浅谈基于PCI软件的北京二号卫星正射影像快速生产

梁星

（湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443100）

1 引言

北京二号卫星是我国自主研发的高分辨率卫星，于2015 年7 月发射，由3 颗同轨道面、120 度等距离分布的卫星组成，可向用户提供幅宽约24 公里的0.8米全色影像和3.2 米多光谱影像，卫星的重访周期仅需1 天[1]。北京二号具备高效获取亚米级高分辨率影像的能力，在地理国情监测、国土资源管理、农业资源调查、生态环境监测、城市综合应用等国民经济建设各个领域发挥越来越重要的作用[2]。

PCI Geomatica 软件是加拿大PCI 公司开发的用于遥感图像处理、GIS 分析、摄影测量和制图输出的多功能软件系统[3]。PCI 软件强大的影像匹配、高效的批处理功能，在卫星影像处理，特别是开展正射影像快速生产方面具有独特优势。

2 基本作业流程

基于PCI 软件进行北京二号卫星正射影像快速生产时，首先进行资料整理，检查原始影像、控制资料、参考资料等，然后分别建立全色及多光谱影像工程。正确建立工程后，导入影像数据，选定模板，选取连接点和控制点，开展全色影像平差处理。当平差计算指标合限后，基于已有DEM 数据进行全色影像正射纠正。根据单片全色正射影像与多光谱影像的对应关系，对每张多光谱影像进行影像配准，将配准得到的点作为控制点，对多光谱影像平差计算后进行正射纠正。纠正完成后，进行全色单片正射影像和多光谱单片正射影像融合处理，建立镶嵌工程进行拼接镶嵌，对拼接镶嵌成果进行分幅处理、质量检查，检查合格后提交最终成果。利用PCI 软件进行正射影像快速更新生产工作流程如图1 所示。

图1 基于PCI软件正射影像快速更新处理流程

3 生产作业关键环节

3.1 资料检查整理

在生产作业前，需要对资料进行细致检查，若有不足需要求影像提供单位及时补充，方便后期记录检查情况、填写元数据。对原始影像的检查分析主要包括测区影像覆盖情况、云区分布、影像表现质量以及数据完备性。其中，云区覆盖情况尽量用矢量数据（如shp 格式）详细记录，以便影像镶嵌及成果检查时使用。此外，还需对参考资料包括已有DOM 及DEM 数据进行归一化处理，确保平差计算及后期检查时使用。

3.2 平差计算

（1）连接点选取。基于PCI 软件的强大影像匹配能力，可使用自动匹配方式进行连接点选取。为保证选点成功率，应添加高精度DEM 数据，选点困难地区可将搜索半径由100 像素增大至200 至300 像素，同时将影像相关系数由0.75 降至0.7。对于修改系数仍无法成功匹配连接点的区域，需人工添加适当的连接点，确保平差计算后影像接边精度可靠。

（2）控制点选取。利用PCI 软件选取控制点时，可通过人工及自动匹配方式进行。针对正射影像快速生产任务，推荐使用自动匹配方式选取控制点；对于匹配困难区域（如海洋、沙漠、无人区、境外等区域，缺少明显标志物信息，导致地面控制点难以获取）[4]，参考连接点选取时的方法修改参数，提高匹配成功率。

（3）解算选择。连接点、控制点匹配完成后，进行平差解算。第一次计算时尽量选择Robust（固网算法），剔除粗差点后，修改Point 页面内连接点及控制点的权值，控制点权值改为0.3，连接点改为300，同时选择Regular 算法进行平差计算。每次计算后剔除或人工交互修改点文件，直至平差计算符合要求。

3.3 纠正融合

PCI 软件要求影像分辨率与工程设置的分辨率一致，因此全色和多光谱影像需建立两个工程。为提高配准精度，全色影像与多光谱影像配准时建议将正射纠正后的单片全色影像与对应的多光谱影像一一匹配，将匹配得到的点作为控制点添加到多光谱影像工程。

为了融合多光谱影像的丰富光谱信息和全色影像的精细纹理信息，需对多光谱影像和全色影像进行融合，以获得具有高空间分辨率的多光谱影像[5]。PCI软件提供HVS、PCA、Brovey、PANSHARP2 等多种影像融合算法[6]，根据多次试验，建议采用PANSHARP2 算法。该算法是一种基于最小二乘法的融合算法，可在多光谱和全色影像间建立最佳近似灰度值关系，从而达到最佳融合效果。利用PCI 软件提供的Modeler 模块可搭建工作流进行批量融合，如图2 所示。

图2 PCI影像批量融合工作示意图

3.4 拼接镶嵌

利用PCI 软件进行拼接镶嵌时，可以人工镶嵌编辑，也可以自动镶嵌。其中，自动镶嵌计算，PCI 软件提供了最小差别、最小相关差别、边缘特征、整个影像四种算法。经多次试验，对于类似北京二号这类高分辨率影像，采用边缘特征算法进行自动镶嵌效果最佳。当自动镶嵌完成后，对部分镶嵌线不理想区域进行人工修改编辑，既可提高生产效率，又可确保生产质量。在镶嵌编辑时，除了保证镶嵌线不切割田地、池塘等面状地物，还要特别注意镶嵌影像的摄影日期，在影像质量相同的前提下，尽量最大化利用摄影时间最新的影像，以确保最终成果的时效性。

3.5 质量检查

对于分幅输出的成果，要检查正射影像的表观质量和精度。表观质量检查主要包括影像拉伸、颜色异常、云区覆盖、颜色过曝等问题，要按照图幅将问题详细记录，以便修改和后期元数据生产。影像精度检查包括绝对定位精度检查和镶嵌精度检查。对于镶嵌精度，可在DOM 叠加镶嵌线文件进行检查，一般要求不超过两个像素。对于绝对定位精度，一般通过外业控制数据或已有DOM 数据进行检查，利用外业控制数据检查时，应人工检查每个点位误差情况并记录；利用参考DOM 检查时，利用PCI 软件批量匹配功能大量匹配同名点，剔除粗差点后统计得出成果的检查精度。

4 试验情况

4.1 测区概况

试验测区位于山东省东部，地理范围为东经119°08′49″到119°38′53″，北纬35°50′59″到36°13′26″之间，海拔为10 米至600 米，地形以平原和丘陵为主。开展生产作业共接收北京二号卫星影像12 景，摄影时间为2017 年11 月。测区内具有2013 年实测外业控制点数据25 个，以及2013 年航摄生产的平面精度为0.6 米的1∶2000 正射影像和高程精度为0.5 米的DEM 成果数据。

4.2 作业过程

为对比不同作业方法的成果精度，分别利用9 个实测外业控制点和1∶2000 比例尺正射影像作为平差控制资料开展生产作 业，采用两种控制方案进行平差精度统计，如表1 所示。由表1 可知，采用高精度DOM 和实测外业控制点作为控制资料生产作业，影像平差精度基本相当，但是采用高精度DOM 密集控制方案时，无需人工选取控制点，作业效率得到极大提高，因此，条件具备时建议采用高精度DOM 控制方案开展生产作业。此外，为提高最终影像色彩质量，在影像融合完成后，可利用如沃韦等专业调色软件对融合成果进行色彩均衡处理，然后再进行镶嵌作业。

表1 北京二号卫星影像两种方案平差精度统计

4.3 影像成果

经过平差计算、纠正融合、拼接镶嵌、色彩调整等生产作业后，最终正射影像成果色彩纹理丰富，颜色真实，色调一致。北京二号正射影像效果如图3 所示。

图3 北京二号正射影像效果

4.4 作业时间对比

为了体现PCI 软件在北京二号卫星正射影像生产过程中的速度优势，本文选择与EDARS 软件进行对比。PCI 软件较EDARS 软件在以下几方面有较大优势。

4.4.1 同名点采集

（1）PCI 软件：PCI 软件可以进行自动同名点采集配置，并可进行批量生产。根据多次生产试验，PCI软件同名点匹配成功率一般地区可达80%以上，沙漠、高山等困难地区匹配成功率也可达到50%，在控制点和连接点选取环节只需极少量人工编辑，极大地提高了生产作业效率。

（2）ERDAS 软件：在LPS 模块中进行配准，在沙漠、高山等影像质量不好、同名点判读不清晰等困难区域无法自动采集到高精度点位，需人工均匀在未刺点区域进行采集。由于是人工进行单景作业，无法批量处理，比较耗时耗力。

4.4.2 批处理

PCI 软件在影像纠正、配准、融合等模块均可以在建好Modeler 模块之后进行批处理，并且自动设置合适的CPU 个数参与处理。而EDARS 软件无法设定参与运算的CPU 个数。

4.4.3 海量影像的无控纠正

PCI 软件和ERDAS 软件均能进行无控纠正或者有控纠正。若作业区域具有海量影像且控制点稀少，使用PCI 软件进行单景无控纠正，使用ERDAS 软件在1∶50000 DOM 上采集控制点进行纠正，两者的成果平面精度均能在10m 以内。

为进行直观对比，分别使用两种软件各自生产4.1节测区的3 景影像来进行试验。每景影像各阶段的平均处理时间如表2 所示。

表2 各阶段处理时间统计表（min/景）

5 结束语

PCI 软件强大的影像匹配、高效快捷的自动化处理、支持多类型传感器的特点，在正射影像快速生产方面具有显著优势。本文方法通过优化资料整理、影像平差、拼接镶嵌、精度检查等关键作业环节，不仅确保最终成果色调统一、色彩真实自然，还极大地提高了生产效率，为规模化利用如北京二号等国产高分辨率卫星影像进行正射影像快速生产提供借鉴。