的相邻影像采用区域网平差方法求解影像的外参数。控制点的地面坐标根据正射影像上匹配点和对应的正射影像坐标参数进行计算，高程值根据数字高程模型内插计算得到。在影像绝对定向或区域网平差过程中，由于控制点个数很多，可以在迭代计算过程中根据每个控制点残差，给每个控制点赋予不同的权，对于残差较大的控制点作为粗差剔除，这样可以确保匹配产生的控制点没有错误存在。

本文选取了黑龙江齐齐哈尔试验区8景WorldView-2影像进行试验，已有正射影像和DEM数据分别选用1 m分辨率1∶1万DOM和格网间隔5 m 1∶1万DEM数据，图1和表1分别为基于影像匹配的控制点选取和定向精度情况。

表1 基于影像匹配的控制点个数和配准精度情况

2 基于已有空三加密成果控制情况

目前正射影像生产主要采用非立体卫星影像，相对于立体卫星影像和传统的航空影像，其相邻影像重叠度小，连接点光线交会角很小甚至平行，导致影像区域网连接强度很弱，无法实现高程约束，现行技术用DEM约束，受限于DEM精度，平差精度低。本文通过多源卫星影像混合区域网平差，将立体和非立体卫星联合处理，实现非立体卫星影像大区域网联合平差。

本文以第三次国土调查正射影像生产为例开展了基于已有立体基准网的遥感影像区域网平差和正射生产试验。第三次国土调查要求在全国范围全面采用优于1.0 m分辨率的航天遥感影像生产正射影像，几何精度达到1∶10 000比例尺制图要求。青藏高原为代表的西部地区高精度测图一直是尚未解决的难题。试验区域混合区域网及其连接点如图2所示，包含ZY3立体影像和GF2卫星影像。可以发现，虽然这两种卫星影像分辨率、光谱特征、影像时相、初始几何精度存在很大差异，但是匹配得到的连接点数量、分布都能很好地满足构网需求。

在GF2加密网上共布设了38个检查点，分别刺在GF2的全色波段影像及ZY3的前视和后视影像。检查点分布均匀，覆盖大部分GF2的区域，如图3所示。

在检查模式下，将所有检查点参与平差，用以检查GF2经区域网平差后的物方坐标精度。经平差计算后所得到的结果见表2。

表2 GF2检查点模式精度统计 m

对比区域网联合平差前后的GF2影像的几何定位精度情况可以发现，采用立体-非立体无控制几何协同区域网平差可以有效提高GF2高分辨率卫星影像的几何定位精度。

3 结 语

随着卫星轨道参数数据精度的逐步提高，以及高分辨率正射影像数据库、数字高程模型数据库和已有立体基准网的建成，如何充分利用这些数据，大大减少甚至避免人工量测控制点，对快速高效地建立与更新全国范围内的高分辨率正射影像库具有重要意义，为解决海量遥感数据处理的瓶颈问题提供了新的思路。本文探讨了将已有正射影像和空三加密成果作为控制条件下，遥感影像的快速正射纠正的理论和生产技术方面的问题，并结合部分试验数据，进行了小范围的算法验证和生产试验。综合考虑目前遥感影像几何处理的控制数据源，从生产技术角度分析高分辨率遥感影像快速正射纠正技术路线和作业模式，为遥感影像快速处理及其应用奠定了基础。