基于RPC模型的QuickBird影像幾何精校正的研究與探討

王海俠，高飛，胡小華

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009； 2.合肥市國土資源局信息中心，安徽合肥 230001)

基于RPC模型的QuickBird影像幾何精校正的研究與探討

王海俠1?，高飛1，胡小華2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009； 2.合肥市國土資源局信息中心，安徽合肥 230001)

QuickBird衛(wèi)星是目前具有較高空間分辨率的商業(yè)衛(wèi)星之一。由QuickBird衛(wèi)星獲取的原始遙感影像只進(jìn)行了輻射校正和傳感器校正，幾何變形較大，無法滿足用戶的實(shí)際需求，需要作進(jìn)一步的幾何校正和正射糾正處理。RPC模型是通用傳感器模型之一，可以用來模擬或替代嚴(yán)格成像模型，已廣泛應(yīng)用于影像的幾何精校正和正射糾正過程當(dāng)中。由于QuickBird影像提供了RPC模型參數(shù)，因此研究利用QuickBird RPC模型進(jìn)行幾何精校正具有重要的意義。本文以合肥市的一景QuickBird影像為基礎(chǔ)，研究了基于QuickBird RPC模型的衛(wèi)星影像的幾何精校正過程，并對地面控制點(diǎn)的選取及其對定位精度的影響進(jìn)行了分析探討，得出了一些對提高影像幾何精校正有意義的結(jié)論。

RPC模型；幾何精校正；DEM；定位精度

1 引 言

隨著遙感及空間信息技術(shù)的發(fā)展以及傳感器成像方式的不斷改進(jìn)，一些高精度、高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星如IKONOS、SPOT－5、QuickBird、WorldView－1、WorldView－2、GeoEye－1等不斷發(fā)射升空，極大地改變了人們獲取地面信息的方式。實(shí)踐表明，經(jīng)過正射糾正處理后的高分辨率衛(wèi)星影像完全可以達(dá)到中等比例尺數(shù)字成圖的標(biāo)準(zhǔn)，可以作為數(shù)據(jù)源對影像覆蓋區(qū)域的地形圖進(jìn)行更新，減少大面積外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作量，縮短工作時(shí)間，提高工作效率。且高分辨率衛(wèi)星影像具有采集能力強(qiáng)、信息量大、獲取信息周期短、光譜信息豐富、性價(jià)比高[1]等優(yōu)點(diǎn)，因而在資源勘查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

QuickBird衛(wèi)星是目前具有較高空間分辨率的商業(yè)衛(wèi)星之一，具有推掃、橫掃成像能力，可以在同軌或異軌獲取立體影像對。衛(wèi)星在星下點(diǎn)采集全色影像的分辨率為0.61 m，采集多光譜影像的分辨率為2.44 m。獲取的多光譜影像具有4個(gè)波段，即紅、綠、藍(lán)波段和一個(gè)近紅外波段[2]，通過不同波段的融合和處理可以得到真彩色或假彩色圖像。

由QuickBird衛(wèi)星傳感器獲取的影像是一種粗略的影像，只進(jìn)行了輻射校正和傳感器校正處理，包含較大的誤差，無法滿足用戶的實(shí)際需求。要得到滿足用戶需求的衛(wèi)星影像還需對影像作進(jìn)一步的投影改正、系統(tǒng)的幾何校正以及正射糾正處理。本文以合肥市的一景QuickBird影像基礎(chǔ)，研究了基于QuickBird RPC (有理函數(shù)模型)的衛(wèi)星影像的幾何精校正過程，并對地面控制點(diǎn)的選取及其對影像定位精度的影響進(jìn)行了分析探討，得出了一些對提高影像幾何精校正有意義的結(jié)論。

2 RPC模型的定義

RPC模型是通用傳感器模型的一種。它的建立采用“獨(dú)立于地形”的方式，即首先利用星載GPS測定的衛(wèi)星軌道參數(shù)及恒星相機(jī)、慣性測量單元測定的姿態(tài)參數(shù)建立嚴(yán)格幾何模型；之后，利用嚴(yán)格模型生成大量均勻分布的虛擬地面控制點(diǎn)，再利用這些控制點(diǎn)計(jì)算RPC模型的參數(shù)，其實(shí)質(zhì)是利用RPC模型擬合嚴(yán)格幾何模型[3]，是在不知道傳感器物理模型的有關(guān)參數(shù)的情況下對傳感器嚴(yán)格成像模型的一種近似模擬。RPC模型是將像點(diǎn)坐標(biāo)d(line，Sample)表示為以地面點(diǎn)大地坐標(biāo)D(Latitude，Longitude，Height)(或空間直角坐標(biāo))為自變量的比值。為了減少計(jì)算過程中由于數(shù)據(jù)量級(jí)別差過大引入的舍入誤差，增強(qiáng)參數(shù)求解的穩(wěn)定性，需要將地面坐標(biāo)和影像坐標(biāo)正則化到(－1，1)之間。對于一個(gè)影像，定義如下比值多項(xiàng)式[4]:

式中:

其中，(P，L，H)為正則化的地面坐標(biāo)，(X，Y)為正則化的影像坐標(biāo)，a1，…a20，…，d1，…d20為各個(gè)多項(xiàng)式的系數(shù)，b1，d1通常為1。多項(xiàng)式中，由光學(xué)投影引起的畸變可用一階多項(xiàng)式來表示，由地球曲率、大氣折射、鏡頭畸變等因素引起的畸變，可由二階多項(xiàng)式趨近，高階部分的其他未知畸變可用三階多項(xiàng)式模擬[5]。正則化的規(guī)則如下:

式中，latOffset，longOffset，heighOffset，latScale，longScale，heighScale為地面坐標(biāo)的正則化參數(shù)，SampOffset，lineOffset，SampScale，lineScale為影像坐標(biāo)的正則化參數(shù)，它們與RPC模型中4個(gè)多項(xiàng)式的80個(gè)系數(shù)共同保存于衛(wèi)星廠家提供給用戶的RPC文件中。

3 利用RPC模型進(jìn)行幾何精校正的流程

利用RPC模型進(jìn)行幾何精校正的流程如圖1所示。

圖1 幾何精糾正的一般流程圖

4 利用RPC模型進(jìn)行幾何精校正的操作過程

實(shí)驗(yàn)采用的影像為合肥市蜀山區(qū)的一景Quick-Bird衛(wèi)星影像圖。影像的北部主要為山區(qū)，西部主要為高地和丘陵，中部和東部主要為平原，覆蓋的面積約17 km2，波段為4，3，2的假彩色影像。影像的特征地物目標(biāo)較為清晰。實(shí)驗(yàn)所采用的DEM數(shù)據(jù)為CNSDTM－DEM格式，格網(wǎng)間距為12.5 m。作為參考來采集地面控制點(diǎn)所用的數(shù)據(jù)為合肥市的1∶10 000數(shù)字地形圖。實(shí)驗(yàn)所用的軟件平臺(tái)為ERDAS IMAGINE 9.2、ArcGIS 9.2和Adobe Photoshop。

利用RPC模型進(jìn)行幾何精校正的主要步驟及實(shí)施方法:

(1)資料準(zhǔn)備。本實(shí)驗(yàn)所采用的影像是一景合肥市蜀山區(qū)分辨率為2.44 m的QuickBird多光譜影像，為基礎(chǔ)級(jí)產(chǎn)品。影像只經(jīng)過了輻射校正和傳感器校正，沒有經(jīng)過幾何校正和正射糾正。為了獲取地面控制點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中采用合肥市1∶10 000的數(shù)字地形圖；為了獲取影像地面點(diǎn)的高程信息，采用了合肥市的格網(wǎng)間距為12.5 m的CNSDTF－DEM格式DEM數(shù)據(jù)。

(2)獲取原始衛(wèi)星影像的相關(guān)信息。原始的Quick-Bird影像包含9幅TIFF格式的圖像文件，每一幅圖像文件都有自己在該景影像中的唯一編號(hào)和順序，都包含有各自輔助文件，整景影像有一個(gè)?.RPB文本文件。

(3)影像的數(shù)據(jù)預(yù)處理。

①對原始影像進(jìn)行影像鑲嵌。先將分幅的小塊影像的數(shù)據(jù)格式由tiff格式轉(zhuǎn)換為img格式，再對分幅的小塊影像(?.img)進(jìn)行鑲嵌，使之合并為一景完整的影像，如圖2所示。②對鑲嵌后的影像進(jìn)行投影變換[6]。將原始影像的WGS－84橢球下的UTM投影變換為我國常用的Gauss－Kruger投影，坐標(biāo)系統(tǒng)變換為1980西安坐標(biāo)系。③DEM的生成。將初始的CNSDTF－DEM格式的DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ERDAS支持下的img格式的DEM數(shù)據(jù)，并將img格式的DEM合并為一幅能夠覆蓋影像區(qū)域的DEM，再對DEM影像進(jìn)行重投影，投影的參數(shù)和基準(zhǔn)面要和影像保持一致，如圖3所示。

圖2 鑲嵌后的影像

圖3 影像區(qū)域的DEM

(4)色彩處理

將經(jīng)過幾何精校正的假彩色影像在ERDAS圖像解譯功能模塊中通過Nature Color變換，使之變換為真彩色，然后對影像在Adobe PhotoShop中進(jìn)行處理對比度、亮度和透明度的處理，使影像上的地物和實(shí)際地物色調(diào)基本一致，反差適中，如圖4所示。

圖4 色彩處理后的影像

(5)影像的幾何精糾正

對影像和DEM進(jìn)行投影定義后，即可利用影像自帶的RPC進(jìn)行幾何精糾正處理了。方法是:①打開影像，單擊右鍵，在下拉列表中選擇Geometric Correcion，進(jìn)入Set Geometry Model對話框，在Select Geomatic Model對話框中選擇QuickBird RPC，單擊“OK”，進(jìn)入QuickBird RPC Model Properties對話框。②在Parameters欄的RPC File中選擇原始影像自帶的RPC文件(?.rpb)，勾選Refinement With Polynomial Order，多項(xiàng)式的次方數(shù)選擇為1(或者2)，在Elevation Source選擇按鈕中選擇File，在Elevation File中打開生成的DEM文件，高程最小最大值采用系統(tǒng)默認(rèn)值，高程單位為Meters。然后，單擊Apply，完成Parameters的設(shè)置。③在Projection欄定義投影，方法和對影像的投影定義的一樣，然后對GCP的Projection進(jìn)行設(shè)置。在Projection欄，選擇Set Projection from GCP Tool，進(jìn)入GCP Tool Reference Setup對話框。地面控制點(diǎn)的來源應(yīng)選擇鍵盤模式(Keybord Only)。然后單擊“OK”，對參考圖形的投影進(jìn)行定義，然后單擊“OK”，進(jìn)入GCP采集對話框。④在地面控制點(diǎn)采集對話框中，利用1∶10 000地形圖作為參考，采集分布合理、特征明顯、易于識(shí)別的地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)，在影像中采集對應(yīng)的同名像點(diǎn)。在GCP Tool的工具欄中，點(diǎn)擊自動(dòng)添加高程的圖標(biāo)可以查看每個(gè)地面控制點(diǎn)對應(yīng)的高程，點(diǎn)擊自動(dòng)解算的圖標(biāo)可以隨時(shí)查看每個(gè)地面控制點(diǎn)采集的X，Y方向上的對應(yīng)殘差、綜合均方差、貢獻(xiàn)率以及所有地面控制點(diǎn)的X，Y方向上的殘差和總體殘差。在采集每個(gè)地面控制點(diǎn)過程中，如果對應(yīng)的X，Y方向的殘差以及均方差都不超過兩個(gè)像素，即認(rèn)為地面控制點(diǎn)的采集的定位精度符合要求，否則，刪除誤差較大的點(diǎn)，重新采集地面控制點(diǎn)，直到每個(gè)地面控制點(diǎn)的定位精度都符合要求，如圖5所示。⑤重采樣。如果每個(gè)地面控制點(diǎn)的定位精度都符合要求，就可以進(jìn)行幾何精校正的重采樣了。重采樣有3種方法:最鄰近法、雙線性內(nèi)插法和三次卷積內(nèi)插法。其中以最鄰近法簡單易用，計(jì)算量小，處理速度快；雙線型內(nèi)插法較之最鄰近法計(jì)算量增加，精度明顯提高；三次卷積法計(jì)算量很大，具有圖像均衡化和清晰化效果，可以得到較高的圖像質(zhì)量[7]。進(jìn)行重采樣的方法是:點(diǎn)擊圖標(biāo)，進(jìn)入重采樣對話框。在輸出文件中指定輸出的文件名和文件路徑，在重采樣方法中選擇Nearest Neighbor，在輸出像元中，X，Y方向的輸出像元都為2.44 m，勾選Ignore Zero In Stas，然后單擊“OK”，進(jìn)行重采樣。重采樣完成后，幾何精校正后的影像便生成了，如圖6所示。

(6)影像裁剪、圖廓整飾和影像輸出。

對影像的色彩處理完成之后，根據(jù)用戶的需要，裁剪出用戶需要的區(qū)域，并根據(jù)成圖規(guī)范對影像圖進(jìn)行必要的圖廓整飾。圖廓整飾完成后，將影像以電子形式保存入庫或以紙質(zhì)形式輸出后入庫。這樣一景影像的幾何精校正全部過程就完成了。

圖5 幾何精校正后的影像

圖6 地面控制控制點(diǎn)的定位精度成果表

5 地面控制點(diǎn)的選取及對定位精度的影響

實(shí)驗(yàn)中地面控制點(diǎn)選取是一個(gè)極其重要的過程。不同的選取方法對定位精度有不同的影響，合理選取地面控制點(diǎn)能夠提高地面控制點(diǎn)的定位精度，不合理地選取地面控制點(diǎn)往往造成較大的誤差。要合理選擇地面控制點(diǎn)，要遵循一定的原則:GCP的選取一般應(yīng)選擇在清晰易于識(shí)別的點(diǎn)，如道路、河流的交叉口的房屋的直角轉(zhuǎn)彎處；GCP的選取應(yīng)分布影像的整個(gè)區(qū)域，且要分布均勻；GCP的選取要具有較強(qiáng)的對比度，和周圍地物的反差要大，如不能選擇湖泊、河流、池塘中的水面區(qū)域；不要選擇在海拔太高的地方，否則由于拍攝角度的差別會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[8]。

下面分析地面控制點(diǎn)的選取對定位精度產(chǎn)生的影響。

實(shí)驗(yàn)中采集到的地面控制點(diǎn)數(shù)量與地面控制點(diǎn)的定位精度的關(guān)系如表1所示。

地面控制點(diǎn)數(shù)量與影像定位精度的關(guān)系表 表1

從表1中可以看出，地面控制點(diǎn)的數(shù)量對地面控制點(diǎn)的定位精度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，數(shù)量越多，定位精度越高。但一些研究表明，并不是地面控制點(diǎn)的數(shù)量越多越好，到一定程度時(shí)，增加地面控制點(diǎn)數(shù)目并不會(huì)明顯提高定位精度，還會(huì)增加工作量。

在相同數(shù)量地面控制點(diǎn)條件下，地面控制點(diǎn)的分布對地面控制點(diǎn)的定位精度的影響如表2所示。

A表示8個(gè)地面控制點(diǎn)有4個(gè)分布在影像的四角處，4個(gè)大致均勻分布在影像的中間位置；B表示8個(gè)地面控制點(diǎn)大致均勻分布在影像中間位置；C表示8個(gè)地面控制點(diǎn)大致均勻分布在影像左半部分；D表示8個(gè)地面控制點(diǎn)大致均勻分布在影像的右半部分。

地面控制點(diǎn)的分布對影像定位精度的影響 表2

從表2中可以看出，地面控制點(diǎn)的分布對影像的定位精度有較大的影響。在均勻選取地面控制點(diǎn)的情況下(如A，B)，地面控制點(diǎn)的定位精度較高；在非均勻選取地面控制點(diǎn)的情況下，點(diǎn)的定位精度較差，甚至很大(如C，D)；在全影像范圍內(nèi)均勻選取地面控制點(diǎn)(如A)的定位精度比只在局部中間位置均勻選取地面控制點(diǎn)(如B)的定位精度要高。

此外，研究表明，RPC模型的階數(shù)、不同的地形條件、投影轉(zhuǎn)換時(shí)七參數(shù)的準(zhǔn)確性、采用的參考地形圖或參考影像的精度、DEM的精度以及影像自身的分辨率都對幾何模型精校正的定位精度有重要影響。因此如何綜合各種條件，盡量減小這些因素對幾何精校正的定位精度產(chǎn)生的影響是還需要進(jìn)一步研究的問題。

6 結(jié) 語

高分辨率衛(wèi)星所獲取的影像在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中得到了越來越重要的應(yīng)用，但由于傳感器的商業(yè)機(jī)密性，一些廠家并不對外公布其傳感器的參數(shù)和衛(wèi)星軌道的信息，而是提供通用傳感器模型來模擬或替代嚴(yán)格成像模型。RPC模型就是通用傳感器模型之一。QuickBird是高分辨率商業(yè)衛(wèi)星之一，所獲取的影像得到國民經(jīng)濟(jì)許多部門的應(yīng)用。初始獲取的QuickBird影像只經(jīng)過了輻射校正和傳感器校正處理，無法滿足用戶的實(shí)際要求，需要進(jìn)一步的進(jìn)行幾何校正和正射糾正。由于QuickBird影像提供了RPC模型參數(shù)，因此研究利用QuickBird RPC模型進(jìn)行幾何精校正具有重要的意義。本文以合肥市的一景QuickBird影像為基礎(chǔ)，研究了基于QuickBird RPC模型的衛(wèi)星影像的幾何精校正的過程，并對地面控制點(diǎn)的選取及其對影像定位精度的影響進(jìn)行了分析探討，得出了地面控制點(diǎn)的數(shù)量及地面控制點(diǎn)的分布都對地面控制點(diǎn)的定位精度有重要影像的結(jié)論。此外，RPC模型的階數(shù)、不同的地形條件、投影轉(zhuǎn)換時(shí)七參數(shù)的準(zhǔn)確性、采用的參考地形圖或參考影像的精度、DEM的精度以及影像自身的分辨率都對幾何模型精校正的定位精度有重要影響。因此，如何綜合各種條件，盡量減小這些因素對幾何精校正的定位精度產(chǎn)生的影響是還需要進(jìn)一步研究的問題。

[1] 關(guān)元秀，程曉陽編著.高分辨率衛(wèi)星影像處理指南[M].北京:科學(xué)出版社，2008:99～111

[2] 張永生，鞏丹超等著.高分辨率遙感衛(wèi)星應(yīng)用——成像模型、處理算法及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2004: 34～47

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The Research and Discussion of QuickBird Images’Accurate Geometric Correction Based on RPC Model

Wang HaiXia1，Gao Fei1，Hu XiaoHua2
(1.School of Civil Engineering，He Fei University of Technology，HeFei 230009，China；2.The Information Center of HeFei Land Resource Bureau，HeFei 230001，China)

QuickBird is one of commercial satellites with high spatial resolution.QuickBird original images only have been processed by radiation correction and sensor calibration，they have a larger geometric distortion，so they are unable to meet the need of users and need to be processed by further geometric correction and orthorectification.RPC model is one of general models of sensors，which can be used to simulate or alternate strictly imaging model，and it has been widely used in image geometric correction and orthorectification.Taking a scene of QuickBird image of HeFei district as foundation，this paper mainly make research on the process of accurate geometric correction based on QuickBird RPC model and discusses about how to select GCP.Then，it analyses the accuracy of positioning of GCP that is effected by ground control points’selection.and draws some useful conclusions about how to improve the accuracy of accurate geometric correction of the QuickBird image.

RPC model；accurate geometric correction；DEM；the accuracy of positioning

1672－8262(2010)03－54－05

P237

A

2010—10—18

王海俠(1982—)，男，碩士研究生，研究方向:地理信息系統(tǒng)與數(shù)字化測繪技術(shù)。