重構(gòu)RPC在提高衛(wèi)星影像精度的應(yīng)用

黃 昭

(廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075)

0 引言

目前針對(duì)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星影像的幾何校正，主要基于有理多項(xiàng)式系數(shù)(RPC)的有理函數(shù)模型(rational function model)，利用基準(zhǔn)影像及數(shù)字高程模型(DEM)的高程信息，在衛(wèi)星影像中提取同名點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星影像自帶的RPC進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而獲得符合精度要求的正射糾正影像。當(dāng)衛(wèi)星影像自帶的RPC存在問題時(shí)，常規(guī)處理方法將無法把RPC優(yōu)化至規(guī)范要求的精度水平。

本文使用的PIEorthor的重構(gòu)RPC功能，通過控制點(diǎn)平差，對(duì)存在問題的衛(wèi)星影像RPC進(jìn)行重新解算優(yōu)化，以解決同景衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)因RPC問題導(dǎo)致的精度達(dá)不到要求的情況。

1 原理概述

1.1 幾何校正原理

幾何校正一般利用一系列數(shù)學(xué)模型來降低遙感影像成像時(shí)產(chǎn)生的幾何畸變，獲得更高精度的遙感影像。基于有理函數(shù)模型的幾何精校正的重點(diǎn)是利用嚴(yán)密的幾何模型，通過計(jì)算分析，在影像數(shù)據(jù)中提取數(shù)量充足、均勻分布的控制點(diǎn)，獲得足夠的參數(shù)用于定向分析，提高模擬精度，而且應(yīng)用更靈活。

1.2 有理函數(shù)模型

高分辨率衛(wèi)星影像通常使用嚴(yán)格軌道模型完成影像的高精度幾何定位，但衛(wèi)星制造者基于保密原因，會(huì)提供一種包含有理多項(xiàng)式系數(shù)的文件，作為衛(wèi)星影像的幾何校正處理的參數(shù)，代替以共線條件為嚴(yán)格成像幾何模型，并將這種使用RPC文件系數(shù)的模型稱為有理函數(shù)模型。有理函數(shù)模型相對(duì)傳感器和衛(wèi)星平臺(tái)，沒有直接關(guān)聯(lián)，不涉及傳感器成像的物理意義，而是通過有理多項(xiàng)式，描述像點(diǎn)和相應(yīng)地面點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，具有優(yōu)良的擬合特性，但影像自帶的RPC參數(shù)有較大的誤差，需要建立誤差補(bǔ)償模型進(jìn)行補(bǔ)償。

有理函數(shù)模型使用比值多項(xiàng)式將原始衛(wèi)星影像的像點(diǎn)坐標(biāo)d(Line(行)，Sample(列))和與其相對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)大地測(cè)量坐標(biāo)(Latitude(緯度)，Longitude(經(jīng)度)，Height(高度))關(guān)聯(lián)起來。為增強(qiáng)參數(shù)求解的穩(wěn)定性，需將地面坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)正則化到[-1，1]之間。其比值多項(xiàng)式描述為：

(1)

式中：(x，y)為正則化的原始衛(wèi)星圖像坐標(biāo)；(X，Y，Z)為正則化的地面點(diǎn)大地測(cè)量坐標(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(xiàng)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(xiàng)式。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中，以一景資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，影像獲取時(shí)間為2018年2月，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)RPC精度較差，無法進(jìn)行有效定向。匹配后點(diǎn)位分布如圖1，定向平差結(jié)果如表1所示。

圖1 原始RPC匹配點(diǎn)位分布圖

誤差RMSXRMSYRMSXY最大誤差-4.818-6.5398.122平均誤差4.1474.2505.938標(biāo)準(zhǔn)誤差1.41.42.0

從圖1和表1可以看出 ，在使用原始影像RPC情況下。匹配到的控制點(diǎn)數(shù)量較少，且分布不均，定向平差結(jié)果無法符合精度要求。

2.2 試驗(yàn)過程

(1)點(diǎn)位量測(cè)。使用點(diǎn)位測(cè)量功能，在原始影像數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)影像中尋找同名點(diǎn)，控制點(diǎn)3X3均勻分布。重構(gòu)RPC精度與控制點(diǎn)點(diǎn)位分布直接相關(guān)，如果控制點(diǎn)分布不均，重構(gòu)的RPC精度也會(huì)較差。(2)重構(gòu)RPC。利用點(diǎn)位量測(cè)得到的控制點(diǎn)，使用單片模型解算-修正已有RPC/RPB功能，進(jìn)行平差計(jì)算，得到符合精度要求的平差報(bào)告后，使用單片模型解算-重構(gòu)RPC/RPB文件功能，獲得新的RPC文件。

(3)使用重構(gòu)RPC進(jìn)行匹配。使用重構(gòu)生成的新RPC文件，對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，得到的點(diǎn)位分布圖如圖2，定向平差結(jié)果如表2所示。

圖2 重構(gòu)RPC匹配點(diǎn)位分布圖

表2 重構(gòu)后RPC影像定向平差結(jié)果 單位(像素)

2.3 效果評(píng)估

上述試驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)遇到因?yàn)樵?RPC，導(dǎo)致定向精度不符合要求的情況，可以通過人工刺點(diǎn)，重新解算RPC的方法來提高精度。

3 結(jié)語

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感影像的使用越來越普及，衛(wèi)星影像在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、環(huán)境建設(shè)等方面起著重要作用，人們對(duì)衛(wèi)星影像精度要求也越來越嚴(yán)格。本文對(duì)衛(wèi)星影像校正的研究是有意義的，為其他研究提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。另外，本次試驗(yàn)未將亞米級(jí)遙感影像列入實(shí)驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)驗(yàn)仍需在更高分辨率的遙感影像進(jìn)行驗(yàn)證。