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@novachen 2018-02-02T13:19:15.000000Z 字数 4277 阅读 884

像素刻刀高分卫星处理软件DEMO版

PixelKnife 高分卫星 配准 融合复原


1 背景介绍

高分系列卫星数据在国家高分专项的推进下,已被各行各业广泛使用。尤其是高分二号空间分辨率可以达到0.8米,突破亚米级的重要门槛,作为在日常业务工作中取代国外商业卫星的重要数据源。

卫星影像和数码相机不同,在采集的时候是分别形成高分辨率全色(黑白)和低分辨率多光谱(彩色)两个数据集,要得到高分辨率的多光谱图像需要精细的几何配准和融合复原。

高分一号高分二号有其固有的内在问题,而主流商业软件未有针对性的处理,因此最终结果都不尽如人意。国内的相关行业工作人员尝试使用各种策略组合,但是不能解决本质问题,而且其中流程复杂,甚至需要大量人工。

仅仅在知网上用“高分二号”和“融合”作为关键字,查找到的相关文献就有很多,这说明在实际工作中这是一个所有遥感应用人员都必须面临的选择:
针对高分二号卫星影像的几种融合方法对比研究 李欣腾
基于高分二号数据的遥感影像融合方法研究 左梦颖
基于GDAL库实现高分二号遥感影像融合质量评价 徐鹏
高分二号卫星影像融合方法与效果评价 江威
基于全参考高分二号卫星图像融合质量评价 孟凡晓
高分二号卫星影像融合方法探析 熊德峰
高分二号卫星影像融合方法对比和评价 薛晶
高分二号影像融合方法比较与评价 张馨蓓
高分二号卫星影像融合及质量评价 孙攀
高分二号影像融合方法质量评价 陈业培
有趣的是各个文章的评测结果是五花八门,甚至完全相反,比如上述的孟凡晓的文章认为pansharp是最差的,而江威的文章认为pansharp是最好的。

关于配准的方面的文章要少一些,但是实际上配准更加重要,如果MS和PAN是歪的,无论什么融合算法效果都是很差的。
高分二号卫星多光谱与全色影像配准策略 王忠武
高分二号卫星影像正射纠正精度分析 樊文锋
基于高分一号数据的地理国情普查DOM制作研究
面向高分一号遥感影像的自动几何配准算法对比

像素刻刀实验室设计了一个基于梯度追踪的自动配准算法,可以把配准误差降低到0.1像元以下。而通常商业软件认可的精度是亚像元即一个像元以下,和我们的要求相差一个数量级。
对卫星成像模型的精细化波谱分析,建立多条件约束的最优化模型,可以大幅提高融合复原过程的精确性。
这两个技术的进步使得高质量的高分辨率多光谱数据产品的自动生产变得容易可行了。


2 软件简介

“像素刻刀高分卫星版[Pixel-Knife GF]” 是Pixel-Knife像素刻刀工作室专门针对高分专项系列卫星的PMS传感器集成开发的的自动精细配准和融合复原的高效能工具集。

通过这个工具集可以高质高效地处理:

将全色和多光谱分离的分发数据集,自动合成为一个高分辨率多光谱数据。

本软件的产品质量显著地超过目前主流商业遥感软件。
本软件对操作人员来说没有任何要求,是一个傻瓜化的高智能处理系统

对于日常工作中需要大量处理利用国产遥感卫星数据的用户来说是非常适宜的。


硬件环境

内存是一个关键要求:电脑需具备16GB内存
适当注意硬盘空间:每个GF1融合复原结果为3GB,每个GF2融合复原结果为8GB。
估计执行时间(在普通PC或笔记本):GF1一景5分钟、GF2一景15分钟。

实际测试用例:
电脑配置:windows 7 64位系统 intel core i7-6700 @3.4GHz 内存16GB
GF1: 263秒
GF2: 813秒

软件环境

本软件在64位的WINDOWS系统上工作,需要vs2013的runtime运行库。
本软件是绿色软件,即不需要复杂的安装卸载步骤,用户只需要将安装包直接解压在指定的位置即可。


3 软件使用

PixelKnife的DEMO版,从百度网盘下载
http://pan.baidu.com/s/1qY6wUj6

其中vcredist_x64.exe是vs2013的运行库安装包。
其中pkDemo.zip是软件压缩包。
bj_gf目录中有北京范围的高分一号和高分二号样本各一景。高分二号这景是2015年9月3日11时36分,纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年大阅兵的抓拍,非常值得珍藏。后面的例子也是用的这景图像。

此处输入图片的描述

压缩包解开后目录内容如下

X:\SSS\pk>dir
 驱动器 X 中的卷是 MFS03
 卷的序列号是 3F34-2CE0

 X:\SSS\pk 的目录

2017/10/10  12:49    <DIR>          .
2017/10/10  12:49    <DIR>          ..
2017/10/10  15:32    <DIR>          bat
2017/10/10  12:46    <DIR>          bin
2017/10/10  12:50             1,546 pkShell.bat
               1 个文件          1,546 字节
               4 个目录 40,083,805,372,416 可用字节

点击pkShell.bat就可以进入命令行环境展开工作。
软件包集成了GDAL2.0,所以常用的GDAL操作比如gdal_translate等等都可以在这个环境下使用。


数据处理

 pkRegDemoGF -root xxx [-fuse] [-cmp]

命令行参数:

-root xxx 指示解压后TIFF文件所在的目录,如果是当前目录就是简单的一个"."
-fuse  指示在精细几何配准后融合复原
-cmp  指示制作只经过RPC投影未经精细几何配准的融合结果,作为几何配准所起作用的参考

例如解压一个包含GF1数据的压缩包后,执行如下的命令

cd GF1_PMS2_E119.7_N33.8_20160617_L1A0001647674
pkRegDemoGF -root . -fuse -cmp

注意,有些单位(比如环保部卫星应用中心)获得的高分数据集是MS和PAN独立的两个压缩包,需要另外先运行一个脚本将两者合并到一个标准目录中。

DEMO版和正式版的差别就在于产生的图像中有水印


输出文件

LRPAN.TIF
低分辨率的PAN,通常作为配准的基准参考。
LRMS_PROJ.TIF
未精细配准的低分辨率MS,但是已经从原MS上RPC投影到LRPAN坐标系上。
LRMS_REG.TIF
精细配准后的低分辨率MS。
movemap.tif
校正前后的位移幅度图,越亮表示偏移距离越大,色彩越鲜艳表示不同波段之间的偏离程度越大(也就是MS几个波段之间偏差大)。红色部分表面近红外波段和PAN的偏移,绿色和蓝色表示另外三个可见光波段和PAN的偏移。
HRMS_REG.TIF
精细配准后的融合结果,也是这个程序最终的结果。这个图像中包含五个波段,其中第一波段是PAN,后面四个波段分别是蓝、绿、红、近红外。这样只要和.RPB文件一起拷贝就是一个完整的融合复原产品数据集。命令行添加-fuse之后才会有。
HRMS_PROJ.TIF
不经过精细配准就融合的结果。命令行添加-cmp之后才会有。

后续如果需要做镶嵌需要把HRMS_REG.TIF这样的结果文件换成一个唯一的名字拷贝到另外的文件夹中,可以使用脚本文件自己控制命名规则。


数据检验准备

EXAM_GF

进入到要检验的数据目录中,执行这个命令,会生成一系列检验用文件。这些文件是8位的灰度或者RGB三波段的,在ENVI5这样的交互式遥感软件中比较的时候不会涉及软件拉伸处理方法导致的视觉误差。

LRPAN8.TIF
LRPAN.TIF的8位版本。
LRMS_PROJ8.TIF
LRMS_PROJ.TIF的8位彩红外版本。
LRMS_REG8.TIF
LRMS_REG.TIF的8位彩红外版本。
HRMS_REG_SMALL8.TIF
HRMS_REG.TIF缩小4倍的8位彩红外版本。

数据检验操作

1) 用ENVI5打开movemap.tif、LRPAN8.TIF、LRMS_PROJ8.TIF、LRMS_REG8.TIF、HRMS_REG_SMALL8.TIF五个文件

movemap
上图整景的偏移图,可以看到五段痕迹明显,在第二段和第三段之间差别很大,就在这里放大关注。

movemap
上图的中心在第二段和第三段的交界线上。

lpran - lrms_proj
上图可以看到左边动得厉害,右边几乎不动。因此这样的情况根本不能用一次二次多项式模型来纠正。

lrpan - lrms_reg
上图可以看出精细配准后现在整个区域都没有晃动的感觉了。

lrms_proj - lrms_reg

lrms_reg - hrms_reg_small

2) 用ENVI5打开HRMS_REG.TIF和HRMS_PROJ.TIF(-cmp打开的时候产生),可以比较如果不做准确的配准而直接融合的差异。

hrms_proj - hrms_reg
hrms_proj - hrms_reg
可以明显看出左右两侧的差别,如果不做精细配准会导致图像质量变差。


批处理命令

REG_DIR

例如将多景数据解压在这个目录

D:\testbed>dir gf1
 驱动器 D 中的卷没有标签。
 卷的序列号是 0D77-1345

 D:\testbed\gf1 的目录

2016/07/16  15:53    <DIR>          .
2016/07/16  15:53    <DIR>          ..
2016/07/16  13:51    <DIR>          GF1_PMS2_E116.2_N40.2_20150505_L1A0000791126
2016/07/16  13:57    <DIR>          GF1_PMS2_E120.0_N35.7_20150312_L1A0000691009
2016/07/16  14:19    <DIR>          GF1_PMS2_E120.0_N35.7_20150422_L1A0000764278
2016/07/16  15:11    <DIR>          GF1_PMS2_E121.0_N28.2_20150802_L1A0000955483

               0 个文件              0 字节
               6 个目录 11,454,775,296 可用字节    

先进入这个目录,然后执行批处理。

D:\testbed>cd gf1

D:\testbed\gf1>REG_DIR

其他卫星

扩展版本还可以自动处理国内常用的卫星:
北京二号
天绘一号
资源三号
资源一号02C
CBERS4
吉林一号
高景一号

其他功能

扩展版本还提供调色和去饱和等功能。


联系方式

陈甫 副研究员
中国科学院遥感与数字地球研究所
chenfu@radi.ac.cn
13811147935

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