基于国产卫星的天地图影像更新方法研究

吴海罗 胡挺

（湖北省地图院 湖北省武汉市 430074）

1 背景

天地图平台是县级以上自然资源主管部门向社会提供各类在线地理信息公共服务、推动地理信息数据开发共享的政府网站。影像地图是天地图平台重要底图数据之一，具有丰富的信息量，地物相对关系直观明确，表现真实。本文中天地图年度更新影像数据来源于自然资源卫星遥感云服务平台省级节点推送的国产卫星影像数据，根据省级天地图平台更新要求，省级节点更新17、18两级地图瓦片，因此为了满足天地图影像分辨率的要求，必须选用优于1米的成果影像进行切片，本文主要选择传感器类型为GF2、GF7、BJ2、JL1等卫星影像数据。

目前，主流的卫星影像数据处理平台以国外的产品为主，如Erdas、PCI、Envi等；最近几年，国内卫星影像数据处理平台也在不断发展，主要有EPT、SDP、EasySat等。EasySat卫星影像快速处理系统（以下简称EasySat系统）针对国产卫星影像数据特点进行了优化，在海量、大范围的影像数据处理任务中具有重要作用。本文以2021年湖北省天地图平台卫星影像数据融合为例，基于EasySat系统，设计技术流程，进行相关数据处理，实现天地图平台影像地图的更新，推动了国产卫星影像数据产品的在线共享，为社会各行各业提供了便捷的影像数据服务。

2 卫星影像处理方法

本文根据EasySat系统适合海量卫星影像批量数据处理的特点，首先利用EasySat系统批量进行正射纠正与统一匀光匀色，筛选出成果不合格的部分，重新进行正射纠正与匀光匀色处理，确保每景影像每一个处理流程的成果质量满足要求，经正射纠正和匀光匀色后再进行镶嵌，自动生产镶嵌线后再人工调整镶嵌线，然后按照标准5万图框范围裁切，生产标准分幅DOM产品，最后利用ArcGIS软件进行影像切片，并最终实现天地图平台影像地图更新任务，卫星影像数据处理流程如图1所示。

图1：卫星影像处理主要流程

2.1 正射纠正

首先收集参考DOM数据、DEM数据、影像控制点库、原始影像等；基于EasySat系统，导入全色波段卫星影像数据、多光谱波段卫星影像数据、数字高程模型数据已经参考DOM数据，进行数据处理，影像纠正数据处理流程如图2所示；首先利用卫星影像原始轨道参数，对卫星影像进行初始定向，结合已有的基础测绘参考DOM数据，将高分辨率卫星影像与已有的基础测绘参考DOM数据进行自动匹配，匹配获取大量的匹配特征点，从大量的特征点中剔除粗差点，利用剩余的特征点作为控制点信息，完成全色波段卫星影像自动定向，再利用全色波段卫星影像和多光谱波段卫星影像进行配准，完成多光谱卫星影像自动定向，通过定向计算得到全色波段和多光谱波段卫星影像修正后的精确轨道参数，导入已有的基础测绘参考DEM数据，完成对全色波段和多光谱波段遥感影像的正射纠正[1]。然后结合已有的影像控制点库，每景影像选取20个左右均匀分布的影像控制点对影像正射纠正成果进行纠正精度检核，计算控制点的均方根误差，一般平原、丘陵地区误差不超过2个像素，山区不超过4个像素；如误差超限则需重新进行特征点匹配，直至成果满足技术要求为止；最后将纠正好的影像进行降位和波段重组，舍弃近红外波段数据，将卫星影像数据由16位降成8位，输出RGB真彩色合成的正射影像数据。

图2：影像正射纠正技术流程

2.2 匀光匀色处理

湖北省大范围区域覆盖的地形地貌较为复杂，遥感数据受传感器特征、拍摄季节、拍摄时间以及水面、云、太阳高度角等因素影响，地物在卫星影像上呈现的色彩特征存在严重差异。如何使全省区域卫星影像色彩统一并尽可能保留丰富的层次感和影像光谱信息，满足天地图平台用户的不同要求，是我们需要解决的重要问题。

常规卫星影像匀光匀色处理一般采用准备好的模板影像数据对区域内卫星影像进行匀光匀色，利用这种方法处理的影像成果整体色彩过于一致、缺乏色彩层次感。为了能让天地图平台用户用到色彩更加真实自然的卫星影像，因此，我们尝试利用EasySat系统提供的基于全球参考影像库的匀光匀色方法，这种方法会根据影像所处的地理位置，利用全球影像参数来进行影像的匀光匀色处理，这种匀光匀色方法的优势是，既可以保留影像色彩的真实性，又确保大范围海量影像的视觉色彩的一致性和层次感。但是，这种方法采用的参数在某些局部区域匀光匀色效果还不够完善，同时，还存在一部分影像因拍摄质量不理想情况，造成了卫星影像视觉色彩上的不协调，为了解决少量影像批量匀光匀色处理效果不理想的状况，本文采用PhotoShop调色工具对影像的色彩亮度进行人工匀光匀色，利用PhotoShop软件丰富的色彩调整工具，参考EasySat系统批量匀光匀色质量较好的成果作为模板，对比模板影像人工调整卫星影像色彩及亮度，确保卫星影像色彩正常合理、清晰、便于解译。人工匀光匀色主要包括色阶调整、曲线调整、色彩平衡等；卫星影像匀光匀色数据处理流程如图3所示。

图3：影像匀光匀色主要技术流程

2.2.1 色阶调整

色阶调整是利用直方图对影像进行均匀非线性拉伸，以达到影像辐射增强的一种方法[2]。卫星影像直方图调整主要通过三个指标滑块实现，即最大色阶滑块、最小色阶滑块和中间值滑块，通常这三个指标滑块往右滑动，会使得图像颜色加深，往左，则颜色渐淡；而直方图是体现图像明暗颜色的常用工具，通过影像直方图可以快速判断影像明、暗、灰度等问题。通常色彩亮度效果较好的卫星影像主要体现在具有丰富的明暗细节，且在直方图上呈正态分布状态，两侧均不会有像素溢出[3]。对影像色阶信息进行调整时，必须注意的是，不要将直方图拉伸太大而造成最亮和最暗的色阶信息的丢失，直方图拉伸尺度要柔和，从而确保区域影像细节清晰，整体呈现的明暗亮度适中。

图4：Photoshop中色阶直方图调整示例

图5：Photoshop中色彩曲线形态调整

图7：匀光匀色后卫星影像

图8：影像切图处理流程

2.2.2 曲线调整

曲线调整是 Photoshop 软件中较为复杂但是很精准的颜色调整工具。在曲线调整过程中，首先依次选择R、G、B单个通道底部曲线控制点水平右移，过滤对应通道的低值无效像元值，然后根据影像直方图像元值分布情况添加曲线控制点，一般情况下将色彩曲线逐渐拖动成 S 形曲线，效果最为理想，影像地物的对比度强，易于影像判读解译。

2.2.3 色彩平衡

色彩平衡是 Photoshop 软件常用的色彩调整工具，用以改变卫星影像的色度。色彩平衡处理既能消除影像偏色，又能控制影像的色彩分布，在调色前首先需要熟悉色彩互补原理，针对RGB色彩模式下色彩规律有R+G=Y；R+B=M；G+B=C；R+G+B=K；在CMYK色彩模式下的色彩规律有C+M=B；C+Y=G；M+Y=R；C+M+Y=K。上面的R、G、B、C、M、Y、K分别表示红、绿、兰、青、品、黄和黑[4]。一般在单一地物（植被、水域、云等）覆盖范围较多情况下，整体影像颜色会出现偏色现象，根据颜色互补规律，进行色彩平衡调整，能使影像地物色彩更加趋向于地物真实自然色。依据色彩互补原理，若要减少某一种色彩，则要增加这种色彩的互补色，利用该原理可调整影像阴影区、中间色调区、高光区的各种颜色成分，以达到色彩平衡[5]。但是色彩平衡对亮度、饱和度、反差的调整是有限的，因此对明暗度等不加以调整的正射影像推荐采用该方法，选取影像调整区域重复进行处理[6]。

2.3 影像镶嵌及裁切

由于单景卫星影像覆盖范围有限，而全省区域覆盖范围广，为了展现全省范围内地物特征，需要从海量卫星影像库中挑选足量合适的卫星影像进行无缝镶嵌拼接，在挑选卫星影像时，优先考虑影像的图面质量及影像的现势性；在构建镶嵌工程时一般将20幅标准1:5万图框范围划分一个镶嵌工程区；在镶嵌时，相邻卫星影像色彩有差异时需人工调整镶嵌线，使得卫星影像在镶嵌处色彩过渡自然，纹理清晰，地物接边符合逻辑，同时需注意确保无重影、地物错位。手动修改镶嵌线时，应沿着线状地物边线，如道路、田坎，山脊线等，同时应绕开人工地物，使镶嵌结果能够保持人工地物的完整性和合理性。鄂西与鄂东北地区主要为山地地貌，地势起伏较大，导致影像在大型高架桥、立交桥、高速路桥梁、大型高层建筑物等产生不合理的拉伸变形或扭曲，可在镶嵌工程中加载对应区域DEM数据，通过对变形区域DEM数据进行局部多次平滑、拟合处理，确保卫星影像地物纹理合理不失真。在大面积厚云覆盖区域需进行去云处理，在镶嵌工程中按照一定的规则从备选卫星影像中对有云覆盖区域进行无云影像替换；完成镶嵌后为了便于后期全省数据统一进行管理及影像切片，特选择按标准1:5万图幅框外扩50个像素分幅裁切输出，最终全省共生产512幅1:5万分幅的分辨率为0.8米的正射卫星影像。

2.4 基于ArcGISServer平台的影像切片

卫星影像地图瓦片，是将卫星影像数据进行预处理，采用高效的缓存机制形成的缓存图片集，采用“级、行、列”方式进行组织，可以在网页中快速加载。地图瓦片的加载是根据天地图用户客户端请求的范围和级别，通过计算行列号获取对应级别下网格的瓦片，这些瓦片在客户端组合成一张影像地图。本文利用ArcGIS Server平台进行数据预处理及卫星影像地图切片处理，数据预处理及卫星影像地图切图处理流程如图6所示。首先构建好卫星影像镶嵌数据集，导入卫星影像数据，创建好影像金字塔，构建卫星影像镶嵌数据集概视图；在ArcMap切片工程中加载卫星影像镶嵌数据集和水印数据，切片工程的地理坐标设置为2000国家大地坐标系（CGCS2000），在ArcMap中建好切图工程文档后发布ArcGISServer服务，设置好切片方案和切图参数，切图处理时尽量选择配置较好，CPU核数较多的机器，开多线程进行卫星影像地图切图处理，可极大的缩短切图处理时间；地图瓦片数据以紧凑型Bundle格式存储，地图瓦片切片完成后检查是否存在空白瓦片及格式错误瓦片，如存在空白瓦片或格式错误瓦片则需重新进行地图切图处理。

图6：匀光匀色前卫星影像

3 结语

近年来，随着国产卫星平台的快速发展，高分辨率国产卫星影像不断丰富，国产卫星影像处理平台也在不断更新发展，本文采用国产卫星影像处理平台EasySat卫星影像快速处理系统来实现国产卫星影像的大批量快速处理，较好地完成了天地图影像地图融合更新任务，通过实践可以得出：

（1）通过EasySat卫星影像快速处理系统可以快速实现对全省海量多源卫星遥感影像全自动化正射校正，相对传统每景影像需手工刺点的作业方式，大大节省了时间，提高了工作效率；

（2）目前影像正射纠正、镶嵌时技术比较成熟，自动化程度较高；但是在大范围匀光匀色时，目前各种算法都还处于研究中，本文采用基于全球参考影像库的匀色方法取得了一定的效果，但还需借助Photoshop调色功能去进一步完善匀光匀色效果；

（3）本文较好的利用Photoshop强大的调色功能来辅助卫星影像的匀光匀色处理过程，具有较好的应用效果，可以作为人工影像匀光匀色技术参考；

（4）通过不断的探索研究，本方案较好的实现了天地图平台国产卫星影像的融合，也可以为其它互联网地图平台卫星影像数据快速更新提供了可行的解决方案。