利用IKONOS遙感影像制作正射影像的方法淺析_圖文

1、IKONOS數(shù)字正射影像制作若干問(wèn)題探討萬(wàn)冉冉(江西省基礎(chǔ)地理信息中心南昌330046摘要:本文主要論述了利用IKONOS遙感影像制作正射影像的流程,并針對(duì)IKONOS影像自身的特點(diǎn),對(duì)傳統(tǒng)的利用遙感影像制作正射影像中重采樣和融合方法進(jìn)行探討,并加以改進(jìn)。關(guān)鍵詞:數(shù)字正射影像,IKONOS,重采樣,融合1、概述數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map,簡(jiǎn)稱(chēng)DOM是利用數(shù)字高程模型(DEM對(duì)經(jīng)掃描處理的數(shù)字化航空影像,經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正、鑲嵌,按國(guó)家基本比例尺地形圖圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集。它是同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征的圖像,具有精度高、信息豐富、直觀真實(shí)

2、等優(yōu)點(diǎn)。利用航空影像資料生產(chǎn)正射影像精度高,但生產(chǎn)周期長(zhǎng),費(fèi)用高,難以滿(mǎn)足許多行業(yè)快速發(fā)展的需要。利用高分辨率衛(wèi)星影像制作正射影像,時(shí)效性好、數(shù)據(jù)獲取便捷、生產(chǎn)周期短,能很好的滿(mǎn)足社會(huì)許多行業(yè)的需要,可以大大節(jié)省生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率。本文將介紹利用遙感圖像處理系統(tǒng)ERDAS IMAGINE對(duì)IKONOS 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理制作正射影像的方法。2、IKONOS數(shù)字正射影像制作流程利用IKONOS遙感影像制作正射影像的原理是利用IKONOS遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù),通過(guò)控制點(diǎn)選取,對(duì)IKONOS各景遙感影像數(shù)據(jù)的全色波段和多光譜波段分別進(jìn)行重采樣。分別拼接之后,將高幾何分辨率的全色波段

3、影像數(shù)據(jù),與高光譜分辨率的多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。再根據(jù)所需圖幅的坐標(biāo),按坐標(biāo)裁切,生成 1 : 10000 標(biāo)準(zhǔn)分幅的 DOM 。最后在PhotoShop下進(jìn)行色調(diào)處理,使相鄰圖幅色調(diào)基本一致。最后進(jìn)行圖幅整飾,生成數(shù)字正射影像地圖。制作過(guò)程的流程圖如下: 圖1 利用IKONOS遙感影像制作正射影像的流程圖2.1 數(shù)據(jù)源說(shuō)明(1IKONOS影像數(shù)據(jù)各條帶的影像數(shù)據(jù),包括全色波段和多光譜波段的影像數(shù)據(jù),格式為.tif,以及各波段對(duì)應(yīng)的.rpc文件。(2DEM數(shù)據(jù)采用1:10000DEM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為.dem。(3參考影像參考影像為1:10000DOM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為.tif。2.2 軟件說(shuō)明

4、本文所采用的制作方法是在ERDAS IMAGINE軟件中完成。3、全色波段影像重采樣由于在數(shù)字影像獲取時(shí),像素往往不能與任何坐標(biāo)系統(tǒng)相匹配,重采樣是將原影像轉(zhuǎn)換到新的坐標(biāo)系統(tǒng)所必需的。在對(duì)影像進(jìn)行重采樣之前,首先要進(jìn)行控制點(diǎn)的采集工作。3.1 控制點(diǎn)采集在重采樣之前,需要對(duì)原影像和參考影像進(jìn)行控制點(diǎn)的采集,采集兩影像中一一對(duì)應(yīng)的同名控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)采集是一項(xiàng)基礎(chǔ)而需要經(jīng)驗(yàn)的工作,在控制點(diǎn)選取時(shí),應(yīng)注意以下問(wèn)題:控制點(diǎn)應(yīng)足量均勻分布;控制點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在田塊轉(zhuǎn)角處,或小路的交叉處;控制點(diǎn)選取時(shí)的精度應(yīng)滿(mǎn)足要求;修改并得到最佳的校正模型的參數(shù)。3.2 影像重采樣當(dāng)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到某一坐標(biāo)系統(tǒng)格網(wǎng)時(shí),數(shù)

5、據(jù)發(fā)生偏移,重采樣方法決定如何來(lái)為新的像素分配數(shù)據(jù)值。不同的重采樣方法分配新像素值的方法不同。常見(jiàn)的重采樣方法有:最鄰近法、雙線性?xún)?nèi)插、雙三次卷積內(nèi)插法、8點(diǎn)正弦函數(shù)、調(diào)制解調(diào)函數(shù)(MTF算子。ERDAS IMAGEINE軟件中主要有最鄰近插值方法、雙線性?xún)?nèi)插法和雙三次卷積內(nèi)插法。最鄰近插值方法:最簡(jiǎn)單,離新的像素中心最近的原始影像的值被賦給新的像素。本方法不改變?cè)加跋竦牧炼戎?結(jié)果連續(xù)性差;原影像與新的格網(wǎng)不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而造成一些數(shù)據(jù)值會(huì)丟失,另外一些會(huì)重復(fù)。本方法適用對(duì)原始影像的亮度值要求保留不變的情況。雙線性?xún)?nèi)插:計(jì)算較最鄰近插值方法復(fù)雜,離新的像素最近的原始影像中的4個(gè)像素亮度值

6、距離加權(quán)平均得到新像素的值。雙線性?xún)?nèi)插方法比最鄰近方法插值得到較為平滑的影像,但一些極值點(diǎn)數(shù)據(jù)文件值會(huì)丟失,而且會(huì)導(dǎo)致邊緣模糊。雙三次卷積內(nèi)插法:是一種更為嚴(yán)格的重采樣方法,考慮原影像中離新像素最近的16 個(gè)像素值,通過(guò)對(duì)16個(gè)像素值多項(xiàng)式計(jì)算得到新的像素值。本方法比最鄰近方法重采樣的效果更為平滑,比雙線性?xún)?nèi)插方法的邊緣更為銳化。對(duì)于全色波段影像,采用最臨近插值法進(jìn)行插值。由于影像的數(shù)據(jù)量大,雙三次卷積內(nèi)插法速度很慢,因此在選擇影像重采樣方法時(shí)只考慮最鄰近插值法和雙線性?xún)?nèi)插法。由于全色波段影像為灰度影像,而在重采樣時(shí)選取的插值方式影響的是校正后影像的色彩,對(duì)于黑白影像來(lái)說(shuō)則為其灰度值。對(duì)于灰度

7、值,采用最鄰近插值方法與采用雙線性插值法得到的影像,在平面精度上相差不大,而采用雙線性插值法得到的影像相對(duì)來(lái)說(shuō)雖然色彩比較均勻,但在視覺(jué)效果尚比較模糊。綜合各方面因素,選取最鄰近插值方法對(duì)全色波段影像進(jìn)行重采樣。圖1為全色波段重采樣后的影像。3.3 多光譜波段影像重采樣多波段影像是將藍(lán)、綠、紅、紅外波段的單波段影像依次組合得到的。由于IKONOS 多波段影像的分辨率為4m,而全色波段的影像分辨率為1m,為使兩者校正后影像獲得更好的融合效果,在對(duì)多波段影像進(jìn)行重采樣之前,先將其采樣間隔為1m分辨率的影像。雙線性?xún)?nèi)插方法算法簡(jiǎn)單,并具有一定的亮度抽樣精度。最鄰近插值方法最簡(jiǎn)單,但它將造成像點(diǎn)在一個(gè)

8、像素范圍內(nèi)的位移,其幾何精度不是很高。對(duì)于多波段影像來(lái)說(shuō),采樣方式在兩個(gè)處理過(guò)程中都可選擇。其一,是在將4m分辨率的影像轉(zhuǎn)換為1m分辨率影像時(shí);其二是進(jìn)行重采樣的過(guò)程時(shí)。實(shí)驗(yàn)證明,在分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)采用雙線性?xún)?nèi)插法,在重采樣時(shí)同樣采用雙線性?xún)?nèi)插法,與在分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)采用雙線性?xún)?nèi)插法而在重采樣時(shí)采用最鄰近插值方法,兩者的效果是相同的。而在分辨率轉(zhuǎn)換及重采樣過(guò)程中均采用最鄰近插值方法時(shí),獲得的重采樣效果不佳,其定位精度也不能得到保證。在分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)采用最鄰近插值方法,而在重采樣過(guò)程中采用雙線性?xún)?nèi)插法,獲得的采樣結(jié)果同樣有比較嚴(yán)重的柵格現(xiàn)象。由于最鄰近插值方法相對(duì)來(lái)說(shuō),算法簡(jiǎn)單,速度較快,因此,在要求處理

9、效果和處理速度達(dá)到最佳的情況下,選擇在分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)采用雙線性?xún)?nèi)插法而在重采樣時(shí)采用最鄰近插值方法。 圖2 全色波段重采樣后的影像圖3 4m分辨率的多波段影像 圖4 采用最鄰近插值方法重采樣的多波段影像圖5 采用雙線性?xún)?nèi)插法重采樣的多波段影像4、影像融合ERDAS IMAGINE軟件中自帶的影像融合模塊主要是針對(duì)8位影像,而本次項(xiàng)目中的IKONOS影像的原影像為11位影像,每個(gè)像素有211=2048個(gè)可能的亮度值。由于計(jì)算機(jī)不能讀取11 比特?cái)?shù)據(jù),交付給用戶(hù)的數(shù)據(jù)為8比特或16比特格式。8比特需要對(duì)11比特的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,從而將2048個(gè)值插值為256個(gè)值。如果用戶(hù)訂購(gòu)16比特?cái)?shù)據(jù),將11比特?cái)?shù)

10、據(jù)存儲(chǔ)為16比特就可以了。加占位符來(lái)填補(bǔ)5比特的差異,沒(méi)有圖像拉伸處理。本次實(shí)驗(yàn)影像為16比特的數(shù)據(jù)。由于ERDAS軟件是針對(duì)TM影像設(shè)計(jì)算法的,而TM影像的位深為8位,那么,如果用ERDAS自帶模塊進(jìn)行影像融合,主要存在兩方面的問(wèn)題,一是顏色偏差較大,融合影像與原始多光譜影像的顏色差異比較明顯;二是融合的質(zhì)量依賴(lài)于操作者和數(shù)據(jù)源,不同的操作者或數(shù)據(jù)集都可能導(dǎo)致不同的融合效果。為此,選用專(zhuān)門(mén)針對(duì)IKONOS 16位影像的影像融合模塊。此模塊需要的原始影像為全色波段校正后影像及多波段校正后影像,經(jīng)模塊融合處理后影像的分辨率為1m,即獲得在精度和色彩上均能滿(mǎn)足要求的高分辨率彩色I(xiàn)KONOS正射影像

11、(如圖6所示。 圖6 融合后高分辨率彩色I(xiàn)KONOS正射影像融合時(shí)采用的是主成分變換方法。主成分分析,是在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行的一種多維(多波段 正交線性變換,數(shù)學(xué)上稱(chēng)為K2L交換。利用PCA方法完成融合,首先將IKONOS的4個(gè)多光譜波段PCA變換為4個(gè)獨(dú)立的主成分,第一主成分包含4個(gè)波段共同和唯一的光譜信息,用IKONOS全色波段代替第一主成分進(jìn)行主成分逆變換完成融合。融合之后目標(biāo)的細(xì)部特征更加清晰, 光譜信息更加豐富。5、總結(jié)本文中所采用的利用IKONOS高分辨率遙感影像生成數(shù)字正射影像的方法,主要是在影像重采樣和影像融合的部分與一般方法有所不同。在影像重采樣是對(duì)比了各種重采樣方法對(duì)影像進(jìn)

12、行重采樣的結(jié)果,針對(duì)全色波段和多波段影像分別采用不同的重采樣方法,速度快效果好的得到結(jié)果影像。在融合過(guò)程中,同樣對(duì)比了ERDAS IMAGINE軟件自帶的融合模塊和本文中所采用的融合模塊的不同,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知,自帶的融合模塊得到的影像雖然幾何分辨率可以達(dá)到要求,但光譜退化較嚴(yán)重,而本文中所采用的融合模塊得到的影像光譜退化最小, 同時(shí)也較高程度地保持了高幾何分辨率的空間信息。因此,通過(guò)本文中所提供的制作正射影像的流程,加上本文對(duì)重采樣和融合方法的改進(jìn),可以快速的得到高分辨率高色彩保真度的數(shù)字正射影像地圖。從我們利用IKONOS影像進(jìn)行的試驗(yàn)中可以看出,其比用航片生產(chǎn)能減少外業(yè)工作量,如果使用多景影像進(jìn)行空三加密,更能節(jié)省外業(yè)控制點(diǎn)的使用數(shù)量。對(duì)于內(nèi)業(yè)工作來(lái)說(shuō),不需要影像掃描與色調(diào)調(diào)整、空中三角測(cè)量、內(nèi)定向,在DTM編輯、DOM調(diào)色上工作量也要小很多,因此使用IKONOS影像進(jìn)行測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)是可行的辦