卫星图像的数字镶嵌（二）

大面积多幅卫星图像的数字镶嵌

当工作地区辽阔、涉及多幅特别是多轨道卫星图像镶嵌时，如果简单沿用上节阐述的镶嵌技术是不可能取得成功的，必须充分考虑多幅图像镶嵌会遇到的问题与特点，采用相应对策，才能保证镶嵌达到一定的精度要求。

1 大面积多幅卫星图像数字镶嵌的特点

卫星图像的预处理过程是各自独立进行的，在不同轨道、不同时相和不同景幅的影像之间仍会存在不同程度的坐标失配，如横向和纵向偏移、比例尺变化等。经过相邻图像的几何配准，即使是使用了旋转处理，使这两幅图像基本上保持了原来的几何保真度，镶嵌误差也不超过允许范围，但是误差毕竟存在，以后再在上、下、左、右继续采用这种相邻图像几何配准与镶嵌的串联式方法扩展下去，误差就会不断累积，使得拼接镶嵌愈来愈困难，不是出现漏缝，就是重叠或错位，并且由于这种误差是加性传播的，无法定位检测修补订正，因此只能宣布镶嵌失败，从头重做。但如果不改变技术路线，即使再仔细地重做，仍会重蹈覆辙。需要镶嵌的图像愈多时，这种可能性愈大。因此，开展多幅卫星图像镶嵌时，首先必须着眼于全局，建立一套全局的算法进行几何配准，使得误差在全局范围内均匀分布，避免发生某一局部配准的很好，而另一局部则出现明显裂缝，也就是说镶嵌出的图像每相邻两幅间的配准精度都要均衡地满足要求，而全局的误差也达到最小，这就需要采用整体平差的思路与算法。

2 多幅卫星图像几何配准的整体平差

整体平差的概念在航空摄影测量中早已普遍使用，卓有成效。但要运用到多幅卫星图像的数字镶嵌中来，首先应认识两者间的差异:
    1)卫星图像的边缘重叠窄，重叠量小，如陆地卫星TM和ETM+图像的上、下幅纵向重叠约11％，左右旁向重叠由赤道至两极为7.3%-83.9％不等。在我国陆地范围内，自南至北旁向重叠约13%-48％，但大部分地区不到30%。这意味着在我国以及中纬度国家进行卫星图像镶嵌时，几何配准所依据的坐标变换式，是以占全景比重不大的重叠区内同名控制点为根据建立的，对于图像的其他部分没有任何约束条件。这与航空摄影测量中航片的重叠区很宽，可建立约束条件很强的测量网不同。 
    2)陆地卫星图像不同于航空摄影的像片。航空摄影测量中建立的以中心投影方程为基础的区域网，不能应用于卫星图像的整体平差，后者只能通过相邻图像间坐标变换关系多项式来建网平差。 
    3）多幅卫星图像数字镶嵌进行整体平差，是为了在全局约束条件下求坐标变换模型参数，而航测中则是为了求加密控制点的坐标。 
    总之，在航空摄影测量中，由于航片重叠大，有很强的约束条件，因此建立简单的测量网即可形成平差网，不必再考虑其他的约束条件。而在多幅卫星图像数字镶嵌中，就不能简单地建立测量网平差。必须依据卫星遥感的多中心投影成像机理与各幅图像间的内在联系，建立新的强约束关系，形成专用的平差网来实现整体平差，以保证高质量地完成多幅卫星图像的数字镶嵌。 
    为了建立专用平差网实现整体平差，需解决好以下几个问题： 
    1)统一全局变换坐标系。图像几何配准确定坐标转换式时，通常都以相邻两幅图像重叠区中选取若干同名控制点为基础。平差结果是相邻两幅图像间的坐标系变换。为了避免多幅图像数字镶嵌采用传统的“串联式”工作方式（即由镶嵌中心向上、下、左、右四边逐幅扩展），必须将各幅图像坐标变换关系统一在一个标准坐标系下，即先确定一个标准坐标系，然后由局部的相对坐标系变换推导出各幅图像对标准坐标系的转换关系，这样分别使各幅图像输出到标准坐标平面的各自准确位置上，达到由局部至全局的坐标转换。 
    2)发现、消除粗差。粗差是平差计算中经常会出现的一种误差，对最后的整体平差结果有极大的影响，必须在整体平差前发现和消除。为了便于精确检验定位粗差，应采用子块计算，这样可将粗差限制在4幅图像为一单元的独立模型中。一通过输出的均方误差找到粗差所在的独立模型单元，再继续分析计算该单元中相邻图像间的计算结果，就可确定粗差所在的重叠区，给予更正。 
    3)生成模拟数据。有时待镶嵌的图幅分布不规则或相邻图幅的重叠区内多云或为水域，找不出明显地物点。在这些情况下都需通过模拟计算生成一些像幅重叠区内的控制点数据，以便组成规则的矩阵，进行标准的整体平差。 
    大面积多幅卫星图像数字镶嵌过程的色调调整与上节所述的小区域图像镶嵌的色调调整没有本质的差别，只是应注意，由于涉及的图像多了，更应选好基准图像，然后逐幅调整向外扩展的图像灰度。只要图像的时相差异不很大，都可获得较好的效果。

3 多幅卫星图像数字镶嵌系统框架

随着全球变化监测、跨流域调水等重大项目的开展，对大范围多幅卫星图像数字镶嵌的需求与日俱增。在我国建立一套能生产运行的多幅卫星图像数字镶嵌系统既有必要，条件也已具备。以我国地面站从加拿大MDA公司引进的图像分析系统(Image Analysis System,IAS)为主要设备的多幅卫星图像数字镶嵌系统框架如图2所示。LAS系统中的MERIDIAN模块能方便地实现同名控制点的数据提取、几何配准校正与重采样等，再加上其他功能模块就构成一个较完整的数字镶嵌系统。