陶萬成，張永彬

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

控制點(diǎn)精度對遙感影像幾何校正的影響

陶萬成，張永彬

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

控制點(diǎn)精度；幾何校正；圖像分辨率；圖像幾何精度

該項(xiàng)研究以唐山市路南區(qū)、路北區(qū)為研究區(qū)域，利用ENVI軟件進(jìn)行幾何校正精度研究；以地形圖選取的地面控制點(diǎn)、手持GPS野外采集的控制點(diǎn)及GPSRTK測量控制點(diǎn)等方式，研究其數(shù)據(jù)精度對遙感數(shù)據(jù)幾何校正的精度影響；利用點(diǎn)位誤差模型和距離模型，對影像數(shù)據(jù)處理前后獲取的精度進(jìn)行對比，總結(jié)遙感影像數(shù)據(jù)幾何精度和地面分辨率兩者之間的關(guān)系；利用ENVI軟件對3種遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精度校正、精度評定。研究結(jié)果表明，遙感影像幾何校正精度和地面分辨率呈正相關(guān)關(guān)系；隨著選取地面控制點(diǎn)精度的提高，高分辨率影像幾何校正精度也會得到相應(yīng)提高，而中低分辨率的遙感影像幾何校正精度提高程度并不明顯。

目前，從國內(nèi)外遙感技術(shù)的發(fā)展來看，對于一些常見的遙感影像數(shù)據(jù)，例如ASTER、ETM等，前人對此已經(jīng)進(jìn)行了不同程度的幾何精度分析[1,2]，朱光良等[3]使用光學(xué)遙感影像與GIS空間數(shù)據(jù)信息庫進(jìn)行重合，利用此方法間接地計(jì)算重合后的相似度，從而完成對光學(xué)遙感影像幾何精度的分析評定等研究工作，該項(xiàng)研究結(jié)果證明了遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正后，其精度基本滿足要求。另外，通過對近些年來遙感影像數(shù)據(jù)的幾何精度分析研究[4-7]，需進(jìn)一步研究的內(nèi)容有如下三點(diǎn)：

(1)一般遙感影像地面分辨率與其像元的尺度大小之間存在一定關(guān)系，雖然影像數(shù)據(jù)處理精度普遍采用其像元的大小尺度表示，但是獲取的遙感影像數(shù)據(jù)地面分辨率與其幾何精度之間有所不同，兩者之間的關(guān)系有待開展深入研究。

(2)除了利用地形圖獲取控制點(diǎn)對遙感影像數(shù)據(jù)幾何精校正之外，利用其他方法收集地面控制點(diǎn)對遙感影像幾何精校正的較少。除此之外，地面控制點(diǎn)精度和遙感影像處理精度兩者之間的關(guān)系的探討也很欠缺，而且針對不同精度的控制點(diǎn)對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正后其精度的影響也缺少系統(tǒng)的研究。

(3)關(guān)于遙感影像數(shù)據(jù)的幾何校正后其精度分析，主要應(yīng)用于具體項(xiàng)目，對此有一定的局限性，另外在大區(qū)域范圍內(nèi)沒有統(tǒng)一的幾何精度評定模型。針對不同精度的遙感影像數(shù)據(jù)與比例尺數(shù)據(jù)間的關(guān)系，其概念仍然不是很清晰，該項(xiàng)研究采用常用的遙感影像數(shù)據(jù)幾何精校正后，對其精度進(jìn)行對比分析，其目的是得到不同影像數(shù)據(jù)的適用尺度，從而得到定量化處理遙感數(shù)據(jù)可信賴的技術(shù)支持。

1 精度評定指標(biāo)

利用不同精度的控制點(diǎn)，對不同分辨率的遙感影像進(jìn)行幾何校正、精度評定，需要建立一種評定精度標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型[8,9]，該項(xiàng)目采用3種模型評定幾何精度。

1.1 統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算

差值：實(shí)際測量值與圖像上量取值相減；

平均值、標(biāo)準(zhǔn)差：利用多個差值計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2 平面點(diǎn)位精度的評定

橫向精度：Δx為控制點(diǎn)橫坐標(biāo)X的實(shí)際測量值與圖像上的量取值的差值，其計(jì)算公式為：

(1)

公式(1)中N為控制點(diǎn)數(shù)。

縱向精度：Δy為控制點(diǎn)縱坐標(biāo)Y的實(shí)際測量值與圖像上量取值的差值，其計(jì)算公式為：

(2)

公式(2)中N為控制點(diǎn)數(shù)。

其點(diǎn)位中誤差計(jì)算公式為：

(3)

1.3 平面距離的精度評定

(1)相對誤差

根據(jù)控制點(diǎn)i，j點(diǎn)間距離DiDj求出地形圖和精校正圖像上距離差為ΔDij，K為相對誤差：

K=|ΔDij|/DiDj

(4)

(2)平面距離中誤差計(jì)算

ΔD為各個控制點(diǎn)間的距離D的實(shí)際測量值與圖像上量取值的差值，其計(jì)算公式為；

本研究按照嚴(yán)格的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)收集文獻(xiàn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)的薈萃分析中單個率分析的方法得出結(jié)論，因此其結(jié)果具有確切的可信度。本研究也存在一些局限，納入研究的論文數(shù)量相對較少，通過附加輪廓線漏斗圖分析，排除發(fā)表偏倚。納入文章數(shù)量少可能是產(chǎn)生偏倚最大的原因。

(5)

公式(5)中N為線段數(shù)。

2 研究內(nèi)容

基于唐山市路南區(qū)和路北區(qū)的ASTER遙感影像數(shù)據(jù)、SPOT遙感影像數(shù)據(jù)、ETM遙感影像數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與手持GPS，GPSRTK測繪精密儀器野外實(shí)測數(shù)據(jù)、1：5 000唐山市地形圖資料結(jié)合，選取一定數(shù)量的同一精度控制點(diǎn)，對原始遙感影像通過ENVI軟件進(jìn)行幾何精校正，以地面控制點(diǎn)的測量坐標(biāo)值和圖像上的量取值、地面控制點(diǎn)間測量距離和在圖像上相應(yīng)距離的差值作為依據(jù)，總結(jié)分辨率不同的遙感影像的幾何精度規(guī)律。研究的主要流程如圖1所示。

圖1 研究路線

3 獲取數(shù)據(jù)

3.1 圖像數(shù)據(jù)

收集的遙感影像區(qū)域?yàn)樘粕绞谐菂^(qū)的類型有：ASTER遙感影像數(shù)據(jù)：2010年4月獲取的ASTER可見光紅外數(shù)據(jù)，其分辨率為15*15 m；ETM(美國landsat7)影像數(shù)據(jù)：2014年5月獲取的陸地衛(wèi)星ETM數(shù)據(jù)，其分辨率30*30m；SPOT(法國研究中心)遙感影像數(shù)據(jù)：2011年4月獲取的全色pan，其分辨率為10*10 m。收集唐山1：5 000地形圖資料一幅，手持GPS采集的控制點(diǎn)，GPSRTK采集的控制點(diǎn)。利用ENVI軟件對獲得的唐山市路南區(qū)、路北區(qū)的3種遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理操作。

3.2 手持GPS野外采集數(shù)據(jù)

研究中選擇三參數(shù)方法：將已知控制點(diǎn)的XA80平面坐標(biāo)值和高程值與WGS坐標(biāo)下的實(shí)際地面觀測值和高程值進(jìn)行換算，坐標(biāo)系成各自坐標(biāo)系的三維空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z)，通過作差獲得坐標(biāo)差值(ΔX, ΔY, ΔZ)，該項(xiàng)研究選取5組數(shù)據(jù)，所取數(shù)據(jù)的平均值作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，以預(yù)防選取坐標(biāo)值出現(xiàn)偶然誤差或出現(xiàn)錯誤。

用戶使用GPS定位系統(tǒng)儀器時(shí)需要定義5個參數(shù)，其中包括：ΔX, ΔY, ΔZ, ΔA, ΔF，其中ΔA是長半軸差，ΔF為橢球扁率差，可通過公式計(jì)算獲得。

其中ΔX, ΔY, ΔZ平移參數(shù)具體計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2 3個平移參數(shù)的計(jì)算流程

利用手持GPS野外采集地面控制點(diǎn)成果如表1所示。

表1 手持GPS采集控制點(diǎn)成果

注：表格中數(shù)據(jù)X坐標(biāo)已加上4300000，Y坐標(biāo)已加上20400000

3.3 GPSRTK野外采集數(shù)據(jù)

在GPS-RTK測量中，用戶采用GPS實(shí)測坐標(biāo)為WGS84坐標(biāo)，并收集國家級XA80坐標(biāo)，按照七參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

該項(xiàng)研究測取所有已知地面控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)值，在RTK儀器系統(tǒng)內(nèi)操作，以匹配公共點(diǎn)并求解得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)值。通過轉(zhuǎn)換參數(shù)觀測獲取其他控制點(diǎn)坐標(biāo)，使用TGO對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。表2所示為GPS-RTK測量技術(shù)要求。

表2 GPS-RTK測量技術(shù)要求

用GPSRTK在野外測得控制點(diǎn)30個，選取其中16個控制點(diǎn)分別對ASTER、ETM和SPOT遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，具體獲得地面控制點(diǎn)成果如表3所示。

表3 GPSRTK采集控制點(diǎn)成果

注：表格中數(shù)據(jù)X坐標(biāo)已加上4300000，Y坐標(biāo)已加上20400000

3.4 幾何精校正

在實(shí)驗(yàn)遙感影像數(shù)據(jù)幾何精校正中，利用二次多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，用最近臨點(diǎn)方法灰度重采樣。具體操作流程如圖3所示。

圖3 幾何精校正流程

4 數(shù)據(jù)處理

該項(xiàng)目幾何精校正采用的控制點(diǎn)有以下3種采集辦法及其優(yōu)缺點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 控制點(diǎn)采集辦法示意圖

4.1 利用地形圖幾何校正

4.1.1遙感圖像精校正后點(diǎn)位精度

選擇ASTER、ETM及SPOT 3種類型的遙感圖像為研究對象，對ASTER、ETM、SPOT圖像選取10個檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行比較。坐標(biāo)差ΔX和ΔY為地形圖坐標(biāo)和精校正之后坐標(biāo)之差，利用平面點(diǎn)位中誤差精度計(jì)算成果如表4所示。

表4 地形圖坐標(biāo)和精校正之后坐標(biāo)之差

表格數(shù)據(jù)是利用比例尺為1：5 000的唐山市路南區(qū)、路北區(qū)的地形圖對3種遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正，然后在影像幾何校正前后選擇地面控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位中誤差精度分析。發(fā)現(xiàn)分辨率越高遙感影像點(diǎn)位中誤差呈現(xiàn)遞減的趨勢，即中誤差精度越高。

4.1.2遙感圖像精校正后影像距離精度評定

基于地形圖數(shù)據(jù)和對遙感影像精校正后各控制點(diǎn)的坐標(biāo)值，利用距離誤差精度模型計(jì)算任意2個控制點(diǎn)間的距離，比較地形圖和影像精校正后的對應(yīng)控制點(diǎn)間距離的相對誤差，再對影像精校正后的距離精度進(jìn)行分析。其中各影像選取30個線段進(jìn)行分析。其結(jié)果如表5所示。

表5 控制點(diǎn)間距離的相對誤差

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，除了ETM和ASTER遙感影像數(shù)據(jù)的距離相對誤差較大外，SPOT遙感影像數(shù)據(jù)距離誤差相對較小。由此可知，分辨率越高的遙感影像經(jīng)地形圖校正后其距離相對誤差越小，SPOT遙感影像比較適合采用地形圖數(shù)據(jù)校正。

4.2 手持GPS采集野外控制點(diǎn)精校正后精度

利用GPS采集的控制點(diǎn)來校正三幅遙感影像，并從校正后的ASTER影像選取18個驗(yàn)證點(diǎn)，從校正后的ETM影像選取20個驗(yàn)證點(diǎn)，從校正后的SPOT影像選取18個驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位精度評定，其圖像X、Y坐標(biāo)差值范圍示意圖如圖5所示。

圖5 3幅影像X、Y坐標(biāo)差值范圍示意圖

表6為手持GPS采集點(diǎn)校正點(diǎn)位中誤差精度成果表。

表6 手持GPS采集點(diǎn)校正點(diǎn)位精度成果

基于ASTER影像數(shù)據(jù)和ETM影像數(shù)據(jù)，選擇地形圖量算的地面控制點(diǎn)利用ENVI軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，然后對橫、縱點(diǎn)位坐標(biāo)差的精度進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，手持GPS測繪儀器測量的控制點(diǎn)進(jìn)行幾何校正的精度相對較高，由此說明可以選擇手持GPS測繪儀器測量控制點(diǎn)代替在1：5 000地形圖上量算的控制點(diǎn)；GPS測繪儀器采集的野外控制點(diǎn)對SPOT遙感影像數(shù)據(jù)來說控制點(diǎn)精度相對較低一些，因此，SPOT遙感影像數(shù)據(jù)幾何校正不適合選擇手持GPS測繪儀器獲取控制點(diǎn)。

4.3 利用GPS(RTK)采集控制點(diǎn)幾何精校正

用GPSRTK在野外采集控制點(diǎn)30個，選取其中16個控制點(diǎn)分別對3種影像進(jìn)行幾何校正，從ASTER、ETM、SPOT圖像分別選取16個控制點(diǎn)作為驗(yàn)證評定精度，其圖像X、Y坐標(biāo)差值范圍示意圖如圖6所示。

圖6 3幅影像X、Y坐標(biāo)差值范圍示意圖

表7所示為GPSRTK測量控制點(diǎn)校正點(diǎn)位中誤差精度成果。

表7 GPSRTK測量控制點(diǎn)校正點(diǎn)位精度成果

基于地形圖數(shù)據(jù)獲取的地面控制點(diǎn)，利用ENVI軟件對影像數(shù)據(jù)幾何校正后的點(diǎn)位精度要比選擇GPSRTK儀器野外獲取地面控制點(diǎn)幾何校正后的點(diǎn)位精度誤差有所降低。其中，SPOT遙感影像數(shù)據(jù)提高的精度最明顯，ASTER遙感影像數(shù)據(jù)和ETM遙感影像數(shù)據(jù)精度提高的并不明顯。由此可知，提高遙感影像數(shù)據(jù)幾何校正的精度依賴于高精度的地面控制點(diǎn)，然而高精度地面控制點(diǎn)對分辨率不同的遙感影像數(shù)據(jù)提高有所不同，采用高精度的地面控制點(diǎn)會得到較高精度的幾何校正結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)基于地形圖控制點(diǎn)，利用ENVI對影像幾何校正的結(jié)果分析，總結(jié)出遙感影像數(shù)據(jù)幾何精度和地面分辨率的概念并不相同，兩者不可一概而論，并且經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)兩者為正相關(guān)關(guān)系。

(2)由基于不同精度的地面控制點(diǎn)對遙感影像數(shù)據(jù)幾何校正可知，手持GPS儀器獲取的地面控制點(diǎn)對ASTER影像數(shù)據(jù)和ETM影像數(shù)據(jù)校正后的點(diǎn)位誤差精度比利用地形圖控制點(diǎn)幾何校正的精度較高，而SPOT遙感影像通過手持GPS控制點(diǎn)校正后點(diǎn)位精度比采用地形圖差，所以SPOT影像進(jìn)行校正最好使用地形圖控制點(diǎn)。

(3)對ASTER、ETM和SPOT遙感影像通過RTK技術(shù)收集的控制點(diǎn)校正，其點(diǎn)位精度比利用地形圖控制點(diǎn)校正有所提高，其中SPOT遙感影像點(diǎn)位精度提高最多，效果更好，而ASTER和ETM影像的校正精度提高并不明顯，總結(jié)出高精度地面控制點(diǎn)對分辨率不同的遙感影像數(shù)據(jù)提高有所不同，采用高精度的地面控制點(diǎn)會得到較高精度的幾何校正結(jié)果。

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EffectofPrecisionofControlPointsonGeometricCorrectionofRemoteSensingImage

TAO Wan-cheng, ZHANG Yong-bin

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

precision of control point; geometric correction; image resolution; image geometric precision

Geometric correction precision was studied by using ENVI software in Luannan and Lubei Districts of Tangshan City. The geodesic control points selected by topographic map, GPS field control points and GPSRTK measurement control points. The accuracy of the correction was analyzed. The relationship between the geometric accuracy and the ground resolution of the remote sensing image data was compared by using the point error model and the distance model. The relationship between the geometric accuracy and the ground resolution of the remote sensing image data was summarized. Three kinds of remote sensing images Data for geometric accuracy correction, accuracy assessment. The results show that the geometric correction accuracy of the remote sensing image is positively correlated with the ground resolution. With the improvement of the precision of the ground control point, the accuracy of the geometric correction of the high resolution image will be improved, and the accuracy of the geometric correction of the low resolution remote sensing image is not obvious.

2095-2716(2017)04-0007-08

2017-05-24

2017-09-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50672009)。

P237

A