基于PIE的吉林一号数据预处理


来源: 北京航天宏图    时间:2016/12/06

1.吉林一号数据介绍

    随着卫星技术与应用的不断发展,人们要求降低卫星成本、减小风险的同时,迫切需要加快卫星开发研制周期。特别是单一任务的专用卫星,以及卫星组网,更需要投资小、见效快的卫星技术,小卫星技术应运而生。我国在小卫星发射与应用方面也正在不断向前发展。

    “吉林一号”商业小卫星于2015年10月7日12时13分,在酒泉卫星发射中心发射升空,其包括1颗光学遥感卫星、2颗视频卫星和1颗技术验证卫星。卫星工作轨道均为高约650公里的太阳同步轨道。其中,吉林一号光学A星是我国首颗自主研发的商用高分辨率对地观测光学成像卫星,具备常规推扫、大角度侧摆、同轨立体、多条带拼接等多种成像模式,地面像元分辨率为全色0.72米、多光谱2.88米,可为国土资源监测、土地测绘、矿产资源开发、智慧城市建设、交通设施监测、农业估产、林业资源普查、生态环境监测、防灾减灾、公共应急卫生等领域提供遥感数据支持。

    吉林省近期计划在2020年之前发射60颗民用小卫星,而远期规划则是在2030年左右达到138颗卫星在轨运行,形成全天时、全天候、全谱段数据获取和全球任意点10分钟内可重访的能力。因此,未来海量小卫星数据的生产任务十分艰巨。

2.基于PIE的吉林一号数据预处理

    本文以美国堪萨斯城地区6景吉林一号光学数据(以下简称JL-1)为例,介绍基于国产遥感图像处理软件PIE(Pixel Information Expert)的国产遥感小卫星数据的预处理操作。JL-1数据的预处理包括区域网平差、正射校正、融合及镶嵌等一系列操作,具体流程如图1所示。

 
图 1 JL-1数据预处理流程

2.1区域网平差

    PIE区域网平差模块包含自由网平差、控制网平差和立体网平差等多种平差功能。另外该模块还可以提供强大的控制点编辑工具,包括人性化的控制点交互输入、智能化的连接点检查和编辑以及自动化的平差结果检查等功能,从而能够保证在数据生产过程中降低作业难度和出错的概率。


图 2 PIE区域网平差模块功能菜单

    通过区域网平差模块下的“新建工程”功能,可设置待处理的JL-1原始影像数据、基准影像数据和高程数据。PIE同时可支持GF-1、GF-2、GF-4、ZY02C、ZY3和TH-01等其他国产遥感卫星数据的区域网平差处理操作。


图 3 堪萨斯城地区JL-1全色数据

    由于缺少堪萨斯城地区相关基准影像数据,本文对JL-1全色数据进行自由网平差处理。单击点匹配下的“连接点匹配”功能,即可进行连接点自动匹配操作。“区域网平差”功能根据自动匹配得到的连接点,经过平差算法,将各张影像统一到相同精度体系下,以此修正每景影像的RPC模型,并精确计算每一个连接点的地理坐标,结果如图4-b所示:


图 4自由网平差处理结果

    对自由网平差之后得到的连接点可以按照其ID、参考X坐标、参考Y坐标、重叠度、误差值等属性进行排序以及删除、修改、编辑等操作,对于未能自动匹配到连接点的区域,可以手动添加连接点。由图5可以看出经平差处理后的大部分连接点XY向误差均控制在半个像素以内。


图 5 同名点列表

2.2正射校正

    基于上述操作输出的连接点结果,可以实现JL-1全色数据的正射处理,相邻轨道间影像校正结果(右图)与校正前(左图)效果对照如图6所示:


图 6 基于连接点的JL-1全色数据正射校正结果


    以正射校正后的JL-1全色影像为基准,对JL-1多光谱影像数据进行配准纠正,匹配过程中可完全、自动剔除误差过大的控制点。自动匹配得到的部分控制点精度如下图所示:


图 7 部分控制点精度报告

2.3影像融合

    PIE图像融合处理包括高通滤波融合、色彩归一化融合、PCA融合、Pansharp融合等多种融合算法,以此来满足不同数据处理的需要。本文采取Pansharp融合方法对正射处理后的JL-1数据进行融合操作。

    Pansharp融合算法专为高空间分辨率影像设计,支持常规的遥感卫星数据融合处理。其利用最小二乘理论对参与融合的波段值进行最佳匹配,以减少融合后的颜色偏差。同时亦能很好的兼顾地理位置的精确计算,避免了融合后影像位置偏移现象的发生。


图 8 JL-1融合前后效果对比图

2.4匀光匀色

    PIE软件自动匀光匀色功能,通过统计所参与运算影像的直方图、色相等信息,利用平差算法使所有影像数据的直方图、色相等特征达到一个平衡过渡解,可以有效消除色差和拼接缝。另外PIE提供曲线、色相、饱和度、亮度、色阶等多种人工调色工具,支持批量影像的统一调节等操作。


图 9 JL-1匀色前效果图

2.5智能镶嵌

    PIE智能镶嵌功能采用先进的接缝线寻址策略,可自动寻找颜色过渡最平缓及高程落差最平缓的镶嵌线,实现具有明显特征的人工地物的完美避让(图10-b),从而能够很好适应数据的多样性。在接缝处能够在经验范围内智能计算羽化缓冲区,达到过渡自然的目的。针对大区域多景影像数据镶嵌,PIE软件可利用多计算节点并行处理,大幅稳定的提高处理速度。


图 10 镶嵌线智能生成结果


图 11 JL-1匀色后镶嵌结果

3.总结

    近年来,我国高度重视对地观测计划,正在大力发展遥感卫星产业,陆续出台多个专项政策,例如高分专项、卫星发展规划、空间基础设施专项等。单一的卫星发射已朝着组网、星座发展,预计未来数十年,我国将有上百颗卫星在轨运行,形成较完备的应用卫星体系。国务院总理李克强更是在主持召开国务院常务会议时表示,要让遥感卫星商业化,商业卫星满天飞,这给遥感产业的大力发展提供了很好的契机。

    海量遥感数据的预处理是行业应用的前提,在这样的大背景下,具备完全自主知识产权的国产遥感影像处理软件PIE应运而生。PIE致力于遥感工程化应用,是一套高度自动化、简单易用的遥感工程化应用平台,能够同时支持常规国产遥感卫星及JL-1等小卫星数据的生产,真正服务于遥感在各个行业的应用,为我国遥感事业的发展贡献力量。

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