数字正射影像图镶嵌问题分析

PAGEPAGE5数字正射影像图镶嵌问题分析——以齐齐哈尔市龙江县二次调查底图生产为例汪继伟摘要：本文以黑龙江省齐齐哈尔市龙江县第二次全国土地调查底图生产影像镶嵌过程中遇到的问题为例，总结出影响数字正射影像图镶嵌质量的主要因素，并提出如何提高影像镶嵌质量的方法。为今后遥感影像处理过程中的镶嵌工作提供富有操作性的经验。关键词：正射影像图；数字镶嵌；镶嵌限差；控制点；镶嵌线近年来，随着高分辨率数字正射影像在国土、规划、测绘、遥感、军事、水利、环保、农林等领域中发挥的作用日趋重要，正射影像图的数字镶嵌逐步成为影像处理研究的热点技术之一。在第二次全国土地调查中，对所用数字正射影像图的镶嵌质量，决定了接边数据的精度，直接关系到二次调查国家级成果的质量。一、数字正射影像图镶嵌中的主要问题（一）有关概念1.数字正射影像图(DOM,DigitalOrthophotoMap)：是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点。2.数字镶嵌：是通过计算机将若干相邻分幅的数字图像拼接成一幅图像的技术。需要在待镶嵌图像上选择一定数量的控制点，然后进行几何校正和配准，以保证镶嵌的几何精度，同时进行灰度调整，使待镶嵌图像灰度协调一致。在此基础上再进行数字镶嵌。具体的镶嵌方法有多种，如除去图像重叠部分的重复像元后对图像进行简单拼接；对重叠部分的像元灰度值按线性或正弦内插进行重新采样，得到镶嵌图像的像元灰度值；按两维接缝灰度差最小的原则，在图像重叠部分找到最佳镶嵌接缝加以镶嵌等。（二）龙江县影像镶嵌情况1.基础资料情况(1)spot5遥感影像表1龙江县SPOT5卫星遥感影像基本情况序号景号时相云量侧视角()1288-253s8200609020%-4.2664352289-254200609070%5.4611043289-255200609072%5.4603174290-256200507183%6.3824245289-256200605270%23.6注：a.不含2005年以前影像。b.龙江县涉及05年以前的影像景号是：287254-040929倾角为20.066389；289255-040925倾角为-8.328280。(2)影像纠正控制点影像纠正控制点数据源采用GPS实测控制点。(3)DEM数据采用国家测绘局生产的1：5万DEM数据。(4)数学基础平面坐标系采用“1980西安坐标系”。1：10000DOM采用高斯-克吕格投影，按3°分带；高程基准采用“1985国家高程基准”。2.影像处理情况(1)全色波段影像正射纠正利用GPS控制点数据、DEM数据对SPOT5全色波段数据进行精纠正，然后利用SPOT5全色波段正射影像图作为参考影像，选取适量的控制点，对SPOT5多光谱数据进行纠正。(2)多光谱影像数据纠正配准以纠正好的全色波段影像数据为参考，对相同作业区多光谱影像数据进行纠正配准。(3)影像数据跨投影带处理当单景影像数据跨两个投影带，且在两投影带的面积相差较大时，将面积较小的部分所在带换算到面积较大的部分所在带；当单景影像数据在两投影带的面积相近时，按其所属的县级行政区域所在的带计。(4)影像色调调整融合前须对影像进行色调调整。调整全色影像地物反差，突出纹理细节。增强多光谱影像色彩，突出不同地类之间的光谱差异。(5)影像融合根据SPOT5影像的特点，影像融合采用遥感影像处理平台ERDAS的Multiplicative融合方法，融合波段选用全部四个波段。(6)影像镶嵌通过镶嵌线对融合后的DOM影像进行镶嵌处理。（三）龙江县影像镶嵌的主要问题通过对龙江县的影像进行纠正、配准、调色、融合一系列的处理，进入镶嵌过程，在镶嵌过程中，我们发现龙江县的影像存在如下问题：1.影像接边精度问题(1)精度要求表2DOM数据镶嵌限差单位：m地形类别平地、丘陵地（米）山地、高山地（米）限差58(2)影像289255-040925与影像289255-060907在重叠区域存在个别地物接边超限，如图1所示（超限在6米左右）：图1影像接边精度超限2.影像接边光谱特征问题图2影像接边处同一地块光谱特征不一致如图2所示，正射影像镶嵌后，裁切线穿过成片的居民点、耕地等地类，造成同一地块光谱特征不一致。二、数字正射影像图镶嵌问题产生的原因（一）影响影像接边精度的主要因素1.侧视角影像侧视角越大，影像镶嵌后接边误差越大。在龙江县涉及的几景影像中，发现影像镶嵌后接边误差最大出现在影像289255-040925与289255-060907，289255-060907与287254-040929之间。几景相对位置关系如图3：图3龙江县部分影像覆盖示意图289255-040925倾角为-8.328280、289255-060907倾角为5.46、287254-040929倾角为20.066389，这几景影像的侧视角都比较大，且偏侧方向不一致，造成接边误差过大。2.控制点分布数量控制点一般选取9-15个，分布越均匀镶嵌后影像质量越好，反之，接边精度越差。在山区等重点地区适当增加控制点数量，有助于提高接边精度。在龙江县正射影像镶嵌之前，增加了景289-255、290-256上控制点的分布数量，一定程度上提高了这几景影像的纠正质量，从而提高了和相邻景间的镶嵌效果（如表3所示）。表3龙江县影像纠正的控制点残差影像景号控制点数控制点残差中误差（米）288-253s8121.857289-254131.857289-255151.857289-256121.857290-256161.8573.影像纠正方法影像纠正采用整体纠正方式，即同条带及相邻条带影像在一个工程文件中整体平差，同一工程文件中各影像纠正残差中误差相同。再对不同条带的影像进行镶嵌，这样的接边误差较小。反之，对每景影像进行单独纠正再镶嵌，这样产生的误差较大。4.原始影像质量原始影像的质量也会对影像镶嵌造成一定的影响。如东北地区9月份之后成像的影像中，植被茂盛，行树及农作物的阴影直接影响控制点选择的精度，造成控制点刺点点位不准确，从而影响影像镶嵌的质量。5.DEM覆盖范围DEM的覆盖范围对影像的镶嵌质量产生间接的影像。DEM完全覆盖，能保证景内控制点分布均匀，反之造成景内控制点分布不均匀，从而影响镶嵌质量。6.控制点选择中的人为因素在控制点的选择过程中还存在一定的人为因素，作业人员的作业水平、工作态度、质检工作质量都会对其产生影响。（二）影响影像接边处地块边光谱特征的主要因素1.裁切线的走势按照不同地块的边界画裁切线，可保证同一地块光谱特征一致。2.影像调色效果相邻两景影像色调相差过大，影像镶嵌后同一地块光谱特征差异较大。3.影像重叠范围相邻景影像重复范围大，有利于严格按照地块边界勾画裁切线，否则无法保证裁切线连续，造成同一地块光谱特征不一致三、如何应对数字正射影像图镶嵌中的问题（一）选择符合要求的原始影像(1)相邻各景影像之间应有不小于影像4%的重叠，特殊情况下重叠范围不能低于2%。(2)应选用成像季节相近的影像，并要求影像层次丰富、纹理清晰、色调均匀、反差适中。(3)云、雪覆盖量应小于10%，且不能覆盖城乡结合部等重点地区。(4)侧视角一般应小于15°，平原地区不超过25°，山区不超过20°。（二）严格要求控制点布设原则(1)实测点相对邻近国家等级控制点的点位平面位置误差不大于0.5m；高程误差不大于0.5m，困难地区可放宽1倍。(2)控制点布设遵照《全球定位系统（GPS）测量规范》GB15968-1995要求，控制点测量采用静态观测方式，每SPOT5单景范围内12—15个GPS控制点，山地可适当增加。(3)相邻影像接边处，需选用相同的GPS纠正控制点，相同控制点数至少3个，且在重叠区域内均匀分布。（三）保证正射纠正的DEM数据符合要求(1)DEM数据范围应大于原始影像覆盖区域。(2)分幅DEM数据接边不存在错位、缺失等严重错误。(3)DEM数据现势性对纠正后的影像不产生明显畸变。（四）确定适合的影像处理方法及注意事项1.全色波段影像正射纠正以GPS实测点为纠正控制点，纠正模型为SPOT5物理模型，以同条带及相邻条带多景全色波段影像（根据现有影像具体分布情况确定，最多不超过6景）为纠正单元，导入传感器参数文件及DEM数据；一般地区每景影像选取最低不少于9个控制点，通常选取12个，且点位能控制整景影像并均匀分布，景与景之间接边处控制点连线范围允许有重叠，但最好不要有控制漏洞。软件自动解求模型，通过同名控制点像方坐标对大地坐标逻辑上的配赋，计算控制点坐标值误差ΔX，ΔY，点位残差RMS及中误差MS，作业中需将纠正精度评估报告输出，同时将所使用的纠正控制点整理为E00格式，以便用于精度检查与质量评定。全色影像重采样间隔为全色波段本身的地面分辨率，即2.5米。2.多光谱影像数据纠正配准以纠正好的全色波段影像数据为参考，对相同作业区多光谱影像数据进行纠正配准。以单景多光谱影像为纠正单元，导入多光谱传感器参数文件，导入1：5万数字高程模型DEM；在每个单元/景"田"字形结点处均匀选取不少于9个及其以上的配准控制点，要求这些控制点能控制整景影像并均匀分布。对影像进行间隔为多光谱影像数据本身地面分辨率一致的重采样，即10米。3.影像数据跨投影带处理采用常规方法即可。4.影像色调调整(1)影像调色前须对工作区内影像的整体色调进行确定。(2)影像颜色应模拟自然真彩色。(3)整个区域内的影像颜色应统一；相邻影像接边处颜色自然过渡，不应有明显的灰度改变；时相差距较大、地物特征差异明显的镶嵌影像，允许存在光谱差异，但同一地块内光谱特征应尽量一致。(4)调色影像波段：当选用Multiplicative融合法时，波段组合为412（RGB）(5)在PhotoShop通过色阶拉伸，调节亮度对比度，USM锐化等方法提高高分辨率数据的亮度，增强局部反差突出纹理细节，尽可能降低噪声；另一方面，对多光谱数据进行色彩增强，拉大不同地类之间的色彩反差，突出其多光谱彩色信息。5.影像融合影像融合采用遥感影像处理平台ERDAS的Multiplicative融合方法。6.影像镶嵌(1)数字镶嵌：接边影像应有10—50个像素的重叠且重叠带严格配准。以1：1万DOM正射纠正为例，影像相邻景间接边差限差为纠正控制点残差的2倍，接边处尽量消除模糊或重影，镶嵌后的影像应整体色调均匀，反差适中，色彩自然。(2)镶嵌线应尽量选取线状地物或地块边界等明显分界线，以便使镶嵌图像中的拼缝尽可能地消除，一般避开建筑物、桥梁等独立地物，同时镶嵌线应尽量选择在影像重叠区内接边误差最小处，兼顾考虑影像接边处颜色过渡时相对容易的区域，使不同时相影像镶嵌时保证同一地块内纹理、色彩自然过渡，有利于判读。(3)多景影像镶嵌时，可采用分块镶嵌的方式。7.特殊问题的解决方法(1)工作区范围共包括多景影像，其中局部接边误差超限。采用增加两景间连接点的处理方法，提高相邻景间接边精度。如因相邻影像侧视角相差过大等原因，相邻景间局部地区接边精度无法达到要求时，采用景对景局部纠正的方式解决。(2)尽量不采用无法准确刺点的控制点。（五）对各阶段成果进行严格的质量控制为保证镶嵌影像的质量，需在以上各阶段中做好相关的质量检查，主要包括：1.正射纠正检查随机选取除纠正用控制点以外的GPS实测点作为检查点，检查全色波段遥感影像的纠正精度，检查点残差应不超过控制点中误差的2倍。2.配准精度检查选取适当个数的检查点，全色与多光谱数据的配准精度进行检查，要求检查点残差不超过配准控制点中误差的EQ倍。3.影像融合检查融合后影像需纹理清晰、光谱信息无损失，色彩接近于自然色。若融合后影像有重影、模糊等现象，需检查全色与多光谱数据的匹配精度；若影像色彩失真、光谱信息损失较大，需检查融合参数设定，同时根据影像的具体情况调整融合参数中参考波段的选择。4.镶嵌前接边检查接边误差不超过限差规定时，应视情况进行接边纠正。接边误差超限时应查明原因，并进行必要的返工。5.镶嵌后检查检查影像镶嵌处是否存在裂缝、错位、模糊、扭曲和重影现象。时相相同或相近的镶嵌影像，纹理、色彩是否过渡自然。通过以上五方面工作的修正，即可提高影像的镶嵌质量，使接边精度符合要求，保证镶嵌线附近同一地块光谱特征的一致性。四、结论综上所述，数字正射影像的镶嵌质量受影像侧视角、控制点分布数量、影像处理方法、原始影像质量、DEM覆盖范围、调色效果、影像重叠