基于快速匹配與線性橡皮拉伸的HJ—1CCD影像幾何精校正

胡九超 周忠發

摘要：提出了一種快速獲取大量地面控制點的方法，以TM影像為基準圖像選擇初始同名點，經過自動計算誤差、調整、平移誤差消除、刪除等步驟獲取穩定的其他同名點，并采用線性橡皮拉伸進行幾何精校正。試驗證明，利用該方法進行幾何精校正后的HJ-1CCD影像不但加快了選點速度而且能保證精度，可以用于遙感信息的提取以及為地理信息系統等提供可用的數據。

關鍵詞：貴州高原山區；HJ-1CCD影像；地面控制點；幾何精校正

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0703-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.052

HJ-1CCD Image Geometric Accurate Rectification based on Fast Matching and

Linear Rubber Sheeting

HU Jiu-chao1，2， ZHOU Zhong-fa1，2

（1.Institute of South China Karst，Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China；

2. The State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province， Guiyang 550001， China）

Abstract：The study put forward a rapid method to access a large number of ground control points， based on TM image as the reference image selection of initial corresponding points， through the steps of automatic calculation error， adjustment， translation error elimination， and deletion， obtained other stable matching points， and used linear rubber sheeting for geometric correction. Experiments showed that， HJ-1CCD image after geometric correction not only accelerated the speed and position but also ensured accuracy， which can be used to provide data available for extracting the information of remote sensing and geographic information system.

Key words： plateau mountain area of Guizhou； HJ-1CCD image； ground control point； geometric accurate correction

進入新世紀以來，遙感事業蓬勃發展，當然中國也不例外。2008年9月6日，中國新一代民用光學對地遙感小衛星——環境減災衛星成功發射升空。衛星在軌組網，具有嚴格的成像視場匹配要求，可以在48 h內對中國國境及周邊地區實現無縫覆蓋觀測[1]。隨著科學技術和社會需求的迅猛發展，遙感技術作為高新技術領域中的一個重要分支逐步邁向產業化、實用化，對遙感圖像產品的處理精度要求也越來越高[2]。然而，由于地球自轉、地面曲率的變化以及衛星本身等方面的原因，遙感圖像存在無法避免的幾何畸變，而僅僅經過系統粗校正的遙感圖像還無法滿足精度需求，所以，需要進一步進行遙感影像的幾何精校正。

遙感影像的傳統幾何精校正一般都通過地形圖手動采集地面控制點（Ground Control Points，GCPs）來進行，但地形圖的測繪年代相對來說比較久遠，信息量少，因而對地面控制點的采集具有很大的限制；其次，HJ-1CCD影像幅寬大，畸變復雜，誤差不一，采用全局校正模型就會有一定的局限性。綜合考慮上述問題，提出利用ERDAS IMAGINE 9.2中的AutoSync模塊快速獲取地面控制點，并采用線性橡皮拉伸校正模型對HJ-1CCD影像進行幾何精校正，不但加快了選點速度而且有效提高了環境衛星影像的定位精度。

1 試驗區概況及數據情況

貴州地處中國西南部，介于北緯24°37′—29°13′，東經103°36′—109°35′，東毗湖南，南鄰廣西，西連云南，北接四川和重慶。氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣溫變化小，冬暖夏涼，氣候宜人，貴州省大部分地區年平均氣溫15 ℃左右。貴州地處云貴高原東部，境內地勢復雜多樣，地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔1 100 m左右。貴州省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地三種基本類型，境內山脈眾多，重巒疊峰，綿延縱橫，山高谷深，其中92.5%的面積為山地和丘陵，復雜的地形條件給影像的校正造成了干擾。

研究采用的遙感數據為HJ-1CCD影像，環境與災害監測預報小衛星星座由兩顆光學小衛星（HJ-1A，HJ-1B）和一顆合成孔徑雷達小衛星（HJ-1C）構成。其中HJ-1A和HJ-1B均采用準太陽同步圓軌道，軌道高度為649.093 km，相位為180 b。這兩顆光學小衛星上均裝有兩臺寬覆蓋多光譜可見光相機（簡稱CCD相機），單臺CCD相機幅寬為360 km（兩臺為710 km），共4個波段，波譜范圍為0.43～0.90 μm[3]。研究采用的數據是2011年5月28日采集的HJ-1衛星影像以及同時相的TM影像。

2 影像的幾何校正

2.1 控制點的采集

研究采用線性橡皮拉伸模型進行擬合，按原理而言，該方法需要大量的控制點，但傳統的選點方法顯然無法滿足要求，因此試驗借助分辨率為30 m的TM影像，在ERDAS IMAGINE 9.2的AutoSync模塊下進行控制點的采集，因為該方法可以在短暫的時間內生成大量同名控制點、且高于純手動配準的精度，同時能夠處理各種各樣的數據等優點。利用此方法采集控制點程序簡單，首先手動選取幾個明顯的地面特征點，譬如道路交叉口、河流交匯處等，且盡量分布均勻；然后利用軟件自動生成大量的同名點；緊接著對誤差大的控制點進行調整、剔除、重選，直至符合精度要求，至于控制點稀疏區域要手動加一些控制點，盡量做到控制點在整個試驗區均勻地分布，否則，控制點分布密集的區域影像幾何校正精度高，而在稀疏區域擬合不好使得圖像產生變形。流程圖如圖1所示。

2.2 遙感影像重采樣

重新定位后的像元在原圖像中的分布是不均勻的，即輸出圖像像元點在輸入圖像中的行列號不是或不全是整數關系。因此需要根據輸出圖像上的各像元在輸入圖像中的位置，對原始圖像按一定規則重新采樣，進行亮度值的插值計算，建立新的圖像矩陣[4]。一般常用的重采樣方法有三種：最鄰近像元采樣法、雙線性內插法、三次卷積重采樣法。這三種方法各有優劣，綜合考慮遙感影像和研究區的情況，試驗采用的是三次卷積重采樣法，雖然計算量比較大，但圖像灰度具有連續性且采樣精度高。

2.3 精度分析

RMS（均方根）誤差是GCP（地面控制點）的輸入（原）位置和逆轉換的位置之間的距離，它是在用轉換矩陣對一個GCP做轉換時所期望輸出的坐標與實際輸出的坐標之間的偏差[5]。殘差是某個方向上原作標和逆變換坐標之間的距離。每個GCP的殘差都可以顯示出來。X殘差是原X坐標和逆變換的X坐標之間的距離，Y殘差是原Y坐標和逆變換Y坐標之間的距離[6]。為了計算，每個控制點的RMS誤差都要給出，由距離公式計算：

Ri=■ 公式（1）

式中，Ri為GCPi的RMS誤差，XRi為GCPi的X殘差，YRi為GCPi的Y殘差。

Rx=■ 公式（2）

Ry=■ 公式（3）

T=■ 公式（4）

T為總的RMS誤差，n為控制點的個數。對于每次影像校正，不僅要驗證每個控制點的誤差Ri，而且要驗證總的誤差T。若精度沒有達到要求，則要反復試驗，直至符合精度為止。

3 小結與討論

用ERDAS IMAGINE 9.2中的AutoSync模塊選取地面控制點進行幾何精校正方便快捷，不需人為干預，自動產生多個同名點，大大減少了幾何精校正人力的付出。選取貴州地區為研究區，并采用此法對環境衛星影像進行了幾何精校正，研究表明，誤差可以控制在1個像元左右，滿足要求，方法可行，同時得出以下幾點結論：

1）用TM影像輔助進行HJ-1衛星的幾何精校正，可以達到預期的精度，能夠滿足一般的工作要求；

2）采用AutoSync模塊選取地面控制點的方法，克服了傳統方法選點難、速度慢、精度低等缺點，使環境衛星影像能夠更快、更好地與數字化地理信息相結合。

3）采用線性橡皮拉伸（Liner Rubber Sheeting）糾正法、三次卷積重采樣（Cubic Convolution）的方法對HJ-1衛星影像的幾何精校正在該研究區范圍內取得了較理想的效果，同時加快了幾何精校正的處理速度。

參考文獻：

[1] 白照廣，沈 中，王肇宇.環境減災-1A、1B衛星技術[J].航天器工程，2009，18（6）：1-11.

[2] 邵鴻飛，孔慶欣.遙感圖像幾何校正的實現[J].氣象，2000，26（2）：41-44.

[3] 任 平，楊存建，周介銘.HJ-1A/B星CCD多光譜遙感數據特征評價及應用研究[J].遙感技術與應用，2010，25（1）：138-142.

[4] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2003.

[5] 趙書河，馮學智，趙 銳.中巴資源一號衛星南京幅數據質量與幾何糾正評價[J].遙感技術與應用，2000，15（3）：170-174.

[6] 劉志麗，陳 曦.基于ERDAS IMAGING軟件的TM影像幾何精校正方法初探——以塔里木河流域為例[J].干旱區地理，2001， 24（4）：353-358.