遙感影像正射糾正在鐵路制圖中的應(yīng)用

唐紅鷹

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

遙感影像正射糾正在鐵路制圖中的應(yīng)用

唐紅鷹

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

遙感影像具有獲取靈活、現(xiàn)勢(shì)性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用于鐵路工程制圖中。介紹基于ERDAS的遙感影像正射糾正方法，實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)糾正的0.5 m Pleiades高分辨率遙感影像能滿足1∶2 000的制圖精度。

遙感影像 鐵路工程制圖 正射糾正 ERDAS

鐵路工程制圖往往具有工期緊迫、制圖精度及現(xiàn)勢(shì)性要求高的特點(diǎn)。常用的制圖方法是利用航片進(jìn)行空三加密，然后在立體模型下進(jìn)行地貌地物的采集。在一般情況下，可以收集到測(cè)圖區(qū)域的老航片，但這些老航片往往攝影時(shí)間過(guò)早，房屋、道路等地物變化較大，不能滿足鐵路工程制圖現(xiàn)勢(shì)性的要求。如果重新進(jìn)行攝影，由于受空域和天氣的影響，往往達(dá)不到制圖工期要求，并且重新攝影的費(fèi)用相對(duì)較高。另一種方法是進(jìn)行野外補(bǔ)測(cè)，但存在工作量大，費(fèi)用較高的問(wèn)題。遙感影像具有現(xiàn)勢(shì)性好、獲取靈活、價(jià)格相對(duì)便宜的特點(diǎn)，如果能應(yīng)用到鐵路工程制圖中，則能很好的解決上述問(wèn)題。

要在鐵路工程制圖中使用遙感影像，首先要解決遙感影像的畸變問(wèn)題。遙感影像在成像的過(guò)程中，受到中心投影、攝影軸傾斜、大氣折光、地球曲率及地形起伏等諸多因素影響，致使影像中各像點(diǎn)產(chǎn)生不同程度的幾何位移而失真[1]。因此，需要對(duì)遙感影像做正射糾正，以消除成像過(guò)程中各種因素導(dǎo)致的影像畸變。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)與資料準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)為東部沿海地區(qū)某條市域鐵路的0.5 m高分辨率Pleiades衛(wèi)星影像，全色波段分辨率為0.5 m，有原始的RPC衛(wèi)星軌道參數(shù)。目測(cè)樓房投影差較明顯，初步判定攝影軸傾角在20°以上。區(qū)域高程從5～314 m，地形等級(jí)屬于丘陵，城區(qū)和山區(qū)交錯(cuò)分布，地形較復(fù)雜、地物較多，適合作為正射糾正的試驗(yàn)區(qū)。鑒于以上條件，需要利用DEM對(duì)影像做正射校正[2]。

實(shí)驗(yàn)區(qū)存在老舊的1∶2 000 DLG?？刂泣c(diǎn)和檢查點(diǎn)都可以從既有的1∶2 000 DLG上進(jìn)行量測(cè)；高精度DEM采用既有1∶2 000 DLG等高線和高程點(diǎn)生成，格網(wǎng)間隔為2 m。

Pleiades衛(wèi)星影像是基于WGS-84橢球的大地坐標(biāo)系，DLG和DEM數(shù)據(jù)坐標(biāo)系都是工程獨(dú)立坐標(biāo)系，如果直接進(jìn)行糾正，所得結(jié)果的誤差會(huì)很大。為了提高糾正精度，應(yīng)將DLG和DEM轉(zhuǎn)到基于WGS-84橢球標(biāo)準(zhǔn)3°分帶的平面直角坐標(biāo)系下進(jìn)行正射糾正，糾正后再將影像轉(zhuǎn)回工程獨(dú)立坐標(biāo)系。

2 糾正

2.1 軟件介紹

采用ERDAS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的Pleiades衛(wèi)星影像進(jìn)行正射糾正。ERDAS IMAGINE是美國(guó)ERDAS公司開(kāi)發(fā)的遙感圖像處理系統(tǒng)，具有先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、友好靈活的界面和操作方式、面向廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品模塊、服務(wù)于不同層次用戶的模型開(kāi)發(fā)工具以及高度的RS/GIS集成功能，成為全球遙感領(lǐng)域最受歡迎和最富競(jìng)爭(zhēng)力的軟件系統(tǒng)。

2.2 糾正模型[3]

(1)數(shù)學(xué)擬合模型

不管其物理意義， 直接以地面控制點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，該方法適用于平坦地區(qū)或未能提供影像衛(wèi)星軌道參數(shù)、傳感器參數(shù)地區(qū)。一般采用多項(xiàng)式擬合法，其控制點(diǎn)個(gè)數(shù)與多項(xiàng)式階項(xiàng)n相關(guān)，最少控制點(diǎn)數(shù)計(jì)算公式為(n+1)(n+2)/2，式中n為次方數(shù)[4]，通常選擇2次方，理論上至少需要6個(gè)控制點(diǎn)。

(2)物理成像模型

考慮成像時(shí)造成影像變形的物理意義，利用成像的RPC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，最后得到正射糾正影像。

原始衛(wèi)星軌道參數(shù)的精度一般比較差，為了提高糾正精度，經(jīng)過(guò)綜合分析，決定在既有1∶2 000 DLG上采集三維坐標(biāo)作為控制點(diǎn)，修正衛(wèi)星軌道參數(shù)，然后采用數(shù)學(xué)擬合方法，恢復(fù)影像的成像模型，再利用高精度DEM，基于物理成像模型來(lái)對(duì)原始衛(wèi)星影像進(jìn)行糾正。

2.3 糾正

在ERDAS軟件中，以DLG和高精度DEM為基準(zhǔn)對(duì)Pleiades影像進(jìn)行正射糾正。打開(kāi)ERDAS軟件，加載待糾正影像，依次選擇Raster/Multispectral/Control Point模塊，彈出幾何模型選擇(Select Geometric Model)，不同的衛(wèi)星影像必須選擇相應(yīng)的影像種類(lèi)，如IKONOS、QuickBird、Pleiades、SPOT、ALOS等。對(duì)于Pleiades影像，就必須選擇Pleiades RPC方式糾正，這時(shí)需要給出該影像的原始RPC參數(shù)，在高程模型中調(diào)入DEM文件。多項(xiàng)式選擇2次多項(xiàng)式或3次多項(xiàng)式。在Projection選項(xiàng)中，加入糾正的投影信息，即TM投影和WGS-84坐標(biāo)系，最后選擇糾正方法。糾正方法有多種，可選擇“手工輸入控制點(diǎn)”方式進(jìn)行糾正，當(dāng)界面彈出影像和點(diǎn)位信息及誤差窗口時(shí)，則可以選點(diǎn)。

在地形圖上選取控制點(diǎn)：現(xiàn)有的Pleiades影像與地形圖時(shí)間跨度較大，由于道路的拓寬、改造、重新修建等造成道路交叉點(diǎn)很難找到同名點(diǎn)，即使找到也未必準(zhǔn)確；河流交匯點(diǎn)由于攝影時(shí)間不同而存在差別。可行的方法是選取那些未發(fā)生變化的池塘角點(diǎn)和低矮房屋的角點(diǎn)，往往會(huì)提高精度。另一方面，由于實(shí)驗(yàn)所用Pleiades影像攝影軸傾角過(guò)大，為避免高層房屋投影差引起的誤差，不宜挑選高層房屋的角點(diǎn)作為控制點(diǎn)。點(diǎn)位選取完畢之后，計(jì)算中誤差，并比較中誤差。如果有中誤差超限的點(diǎn)，可以適當(dāng)移動(dòng)使其誤差減小或者在不影響整體布點(diǎn)的情況下刪除該點(diǎn)。

多次選點(diǎn)、調(diào)點(diǎn)、剔點(diǎn)，檢查合格，滿足限差要求，選點(diǎn)工序完成。糾正時(shí)要認(rèn)真細(xì)致地輸入信息，輸出圖像文件名及格式，定義影像的輸出范圍，忽略無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域(即0值)。設(shè)置完成后，軟件計(jì)算自動(dòng)糾正。

3 糾正結(jié)果分析

手工采集30個(gè)同名點(diǎn)作為控制點(diǎn)，分別進(jìn)行2次、3次多項(xiàng)式糾正并和不同精度DEM糾正進(jìn)行對(duì)比。不同精度DEM包括SRTM 90 m分辨率DEM和基于1∶2 000地形圖生成的2 m分辨率DEM。糾正完后在CAD中打開(kāi)地形圖，將糾正后的影像插入，進(jìn)行特征地物的比較，并隨機(jī)選取15個(gè)同名點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，用以檢驗(yàn)糾正精度。不同糾正方法的精度比較見(jiàn)表1。

表1 幾種糾正方法精度比較 m

通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)糾正精度影響最大的是DEM精度。為了獲得高精度的正射影像，制作高精度的DEM是必要條件。3次多項(xiàng)式的控制點(diǎn)精度稍好于2次多項(xiàng)式，但2次多項(xiàng)式的檢查點(diǎn)精度稍好于3次多項(xiàng)式。分析其原因，是3次多項(xiàng)式把控制點(diǎn)的隨機(jī)誤差進(jìn)行了分?jǐn)?，因此控制點(diǎn)誤差小一些，但由于扭曲變形大，因此檢查點(diǎn)的精度要差一些；2次多項(xiàng)式的控制點(diǎn)誤差雖然大一些，但更好地?cái)M合了衛(wèi)星軌道模型，更有利于消除控制點(diǎn)的隨機(jī)誤差，因此檢查點(diǎn)的精度要好一些。

基于以上對(duì)比分析，決定采用基于2 m分辨率DEM和2次多項(xiàng)式作為最終的糾正模型，對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)精度為0.61 m，檢查點(diǎn)精度為0.92 m，能滿足1∶2 000鐵路工程制圖精度要求。糾正后的衛(wèi)星影像和原始DLG的套合情況見(jiàn)圖1。

圖1 糾正后的衛(wèi)星影像和原始DLG的套合情況

從圖1判斷，糾正后的影像和既有地形圖套合精度非常好，糾正影像精度可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于ERDAS軟件，采用圖上量測(cè)控制點(diǎn)與高精度DEM相結(jié)合的辦法，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)0.5 m高分辨率Pleiades遙感影像進(jìn)行正射糾正，經(jīng)糾正后的遙感影像與既有地形圖套合檢驗(yàn)，精度可靠，滿足1∶2 000鐵路制圖的精度要求。用此方法進(jìn)行大比例尺地形圖更新，避免重新航攝或者大幅減少野外補(bǔ)測(cè)工作量，在保證精度的前提下，縮短工期，節(jié)約成本，可以推廣應(yīng)用。

[1] 欒慶祖，劉慧平，肖志強(qiáng).遙感影像的正射校正方法比較[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(6)：743-747

[2] 凌婷婷，常曉瀅，楊苗苗.用ERDAS IMAGINE進(jìn)行衛(wèi)星影像幾何糾正的方法[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013，36(1)：143-145

[3] 馬洪超，趙向東.基于地形隨機(jī)場(chǎng)模型的遙感圖像幾何糾正[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2006，35 (3)：251-254

[4] 王學(xué)平.遙感圖像幾何校正原理及效果分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25(9)：102-105

TheApplicationoftheRemoteSensingImageOrtho-rectificationinRailwayEngineeringMapping

TANG Hong-ying

2014-08-04

唐紅鷹(1965—)，女，1987年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道航空勘測(cè)專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)05-0023-03

P236

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