【技術】淺談衛星數字正射影像的原理、製作及應用
一圖抵千字
遙感影像作為記錄地球變化的最有效的手段，以天空或太空的視角，將地球真實、及時、簡潔的傳達出來。從學術的角度來講，用以探測不同電磁波特性的“相機、掃描器、雷達”被帶到空中乃至宇宙，給地球拍下一張張的照片，從而記錄地球的動態變化。
何為數字正射影像圖
數字正射影像圖（Digital Ortho Map）簡稱DOM，是利用數字高程模型對掃描處理的數字化的航空像片，經逐個像元進行投影差改正，再按影像鑲嵌，根據圖幅範圍剪裁生成的影像資料。
那麼為什麼要做正射校正呢，無論是大飛機獲取的數字航空影像，無人機拍攝的影像，還是衛星拍攝的遙感影像，都會因為感測器的成像方式，外方位元素的變化，地形起伏等因素造成影像存在幾何變形，影像各處的比例尺不一致，相關方位發生變化。影像的正射校正就是為了消除影象中的幾何變形，產生一幅符合某種地圖投影或圖形表達要求的新影象，保證圖形與實際形狀完全相似，比例尺處處一致，相關方位保持不變。因此數字正射影像圖，不僅具有地形圖的幾何精度，同時具有影像特徵，是基礎測繪產品之一，也是地形級實景三維建設的底圖。
衛星遙感數字正射影像的製作原理
衛星遙感影像具有像幅範圍大、資訊量豐富、獲取方便、更新快的特點，其數字正射影像內容豐富直觀、立體感強，能反映出表面的最大資訊，而且規模和相關位置精度高，作為GIS資料來源來豐富GIS的表達。
衛星遙感數字正射影像的製作主要包括以下環節：
1. 影像預處理
國產衛星影像的原始資料主要包括元資料檔案（*xml）、影像（*tif/*tiff）以及有理函式模型引數 （*rpb。txt/*rpc/*rpb）檔案。影像預處理主要包括大氣校正和多光譜影像的波段增強等工作。
2. 區域網平差
衛星影像區域網平差的基本思路是：
1）透過全色影像之間的連線點恢復全色影像之間的相對位置，保證影像之間的接邊精度；
2）透過控制點確定全色影像的絕對位置，保證影像的定位精度；
3）透過全色和多光譜影像之間的連線點，保證影像的融合精度。
3. 正射鑲嵌處理
在區域網平差完成之後，進行正射鑲嵌處理，主要包括對全色和多光譜影像分別逐景進行正射校正、逐景對全色和多光譜影像的融合、對融合後的影像進行鑲嵌和勻色處理。
Ortho Mapping專業級影像處理方案
1. 方案概述
在資料處理領域，我們推出了 OrthoMapping專業級的資料生產工具，它將GeoScene特有的大規模影像資料管理模型—鑲嵌資料集以及武漢大學成熟的攝影測量軟體DPGrid演算法進行整合，可以實現基於多源國產高解析度衛星影像的高精度DOM生產，在生產領域具有巨大應用場景。
2. 資料來源支援
目前國內最廣泛應用於DOM生產的國產高分衛星資料來源包括：國家測繪衛星系列衛星、國家高分對地重大專項系列。由於衛星採集能力以及風雪雲霧天氣的影響，在資料覆蓋不全的情況下，還會輔助以天繪一號、實踐九號、國內商業衛星（如吉林一號、北京一號、北京二號、高景一號）、國外商業衛星（如GeoEye、WorldView系列、Spot系列、Pleiades系列）等進行補充。在GeoScene 2。1中，我們原生支援國家測繪衛星系列（ZY-3、ZY-1-02C）、高分對地觀測系列（GF1、GF2、GF4）以及吉林一號、天繪一號等七顆高空間解析度衛星十種擴充套件型別。並且支援自定義柵格擴充套件型別，目前已擴充套件高分六號和高分七號兩顆高解析度國產衛星和高分五號高光譜國產衛星。
3. GeoScene衛星正射處理流程
4. GeoScene影像處理關鍵技術
1）全面支援多種感測器資料
支援所有主流的商業衛星
支援主流國產衛星：資源三號、高分一號、高分二號、高分四號、環境一號、吉林一號、天繪一號、資源一號02C
支援自定義擴充套件柵格型別，已擴充套件高分六號、高分七號
2）區域網平差
基於灰度值的最小二乘方法，自動匹配連線點
基於參考影像，自動匹配控制點
支援RPC模型的區域網平差，採用較少的點即可滿足影像之間的接邊精度
支援多源衛星混合平差
3）融合&勻色
提供多種融合演算法：Gram-Schmidt、HIS、GeoScene等
提供多種自動計算鑲嵌線（接縫線）演算法：輻射、幾何等
提供多種色彩平衡演算法：勻光、直方圖、標準差等
4）匯出
支援匯出多種柵格型別：常見的TIFF、IMG，以及CRF雲端儲存格式
成果可以直接釋出到Image Server中
5. 工具組成
目前，使用者可以在
GeoScene Pro高階版
中使用Ortho Mapping的兩種方式進行正射影像的生產。
6. Ortho Mapping嚮導式工作流
下面，以Ortho Mapping嚮導式為例，講解如何在GeoScene Pro中實現衛星遙感數字正射影像的生產。Ortho Mapping提供了Workspace，包括了建立工作區間嚮導、區域網平差嚮導，DEM嚮導和正射鑲嵌嚮導等多個工具，可實現資料的一鍵式處理。
1）建立工作空間嚮導
點選
影像
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新建工作空間
—>
新建工作空間
，在右側的工作空間配置中進入建立工作空間嚮導，主要包括新建工作空間、建立影像集合和資料載入程式。
引數設定：
感測器型別：選擇衛星感測器型別；
空間參考：選擇工作空間的座標系。
引數設定：
DEM： 選擇高程檔案，輔助空三加密；
處理模板：選擇處理模板，包括全色、多光譜和融合等。
2）區域網平差嚮導
點選
正射對映
—>
校正
進入區域網平差嚮導，這一步包括了計算連線點、計算區域網平差、應用區域網平差等。
引數設定：
連線點相似性：預設中等
連線點密度：預設中等，可以根據匹配點的情況，靈活修改連線點匹配引數。當連線點偏少時，可以修改連線點密度為高等。
連線點分佈：包括隨機點分佈和常規點分佈兩種。對於不規則的形狀重疊，適合使用隨機點分佈，常見於國外商業衛星；同源國產衛星幅寬一致，適合使用常規點分佈，預設為常規點分佈。
3）正射鑲嵌嚮導
點選
正射對映
—>
正射鑲嵌
進入區域網平差嚮導，這一步包括了正射校正、色彩平衡、拼接線生成、影像匯出。
引數選擇：
高程源：選擇正射校正所需的DEM檔案。
引數選擇：
平衡方法：推薦選擇勻光；
顏色表面型別：GeoScene提供了多種顏色表面型別，包括單色、顏色格網、一階、二階和三階。當影像上地物型別複雜時，推薦選擇顏色格網；
目標柵格：如果有需要色彩匹配的參考影像時，可選擇參考影像。
引數設定：
計算方法：GeoScene提供了多種計算方法，包括幾何、輻射計算等，推薦選擇輻射。
引數設定：
畫素大小：預設匯出影像的畫素跟原始解析度保持一致；
格式：GeoScene提供了多種輸出格式，包括常見的TIFF和IMG，並提供了雲端儲存格式CRF，便於後續影像釋出。
7. 精度評價
數字正射影像作為國家基礎地理資訊數字成果的主要組成部分，國家也有相應的測繪行業標準來作為質量控制和成果規範，主要包括：
GB/T 13990-2012《1：5000 1：10000地形圖航空攝影測量內業規範》
GB/T 13989-2012《國家基礎比例尺地形圖分幅和編號》
CH/T 9009。3-2010 《基礎地理資訊數字成果 1：5000 1：10000 1：25000 1：50000 1：100000 數字正射影像圖》
GH/T 1027-2012《數字正射影像圖質量檢驗技術規程》
總體來說，評判數字正射影像的質量主要包括幾何精度和色彩精度兩方面。
1）幾何精度
與控制點、參考影像和參考向量精確配準。
同一地區多期影像精確配準。
景與景之間精確配準（影像接邊），無影像錯位。
GeoScene同時提供了區域網平差精度報告，在不進行人工干預下，培訓資料的DOM成果RMS在1畫素內。
2）色彩精度
影像整體色調一致、反差適中，過渡自然、無色彩突變的地方。
影像灰度直方圖一般呈正態分佈。
影像具備較好的光譜保真度，儘可能與影像自然色彩一致。
影像紋理清晰、細節清楚，方便目視解譯及機器學習。
GeoScene支援全自動獲得區域內勻光勻色影像，影像色彩過渡自然，無亮斑噪點，沒有明顯的鑲嵌線痕跡；同時，也可以使用歷史影像作為勻光勻色基準影像，保證顏色的一致性。
8. 效率評價
使用Ortho Mapping工作流的方式，對兩景高分一號的資料進行正射影像生產，平均每景的處理（不含影像匯出）時間為1分鐘。同時，在匯出時，在環境引數中取消金字塔和統計值層級計算可以加速處理過程。
衛星遙感數字正射影像的應用
衛星遙感數字正射影像作為基礎測繪產品，是國土調查、國情普查、實景三維的底圖，廣泛應用於自然資源、城市規劃、農業和水域等領域，比如：
可用於數字線劃地圖資料的更新，提高資料的現勢性，加快地形圖的更新速度，作為背景圖直接應用於城市各種地理資訊系統中；
透過衛星遙感DOM的定期（如月度、季度、一年期、三年期、五年期、十年期等）的系列衛星正射影像圖對比、分類、變化監測，瞭解城市的變遷發展、土地覆蓋和土地利用變化、違法用地監測、非農化非糧化監測、荒漠化監測與森林監測、海岸線保護和生態變化監測；
透過DOM標定區域後，在正射影像圖上進行設計區域規劃建設的效果圖，應用於城市建設和區域性規劃；
利用數字正射影像與數字地面模型或者建築結構模型可建立三維立體景觀圖，豐富城市管理和規劃。
