基于SPOT 5實(shí)驗(yàn)的高分辨率遙感影像糾正方法研究

摘 要：本文結(jié)合QuickBird衛(wèi)星影像提供的RPC文件，對(duì)利用有理函數(shù)模型進(jìn)行正射糾正的原理進(jìn)行分析研究：通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了經(jīng)正射糾正后影像點(diǎn)的定位精度，驗(yàn)證了利用有理函數(shù)模型進(jìn)行正射糾正的可行性，指出了的利用該模型的優(yōu)缺點(diǎn)和進(jìn)一步需要解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高分辨率遙感衛(wèi)星畸變 糾正 重采樣

中圖分類(lèi)號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0044-02

高分辨率遙感衛(wèi)星SPOT5、IKONOS、QuickBird、WORDVIEW-2等的出現(xiàn)，使其在城市規(guī)劃、資源調(diào)查、地籍管理、災(zāi)害預(yù)警和疾病防治等領(lǐng)域得到快速利用。WORDVIEW-2衛(wèi)星是目前空間分辨率最高的商業(yè)衛(wèi)星之一。

它有三個(gè)處理級(jí)別：基礎(chǔ)級(jí)產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)級(jí)產(chǎn)品和正射糾正產(chǎn)品。

由預(yù)備正射標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品來(lái)生產(chǎn)正射產(chǎn)品，可有兩種方式：基于嚴(yán)格物理傳感器模型和基于通用傳感器模型。由于物理傳感器模型是與傳感器密切相關(guān)的，處于技術(shù)保密考慮，影響了其普遍性應(yīng)用。而通用傳感器模型，器模型的目標(biāo)空間和影像空間之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以通過(guò)一定的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述，這些函數(shù)的建立不需要傳感器成像的物理模型信息，具有與傳感器無(wú)關(guān)的特性，因此通用傳感器模型便成為人們研究的一個(gè)重要方向。

由于有理函數(shù)模型（RFM或RPC）與其他通用傳感器模型相比，具有更高的定位精度和更好的實(shí)用性，因而成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 遙感圖像幾何畸變

幾何畸變是指遙感圖像在獲取過(guò)程中由于多種原因?qū)е戮拔镏心繕?biāo)物相對(duì)位置的坐標(biāo)關(guān)系圖像中發(fā)生變化，遙感圖像幾何畸變來(lái)源有下面四種。

（1）傳感器成像幾何形態(tài)影響：傳感器一般的成像幾何形態(tài)有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等幾種不同類(lèi)型。

①全景投變形：紅外機(jī)械掃描儀、CCD線陣推帚式傳感器。

②斜距投影變形，側(cè)視雷達(dá)屬斜距投影。

（2）傳感器外方位元素變化畸變。

（3）地球自轉(zhuǎn)的影響：地球自轉(zhuǎn)對(duì)于瞬時(shí)光學(xué)成像遙感方式?jīng)]有影響，對(duì)于掃描成像則造成圖像平行錯(cuò)動(dòng)。

（4）地球曲率影響。

①在星下點(diǎn)視場(chǎng)角較小，曲率影響可忽略。

②產(chǎn)生的誤差原理與航空像片像點(diǎn)位移相同。

2 幾何校正的原理與方法

遙感圖像的幾何校正的有2個(gè)核心思想。

2.1 選擇控制點(diǎn)

在遙感圖像和地形圖上分別選擇同名控制點(diǎn)，以建立圖像與地圖之間的投影關(guān)系，這些控制點(diǎn)應(yīng)該選在能明顯定位的地方，如河流交叉點(diǎn)等。

同名控制點(diǎn)選取用途：利用有限的控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)，解求多項(xiàng)式的系數(shù)，確定變換函數(shù)。然后將各個(gè)像元帶入多項(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算，得到糾正后的坐標(biāo)。

2.2 建立整體映射函數(shù)

根據(jù)圖像的幾何畸變性質(zhì)及地面控制點(diǎn)的多少來(lái)確定校正數(shù)學(xué)模型，建立起圖像與地圖之間的空間變換關(guān)系，如多項(xiàng)式方法、仿射變換方法等。遙感影像的數(shù)字糾正是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像每個(gè)像元逐個(gè)地解析糾正處理完成的，其包括兩方面：一是像元坐標(biāo)變換；二是像元灰度值重新計(jì)算（重采樣）。

（1）坐標(biāo)變換的兩種方案。

首先要確定原始圖像和糾正后圖像之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。對(duì)其包括。

直接法：從原始圖像陣列出發(fā)，依次對(duì)其中每一個(gè)像元分別計(jì)算其在輸出（糾正后）圖像的坐標(biāo)，即：式中，x，y為P點(diǎn)原始圖像的行數(shù)和列數(shù)；X，Y為P在新圖像中的坐標(biāo)（即地面坐標(biāo)系），并把P（x，y）的灰度值重新計(jì)算后送到P（X，Y）位置上去。

間接法：從空白圖像陣列出發(fā)，依次計(jì)算每個(gè)像元P（X，Y）在原始圖像中的位置P（x，y），然后把該點(diǎn)的灰度值計(jì)算后返送給P（X，Y）。其糾正公式為：；兩則的區(qū)別如下圖1。

（2）輸出圖像的邊界大小。

輸出圖像邊界的地面坐標(biāo)值是由包括糾正后圖像在內(nèi)的最小長(zhǎng)方形范圍來(lái)確定的。（如圖2）

（3）遙感圖像灰度值的的重采樣內(nèi)插：為了使校正后的輸出圖像像元與輸入的未校正圖像相對(duì)應(yīng)，根據(jù)確定的校正公式，對(duì)輸入圖像的數(shù)據(jù)重新排列。

重采樣內(nèi)插有幾種方法：最近鄰域法、雙線性?xún)?nèi)插法、雙三次卷積法這里指探討用的最多的最近鄰法。

最近鄰域法：用距離投影點(diǎn)最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。當(dāng)前校正后的網(wǎng)格（I，J），其中心點(diǎn)實(shí)地坐標(biāo)為（X，Y），該網(wǎng)格屬性值A(chǔ)（I，J）等于原始圖像中心點(diǎn)距（x，y）最近的網(wǎng)格的屬性。如圖3所示：黃點(diǎn)：原始圖像像素；紅點(diǎn)：地理坐標(biāo)反算像素。

2.3 遙感圖像數(shù)字糾正方法

糾正的函數(shù)可有多種選擇：多項(xiàng)式方法、共線方程方法等，其中多項(xiàng)式方法的應(yīng)用最為普遍，這里主要討論高分辨率衛(wèi)星糾正精度比較高的的基于共線方程的物理模型糾正方法，此方法有如下三個(gè)思想。

（1）由于地形起伏和側(cè)視掃描成像造成的像點(diǎn)位移，需要利用DEM進(jìn)行正射校正，其示意圖如圖4。

（2）共線方程==物理模型。

共線方程模型需要衛(wèi)星的軌道星歷參數(shù)和傳感器參數(shù)以恢復(fù)衛(wèi)星飛行瞬間成像的影像坐標(biāo)和地面坐標(biāo)之間的關(guān)系，是CCD影像糾正的精確數(shù)學(xué)模型，即物理模型，正射校正采用的物理模型是支持各種衛(wèi)星影像的嚴(yán)格物理模型（不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)，物理模型不同）。

物理模型方法與其它算法的本質(zhì)區(qū)別是：物理模型以數(shù)據(jù)獲取時(shí)衛(wèi)星的各種參數(shù)為基礎(chǔ)建立變形模型。因此利用大地控制點(diǎn)修正不準(zhǔn)確的參數(shù)，提高模型精確度，然后應(yīng)用修正后的物理模型來(lái)校正圖像。

在地形起伏大或影像側(cè)視角大的地區(qū)，對(duì)于能夠提供衛(wèi)星嚴(yán)格軌道模型的數(shù)據(jù)，利用成像的衛(wèi)星軌道參數(shù)、傳感器參數(shù)及DEM，對(duì)影像進(jìn)行嚴(yán)密的物理模型糾正。

糾正時(shí)首先恢復(fù)影像的成像模型，然后利用數(shù)字高程模型根據(jù)成像模型來(lái)糾正投影差，然后利用現(xiàn)有的控制資料或GPS外業(yè)實(shí)地測(cè)量獲取控制點(diǎn)三維坐標(biāo)對(duì)影像進(jìn)行控制糾正，最后得到正射糾正影像基于RPC的有理多項(xiàng)式正射校正，公式如下：

（，）歸一化的圖像坐標(biāo)，（X，Y，Z）對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)，RPC（rational polynomial coefficient）模型適用于窄視場(chǎng)和強(qiáng)先驗(yàn)信息的攝像系統(tǒng)。與寬視場(chǎng)攝像機(jī)不同，窄視場(chǎng)的攝像機(jī)投影參數(shù)不獨(dú)立。選用80個(gè)系數(shù)來(lái)確定投影關(guān)系部分遙感數(shù)據(jù)由于其物理模型參數(shù)的保密性等原因，數(shù)據(jù)生產(chǎn)商以RPC參數(shù)的形式提供衛(wèi)星拍攝時(shí)的軌道、姿態(tài)等信息。將地面的經(jīng)緯度坐標(biāo)或者大地坐標(biāo)與像片的行列號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣達(dá)到粗校正的目的。糾正時(shí)采用有理函數(shù)RPC模型來(lái)模擬其物理模型進(jìn)行正射糾正。

3 SPOT5正射校正實(shí)驗(yàn)

對(duì)于SPOT-5，其物理模型包括了衛(wèi)星與地球的位置關(guān)系（衛(wèi)星軌道、高度、坐標(biāo)等），衛(wèi)星本身的姿態(tài)（側(cè)擺角、視角、視場(chǎng)、離心率等），傳感器參數(shù)（CCD相機(jī)的掃描模型），地球模型（橢球模型、投影系統(tǒng)）以及圖像參數(shù)（影像中心坐標(biāo)、四角坐標(biāo)等）。利用這些模型參數(shù)、DEM數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以對(duì)遙感圖像進(jìn)行正射校正。

以天津市薊縣山區(qū)1∶1萬(wàn)的地形圖為基準(zhǔn)圖，利用房山區(qū)10 m分辨率的DEM，采用通過(guò)地面控制點(diǎn)修正投影參數(shù)的RPC法對(duì)天津市薊縣山區(qū)2010年10月1日獲取的SPOT5的10 m分辨率的多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了正射校正，只需要9個(gè)控制點(diǎn)就達(dá)到了精度要求，結(jié)果如下圖5、圖6。

實(shí)驗(yàn)證明：RPC模型結(jié)合高精度控制點(diǎn)和DEM數(shù)據(jù)的糾正方法精度很高，所需控制點(diǎn)少，RPC法優(yōu)于基于線性陣列掃描影像數(shù)字糾正方法。特別是通過(guò)地面控制點(diǎn)修正投影參數(shù)后，校正后較好的消除了地形起伏對(duì)影像幾何變形的影響。

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