石迎春，葉 浩，郭 嬌，董秋瑤

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061)

幾何糾正模式對(duì)QuickBird全色影像定位精度的影響
——以黃土高原為例

石迎春，葉 浩，郭 嬌，董秋瑤

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061)

以陜北黃土高原的QuickBird全色影像為例，設(shè)計(jì)了4種幾何精糾正模式并試驗(yàn)其對(duì)糾正后影像平面精度的影響。結(jié)果表明:①在控制點(diǎn)(GCP)均勻分布的條件下，隨著GCP個(gè)數(shù)的不同，GCP殘差的變幅遠(yuǎn)大于糾正后影像均方根的變幅;②利用實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)－正射糾正模式糾正后的影像精度最高，1∶10 000地形圖－正射糾正模式次之，實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)－多項(xiàng)式糾正模式再次之，1∶10 000地形圖－多項(xiàng)式糾正模式的精度最低，它們的最高定位精度分別為2.33 m、4.30 m、6.91 m和7.42 m;③在實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)－正射糾正模式中，GCP個(gè)數(shù)對(duì)糾正后影像的精度影響不大，其余3種模式的GCP個(gè)數(shù)越多、糾正后影像的精度越高。

QuickBird全色影像;平面精度;黃土高原

0 引言

QuickBird是由美國(guó)數(shù)字全球公司于2001年發(fā)射的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星，其全色影像星下點(diǎn)空間分辨率達(dá)0.61 m。較高的空間分辨率讓人們可以獲取更多的地物結(jié)構(gòu)、形狀和紋理等方面的信息，能夠在較小的空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化。憑借上述優(yōu)勢(shì)，QuickBird影像已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、測(cè)繪制圖、城市建設(shè)規(guī)劃、交通、水利、軍事、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、資源環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理等領(lǐng)域，而且用途會(huì)越來(lái)越廣泛。

對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何精糾正，是衛(wèi)星影像應(yīng)用前的一項(xiàng)重要工作。而空間分辨率很高的衛(wèi)星影像，其幾何精糾正方式也與中低分辨率影像有很大差別。前人在對(duì)QuickBird影像進(jìn)行幾何精糾正時(shí)，多數(shù)采取了多項(xiàng)式糾正法［1－3］，少數(shù)選擇了正射糾正法［4］;在參考數(shù)據(jù)方面，一部分人利用高精度測(cè)量?jī)x器實(shí)測(cè)的GPS控制點(diǎn)［5］，另一部分人則直接從地形圖上采集地面控制點(diǎn)(GCP)［6］，地形圖的比例尺為1∶500～1∶10 000不等。雖然部分學(xué)者認(rèn)為1∶10 000地形圖不能滿足糾正QuickBird影像的要求［7］，但由于我國(guó)目前大部分地區(qū)能提供的地形圖的最大比例尺只有1∶10 000，因此很多用戶只得采用該比例尺地形圖糾正QuickBird影像［8］。從前人的應(yīng)用效果來(lái)看，相對(duì)于特定的用途，利用以上各種模式進(jìn)行幾何糾正后的QuickBird影像，其幾何精度都能滿足相關(guān)要求。此外，部分學(xué)者還初步對(duì)比了多項(xiàng)式糾正法和正射糾正法對(duì)于QuickBird影像的定位精度，認(rèn)為無(wú)論采用多項(xiàng)式糾正還是正射糾正都能取得較好的定位精度［9］?？墒牵鲜龇椒ǖ膶?shí)驗(yàn)區(qū)大多集中于高差相對(duì)較小的平原區(qū)，在地形更為復(fù)雜的丘陵及山區(qū)，經(jīng)各種糾正方式及參考數(shù)據(jù)組合模式糾正的影像，其幾何精度能達(dá)到多少?各模式之間差別會(huì)有多大?都需要用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)不同幾何糾正模式對(duì)QuickBird全色影像糾正精度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在利用1∶10 000地形圖制作的DEM的基礎(chǔ)上，共考慮了4種幾何精糾正模式對(duì)QuickBird影像糾正后精度的影響:①以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的多項(xiàng)式糾正(GPS－POLY);②以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的正射糾正(GPS－ORTHO);③以1∶10 000地形圖為參考的多項(xiàng)式糾正(TOPO－POLY);④以1∶10 000地形圖為參考的正射糾正(TOPO－ORTHO)。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于陜西省榆林市綏德縣以北，介于110°15'00″～ 110°25'01″E、37°33'48″～ 37°41'56″N之間，面積約為225 km2。該區(qū)屬于無(wú)定河流域，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，有4條較大的支流(韭園溝、滿堂川、麻地溝和薛家河);地貌上屬于陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，最高海拔1 135 m，最低海拔855 m，地形復(fù)雜。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)使用的QuickBird全色影像數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)正射預(yù)處理產(chǎn)品，覆蓋面積為15 km×15 km，像元大小為0.6 m，坐標(biāo)系統(tǒng)為 UTM(WGS84)，成像時(shí)間有2期(分別為2004年9月22日與2009年4月16日)。影像糾正實(shí)驗(yàn)主要采用了2009年獲取的影像。

采用的1∶10 000地形圖共計(jì)12幅，投影系統(tǒng)為高斯－克呂格(1980西安坐標(biāo)系)。

3 數(shù)據(jù)處理

QuickBird影像的幾何糾正都在專業(yè)遙感軟件系統(tǒng)ERDAS IMAGINE 9.1上進(jìn)行，DEM的制作用MapGIS 67軟件進(jìn)行，后期的誤差統(tǒng)計(jì)分析用Microsoft Excel軟件完成。影像糾正采用1980西安坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3.1 地形圖糾正及DEM制作

本次實(shí)驗(yàn)使用的地形圖的等高距為5 m。首先將紙介質(zhì)地形圖通過(guò)掃描形成TIFF文件，然后利用遙感軟件進(jìn)行糾正。使用的地面控制點(diǎn)為地形圖上所有的公里網(wǎng)交匯點(diǎn)及4個(gè)角點(diǎn)，糾正方法為二次多項(xiàng)式，重采樣方式為立方卷積。

本次使用的DEM由1∶10 000地形圖制作而成。具體方法是將糾正后的地形圖導(dǎo)入MapGIS，利用該軟件對(duì)地形圖中的每條等高線以及每個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化，并賦予相應(yīng)的高程值。利用DTM分析模塊對(duì)等高線和高程點(diǎn)進(jìn)行柵格化，形成DEM，像元大小為 1.0 m ×1.0 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)DEMFig.1 DEM of the test area

3.2 實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)GCP

2008年7～9月，利用高精度華測(cè)型GPS測(cè)量系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)區(qū)共測(cè)量34個(gè)GCP點(diǎn)位，然后利用華測(cè)COMPISS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)平差計(jì)算。所測(cè)GCP為道路交叉點(diǎn)，均勻分布于實(shí)驗(yàn)區(qū)。由于陜北地區(qū)的大部分國(guó)家已知三角點(diǎn)已遭到破壞，因此本次測(cè)量工作掛聯(lián)的國(guó)家三角點(diǎn)均在實(shí)驗(yàn)區(qū)外(并且只使用了2個(gè))。平差邊長(zhǎng)中誤差最大為5 mm，最小為2.1 mm;平面位置中誤差△X=0.007 9 m，△Y=0.007 0 m，△H=0.116 8 m。

3.3 影像精糾正

為了對(duì)比4種幾何精糾正模式下QuickBird全色影像幾何糾正后的誤差，本文進(jìn)行了多次影像精糾正實(shí)驗(yàn)。每一次精糾正過(guò)程中，都盡量保證GCP均勻分布，采取了首先盡可能多地采集GCP、然后逐步刪除一些誤差較大GCP的做法。在4種糾正模式中，所有的34個(gè)實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)位都參與了糾正后影像的精度檢查(盡管其中有些點(diǎn)位在GPSPOLY及GPS－ORTHO糾正模式中充當(dāng)了GCP)。利用相同的檢查點(diǎn)有利于綜合對(duì)比4種模式對(duì)糾正后影像的精度影響。

在對(duì)QuickBird影像精糾正過(guò)程中，無(wú)論采用哪種糾正模式，由于實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜且高差較大，都很難將GCP殘差控制在1個(gè)像元以內(nèi);即使采用GPS－ORTHO模式，也只有在GCP個(gè)數(shù)為9個(gè)時(shí)，其殘差才能小于1個(gè)像元。由于本次實(shí)驗(yàn)重在對(duì)比4種模式的糾正精度，而且實(shí)驗(yàn)區(qū)為山區(qū)，故沒(méi)有對(duì)殘差大小做規(guī)定。

4 結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1 地形圖糾正精度

在將1∶10 000地形圖用作QuickBird全色影像糾正的參考圖形之前，首先測(cè)量了地形圖本身糾正后的誤差。在所有的GPS點(diǎn)位中，有13個(gè)點(diǎn)位能在地形圖上找到相應(yīng)的位置，其糾正后誤差如表1所示。

表1 糾正后地形圖誤差Tab.1 Error of the rectified topographic maps

從表1中的13個(gè)檢查點(diǎn)來(lái)看，地形圖糾正后最大誤差達(dá)到9.25 m，最小誤差約為2.22 m，其均方根(RMS)為5.64 m，與前人分析的地形圖誤差在5.5～10 m之間的結(jié)果基本一致。

4.2 Quickbird全色影像糾正前精度

天目公司提供的標(biāo)準(zhǔn)正射預(yù)處理QuickBird影像已具有地理坐標(biāo)，其坐標(biāo)系統(tǒng)為UTM(WGS84)。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，并統(tǒng)計(jì)了2期影像各自的點(diǎn)位誤差。根據(jù)表2，影像糾正前的點(diǎn)位誤差在98～160 m之間，而且2期影像的成像質(zhì)量并不相同。雖然其RMS差別很小，但標(biāo)準(zhǔn)差(STDEN)卻有較大的差距，2009年影像的STDEN為15.7 m，而2004年影像的STDEN只有8.5 m。這說(shuō)明2004年影像變形小，質(zhì)量更好。

表2 QuickBird全色影像糾正前誤差Tab.2 Error of QuickBird panchromatic image before rectification

在對(duì)比2期影像點(diǎn)位誤差與高程的關(guān)系時(shí)，出現(xiàn)了截然相反的情況(圖2)。糾正前各點(diǎn)位的誤差在2009年影像上與高程呈正相關(guān)，而在2004年影像上與高程呈負(fù)相關(guān)，這很可能是因受到衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)時(shí)的姿態(tài)影響所致。

圖2 影像糾正前誤差與高程的關(guān)系Fig.2 Relationship between the altitude and the error of images before rectification

4.3 GCP殘差與影像糾正后精度的關(guān)系

在使用不同GCP的情況下，對(duì)比了影像糾正前GCP殘差與用不同糾正模式糾正后影像的RMS的關(guān)系(圖3)。

圖3 GCP殘差與4種糾正模式糾正后影像RMS對(duì)比Fig.3 Comparison between residual error of GCPs and RMSs of rectified images

表3 GCP殘差與糾正后影像RMS變幅對(duì)照Tab.3 Comparison of the range between residual error of GCPs and RMSs of rectified image

從圖3還可以看出，除個(gè)別 GCP點(diǎn)外，在TOPO－POLY(圖3(b))與GPS－ORTHO(圖3(c))2種模式中，基本體現(xiàn)了GCP殘差與糾正后影像RMS呈正相關(guān)的趨勢(shì)，即GCP殘差增大，糾正后影像RMS也增大;但兩者的變化速率不同，糾正后影像的RMS變化速率小于GCP殘差變化速率。但GPS－POLY(圖3(c))與TOPO－ORTHO(圖3(d))2種模式卻沒(méi)有上述規(guī)律。

4.4 四種糾正模式精度對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)，在保證控制點(diǎn)均勻分布的條件下，無(wú)論取多少個(gè)控制點(diǎn)，利用正射糾正的影像的RMS比利用多項(xiàng)式糾正的RMS小，以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的RMS比以1∶10 000地形圖為參考的RMS小。4種模式在試驗(yàn)中能達(dá)到的最小RMS及與之對(duì)應(yīng)的GCP個(gè)數(shù)見(jiàn)表4。

表4 四種糾正模式能達(dá)到的最小RMS值Tab.4 The minimal RMS value of rectified images through four rectification modes

表4表明，試驗(yàn)區(qū)能達(dá)到的最高定位精度為2.332 6 m(利用GPS－ORTHO模式糾正且控制點(diǎn)數(shù)為9)。

對(duì)4種模式糾正后影像的RMS值進(jìn)行線性趨勢(shì)化的結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 四種模式糾正后影像RMS對(duì)比Fig.4 Comparison of RMSs of images rectified by the four rectification modes

根據(jù)圖4可得到4種糾正模式的精度排序:GPS－ORTHO模式精度最高，TOPO－ORTHO模式次之，GPS－POLY模式再次之，TOPO－POLY模式精度最低。

而且，根據(jù)圖4也可得到GCP個(gè)數(shù)對(duì)影像糾正后精度影響的規(guī)律。除了GPS－ORTHO模式中GCP個(gè)數(shù)的變化對(duì)糾正后影像的RMS影響不太明顯外，其余3種校正模式都體現(xiàn)了GCP個(gè)數(shù)與糾正后影像RMS的相關(guān)性(即GCP個(gè)數(shù)越多，糾正后影像的RMS值越低，糾正精度越高)，只是變化斜率不同。

5 結(jié)論

(1)QuickBird全色影像的像元分辨率為0.61 m，但并不等于其定位精度能達(dá)到0.61 m。經(jīng)測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)正射預(yù)處理產(chǎn)品的初始平面精度為98～160 m，而且不同成像時(shí)間的影像其質(zhì)量也有所差別。

(2)本文設(shè)計(jì)了4種糾正模式對(duì)QuickBird全色影像進(jìn)行幾何精糾正:①以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的多項(xiàng)式糾正;②以實(shí)測(cè)GPS為參考的正射糾正;③以1∶10 000地形圖為參考的多項(xiàng)式糾正;④以1∶10 000地形圖為參考的正射糾正。

(3)在利用1∶10 000地形圖制作的DEM基礎(chǔ)上，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，利用上述4種幾何精糾正模式糾正后的影像精度有明顯差別。其中，利用正射糾正的精度比利用多項(xiàng)式糾正的精度高，以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的糾正精度比以地形圖為參考的糾正精度高;糾正精度由高到低排列為:以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的正射糾正、以1∶10 000地形圖為參考的正射糾正、以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的多項(xiàng)式糾正和以1∶10 000地形圖為參考的多項(xiàng)式糾正。在4種模式中，以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)為參考的正射糾正模式糾正的影像精度最高(最小糾正誤差只有2.33 m)，以地形圖為參考的多項(xiàng)式糾正模式糾正的影像精度最低(最小糾正誤差達(dá)到7.42 m)。

(4)GCP個(gè)數(shù)對(duì)影像糾正后精度也有影響，在以GPS點(diǎn)為參考的正射糾正模式中，其GCP個(gè)數(shù)對(duì)糾正后影像的精度影響不大，其余幾種模式都體現(xiàn)了GCP個(gè)數(shù)越多、糾正后影像精度越高的規(guī)律。

(5)QuickBird影像在進(jìn)行幾何精糾正時(shí)，雖然以實(shí)測(cè)GPS點(diǎn)位為參考的正射糾正能使圖像獲得很高的幾何精度，但需進(jìn)行GPS野外實(shí)地測(cè)量，并需制作高精度DEM，數(shù)據(jù)處理成本很高。因此建議用戶根據(jù)應(yīng)用目的合理選用適宜的糾正模式。

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The Effect of Geometric Rectification Modes on Positioning Accuracy for QuickBird Panchromatic Image:A Case Study of Loess Plateau

SHI Ying－chun，YE Hao，GUO Jiao，DONG Qiu－yao
(Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang 050061，China)

Based on the QuickBird panchromatic image of the loess plateau，the authors designed four geometric rectification modes including polynomial transformation and ortho－rectification by making reference of points measured by GPS in the field and reference of rectified 1 ∶10 000 topographic maps.The experiment results show that① with the even distribution of different numbers of GCPs，the range of residual error of GCPs is much wider than that of the RMS of rectified image in each rectification mode;② among the four rectification modes，the GPS point－ortho－rectification mode has the highest accuracy，followed in succession by 1 ∶10 000 topographic map －ortho－rectification mode，GPS point－polynomial transformation mode and 1∶10 000 topographic mappolynomial transformation mode.The highest accuracy for each mode is 2.33 m，4.30 m，6.91 m and 7.42 m respectively;③the GCP number is positively correlated with the accuracy of rectified images except for the GPS points－ ortho－rectification mode.

QuickBird panchromatic image;Positioning accuracy;Loess plateau

TP 751.1

A

1001－070X(2011)03－0135－05

2010－10－26;

2010－12－07

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)“利用快鳥(niǎo)影像計(jì)算黃土丘陵溝壑區(qū)溝坡侵蝕量研究”(編號(hào):SK200812)資助。

石迎春(1976－)，女，副研究員，主要從事遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:劉心季)