卫星遥感影像处理技术及应用实践

李万清

（甘肃省地图院，兰州 730000）

伴随着现代计算机技术与航天科技的快速发展，目前获得全球地理空间信息的主要技术方法，已经逐渐发展为利用卫星遥感影像信息处理技术，以及不断提高的卫星遥感影像分辨率，使得卫星遥感影像数据处理技术在人类的经济与社会中得到普遍运用。

以这一点为基础，本论文将重点研究卫星的遥感影像信息处理技术，并将目前情况与环境监测、土地利用研究等众多社会应用领域中的普遍使用情况相联系，以推动卫星遥感影像数据处理技术最大程度地发挥出其独特的社会应用价值。

1 卫星遥感影像处理技术概述

卫星遥感影像处理技术所采集的影像数据是地物目标电磁信号的一部分，其包括2 种形态：一种是反射，另一种是自反射。在进入大气后，反射的能量在空气中衰减，然后被记录下来，通过卫星地面接收站进行加工，就可以在最大程度上恢复出影像。

卫星影像是多元信息与噪音的复合体，对其进行分析处理，可以实现对多元信息的高效识别，降低外部有害信息的干扰。经过长期的发展，卫星遥感影像处理具有如下特征。

第一，卫星的多重感应器，该探测器的应用将提高对全彩色光谱带的空间分辨能力，为研究对象的研究提供更丰富的资料。

第二，利用各种不同的技术手段，把重旅行的时间限制在数日以内。

第三，地物的质地特性具有多样性，地物的同质性成分较多，地物的频谱统计特性较不稳固。

2 卫星遥感影像处理的主要技术

2.1 卫星遥感数字影像纠正处理

为了提高遥感影像的使用效率和防止信息泄漏，大多数的遥感影像资料都会给使用者一个与传感器无关的一般的影像几何模式，即有理函数模式。该方法取代了常规的基于共线性约束的严谨的几何建模方法，是一种全新的建模方法。基于有理函数的建模方法具有不依赖于地面的特点，利用卫星上的GPS 数据获取卫星轨道、相机和惯性测量单元等数据，能够保证空间几何建模的正确性和准确性。

基于此，可以产生具有较强空间一致性的虚拟地表控制点，并通过对其进行有理函数建模，从而达到2类模式的同步拟合。当前，基于有理函数的校正方法可以应用到各种不同的卫星遥感影像。在校正时，可以使用的校正控制数据种类繁多，包括高分辨率DEM、外业控制点、DOM、DLG 和DRG 等，校正的总体方法是通过多项式拟合法完成的，其中包括二级和三级的校正，且校正的对象比较多。

为了保证矫正的结果，在矫正工作开展以前，要对其座标体系的信息进行全面了解，并将其与有理函数的参数和控制数据之间的联系联系起来，保证控制点的精确位置，并对其进行精确的定位，当偏差超出了容许的极限时，就需要对其进行适当修正，并与对应的参照数据和地貌差别相配合，保证校正的质量，防止影像中出现重影、模糊等现象。

在使用卫星遥感影像技术时，如果没有根据严谨的标准对其进行校正，那么就会对后续的资料处理造成很大的影响。假如在技术使用的最后阶段，在其早期存在校正问题重新进行校正，不但增加了工作的难度和工作量，还会使技术使用的效果下降。

在校正过程中，最重要的是要对控制点的精度和均匀性、控制点的单点误差、控制点的残差中误差和影像的精度等进行检验和控制。

2.2 区域网平差求解方法

在此基础上，结合实测数据，采用适当的高程调整方式。针对这一问题，本项目拟采用稀疏控制点高阶平差、基于影像数据的稠密配准和影像数据与控制点的高阶平差。当影像与控制点均被完全覆盖时，通常使用稠密匹配平差算法对影像进行修正。利用控制点对影像进行精准探测，实现快速、准确、批量地获取纠正后的全彩色、多光谱影像；在同一幅影像中，多波段和全波段的连通性好，具有比较高的测量精度。使用高质量的控制点进行精确检查，能够客观地反映修正结果的准确性。

2.3 影像批量区域化处理

2.3.1 整体场景与影像的融合

影像融合是指在相同的空间位置上，采用一定的处理方法，实现多源影像的合成。卫星摄影是一项将不同空间、光谱、时间等空间分辨的影像进行综合处理的新技术，其结果是获得高空间分辨的多光谱影像。影像融合技术不仅拓宽了卫星影像的使用范围，还提升了影像的信息表示能力与大数据分析的精度。

2.3.2 融合影像降序采样输出

现在，通常使用的是16 比特的影像资料，16 比特影像具有更多色彩的特征，但是16 比特影像的数据规模太大，对内存的要求太高，导致影像的运算和传送速度很慢。此外，一些16 比特的影像在一些程序中不能很好地显示。所以，在对影像进行颜色变换前，必须对影像进行颜色变换。

影像的合并与下降次序很关键。在影像的基础上，通过对影像的降阶，可以有效降低影像数据规模。然而，在该方法中，影像在压缩过程中会损失掉一些影像内容，影响了影像的质量。所以，在影像产生时，一般都会首先进行影像合并，然后进行缩减的方式来保存影像中最有用的信息。

3 卫星遥感影像处理

3.1 卫星遥感影像纠正处理

在保证其关键技术指标不受泄露的前提下，大多数遥感影像都采用不依赖于观测对象的、基于共线性的、具有普适性的、多源遥感影像的几何建模方法——有理函数（RPC）。

该方法以“不依赖于地物”为基础，以由GPS 测量得到的卫星轨迹和由恒星照相机和惯性测量单元测量得到的姿态信息为基础，构建精确的空间几何建模。在此基础上，通过建立严密的三维影像处理方法，产生一系列的三维影像数据，并对其进行精确的三维影像处理。RPC 校正方法因其自身的特性而被广泛应用于各种星载遥感影像，但其校正过程中对DEM 的拟合要求很高，通常为2～3 次，且对观测点要求很高。

矫正控制资料通常包括外业控制点、DOM、DLG或者DRG。在矫正之前，必须要对控制资料的坐标体系进行清晰了解，利用RPC 参数和控制资料之间的相互映射关系，对控制点进行迅速而精确的定位，中偏差需要控制在2～3 个像素之内，如果很大，就需要进行修正，其细节要依据参照资料和地势的不同来决定。如果是为了全色与多光谱的配准，那么最好将其保持在0.5～1 个像素之间，这样就可以确保融合后的影像中不会出现重影、模糊的情况，通常情况下，采用的是双立方体或3 次卷积的方式，这样可以有效防止并降低直线地物的锯齿现象。

对卫星遥感影像的修正质量把控是否严格，直接影响到后期工作处理和结果的准确性，如果最终发现修正有问题，就需要重新进行返工处理，这会极大降低效率，因此，必须要对修正质量进行严格地检测，重点从下面的一些角度来检验。一是对控制点位置平均精确分布；二是对某一控制点处的最大偏差进行修正，以确定其最大偏差值；三是对检测结果进行修正，确定检测结果的偏差值；四是对成像准确度的校正。

3.2 卫星遥感影像融合处理

“影像合成”指的是将相同的场景或目标的影像进行合成的技术与手段，其能够得到的影像比起单个影像具有更加准确、完整、可靠的估算与判定结果，为特定领域提供高质量的信息，其功能如下。①影像的锐化和空间分辨率的提高；②在对象抽取和辨识过程中，解决了资料的不完备问题，改善了判读效果；③改进了用以改进分类准确度的光谱学分辨率；④通过光学、红外、雷达3 种不同类型的影像信息互补，增强影像信息的检测性能。通常，影像融合可以划分为像素级、特征级和决策级3 个层次。

3.3 卫星遥感影像镶嵌和裁切

卫星遥感影像的拼接，就是将经过校正和融合的影像进行拼接，要确保在拼接之前，各个影像之间的接边精度都要达到一定标准，通常在2 个像素之内，拼接线应该尽可能地沿着地物和地块的边界，选择开阔的地方和谷地，避免将一个完全的地物切掉，不要将云雾或者其他质量比较低的地方影像去掉，在镶嵌线的过程中，要确保拼接处没有裂缝，没有模糊，没有重影，整个拼接影像的纹理，色彩过渡自然，色调均匀，在拼接过程中，根据剪切范围，输出结果。

4 遥感影像处理应用实例

由于其具有宏观、客观、综合、实时、动态和快速等优点，因此，在地球资源调查与开发、土地治理、环境监测和全球研究等方面，都可以为人们带来一种全新的检测方法，在测绘、动态监测、地球资源调查、地质灾害调查与救治、军事侦查等方面有着广泛应用。能够还原出光谱信息，地理几何位置信息的卫星影像分析技术；能够用于提升遥感影像的分辨效果，加强对特殊地物信息的辨识，对遥感影像的分析、解释，具有非常关键的意义，其是卫星影像的技术保证，是遥感影像的一个关键组成部分，也是卫星技术的一个必不可少的技术手段。在遥感影像技术的应用与科研工作中，始终贯彻着卫星影像的信息分析与应用。

图1 的左侧影像是3 个频带的颜色综合陆地卫星TM 影像，该影像已经进行辐照修正和初步的几何修正，右侧影像已经进行了初步的几何修正，并在右侧影像上显示一个子区影像，在右侧影像上显示一个白色的小块。从视觉上来说，2 个画面是以一个不同的角度转动的，2 个画面都有一定比例的扭曲。精确修正后的影像与地形图在同一坐标下，在空间上彼此吻合，方便比较、分析、解读以及最后生成的影像。右侧影像的信息量较左侧影像更大，可以将多个影像的图象表现得更好，而且可以将影像中的各层影像进行比较，通过直线影像的加强，可以凸显出各种影像的差异，方便影像的解析和解读，而子区影像则可以更好地体现该影像的处理结果。

图1 影像辐射校正、几何校正和影像增强处理

图2 的左侧上部是TM4 光谱影像，右侧上部是通过HIS 转换模式在该光谱中所得到的视觉反射性影像，下方是与该光谱（参考1∶50 000 光谱影像）相一致的地质学影像。通过对影像的分析，可以明显看出，该方法消除了地表的遮挡，并加强了光谱的特征。

图2 TM4 影像及其地质图

深色带矿岩体与周边岩体区别显著，易于辨认。而且辉绿岩和赋矿层之间的界面十分明显，这2 个岩体在原始TM4 影像上很难分辨。现场应用验证了视反射率影像所显示的岩石特征是准确的。

5 遥感卫星行业未来发展

遥感卫星是空间地理信息获取的主要工具，其作用越来越大，数据及增值业务的市场规模也在持续扩大。中国的卫星遥感产业长期以来一直是一种以政府为导向，以专项资金为项目的发展方式，这就造成了我国空间技术的产业化和商业化带动作用较弱。相对于欧、美等发达国家而言，中国的遥感卫星的商业利用水平还不高。

“十三五”时期，我国制定了一系列促进空间技术产业化的政策措施，突破了空间技术的限制，促进了空间技术的商业化和产业化。在国家的积极支持下，中国的遥感卫星产业已经进入了商品化阶段。在这个行业的发展过程中，伴随着产业的发展，新的业务、新的商业模式和新的产品不断涌现。与此同时，政府对高精度、高质量、高安全性的GIS 服务的要求也日益提高。除此之外，在数字经济快速发展的大环境中，以定位、导航、地图等服务为基础的外卖、共享单车和网约车等产业对地理信息行业的依赖性非常大，高精度定位、高质量地图、导航等服务的需求不断上升，而遥感卫星是提升位置、导航、地图服务的重要手段。所以，中国遥感卫星工业的市场需求将继续推动其发展。

6 结束语

随着卫星遥感影像处理技术的发展，其逐渐被运用到了社会和经济发展的每一个领域中。在土地调查、城市规划、军事和环境管理等领域中，都能将其技术优点完全展现出来，并获得了很好的应用结果。在不断发展和改进的过程中，卫星遥感影像处理技术将会在越来越多的方面获得更为高效的运用，进一步推动我国的高质量和可持续发展。