數(shù)字正射影像圖鑲嵌問(wèn)題分析

PAGEPAGE5數(shù)字正射影像圖鑲嵌問(wèn)題分析——以齊齊哈爾市龍江縣二次調(diào)查底圖生產(chǎn)為例汪繼偉摘要：本文以黑龍江省齊齊哈爾市龍江縣第二次全國(guó)土地調(diào)查底圖生產(chǎn)影像鑲嵌過(guò)程中遇到的問(wèn)題為例，總結(jié)出影響數(shù)字正射影像圖鑲嵌質(zhì)量的主要因素，并提出如何提高影像鑲嵌質(zhì)量的方法。為今后遙感影像處理過(guò)程中的鑲嵌工作提供富有操作性的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：正射影像圖；數(shù)字鑲嵌；鑲嵌限差；控制點(diǎn)；鑲嵌線(xiàn)近年來(lái)，隨著高分辨率數(shù)字正射影像在國(guó)土、規(guī)劃、測(cè)繪、遙感、軍事、水利、環(huán)保、農(nóng)林等領(lǐng)域中發(fā)揮的作用日趨重要，正射影像圖的數(shù)字鑲嵌逐步成為影像處理研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。在第二次全國(guó)土地調(diào)查中，對(duì)所用數(shù)字正射影像圖的鑲嵌質(zhì)量，決定了接邊數(shù)據(jù)的精度，直接關(guān)系到二次調(diào)查國(guó)家級(jí)成果的質(zhì)量。一、數(shù)字正射影像圖鑲嵌中的主要問(wèn)題（一）有關(guān)概念1.數(shù)字正射影像圖(DOM,DigitalOrthophotoMap)：是對(duì)航空(或航天)像片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集。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、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點(diǎn)。2.數(shù)字鑲嵌：是通過(guò)計(jì)算機(jī)將若干相鄰分幅的數(shù)字圖像拼接成一幅圖像的技術(shù)。需要在待鑲嵌圖像上選擇一定數(shù)量的控制點(diǎn)，然后進(jìn)行幾何校正和配準(zhǔn)，以保證鑲嵌的幾何精度，同時(shí)進(jìn)行灰度調(diào)整，使待鑲嵌圖像灰度協(xié)調(diào)一致。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行數(shù)字鑲嵌。具體的鑲嵌方法有多種，如除去圖像重疊部分的重復(fù)像元后對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單拼接；對(duì)重疊部分的像元灰度值按線(xiàn)性或正弦內(nèi)插進(jìn)行重新采樣，得到鑲嵌圖像的像元灰度值；按兩維接縫灰度差最小的原則，在圖像重疊部分找到最佳鑲嵌接縫加以鑲嵌等。（二）龍江縣影像鑲嵌情況1.基礎(chǔ)資料情況(1)spot5遙感影像表1龍江縣SPOT5衛(wèi)星遙感影像基本情況序號(hào)景號(hào)時(shí)相云量側(cè)視角()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.龍江縣涉及05年以前的影像景號(hào)是：287254-040929傾角為20.066389；289255-040925傾角為-8.328280。(2)影像糾正控制點(diǎn)影像糾正控制點(diǎn)數(shù)據(jù)源采用GPS實(shí)測(cè)控制點(diǎn)。(3)DEM數(shù)據(jù)采用國(guó)家測(cè)繪局生產(chǎn)的1：5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)。(4)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)平面坐標(biāo)系采用“1980西安坐標(biāo)系”。1：10000DOM采用高斯-克呂格投影，按3°分帶；高程基準(zhǔn)采用“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”。2.影像處理情況(1)全色波段影像正射糾正利用GPS控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)對(duì)SPOT5全色波段數(shù)據(jù)進(jìn)行精糾正，然后利用SPOT5全色波段正射影像圖作為參考影像，選取適量的控制點(diǎn)，對(duì)SPOT5多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。(2)多光譜影像數(shù)據(jù)糾正配準(zhǔn)以糾正好的全色波段影像數(shù)據(jù)為參考，對(duì)相同作業(yè)區(qū)多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正配準(zhǔn)。(3)影像數(shù)據(jù)跨投影帶處理當(dāng)單景影像數(shù)據(jù)跨兩個(gè)投影帶，且在兩投影帶的面積相差較大時(shí)，將面積較小的部分所在帶換算到面積較大的部分所在帶；當(dāng)單景影像數(shù)據(jù)在兩投影帶的面積相近時(shí)，按其所屬的縣級(jí)行政區(qū)域所在的帶計(jì)。(4)影像色調(diào)調(diào)整融合前須對(duì)影像進(jìn)行色調(diào)調(diào)整。調(diào)整全色影像地物反差，突出紋理細(xì)節(jié)。增強(qiáng)多光譜影像色彩，突出不同地類(lèi)之間的光譜差異。(5)影像融合根據(jù)SPOT5影像的特點(diǎn)，影像融合采用遙感影像處理平臺(tái)ERDAS的Multiplicative融合方法，融合波段選用全部四個(gè)波段。(6)影像鑲嵌通過(guò)鑲嵌線(xiàn)對(duì)融合后的DOM影像進(jìn)行鑲嵌處理。（三）龍江縣影像鑲嵌的主要問(wèn)題通過(guò)對(duì)龍江縣的影像進(jìn)行糾正、配準(zhǔn)、調(diào)色、融合一系列的處理，進(jìn)入鑲嵌過(guò)程，在鑲嵌過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)龍江縣的影像存在如下問(wèn)題：1.影像接邊精度問(wèn)題(1)精度要求表2DOM數(shù)據(jù)鑲嵌限差單位：m地形類(lèi)別平地、丘陵地（米）山地、高山地（米）限差58(2)影像289255-040925與影像289255-060907在重疊區(qū)域存在個(gè)別地物接邊超限，如圖1所示（超限在6米左右）：圖1影像接邊精度超限2.影像接邊光譜特征問(wèn)題圖2影像接邊處同一地塊光譜特征不一致如圖2所示，正射影像鑲嵌后，裁切線(xiàn)穿過(guò)成片的居民點(diǎn)、耕地等地類(lèi)，造成同一地塊光譜特征不一致。二、數(shù)字正射影像圖鑲嵌問(wèn)題產(chǎn)生的原因（一）影響影像接邊精度的主要因素1.側(cè)視角影像側(cè)視角越大，影像鑲嵌后接邊誤差越大。在龍江縣涉及的幾景影像中，發(fā)現(xiàn)影像鑲嵌后接邊誤差最大出現(xiàn)在影像289255-040925與289255-060907，289255-060907與287254-040929之間。幾景相對(duì)位置關(guān)系如圖3：圖3龍江縣部分影像覆蓋示意圖289255-040925傾角為-8.328280、289255-060907傾角為5.46、287254-040929傾角為20.066389，這幾景影像的側(cè)視角都比較大，且偏側(cè)方向不一致，造成接邊誤差過(guò)大。2.控制點(diǎn)分布數(shù)量控制點(diǎn)一般選取9-15個(gè)，分布越均勻鑲嵌后影像質(zhì)量越好，反之，接邊精度越差。在山區(qū)等重點(diǎn)地區(qū)適當(dāng)增加控制點(diǎn)數(shù)量，有助于提高接邊精度。在龍江縣正射影像鑲嵌之前，增加了景289-255、290-256上控制點(diǎn)的分布數(shù)量，一定程度上提高了這幾景影像的糾正質(zhì)量，從而提高了和相鄰景間的鑲嵌效果（如表3所示）。表3龍江縣影像糾正的控制點(diǎn)殘差影像景號(hào)控制點(diǎn)數(shù)控制點(diǎn)殘差中誤差（米）288-253s8121.857289-254131.857289-255151.857289-256121.857290-256161.8573.影像糾正方法影像糾正采用整體糾正方式，即同條帶及相鄰條帶影像在一個(gè)工程文件中整體平差，同一工程文件中各影像糾正殘差中誤差相同。再對(duì)不同條帶的影像進(jìn)行鑲嵌，這樣的接邊誤差較小。反之，對(duì)每景影像進(jìn)行單獨(dú)糾正再鑲嵌，這樣產(chǎn)生的誤差較大。4.原始影像質(zhì)量原始影像的質(zhì)量也會(huì)對(duì)影像鑲嵌造成一定的影響。如東北地區(qū)9月份之后成像的影像中，植被茂盛，行樹(shù)及農(nóng)作物的陰影直接影響控制點(diǎn)選擇的精度，造成控制點(diǎn)刺點(diǎn)點(diǎn)位不準(zhǔn)確，從而影響影像鑲嵌的質(zhì)量。5.DEM覆蓋范圍DEM的覆蓋范圍對(duì)影像的鑲嵌質(zhì)量產(chǎn)生間接的影像。DEM完全覆蓋，能保證景內(nèi)控制點(diǎn)分布均勻，反之造成景內(nèi)控制點(diǎn)分布不均勻，從而影響鑲嵌質(zhì)量。6.控制點(diǎn)選擇中的人為因素在控制點(diǎn)的選擇過(guò)程中還存在一定的人為因素，作業(yè)人員的作業(yè)水平、工作態(tài)度、質(zhì)檢工作質(zhì)量都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。（二）影響影像接邊處地塊邊光譜特征的主要因素1.裁切線(xiàn)的走勢(shì)按照不同地塊的邊界畫(huà)裁切線(xiàn)，可保證同一地塊光譜特征一致。2.影像調(diào)色效果相鄰兩景影像色調(diào)相差過(guò)大，影像鑲嵌后同一地塊光譜特征差異較大。3.影像重疊范圍相鄰景影像重復(fù)范圍大，有利于嚴(yán)格按照地塊邊界勾畫(huà)裁切線(xiàn)，否則無(wú)法保證裁切線(xiàn)連續(xù)，造成同一地塊光譜特征不一致三、如何應(yīng)對(duì)數(shù)字正射影像圖鑲嵌中的問(wèn)題（一）選擇符合要求的原始影像(1)相鄰各景影像之間應(yīng)有不小于影像4%的重疊，特殊情況下重疊范圍不能低于2%。(2)應(yīng)選用成像季節(jié)相近的影像，并要求影像層次豐富、紋理清晰、色調(diào)均勻、反差適中。(3)云、雪覆蓋量應(yīng)小于10%，且不能覆蓋城鄉(xiāng)結(jié)合部等重點(diǎn)地區(qū)。(4)側(cè)視角一般應(yīng)小于15°，平原地區(qū)不超過(guò)25°，山區(qū)不超過(guò)20°。（二）嚴(yán)格要求控制點(diǎn)布設(shè)原則(1)實(shí)測(cè)點(diǎn)相對(duì)鄰近國(guó)家等級(jí)控制點(diǎn)的點(diǎn)位平面位置誤差不大于0.5m；高程誤差不大于0.5m，困難地區(qū)可放寬1倍。(2)控制點(diǎn)布設(shè)遵照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》GB15968-1995要求，控制點(diǎn)測(cè)量采用靜態(tài)觀測(cè)方式，每SPOT5單景范圍內(nèi)12—15個(gè)GPS控制點(diǎn)，山地可適當(dāng)增加。(3)相鄰影像接邊處，需選用相同的GPS糾正控制點(diǎn)，相同控制點(diǎn)數(shù)至少3個(gè)，且在重疊區(qū)域內(nèi)均勻分布。（三）保證正射糾正的DEM數(shù)據(jù)符合要求(1)DEM數(shù)據(jù)范圍應(yīng)大于原始影像覆蓋區(qū)域。(2)分幅DEM數(shù)據(jù)接邊不存在錯(cuò)位、缺失等嚴(yán)重錯(cuò)誤。(3)DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性對(duì)糾正后的影像不產(chǎn)生明顯畸變。（四）確定適合的影像處理方法及注意事項(xiàng)1.全色波段影像正射糾正以GPS實(shí)測(cè)點(diǎn)為糾正控制點(diǎn)，糾正模型為SPOT5物理模型，以同條帶及相鄰條帶多景全色波段影像（根據(jù)現(xiàn)有影像具體分布情況確定，最多不超過(guò)6景）為糾正單元，導(dǎo)入傳感器參數(shù)文件及DEM數(shù)據(jù)；一般地區(qū)每景影像選取最低不少于9個(gè)控制點(diǎn)，通常選取12個(gè)，且點(diǎn)位能控制整景影像并均勻分布，景與景之間接邊處控制點(diǎn)連線(xiàn)范圍允許有重疊，但最好不要有控制漏洞。軟件自動(dòng)解求模型，通過(guò)同名控制點(diǎn)像方坐標(biāo)對(duì)大地坐標(biāo)邏輯上的配賦，計(jì)算控制點(diǎn)坐標(biāo)值誤差ΔX，ΔY，點(diǎn)位殘差RMS及中誤差MS，作業(yè)中需將糾正精度評(píng)估報(bào)告輸出，同時(shí)將所使用的糾正控制點(diǎn)整理為E00格式，以便用于精度檢查與質(zhì)量評(píng)定。全色影像重采樣間隔為全色波段本身的地面分辨率，即2.5米。2.多光譜影像數(shù)據(jù)糾正配準(zhǔn)以糾正好的全色波段影像數(shù)據(jù)為參考，對(duì)相同作業(yè)區(qū)多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正配準(zhǔn)。以單景多光譜影像為糾正單元，導(dǎo)入多光譜傳感器參數(shù)文件，導(dǎo)入1：5萬(wàn)數(shù)字高程模型DEM；在每個(gè)單元/景"田"字形結(jié)點(diǎn)處均勻選取不少于9個(gè)及其以上的配準(zhǔn)控制點(diǎn)，要求這些控制點(diǎn)能控制整景影像并均勻分布。對(duì)影像進(jìn)行間隔為多光譜影像數(shù)據(jù)本身地面分辨率一致的重采樣，即10米。3.影像數(shù)據(jù)跨投影帶處理采用常規(guī)方法即可。4.影像色調(diào)調(diào)整(1)影像調(diào)色前須對(duì)工作區(qū)內(nèi)影像的整體色調(diào)進(jìn)行確定。(2)影像顏色應(yīng)模擬自然真彩色。(3)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的影像顏色應(yīng)統(tǒng)一；相鄰影像接邊處顏色自然過(guò)渡，不應(yīng)有明顯的灰度改變；時(shí)相差距較大、地物特征差異明顯的鑲嵌影像，允許存在光譜差異，但同一地塊內(nèi)光譜特征應(yīng)盡量一致。(4)調(diào)色影像波段：當(dāng)選用Multiplicative融合法時(shí)，波段組合為412（RGB）(5)在PhotoShop通過(guò)色階拉伸，調(diào)節(jié)亮度對(duì)比度，USM銳化等方法提高高分辨率數(shù)據(jù)的亮度，增強(qiáng)局部反差突出紋理細(xì)節(jié)，盡可能降低噪聲；另一方面，對(duì)多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩增強(qiáng)，拉大不同地類(lèi)之間的色彩反差，突出其多光譜彩色信息。5.影像融合影像融合采用遙感影像處理平臺(tái)ERDAS的Multiplicative融合方法。6.影像鑲嵌(1)數(shù)字鑲嵌：接邊影像應(yīng)有10—50個(gè)像素的重疊且重疊帶嚴(yán)格配準(zhǔn)。以1：1萬(wàn)DOM正射糾正為例，影像相鄰景間接邊差限差為糾正控制點(diǎn)殘差的2倍，接邊處盡量消除模糊或重影，鑲嵌后的影像應(yīng)整體色調(diào)均勻，反差適中，色彩自然。(2)鑲嵌線(xiàn)應(yīng)盡量選取線(xiàn)狀地物或地塊邊界等明顯分界線(xiàn)，以便使鑲嵌圖像中的拼縫盡可能地消除，一般避開(kāi)建筑物、橋梁等獨(dú)立地物，同時(shí)鑲嵌線(xiàn)應(yīng)盡量選擇在影像重疊區(qū)內(nèi)接邊誤差最小處，兼顧考慮影像接邊處顏色過(guò)渡時(shí)相對(duì)容易的區(qū)域，使不同時(shí)相影像鑲嵌時(shí)保證同一地塊內(nèi)紋理、色彩自然過(guò)渡，有利于判讀。(3)多景影像鑲嵌時(shí)，可采用分塊鑲嵌的方式。7.特殊問(wèn)題的解決方法(1)工作區(qū)范圍共包括多景影像，其中局部接邊誤差超限。采用增加兩景間連接點(diǎn)的處理方法，提高相鄰景間接邊精度。如因相鄰影像側(cè)視角相差過(guò)大等原因，相鄰景間局部地區(qū)接邊精度無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，采用景對(duì)景局部糾正的方式解決。(2)盡量不采用無(wú)法準(zhǔn)確刺點(diǎn)的控制點(diǎn)。（五）對(duì)各階段成果進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制為保證鑲嵌影像的質(zhì)量，需在以上各階段中做好相關(guān)的質(zhì)量檢查，主要包括：1.正射糾正檢查隨機(jī)選取除糾正用控制點(diǎn)以外的GPS實(shí)測(cè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，檢查全色波段遙感影像的糾正精度，檢查點(diǎn)殘差應(yīng)不超過(guò)控制點(diǎn)中誤差的2倍。2.配準(zhǔn)精度檢查選取適當(dāng)個(gè)數(shù)的檢查點(diǎn)，全色與多光譜數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度進(jìn)行檢查，要求檢查點(diǎn)殘差不超過(guò)配準(zhǔn)控制點(diǎn)中誤差的EQ倍。3.影像融合檢查融合后影像需紋理清晰、光譜信息無(wú)損失，色彩接近于自然色。若融合后影像有重影、模糊等現(xiàn)象，需檢查全色與多光譜數(shù)據(jù)的匹配精度；若影像色彩失真、光譜信息損失較大，需檢查融合參數(shù)設(shè)定，同時(shí)根據(jù)影像的具體情況調(diào)整融合參數(shù)中參考波段的選擇。4.鑲嵌前接邊檢查接邊誤差不超過(guò)限差規(guī)定時(shí)，應(yīng)視情況進(jìn)行接邊糾正。接邊誤差超限時(shí)應(yīng)查明原因，并進(jìn)行必要的返工。5.鑲嵌后檢查檢查影像鑲嵌處是否存在裂縫、錯(cuò)位、模糊、扭曲和重影現(xiàn)象。時(shí)相相同或相近的鑲嵌影像，紋理、色彩是否過(guò)渡自然。通過(guò)以上五方面工作的修正，即可提高影像的鑲嵌質(zhì)量，使接邊精度符合要求，保證鑲嵌線(xiàn)附近同一地塊光譜特征的一致性。四、結(jié)論綜上所述，數(shù)字正射影像的鑲嵌質(zhì)量受影像側(cè)視角、控制點(diǎn)分布數(shù)量、影像處理方法、原始影像質(zhì)量、DEM覆蓋范圍、調(diào)色效果、影像重疊