Pleiades衛(wèi)星圖像正射糾正方法

楊寶林，呂婷婷，王少軍，張 志

(1．中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074;2．中國地質(zhì)大學(xué)公共管理學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星圖像的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛，尤其是高分辨率遙感圖像在土地開發(fā)、城市規(guī)劃設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測、高精度地圖繪制及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。高分辨率遙感圖像能夠反映礦山開采中各開采要素的空間關(guān)系及礦山采場地物的紋理等信息，結(jié)合區(qū)域含礦地層等基礎(chǔ)地質(zhì)資料，可以精確地識別礦山開采和礦山環(huán)境監(jiān)測目標(biāo)［1］。由法國和意大利合作研發(fā)的 Pleiades衛(wèi)星，其圖像的空間分辨率為0．5 m，幅寬為 20 km［2］，適合用作礦山開發(fā)狀況遙感監(jiān)測。

對高分辨率遙感圖像進行正射糾正是對其應(yīng)用的基礎(chǔ)［3］。以有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)為代表的通用傳感器模型具有與成像幾何無關(guān)、獨立于坐標(biāo)系統(tǒng)和實時性好等優(yōu)點［4］，因而得到了廣泛應(yīng)用。然而，Pleiades圖像作為一種應(yīng)用時間尚短的新型遙感數(shù)據(jù)，目前還缺少對其專用的正射糾正處理方法。本文以湖北省大冶—陽新地區(qū)2013年5—8月間獲取的6景Pleiades圖像為例，進行正射糾正方法研究，得到了一套較理想的正射糾正處理方法，為大規(guī)模應(yīng)用Pleiades圖像奠定了基礎(chǔ)。

1 RPC模型正射糾正原理

遙感圖像由于受投影方式、傳感器外方位元素變化、地球曲率以及地形起伏等因素的影響，往往存在一定的變形，正射糾正可有效地消除由于地形起伏引起的圖像畸變?；谛l(wèi)星信息保密的需要，衛(wèi)星制造者常采用一種有理多項式系數(shù)(rational polynomial coefficients，RPC)文件提供RFM糾正所需要的各項系數(shù)，因而也常將這種使用RPC文件系數(shù)的RFM模型稱為RPC模型，以用于高分辨率遙感圖像的幾何糾正處理，替代以共線條件為基礎(chǔ)的嚴(yán)格成像幾何模型。RPC模型獨立于傳感器和衛(wèi)星平臺，不考慮傳感器成像的物理意義，直接采用有理多項式形式來描述像點和相應(yīng)地面點之間的幾何關(guān)系。利用RPC模型對推掃式光學(xué)遙感圖像進行平差也已獲得了一定的進展［5］。

RPC模型將像點坐標(biāo)d(Line(行)，Sample(列))和與其對應(yīng)的地面點大地測量坐標(biāo)D(Latitude(緯度)，Longitude(經(jīng)度)，Height(高度))用比值多項式關(guān)聯(lián)起來，將地面坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)正則化到［－1，1］之間，以增強參數(shù)求解的穩(wěn)定性。對于一景圖像，定義其比值多項式［6］為

式中:(X，Y，Z)為正則化的地面坐標(biāo);(x，y)為正則化的圖像坐標(biāo);NumL和NumS分別為求解正則化圖像橫縱坐標(biāo)x和y所用的分子多項式;DenL和DenS分別為求解正則化圖像橫縱坐標(biāo)x和y所用的分母多項式。

各多項式的項數(shù)相同，只是系數(shù)不同，即

式(2)—(5)中:ai，bi，ci，di(i=0，1，2，．．．，19)為各多項式的系數(shù)。為保證式(1)恒有意義，DenL(X，Y，Z)的常數(shù)項b0及式DenS(X，Y，Z)的常數(shù)項d0通常為1。正則化公式為

式中:LATOFF，LATSCALE，LONGOFF，LONGSCALE，HEIGHTOFF和HEIGHTSCALE為地面坐標(biāo)的正則化參數(shù);LINEOFF，LINESCALE，SAMPOFF和SAMPSCALE為圖像坐標(biāo)的正則化參數(shù)［7］。

2 Pleiades圖像的正射糾正

高分辨率遙感衛(wèi)星多采用線陣列CCD(charge coupled device)探測器進行推掃式掃描成像，同時獲取高分辨率全色和多光譜圖像［8］?？紤]到這種成像方式的相似性和與RPC模型正射糾正原理的一致性，采用ERDAS9．2提供的IKONOS圖像正射糾正模型對Pleiades圖像進行有控制點的正射糾正。

2．1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了對Pleiades圖像進行正射糾正，除原始圖像外，還需要準(zhǔn)備地理參考資料，如帶有地理信息且具有一定地理精度的圖像或地形圖資料(作為參考，用以選取控制點)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)以及 Pleiades圖像的 RPC文件等。

目前，Pleiades圖像原始數(shù)據(jù)提供的文件格式為jpg2000。這種圖像格式的壓縮性比較好，但數(shù)據(jù)處理所需時間長［9］，不便在圖像處理軟件平臺上直接進行處理。為了提高在ERDAS9．2軟件平臺上圖像處理的速度，首先把Pleiades原始圖像格式j(luò)pg2000轉(zhuǎn)化為ERDAS標(biāo)準(zhǔn)圖像格式img。

要順利進行正射糾正，還要確保參考圖像與DEM處于同一坐標(biāo)系下。本次實驗要求采用1980西安坐標(biāo)系，利用ERDAS軟件提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能將參考圖像和DEM都轉(zhuǎn)換到該坐標(biāo)系下。1980西安坐標(biāo)系所采用的橢球是IAG75橢球，ERDAS軟件并不直接支持基于該橢球的坐標(biāo)系統(tǒng)，故需要在該軟件中通過修改特定文件的方式，手動添加該橢球的相關(guān)參數(shù)［10］。

2．2 RPC文件格式轉(zhuǎn)換

IKONOS正射糾正模型要求輸入格式為txt的RPC文件，而Pleiades衛(wèi)星圖像原始數(shù)據(jù)提供的RPC文件為xml格式。鑒于手工轉(zhuǎn)換方式不僅費時費力，而且極易出現(xiàn)錯誤，為此，本文利用C#語言開發(fā)了一套RPC文件格式轉(zhuǎn)換程序，具體步驟如下:

1)利用C#語言中用Xm lDocument類實現(xiàn)的文檔對象模型完成對Pleiades圖像RPC文件中所需系數(shù)的讀入，每個系數(shù)對應(yīng)于xm l格式的RPC文件中特定的節(jié)點。對于RPC文件為正值的系數(shù)，需要在其前添加“+”號(這是IKONOS圖像RPC文件格式的要求)。主要程序為

2)利用C#語言中的文件輸入流函數(shù)生成IKONOS衛(wèi)星的RPC文件，生成的RPC文件為 txt格式。主要程序為

2．3 控制點選取

選取待糾正圖像和地理參考資料中均有且能夠準(zhǔn)確識別的同名地物點為控制點?？刂泣c在待糾正圖像內(nèi)應(yīng)均勻分布，每景圖像的控制點數(shù)量為9～12個，同時保證各控制點的均方根誤差在限差要求范圍內(nèi)。每景圖像的4個角均要有一個控制點，以保證成圖區(qū)域的精度［12］。一般選取線狀地物交叉口等特征明顯的地物為控制點［13］。相鄰景圖像的重疊區(qū)內(nèi)應(yīng)選取不少于3個公共控制點，以確保糾正精度。對圖像中地形起伏較大的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)增加控制點個數(shù)，以保證糾正精度。

3 精度評定

3．1 基于視覺效果的定性評價

完成正射糾正后，圖像的幾何變形得到了有效糾正，糾正效果在山區(qū)表現(xiàn)得更加明顯，可以根據(jù)同區(qū)域山區(qū)道路形狀進行直觀對比(圖1)。

圖1 RPC文件轉(zhuǎn)換錯誤與正確時正射糾正效果對比(局部)Fig．1 Comparison of orthographic correction effects between wrong and correct RPC file conversion(part)

將原始圖像(圖1(a))和RPC文件轉(zhuǎn)換(利用本文所編寫的程序進行轉(zhuǎn)換)正確時的正射糾正效果(圖1(d))分別與參考圖像(圖1(b))進行對比，可以看出，圓形區(qū)域內(nèi)的道路影像在圖1(a)中的位置明顯右偏，且道路形狀有變形;而圖1(d)中的道路影像與圖1(b)中的道路影像基本對應(yīng)。

將圖1(c)(手工轉(zhuǎn)換RPC文件的糾正結(jié)果)與參考圖像(圖1(b))進行對比，可以看出，圓形區(qū)域內(nèi)的道路影像在圖1(c)中有明顯的東西向拉伸，且道路形狀有變形。

基于視覺效果的對比結(jié)果表明，正確轉(zhuǎn)換格式的RPC文件是正射糾正的基礎(chǔ)。在RPC文件格式正確轉(zhuǎn)換的情況下，正射糾正后圖像中的礦區(qū)道路變形得到糾正。

3．2 基于中誤差的定量評價

隨機選擇16個均勻分布的明顯地物點作為檢查點，分別獲取各檢查點在參考圖像和正射糾正圖像 中的坐標(biāo)值，計算點位誤差，得到糾正精度(表1)。

表1 正射糾正精度Tab．1 Accuracy of ortho－rectification (m)

以中誤差作為圖像正射糾正質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)［14］，正射糾正后，圖像在X方向的中誤差為±1．4 m，Y方向的中誤差為±1．3 m，總體中誤差為±1．9 m。按照礦山開發(fā)狀況遙感調(diào)查的要求，正射糾正后圖像的中誤差不得大于參考圖像中2個像元的大小(參考圖像空間分辨率為2．5m，故中誤差不得大于5 m)，本文正射糾正后的圖像精度符合相關(guān)的限差要求。

3．3 應(yīng)用效果

湖北省大冶—陽新地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，礦山開采活動歷史悠久，開采方式和開采礦種多樣，因而常出現(xiàn)無證開采和越界開采等違規(guī)行為。為了及時有效地監(jiān)測礦山開采活動，需要利用幾何精度高的高分辨率遙感圖像。

根據(jù)本文研究的方法，應(yīng)用ERDAS軟件和利用C#語言開發(fā)的程序?qū)υ摰貐^(qū)的Pleiades圖像進行的正射糾正效果理想。經(jīng)實際應(yīng)用對比表明，該方法省時省力、圖像偏差小、精度高，適合大規(guī)模應(yīng)用Pleiades圖像時的正射糾正。經(jīng)過正射糾正的圖像中的礦業(yè)開采痕跡清晰，礦區(qū)房屋和道路的幾何變形得到了有效糾正，有利于對礦山開采活動進行目視解譯和遙感動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)論與展望

1)通過對Pleiades圖像正射糾正試驗研究，成功獲得了一套較理想的正射糾正處理方法，為今后Pleiades圖像的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2)本文開發(fā)的RPC文件轉(zhuǎn)換程序可以用于批量的Pleiades衛(wèi)星RPC文件格式轉(zhuǎn)換，能夠提高轉(zhuǎn)換效率和準(zhǔn)確性，為大規(guī)模應(yīng)用Pleiades圖像數(shù)據(jù)打下了基礎(chǔ)。通過在湖北省大冶—陽新地區(qū)礦山開采活動的遙感監(jiān)測工作中的應(yīng)用，證明該方法誤差小、精度高。

3)作為一種新型的高分辨率遙感圖像，Pleiades圖像在礦山開發(fā)狀況遙感調(diào)查與監(jiān)測及其他領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。今后還需要進一步探討Pleiades圖像的RPC文件中提供的Direct_Model系數(shù)的使用方法及綜合使用Direct_Model和Inverse_Model這2套系數(shù)進一步提高正射糾正精度的方法。

［1］ 陳偉濤，張 志，王焰新．礦山開發(fā)及礦山環(huán)境遙感探測研究進展［J］．國土資源遙感，2009，21(2):1－8．doi:10．6046/gtzyyg．2009．02．01．Chen W T，Zhang Z，Wang Y X．Advances in remote sensing－based detecting of mine exploitation and mine environment［J］．Remote Sensing for Land and Resources，2009，21(2):1－8．doi:10．6046/gtzyyg．2009．02．01．

［2］ 徐 偉，樸永杰．從Pleiades剖析新一代高性能小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展［J］．中國光學(xué)，2013，6(1):9－19．Xu W，Piao Y J．Analysis of new generation high－performance small satellite technology based on the Pleiades［J］．Chinese Optics，2013，6(1):9－19．

［3］ 宋偉東，陳靜波，王偉璽．高分辨率遙感影像單片定位及正射糾正方法［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，28(1):36－39．Song W D，Chen JB，Wang W X．Research on positioning and ortho－rectification of single high－resolution image based on approximate sensor model［J］．Journal of Liaoning Technical University:Natural Science，2009，28(1):36－39．

［4］ 張劍清，張 勇，鄭順義，等．高分辨率遙感影像的精糾正［J］．武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2004，29(11):994－998．Zhang JQ，Zhang Y，Zheng SY，et al．Accurate rectification of re-mote sensing images with high resolution［J］．Geomatics and Information Science of Wuhan University，2004，29(11):994－998．

［5］ Grodecki J，Dial G．Block adjustment of high－resolution satellite images described by rational polynomials［J］．Photogrammetry Engineering and Remote Sensing，2003，69(1):59－68．

［6］ Grodecki J．IKONOS stereo feature extraction－RPC approach［C］//ASPRS 2001 Annual Conference Proceeding，Saint Louis:American Society for Photogrammetry and Remote Sensing，2001．

［7］ 邵 俊，郭建寧．CBERS－02B衛(wèi)星HR相機遙感影像RPC校正方法［J］．航天返回與遙感，2010，31(2):29－37．Shao J，Guo JN．RPC correction method on HR remote sensing images of CBERS－02B satellite［J］．Spacecraft Recovery and Remote Sensing，2010，31(2):29－37．

［8］ 王 濤，張 艷，張永生，等．高分辨率遙感衛(wèi)星傳感器嚴(yán)格成像模型的建立及驗證［J］．遙感學(xué)報，2013，17(5):1087－1102．Wang T，Zhang Y，Zhang Y S，et al．Construction and validation of rigorous imaging model for high－resolution remote sensing satellites［J］．Journal of Remote Sensing，2013，17(5):1087－1102．

［9］ 張曉娣，劉貴忠，曾召華，等．新一代的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000［J］．電信科學(xué)，2001，17(5):20－23．Zhang X D，Liu G Z，Zeng Z H，et al．A new standard JPEG2000 for still image compression［J］．Telecommunications Science，2001，17(5):20－23．

［10］ 王永立，劉建忠．PCIGeomatica中自定義西安80坐標(biāo)［J］．國土資源遙感，2007，19(2):90－93．doi:10．6046/gtzyyg．2007．02．23．Wang Y L，Liu JZ．Self－defined Xi’an 80 coordinate in PCIgeomatica software［J］．Remote Sensing for Land and Resources，2007，19(2):90－93．doi:10．6046/gtzyyg．2007．02．23．

［11］ 雷文平，常君磊，姜海濱．從用戶需求到產(chǎn)品定義的PLEIADES衛(wèi)星圖像質(zhì)量［C］//第二十三屆全國空間探測學(xué)術(shù)交流會論文摘要集．北京:中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會，2010．LeiW P，Chang J L，Jiang H B．Pleiades satellite image quality:From the user’s demand to the product definition［C］//Academic Exchange Abstract Set of 23rd National Symposium on Space Exploration．Beijing:Space Exploration Professional Committee of China Space Science Society，2010．

［12］ 余樹影，王海燕，韓鵬飛，等．淺談遙感影像糾正方法及精度分析［J］．測繪技術(shù)裝備，2010，12(2):22－23．Yu SY，Wang H Y，Han P F，et al．Discussion on method ＆ accuracy analysis of remote sensing image rectification［J］．Geomatics Technology and Equipment，2010，12(2):22－23．

［13］ 王 琰，舒 寧，龔 龑．高分辨率遙感影像土地利用變化檢測方法研究［J］．國土資源遙感，2012，24(1):43－47．doi:10．6046/gtzyyg．2012．01．08．Wang Y，Shu N，Gong Y．A study of land use change detection based on high resolution remote sensing images［J］．Remote Sensing for Land and Resources，2012，24(1):43－47．doi:10．6046/gtzyyg．2012．01．08．

［14］ 朱 倩，李 霞，李少峰．基于有理函數(shù)模型和多項式模型的天繪一號影像幾何校正精度評估［J］．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2013，42(2):110－114．Zhu Q，Li X，Li SF．Accuracy assessment of TH－1 satellite image geometric correction using rational function model and polynomial model［J］．Journal of University of Science and Technology of China，2013，42(2):110－114．