Question

高分辨率影像数据处理及数据建库技术方法研究

Answer 1

潘振祥

（河南省国土资源厅信息中心 郑州 450016）

摘 要：本文通过开展高分辨率卫星遥感影像数据（SPOT5）处理及建库技术方法研究和探索，制定了《高分辨率影像数据处理及基于遥感影像土地利用数据库建设技术要求》和《省级基于遥感影像 1∶1 万土地利用数据库标准》，制作了覆盖河南全省的 1∶1 万数字正射影像图，建立了河南省基于 SPOT 5 的 GPS 像控点图形图像数据库、高分辨率卫星影像数据库和基于影像信息土地利用数据库，为全国土地利用二次调查基础底图制作进行了有益的探索。

关键词：土地资源 卫星影像 遥感 数据库 像控点

0 引 言

随着信息技术的快速发展，卫星遥感影像处理技术得到了突破性进展，高分辨率卫星影像在土地资源调查评价、土地利用动态遥感监测、土地执法监察、土地变更调查以及大中比例尺地形图测绘等方面应用已取得显著成效。

针对河南省高分辨率遥感影像数据处理及数据库建设项目任务，项目组提出了利用 GPS 外业静态实测坐标作为影像数据校正的控制资料，制定了《高分辨率影像数据处理及基于遥感影像土地利用数据库建设技术要求》和《省级基于遥感影像 1∶1 万土地利用数据库标准》等，并根据项目任务要求，制定了切合河南实际的基于遥感影像信息的土地利用分类体系，同时，通过项目开展，制作了覆盖河南全省的 SPOT 5 数字正射影像图（DOM），并建立了河南省基于 SPOT 5的 GPS 像控点图形图像数据库，为土地利用二次调查基础底图制作进行了有益的探索。

1 影像数据处理及数据库建设技术路线

（1）多源遥感信息相结合。选取最佳波段组合的多光谱影像与高分辨率全色影像融合，生产具有高分辨率空间信息和丰富光谱信息的融合影像。

（2）GPS 像控点、基础图件（数据库）和 DEM 相结合。根据实际情况，采用 GPS 像控点，同时利用 1∶5 万 DEM 对遥感影像进行正射校正。

（3）人机交互与计算机自动提取相结合。以人机交互解译为主，进行土地分类信息提取。

（4）遥感解译与地面调查相结合。对提取的地类图斑信息进行外业验证，对在室内不确定的地类图斑，进行外业实地调查。

2 GPS 像控点图形图像数据库建立

为保证像控点选取精度，首先在 2.5 m 分辨率的全色影像上，按照像控点选取的技术要求，每景均匀选取了 25 个像控点，并对像控点进行了全外业 GPS 静态测量，在 MapGIS 平台下编辑像控点属性结构，建立 GPS 像控点图形图像数据库，并将像控点外业测量成果表以图片方式保存在属性表中。如图1所示。

图1 像控点图形图像数据库示意图

2.1 GPS 像控点选取

为保证像控点外业测量精度，像控点选取时，点位分布要相对均匀，特征明显，交通便利，数量足够，尽可能在全色影像上选取，尽量避开高压线、大面积水域等干扰因素。

为提高外业测量效率，将选取的待测像控点制作成“像控点外业测量成果表”，成果表包括像控点编号、点位及放大的示意图、WGS84、1954 北京、1980 年西安三套坐标和点位说明等内容。

2.2 GPS 像控点外业施测

像控点外业测量采用附合路线法，各像控点平均间距约 13 km，像控点与 C 级 GPS 控制点组成 GPS 控制网。GPS 像控点外业测量利用河南省 C 级 GPS 控制网成果的三套数据（分别为WGS 84、1954 北京和 1980 年西安坐标）作为起算数据，依据《全球定位系统（GPS）测量规范》，采用静态方式同步进行观测，三台套 GPS 接收机为一组，观测时段长度不少于 45 分钟，卫星高度角≥ 15°，有效观测卫星总数≥ 4 个。测量数据采用南方测绘软件进行基线解算、平差处理并进行高程拟合，最后解算出像控点基于三套坐标系统的三套数据和拟合高程。

2.3 GPS 像控点图形图像数据库的建立

GPS 像控点图形图像数据库以河南省 1∶50 万地理底图作为工作底图，输入像控点空间坐标，并采集像控点属性与图形信息，建立数学基准统一的像控点图形图像文件。像控点图形图像信息，除像控点所具有的地理坐标信息之外，还包括与待纠正影像相关的特征地物的纹理信息、分辨率信息等。

3 影像数据处理

影像数据处理包括卫星影像全色数据与多光谱数据的配准、融合和影像数据正射校正、镶嵌及正射影像图（DOM）的制作等。本项目所使用到的 SPOT 5 数据是由视宝公司提供的 1A 级数据，只经过了探测器的均衡化处理，为了进行多元数据的复合，制作正射影像图，必须对图像进行正射校正，建立地理坐标。影像数据处理技术流程如图 2 所示。

图2 影像数据处理技术流程

3.1 影像配准

本项目使用的单景多光谱数据与全色数据是同步接收到的，其图形的几何相关性较好，多光谱数据与全色配准难度小、精度高，因此采用相对配准的方法，SPOT 5 多光谱数据波段组合采用 XS2（红）、XS3（绿）、XS1（蓝）形式，影像重采样间隔为 2.5 m，重采样方法采用双线性内插，以景为配准单元，以 SPOT 5 全色数据为配准基础，均匀选取配准控制点，对接收侧视角较大，地势起伏对配准影响较为严重的区域相应增加控制点密度，将 SPOT 5 多光谱数据与之精确配准，并随机选择配准后全色与多光谱数据上的同名点进行检查，以确保数据的配准精度。

3.2 影像融合

图像融合处理采用最基本的乘积组合算法直接对两种空间分辨率的遥感数据进行合成，融合后图像则采用直方图调整、USM 锐化、彩色平衡、色度饱和度调整和反差增强等手段，以使整景影像色彩均匀、明暗程度适中、清晰，增强专题信息，特别是加强纹理信息。

3.3 影像正射校正

影像正射校正采用 ERDAS 的 LPS 正射模块，利用 SPOT 5 物理模型，每景 25 个像控点均匀分布于整景影像，各相邻景影像重叠区有 2 个以上共用点。正射校正以实测点和 1∶5 万 DEM为校正基础，以景为单元，对融合后的数据进行正射校正，采样间隔为 2.5 m。

3.4 影像镶嵌

影像镶嵌采用 ERDAS 的 LPS 正射模块中批量处理模块，相邻两幅影像，均采集了两个以上共用点，大大提高了影像镶嵌精度。为验证镶嵌精度，以县（市、区）为单位，在其镶嵌区随机选择 25 个以上检查点进行镶嵌精度检查。

3.5 数字正射影像图制作

数字正射影像图（DOM）制作采用 Image Info 工具，按照 1∶1 万标准分幅进行裁切，覆盖完整的县级行政辖区。图幅整饰依据《高分辨率影像数据处理及数据库建设技术要求》，利用MapGIS 数据库平台，按照 1954 北京坐标系、1985 年国家高程基准的生成 1∶1 万标准分幅图幅整饰。

4 创新成果

项目组在圆满完成项目任务的前提下，结合项目进展和土地管理需要，创造性地开展工作。总结项目进展和取得的成果，创新成果主要体现在：

（1）影像校正控制点 GPS 外业实测数据作为影像校正控制资料，改变了以往利用地形图、土地利用现状图（数据库）作为控制资料的传统方式，极大地提高了影像校正精度，节省了项目投入经费。

覆盖河南全省 1∶1 万标准分幅地形图共计 6565 幅，而实有地形图仅 5600 余幅，项目组在征求部课题组同意的前提下，提出采用 GPS 外业实测控制点作为影像校正控制资料的思路。基于这一思路，项目组进行了一系列研究和论证，制定了 GPS 外业测量技术要求，并对覆盖全省的每景 SPOT 5 卫星影像相对均匀地选取了 25 个控制点，相邻景影像不少于 2 个共用控制点的原则，全省共选取影像校正控制点 1421 个，GPS 大地控制 C 级点 94 个。根据影像数据接收时间和项目进度，共分 13 个测区，对所有控制点采用附和路线法进行了静态测量，分别计算出各控制点和检查点的 WGS84、1954 北京和 1980 年西安三套坐标。

（2）河南省像控点图形图像数据库的建立，为今后河南全省土地利用遥感监测、卫片执法监察等提供了技术保障。

为使外业测量成果长期保存和今后使用，项目组在项目任务之外，在 MapGIS 平台上，基于河南省 1∶50 万地理底图，建立了 GPS 像控点图形图像数据库。GPS 像控点图形图像数据库的建立，不仅满足 SPOT 5_2.5 m 高分辨率卫星影像的校正精度要求，同时为今后河南全省土地利用遥感监测、卫片执法检查、矿山环境监测等奠定了基础。

（3）高分辨率影像数据大区域整体正射校正和镶嵌处理技术的探索，为影像数据批处理技术的推广进行了有益的探索。

由于本次试点项目涉及的范围广、影像处理工作量大，因此，项目组在保证影像纠正精度的前提下，为提高工作效率，探索和使用了遥感影像专业处理软件 ERDAS 的 LPS 模块提供的大区域整体正射纠正和影像镶嵌处理功能，达到了较好的应用效果。

鉴于本次试点项目所使用的影像数据均为同步接收的 SPOT 5 多光谱与全色数据，其图形的几何相关性较好，多光谱数据与全色配准难度小、精度高，因此，影像数据处理采用先单景融合、后大区域整体正射校正、最后进行大区域镶嵌配准的技术流程进行影像处理。

正射纠正采用 ERDAS 的 LPS 批量正射模块。纠正采用 SPOT 5 物理模型，控制点均匀分布于整景影像，每景控制点个数为 25 个，各相邻影像重叠区有 2 个以上共用点。正射纠正以 GPS外业实测控制点和预处理的河南省 1∶5 万 DEM 为纠正基础 , 对 SPOT 5 融合数据进行批量纠正，采样间隔为 2.5 m。影像镶嵌采用的是 ERDAS 的 LPS 批处理模块，由于各相邻景影像均采集了两个以上的共用点，大大提高了影像镶嵌精度。

（4）基于遥感影像信息土地利用分类标准体系的制定，为国家和省级快速掌握和提取土地利用变化信息进行了有益的探索。

项目组根据部课题组要求及国家和省土地管理工作需要，结合 SPOT 5 卫星影像光谱特征和纹理信息，经充分研究和论证，制定了切合河南实际、满足“高分辨率影像数据处理及数据库建设”试点项目需要的基于遥感影像信息的土地利用分类标准，该标准中将土地利用类型分为农用地、建设用地和未利用地等 3 个大类，耕地、园林地、其他农用地、城市用地、建制镇用地、农村居民点用地、铁路用地、公路用地、其他建设用地、未利用地等 10 个二级类，此外，根据个别地类特点，又分别从农用地、建设用地和未利用地中单独划分出公路林带、农业水利用地、水利设施用地、未利用水面和黄河滩地等 5 个三级类，分类标准与现有的土地利用分类体系协调、一致，符合国土资源土地分类标准体系。

（5）基于遥感影像土地利用数据库建设，为国家和省土地宏观管理提供了现势性较强的土地利用电子数据，为国内同类工作的开展提供了技术依据。

考虑到国家和省级土地宏观管理的需要，根据项目制定的“基于遥感影像土地利用分类体系”，结合中地公司 MapGIS 土地利用数据库管理系统框架结构，项目组在 MapGIS 数据库管理系统平台的基础上，分别制定了《高分辨率影像数据处理及数据库建设技术要求》和《基于遥感影像 1∶1 万土地利用数据库标准》等，并在标准中明确了基于遥感影像的土地分类、文件命名规则、数据分层格式及要求等，保证了数据标准和数据格式的一致性及数据库建设质量，为国家和省提供了翔实的土地利用现势数据。

5 结 语

随着遥感技术和计算机技术的飞速发展，高分辨率遥感影像数据在土地管理工作中的应用越来越普遍，同时，遥感影像数据处理的技术手段也越来越科学、越来越先进，尤其是全国第二次土地调查工作的全面开展，将遥感影像在土地管理方面的应用推到一个前所未有的水平，因此，如何在影像数据处理过程中尽可能减少人力和财力投入已显得尤为重要。本项目针对上述问题，在科研与生产过程中，提出的采用 GPS 外业实测控制点作为影像校正控制资料、GPS 像控点图形图像数据建库及基于国家和省级土地管理需要而提出的基于遥感影像信息土地利用数据库标准等，进行了较好的诠释，为今后同类工作的开展进行了有益的探索。

参 考 文 献

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（原载《测绘通报》2008 年第 10 期）