ArcGIS影像配準(zhǔn)在碳監(jiān)測中的應(yīng)用研究

先文娟

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110122)

1研究背景

根據(jù)《土地利用、土地利用變化及林業(yè)(LULUCF)碳監(jiān)測試點技術(shù)方案》的要求，2013年遼寧省開展了全省LULUCF碳監(jiān)測試點工作。

碳監(jiān)測試點的數(shù)據(jù)調(diào)查主要利用遙感抽樣調(diào)查方法，基于格網(wǎng)理論，結(jié)合遼寧省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查及其檔案更新數(shù)據(jù)和相關(guān)現(xiàn)有的各種林業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時增設(shè)地面大樣地調(diào)查獲取相關(guān)數(shù)據(jù)等地面調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析得到全省碳變化量。

依據(jù)技術(shù)方案，遼寧省以15分經(jīng)緯格網(wǎng)作為分級和賦予格網(wǎng)代碼的基本單元，在全省范圍內(nèi)確定邊長4 km的正方形樣地研究區(qū)共316個，采用2005年衛(wèi)星影像及2013年航拍影像進(jìn)行對比分析。其中，2005年衛(wèi)星影像的空間參考為1954北京大地坐標(biāo)，2013年航拍影像的空間參考為1980西安大地坐標(biāo)。為得到碳變化量，必須對影像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后再完成對比工作。

傳統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法是依靠轉(zhuǎn)換參數(shù)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。而根據(jù)《中華人民共和國測繪法》，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)為保密數(shù)據(jù)，大部分生產(chǎn)單位無法直接獲得，只能通過平差計算的方法得到。平差方法專業(yè)性強，精度有限，需要耗費大量的人力及時間成本。因此，我們嘗試?yán)糜跋衽錅?zhǔn)的方法解決碳監(jiān)測兩期遙感影像坐標(biāo)不一致問題，實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2 原理與方法

2.1 影像預(yù)處理

我們只對研究區(qū)內(nèi)的樣地變化感興趣，因此，需要對2005年及2013年兩期影像進(jìn)行預(yù)處理，生成和研究區(qū)大小一致的遙感影像，以此來減少工作量，提高機器運轉(zhuǎn)效率。

影像預(yù)處理主要包含兩部分內(nèi)容：一是對2005年遙感影像進(jìn)行裁切，二是對2013年航拍影像進(jìn)行鑲嵌。

2.2 影像配準(zhǔn)

影像配準(zhǔn)是將不同時間、不同傳感器(成像設(shè)備)或不同條件下(天候、照度、攝像位置和角度等)獲取的兩幅或多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加的過程。配準(zhǔn)屬于相對校正, 是指一幅影像相對另一幅影像的校正, 基準(zhǔn)圖像不一定帶有地理信息, 只是兩幅影像之間的位置相對一致, 與真實位置不一定一致[1]。

考慮到林業(yè)系統(tǒng)已全面采用1980西安大地坐標(biāo)系為空間參考系，在進(jìn)行影像配準(zhǔn)時，我們以2013年影像為基準(zhǔn)影像，2005年影像為待糾正影像。

3 研究內(nèi)容

本文以實驗區(qū)內(nèi)某樣地為例，利用ArcGIS工具實現(xiàn)兩期影像的配準(zhǔn)工作。

3.1 影像裁切

2005年影像為遼寧省全省鑲嵌后的影像，其范圍遠(yuǎn)大于研究區(qū)范圍。因此，我們使用ArcGIS空間分析工具中的Extract by Mask工具對影像進(jìn)行裁切處理，使其與研究區(qū)范圍一致。

3.2 影像鑲嵌

2013年影像為單張航片，研究區(qū)內(nèi)涉及多張航片。因此，我們使用ArcGIS數(shù)據(jù)管理工具中的Mosaic To New Raster工具對影像進(jìn)行批量鑲嵌處理，使其與研究區(qū)范圍一致。

3.3 影像配準(zhǔn)

2005年影像本身帶有空間參考，在進(jìn)行配準(zhǔn)前需先去掉其空間參考。隨后利用ArcGIS的Georeferencing工具進(jìn)行影像配準(zhǔn)。

影像配準(zhǔn)具體步驟如下：

(1)Georeferencing工具欄的Layer下拉框選擇待糾正影像，即裁切完的2005年影像。

(2)選取同名點。先選取2005年影像上明顯的永久性地物點(如道路拐點、房屋拐點、山脊山谷線等)，再選取2013年影像上對應(yīng)的地物點。其中，綠色十字叉中心對應(yīng)待糾正影像地物點，紅色十字叉對應(yīng)基準(zhǔn)影像地物點，如圖1所示。

a、選取2005年影像上明顯的永久性地物點

b、選取2013年影像上對應(yīng)的地物點

(3)重復(fù)步驟2，至少選取9個均勻分布在航片上的同名點。

(4)查看Label Link，檢查配準(zhǔn)誤差，如圖2所示。依據(jù)最小二乘原理，選取4個以上的同名點后方能查看準(zhǔn)確的配準(zhǔn)誤差，配準(zhǔn)誤差(Residual以及Total RMS Error)越小越好。依據(jù)相關(guān)規(guī)范和工作經(jīng)驗，配準(zhǔn)誤差不能超過5 m[2]。如若誤差超限，可以通過繼續(xù)添加點位或者刪除誤差過大點位的方式重新選取，直至配準(zhǔn)誤差滿足要求為止。

圖2 配準(zhǔn)誤差查看

(5)誤差滿足限差要求后，保存坐標(biāo)點文件，點擊Georeferencing下的Rectify，進(jìn)行圖像糾正，保存糾正后的影像。

完成影像配準(zhǔn)后，我們得到了位于1980西安大地坐標(biāo)系下的2005年影像，完成了影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作，為后期的影像對比及碳變化量計算工作打下基礎(chǔ)。

4 分析與小結(jié)

在進(jìn)行林業(yè)資源連續(xù)監(jiān)測的過程中，常常需要對比多期數(shù)據(jù)，而由于歷史原因，各時期數(shù)據(jù)的空間參考并不完全一致。而在進(jìn)行數(shù)據(jù)對比時，所有數(shù)據(jù)必須位于同一參考系中。因此，不同坐標(biāo)系之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作尤為重要。

傳統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式需要用到不同坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)為保密數(shù)據(jù)，日常工作中只能通過大量的平差計算獲得研究區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，其精度取決于控制點及轉(zhuǎn)換模型的選取，轉(zhuǎn)換參數(shù)也只能保證其轉(zhuǎn)換結(jié)果在一定區(qū)域范圍內(nèi)適用。

本文嘗試?yán)糜跋衽錅?zhǔn)的方法實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，解決了研究區(qū)內(nèi)兩期影像坐標(biāo)不一致的問題，在確保研究區(qū)配準(zhǔn)精度的同時，省去了外業(yè)采集和模型計算的環(huán)節(jié)。后續(xù)工作表明，利用此方法得到的影像數(shù)據(jù)精度足以滿足工作生產(chǎn)需求，為碳監(jiān)測試點工作提供了極大的幫助。因此，在不知道坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下，可以考慮使用影像配準(zhǔn)的方法完成柵格數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。