摘 要:本文結合QuickBird衛(wèi)星影像提供的RPC文件,對利用有理函數(shù)模型進行正射糾正的原理進行分析研究:通過實驗分析了經(jīng)正射糾正后影像點的定位精度,驗證了利用有理函數(shù)模型進行正射糾正的可行性,指出了的利用該模型的優(yōu)缺點和進一步需要解決的問題。
關鍵詞:高分辨率遙感衛(wèi)星畸變 糾正 重采樣
中圖分類號:P23 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2013)04(c)-0044-02
高分辨率遙感衛(wèi)星SPOT5、IKONOS、QuickBird、WORDVIEW-2等的出現(xiàn),使其在城市規(guī)劃、資源調(diào)查、地籍管理、災害預警和疾病防治等領域得到快速利用。WORDVIEW-2衛(wèi)星是目前空間分辨率最高的商業(yè)衛(wèi)星之一。
它有三個處理級別:基礎級產(chǎn)品、標準級產(chǎn)品和正射糾正產(chǎn)品。
由預備正射標準產(chǎn)品來生產(chǎn)正射產(chǎn)品,可有兩種方式:基于嚴格物理傳感器模型和基于通用傳感器模型。由于物理傳感器模型是與傳感器密切相關的,處于技術保密考慮,影響了其普遍性應用。而通用傳感器模型,器模型的目標空間和影像空間之間的轉換關系可以通過一定的數(shù)學函數(shù)來描述,這些函數(shù)的建立不需要傳感器成像的物理模型信息,具有與傳感器無關的特性,因此通用傳感器模型便成為人們研究的一個重要方向。
由于有理函數(shù)模型(RFM或RPC)與其他通用傳感器模型相比,具有更高的定位精度和更好的實用性,因而成為國內(nèi)外學者研究的一個熱點問題。
1 遙感圖像幾何畸變
幾何畸變是指遙感圖像在獲取過程中由于多種原因?qū)е戮拔镏心繕宋锵鄬ξ恢玫淖鴺岁P系圖像中發(fā)生變化,遙感圖像幾何畸變來源有下面四種。
(1)傳感器成像幾何形態(tài)影響:傳感器一般的成像幾何形態(tài)有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等幾種不同類型。
①全景投變形:紅外機械掃描儀、CCD線陣推帚式傳感器。
②斜距投影變形,側視雷達屬斜距投影。
(2)傳感器外方位元素變化畸變。
(3)地球自轉的影響:地球自轉對于瞬時光學成像遙感方式?jīng)]有影響,對于掃描成像則造成圖像平行錯動。
(4)地球曲率影響。
①在星下點視場角較小,曲率影響可忽略。
②產(chǎn)生的誤差原理與航空像片像點位移相同。
2 幾何校正的原理與方法
遙感圖像的幾何校正的有2個核心思想。
2.1 選擇控制點
在遙感圖像和地形圖上分別選擇同名控制點,以建立圖像與地圖之間的投影關系,這些控制點應該選在能明顯定位的地方,如河流交叉點等。
同名控制點選取用途:利用有限的控制點的已知坐標,解求多項式的系數(shù),確定變換函數(shù)。然后將各個像元帶入多項式進行計算,得到糾正后的坐標。
2.2 建立整體映射函數(shù)
根據(jù)圖像的幾何畸變性質(zhì)及地面控制點的多少來確定校正數(shù)學模型,建立起圖像與地圖之間的空間變換關系,如多項式方法、仿射變換方法等。遙感影像的數(shù)字糾正是通過計算機對圖像每個像元逐個地解析糾正處理完成的,其包括兩方面:一是像元坐標變換;二是像元灰度值重新計算(重采樣)。
(1)坐標變換的兩種方案。
首先要確定原始圖像和糾正后圖像之間的坐標變換關系。對其包括。
直接法:從原始圖像陣列出發(fā),依次對其中每一個像元分別計算其在輸出(糾正后)圖像的坐標,即:式中,x,y為P點原始圖像的行數(shù)和列數(shù);X,Y為P在新圖像中的坐標(即地面坐標系),并把P(x,y)的灰度值重新計算后送到P(X,Y)位置上去。
間接法:從空白圖像陣列出發(fā),依次計算每個像元P(X,Y)在原始圖像中的位置P(x,y),然后把該點的灰度值計算后返送給P(X,Y)。其糾正公式為:;兩則的區(qū)別如下圖1。
(2)輸出圖像的邊界大小。
輸出圖像邊界的地面坐標值是由包括糾正后圖像在內(nèi)的最小長方形范圍來確定的。(如圖2)
(3)遙感圖像灰度值的的重采樣內(nèi)插:為了使校正后的輸出圖像像元與輸入的未校正圖像相對應,根據(jù)確定的校正公式,對輸入圖像的數(shù)據(jù)重新排列。
重采樣內(nèi)插有幾種方法:最近鄰域法、雙線性內(nèi)插法、雙三次卷積法這里指探討用的最多的最近鄰法。
最近鄰域法:用距離投影點最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。當前校正后的網(wǎng)格(I,J),其中心點實地坐標為(X,Y),該網(wǎng)格屬性值A(I,J)等于原始圖像中心點距(x,y)最近的網(wǎng)格的屬性。如圖3所示:黃點:原始圖像像素;紅點:地理坐標反算像素。
2.3 遙感圖像數(shù)字糾正方法
糾正的函數(shù)可有多種選擇:多項式方法、共線方程方法等,其中多項式方法的應用最為普遍,這里主要討論高分辨率衛(wèi)星糾正精度比較高的的基于共線方程的物理模型糾正方法,此方法有如下三個思想。
(1)由于地形起伏和側視掃描成像造成的像點位移,需要利用DEM進行正射校正,其示意圖如圖4。
(2)共線方程==物理模型。
共線方程模型需要衛(wèi)星的軌道星歷參數(shù)和傳感器參數(shù)以恢復衛(wèi)星飛行瞬間成像的影像坐標和地面坐標之間的關系,是CCD影像糾正的精確數(shù)學模型,即物理模型,正射校正采用的物理模型是支持各種衛(wèi)星影像的嚴格物理模型(不同衛(wèi)星數(shù)據(jù),物理模型不同)。
物理模型方法與其它算法的本質(zhì)區(qū)別是:物理模型以數(shù)據(jù)獲取時衛(wèi)星的各種參數(shù)為基礎建立變形模型。因此利用大地控制點修正不準確的參數(shù),提高模型精確度,然后應用修正后的物理模型來校正圖像。
在地形起伏大或影像側視角大的地區(qū),對于能夠提供衛(wèi)星嚴格軌道模型的數(shù)據(jù),利用成像的衛(wèi)星軌道參數(shù)、傳感器參數(shù)及DEM,對影像進行嚴密的物理模型糾正。
糾正時首先恢復影像的成像模型,然后利用數(shù)字高程模型根據(jù)成像模型來糾正投影差,然后利用現(xiàn)有的控制資料或GPS外業(yè)實地測量獲取控制點三維坐標對影像進行控制糾正,最后得到正射糾正影像基于RPC的有理多項式正射校正,公式如下:
(,)歸一化的圖像坐標,(X,Y,Z)對應地面點的三維地理坐標,RPC(rational polynomial coefficient)模型適用于窄視場和強先驗信息的攝像系統(tǒng)。與寬視場攝像機不同,窄視場的攝像機投影參數(shù)不獨立。選用80個系數(shù)來確定投影關系部分遙感數(shù)據(jù)由于其物理模型參數(shù)的保密性等原因,數(shù)據(jù)生產(chǎn)商以RPC參數(shù)的形式提供衛(wèi)星拍攝時的軌道、姿態(tài)等信息。將地面的經(jīng)緯度坐標或者大地坐標與像片的行列號對應起來,這樣達到粗校正的目的。糾正時采用有理函數(shù)RPC模型來模擬其物理模型進行正射糾正。
3 SPOT5正射校正實驗
對于SPOT-5,其物理模型包括了衛(wèi)星與地球的位置關系(衛(wèi)星軌道、高度、坐標等),衛(wèi)星本身的姿態(tài)(側擺角、視角、視場、離心率等),傳感器參數(shù)(CCD相機的掃描模型),地球模型(橢球模型、投影系統(tǒng))以及圖像參數(shù)(影像中心坐標、四角坐標等)。利用這些模型參數(shù)、DEM數(shù)據(jù)和控制點坐標數(shù)據(jù),可以對遙感圖像進行正射校正。
以天津市薊縣山區(qū)1∶1萬的地形圖為基準圖,利用房山區(qū)10 m分辨率的DEM,采用通過地面控制點修正投影參數(shù)的RPC法對天津市薊縣山區(qū)2010年10月1日獲取的SPOT5的10 m分辨率的多光譜數(shù)據(jù)進行了正射校正,只需要9個控制點就達到了精度要求,結果如下圖5、圖6。
實驗證明:RPC模型結合高精度控制點和DEM數(shù)據(jù)的糾正方法精度很高,所需控制點少,RPC法優(yōu)于基于線性陣列掃描影像數(shù)字糾正方法。特別是通過地面控制點修正投影參數(shù)后,校正后較好的消除了地形起伏對影像幾何變形的影響。
參考文獻
[1]秦緒文.基于拓展RPC模型的多源衛(wèi)星遙感影像幾何處理[D].北京:中國地質(zhì)大學,2007.
[2]鞏丹超.高分辨率衛(wèi)星遙感立體影像處理模型與算法[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2003.
[3]張過.缺少控制點的高分辨率衛(wèi)星遙感影像幾何糾正[D].武漢:武漢大學,2005.
[4]Gro decki J.I KONOS Stereo Feature Ext raction RPC Approach[C].Proceedings of ASPRS,2001.
[5]邵俊.基于RPC模型的CBERS 02B衛(wèi)星HR相機遙感影像幾何糾正[D].北京:中國空間技術研究院,2009.
[6]張過,李德仁.衛(wèi)星遙感影像RPC參數(shù)求解算法研究[J].中國圖象圖形學報,2007,12(12):2080,2088.
[7]劉軍.高分辨率衛(wèi)星CCD立體影像定位技術研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2003.
[8]宇超群.線陣CCD衛(wèi)星遙感影像成像模型及算法研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2005.
[9]張劍清,張勇,程瑩.基于新模型的高分辨率遙感影像光束法區(qū)域網(wǎng)平差[J].武漢大學學報:信息科學版.