DEM對(duì)山區(qū)高分辨率影像正射校正精度的影響

陳 靜，袁 超，陳雪洋，張 燦，張少佳

（1.重慶市地理信息中心，重慶401121）

DEM對(duì)山區(qū)高分辨率影像正射校正精度的影響

陳 靜1，袁 超1，陳雪洋1，張 燦1，張少佳1

（1.重慶市地理信息中心，重慶401121）

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中1∶2 000 DEM對(duì)于山區(qū)高分辨率衛(wèi)星影像正射校正扭曲變形嚴(yán)重的現(xiàn)象，研究了對(duì)現(xiàn)有DEM資料進(jìn)行抽稀形成不同分辨率DEM數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析了不同分辨率DEM數(shù)據(jù)參與正射校正后的影像扭曲變形、幾何精度、處理效率，從而為實(shí)際應(yīng)用提供解決方案。

DEM分辨率；山區(qū)；高分辨率衛(wèi)星影像；正射校正；精度

正射糾正是各種高分辨率衛(wèi)星影像應(yīng)用必不可少的基礎(chǔ)工作[1],尤其是對(duì)于某些地形起伏較大、常規(guī)的幾何校正難以消除幾何變形的區(qū)域（山區(qū)、城市地區(qū))。其運(yùn)用衛(wèi)星攝影測(cè)量原理，重建衛(wèi)星成像幾何關(guān)系，同時(shí)利用DEM消除影像中由地形導(dǎo)致的變形。DEM作為正射校正環(huán)節(jié)中消除地形變形的控制數(shù)據(jù)，其現(xiàn)勢(shì)性、精度、分辨率等都對(duì)校正結(jié)果有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，校正使用的DEM分辨率并非越高越好，對(duì)于有些地形起伏變化較大的區(qū)域反而會(huì)加大影像的扭曲變形（高架橋、道路、房屋）。因此，研究DEM不同分辨率對(duì)于山區(qū)高分辨率衛(wèi)星影像正射校正精度的影響具有實(shí)際價(jià)值。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文以重慶市主城區(qū)為研究區(qū)，面積為5 473 km2，境內(nèi)長(zhǎng)江、嘉陵江自西向東穿過(guò)并在渝中交匯，縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山4條主要山脈南北向貫穿，兩江四山立體地勢(shì)明顯，大部分區(qū)域?qū)儆谏降氐匦危匦纹鸱兓蟆Ｖ鞒呛诵某菂^(qū)位于4條山脈的凹槽地帶。近年來(lái)主城區(qū)城市建設(shè)發(fā)展迅速，尤其是中梁山與銅鑼山之間，城市開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)于地形的改造頻繁。

1.2 數(shù)據(jù)源

1）衛(wèi)星遙感影像。采用WorldView影像，拍攝時(shí)間為2011-08，產(chǎn)品級(jí)別為預(yù)正射標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,帶RPC有理函數(shù)模型參數(shù)文件。產(chǎn)品類(lèi)型包括全色波段（0．5 m分辨率）和多光譜數(shù)據(jù)（2 m分辨率），經(jīng)融合處理后形成0．5 m分辨率的4波段（紅、綠、藍(lán)、近紅外）彩色影像數(shù)據(jù)。

2）DEM數(shù)據(jù)。1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)：航攝生產(chǎn)，5 m分辨率，2000～2003年生產(chǎn)；1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)：航攝生產(chǎn)，2．5 m分辨率，2005～2011年由城市中心區(qū)域向外圍區(qū)域逐年生產(chǎn)。2套DEM數(shù)據(jù)均完全覆蓋主城區(qū)，但1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性明顯不足。本文采用1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)開(kāi)展研究。

2 正射校正工藝流程

2.1 校正模型

衛(wèi)星遙感影像正射校正的常用方法有多項(xiàng)式模型、傳感器物理模型和有理函數(shù)模型[2-4]。

1）多項(xiàng)式校正模型，是一種簡(jiǎn)單通用的成像傳感器模型。由于引起衛(wèi)星遙感影像變形的因素很多，用一個(gè)簡(jiǎn)單的多項(xiàng)式模型來(lái)逼近不同地區(qū)、不同傳感器構(gòu)像的幾何變形，帶有一定的局限性，特別是山區(qū)，像元位移較大甚至影像扭曲。

2）傳感器物理模型，是以中心投影的共線式構(gòu)像方程為基礎(chǔ)建立的傳感器模型，是對(duì)成像空間幾何形態(tài)的直接描述，考慮了遙感衛(wèi)星成像時(shí)的諸多物理因素，如成像方法、方位參數(shù)等信息，是一種典型的嚴(yán)格成像模型。該算法理論嚴(yán)密，校正精度高，但前提是必須已知軌道星歷參數(shù)和傳感器參數(shù)，并通過(guò)一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)來(lái)重構(gòu)影像模型。校正過(guò)程中還使用DEM信息，以修正因地形起伏引起的影像變形。

3）有理函數(shù)模型。商業(yè)衛(wèi)星公司為防止遙感衛(wèi)星核心技術(shù)參數(shù)泄露，對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行初步幾何校正和重采樣，使得影像成像時(shí)的嚴(yán)格幾何關(guān)系被破壞，而取而代之以向用戶提供有理多項(xiàng)式參數(shù)（RPC）進(jìn)行處理。該模型是在充分利用衛(wèi)星遙感影像附加的輔助參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)建嚴(yán)格幾何定位模型進(jìn)行擬合而得到的廣義傳感器模型。

2.2 工藝流程

1）本研究基于Erdas遙感圖像處理平臺(tái)[5]，采用有理函數(shù)模型，取2次有理函數(shù)。控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)采用GPS-RTK野外實(shí)測(cè)，點(diǎn)位分布均勻，選在影像紋理清晰、特征明顯且不易消損的地物上。

2）基于現(xiàn)有1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)，分別重采樣抽稀為5 m、10 m、15 m、20 m分辨率，形成4個(gè)新DEM數(shù)據(jù)與1∶2 000原始DEM數(shù)據(jù)，分別作為DEM參考數(shù)據(jù)參與WorldView影像的正射校正。有理函數(shù)模型和地面控制點(diǎn)均采用相同數(shù)據(jù)[6,7]。正射校正工藝流程如圖1所示。

圖1 正射校正試驗(yàn)工藝流程圖

3 精度對(duì)比分析

同一景影像采用同一控制點(diǎn)文件，利用不同分辨率DEM數(shù)據(jù)分別對(duì)WorldView影像進(jìn)行有理函數(shù)模型校正[8]。

1）影像扭曲變形情況。利用抽稀后的DEM糾正可解決大部分扭曲現(xiàn)象，但部分地區(qū)仍存在扭曲。從圖2系列對(duì)比圖上可知，在解決影像扭曲變形方面，DEM抽稀為10 m、15 m、20 m后的校正對(duì)影像扭曲變形有較大改善，但3種抽稀方案校正影像之間無(wú)明顯區(qū)別，DEM抽稀為5 m的校正結(jié)果對(duì)扭曲變形改善效果不大。在處理效率上，DEM抽稀為20 m后的影像校正處理速度高于其他方案。

2）校正精度對(duì)比。同一景影像上均勻布設(shè)19個(gè)檢查點(diǎn)，對(duì)利用不同分辨率DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行的正射校正結(jié)果影像進(jìn)行精度評(píng)定。從表1可以看出，抽稀DEM校正結(jié)果精度普遍低于1∶2 000 DEM校正結(jié)果精度，且隨著抽稀程度加劇精度略有降低，但無(wú)顯著差別。從檢查點(diǎn)的最大誤差看，X方向最大誤差為4．49 m，1∶2 000 DEM校正影像最大中誤差為4．48 m，均出現(xiàn)在抽稀20 mDEM校正影像上。相比1∶2 000 DEM校正影像，精度最多約降低了1個(gè)像元（0．5 m）。從全部檢查點(diǎn)的平均值來(lái)看，5種分辨率DEM校正影像精度無(wú)顯著差別。

圖2 不同DEM分辨率正射校正影像扭曲變形對(duì)比圖

表1 不同分辨率DEM校正結(jié)果精度評(píng)價(jià)表/m

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析不同分辨率DEM參與下的高分辨率衛(wèi)星影像校正結(jié)果可以看出：

1）利用抽稀后的DEM糾正可解決大部分扭曲現(xiàn)象。

2）在解決山區(qū)高分辨率正射影像扭曲變形方面，DEM抽稀為10 m、15 m、20 m后的正射校正影像對(duì)扭曲變形有較大的改善，但3種DEM抽稀后的校正影像之間無(wú)明顯區(qū)別。但隨著抽稀力度的加大，正射校正處理效率提升明顯。

3）在幾何精度上，隨著DEM抽稀力度的加大，正射校正影像幾何精度略有降低，但并無(wú)顯著差別。

4）1∶2 000 DEM抽稀后參與高分辨率衛(wèi)星影像正射校正方法對(duì)于解決影像扭曲變形和保障幾何精度具有較好的效果，可減少影像扭曲變形的后期人工處理工作量。但DEM抽稀程度對(duì)正射校正影像的影響效果會(huì)因影像類(lèi)型、區(qū)域地形等不同而有所不同，需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的DEM抽稀程度。

[1] 湯國(guó)安．遙感數(shù)字圖像處理[M]．北京：科學(xué)出版社,2004

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[4] 劉曉龍,薛明,蔡福根．利用SPOT5 參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密物理模型法糾正方法研究[J]．測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化,2010,26(1):6-9

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P237.3

B

1672-4623（2014）01-0128-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.044

陳靜，碩士，主要從事遙感技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。

2013-09-27。

項(xiàng)目來(lái)源：重慶市科委科技項(xiàng)目（CSTC，2009CB2015）。