基于DEM的SPOT5遙感數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與鑲嵌

白濰銘, 趙 帥, 姚 暢

(河南省航空物探遙感中心,河南 鄭州 450053)

遙感技術(shù)興起于上世紀(jì)60年代,是根據(jù)電磁波理論發(fā)展起來(lái)的對(duì)地觀測(cè)技術(shù),通過(guò)自身傳感器對(duì)地球表面的地物輻射和地物的反射電磁波信息,經(jīng)過(guò)傳輸、加工、處理等最終成像,是一種遠(yuǎn)距離探測(cè)與識(shí)別目標(biāo)的綜合技術(shù)[1]。隨著遙感技術(shù)日新月異的發(fā)展,研制出了越來(lái)越多的傳感器并應(yīng)用于科研生產(chǎn)當(dāng)中,例如美國(guó)的LANDSAT系列衛(wèi)星、日本的ALOS衛(wèi)星、法國(guó)的SPOT系列衛(wèi)星以及中國(guó)的資源衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星等,種類繁多且各具特色的遙感衛(wèi)星不勝枚舉。

SPOT系列衛(wèi)星是法國(guó)空間研究中心研制的地球觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng),包括SPOT1、2、3、4、5、6衛(wèi)星。SPOT5衛(wèi)星于2002年5月初發(fā)射升空,其傳感器比其之前其他衛(wèi)星有較大地提高,HRG傳感器替代了HRVIR,具有更高的分辨率,擁有2.5 m的全色波段和10 m的多光譜波段;采用120 000像元的CCD探測(cè)器,影像寬幅60 km;采用新的數(shù)據(jù)壓縮方法并利用150 Mbit/s的速率傳輸下行數(shù)據(jù),因而可獲取更多、更清晰的遙感影像數(shù)據(jù)。優(yōu)越的傳感器性能獲取的影像質(zhì)量越來(lái)越受到科研工作者和生產(chǎn)單位的青睞,SPOT5遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍廣泛,涵蓋國(guó)土、環(huán)境、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、地質(zhì)、海洋、測(cè)繪等各個(gè)領(lǐng)域[2]。

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理是遙感應(yīng)用的基礎(chǔ),而配準(zhǔn)與鑲嵌是遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要內(nèi)容之一,對(duì)保障遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用成果的質(zhì)量起著重要的作用。相鄰的兩幅SPOT5遙感影像做鑲嵌拼接后,重疊區(qū)域的相同地物類型錯(cuò)位誤差較大,無(wú)法像LANDSAT數(shù)據(jù)直接基于自帶地理坐標(biāo)的鑲嵌即可滿足影像拼接,這是由于兩幅SPOT5影像的重疊區(qū)域較少,且在衛(wèi)星成像處理中每一個(gè)影像像元的空間位置相對(duì)于地表或地形圖的實(shí)際位置發(fā)生的物理變化,主要有擠壓、扭曲、偏離、伸展等空間形態(tài)的變形等因素,這些因素使像元的形狀、大小、方向、位置等發(fā)生了改變。即使鄰近的兩幅影像在重疊區(qū)域上由于不同的影響因素造成的幾何畸變也會(huì)不同。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)尤其是在南半球地形起伏較大地區(qū),同時(shí)受地球自轉(zhuǎn)的影響,SPOT5數(shù)據(jù)的幾何畸變程度更大,故而需要一幅基礎(chǔ)影像根據(jù)重疊區(qū)域?qū)α硪环跋襁M(jìn)行配準(zhǔn)(幾何校正)才能減少或消除影像畸變,使影像重疊部分的地物類型相吻合[3-4]。分析衛(wèi)星影像的幾何畸變成因的幾個(gè)方面主要有如下七點(diǎn):①傳感器系統(tǒng)參數(shù)誤差;②衛(wèi)星運(yùn)行姿態(tài)的變化導(dǎo)致影像像元幾何拉伸、擠壓、平移、扭轉(zhuǎn);③大氣散射、反射、折射的擾動(dòng),改變了電磁波的傳播方向、路徑及時(shí)間;④成像時(shí)的透視誤差;⑤地形起伏變化引起像元位移和比例改變;⑥地球自轉(zhuǎn)的成像誤差;⑦地球曲率差異影響。

這里簡(jiǎn)要說(shuō)明筆者對(duì)配準(zhǔn)與幾何校正的理解。幾何校正為絕對(duì)校正,指圖像對(duì)基準(zhǔn)圖像或圖像對(duì)地形圖的校正時(shí),基于地理坐標(biāo)的校正,使得校正后的圖像仍具有地理信息,前提是基準(zhǔn)圖像帶有精校正后的地理坐標(biāo)。配準(zhǔn)屬于相對(duì)校正,過(guò)程和幾何校正一致,是指一幅影像相對(duì)另一幅影像的校正,基準(zhǔn)圖像不一定帶有地理信息,只是兩幅影像之間的位置相對(duì)一致,與真實(shí)位置不一定一致,這里的基準(zhǔn)影像即使有地理信息,但由于幾何畸變的影響,與實(shí)際位置也不完全一致,僅是表達(dá)兩幅影像之間的校正過(guò)程,不強(qiáng)調(diào)校正后的地理坐標(biāo)是否與實(shí)際位置相同,因此本文使用配準(zhǔn)一詞更貼切。

影像數(shù)據(jù)的鑲嵌是指可以疊加兩幅或兩幅以上影像的重疊區(qū)域,進(jìn)而達(dá)到拼接成一幅完整影像的目的[4]。影像鑲嵌通常是由于一幅影像不能涵蓋研究區(qū)范圍,因此對(duì)兩幅及以上影像需要鑲嵌才能達(dá)到合二(多)為一,滿足研究區(qū)范圍的需要。因此,通過(guò)影像配準(zhǔn)為下一步的鑲嵌提供基礎(chǔ),通過(guò)影像鑲嵌為研究區(qū)提供完整的地理底圖。本文以兩幅南半球的博茨瓦納地區(qū)SPOT5遙感影像為例,利用DEM數(shù)據(jù)做正射校正及配準(zhǔn),最后對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌拼接,探討分析基于影像數(shù)據(jù)正射校正后對(duì)兩幅影像鑲嵌的效果。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本文采用法國(guó)SPOT5遙感影像為數(shù)據(jù)源。SPOT5衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射,是繼SPOT1、2、3、4衛(wèi)星之后的第五顆,為近極地太陽(yáng)同步軌道,軌道高度832 km,軌道傾角98.7°。該衛(wèi)星搭載4臺(tái)傳感器,分別是2臺(tái)高分辨率幾何成像儀(HRG)、1臺(tái)高分辨率立體成像儀(HRS)、1臺(tái)植被探測(cè)儀(VGT),其中全色波段分辨率最高為2.5 m,多光譜分辨率最高為10 m。HRG傳感器波段參數(shù)如表1所示。

表1 SPOT5 HRG傳感器各波段參數(shù)表Table 1 Parameters of each band SPOT5 HRG sensor

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,簡(jiǎn)稱DEM),又稱數(shù)字地形模型,它是由一組有序數(shù)值陣列表示而成,是數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model,簡(jiǎn)稱DTM)的一部分,X、Y表示坐標(biāo),Z表示高程、坡度、坡向等,當(dāng)Z僅表示高程時(shí)就是DEM[5-9]。

本文采用SRTM DEM作為正射校正的數(shù)據(jù)源,分辨率為30 m,絕對(duì)高程精度7 m。由于DEM能夠體現(xiàn)地面的高程信息,因此在測(cè)繪、國(guó)土、地質(zhì)、海洋、軍事、交通、城市規(guī)劃等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中有著重要的應(yīng)用,如在地質(zhì)災(zāi)害中,可用于崩塌、滑坡、泥石流的體積計(jì)算以及地面沉降的監(jiān)測(cè);在城鎮(zhèn)建設(shè)中,可模擬三維城市景觀,為城市規(guī)劃布局提供服務(wù);在水文分析方面,可進(jìn)行地表水徑流量預(yù)測(cè)、洪災(zāi)估算、淹沒(méi)分析等[10-12]。

1.2 DEM理論基礎(chǔ)

DEM是地形表面的高程表達(dá)式,可以由一個(gè)或多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表示地面的高程,表示高程的過(guò)程稱為地形表面建模,模型表面即為DEM表面[13]。

DEM建模的主要表示方法有基于點(diǎn)的表面建模、等高線建模、規(guī)則格網(wǎng)模型(Grid)、不規(guī)則三角網(wǎng)模型(Triangulated Irregular Network,簡(jiǎn)稱TIN)?；谡叫胃窬W(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)的DEM建模,是兩種常用的、基本的建模方法。本文闡述不規(guī)則三角網(wǎng)的建模方法來(lái)體現(xiàn)DEM的建立過(guò)程,進(jìn)而探討DEM正射校正的優(yōu)勢(shì)。TIN是通過(guò)從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角面來(lái)模擬地形表面,與格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型相比,TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空間和時(shí)間、更精確地表示更加復(fù)雜的表面。特別當(dāng)?shù)匦伟写罅刻卣魅鐢嗔丫€、構(gòu)造線時(shí),TIN模型能更好地顧及這些特征,從而能夠更精確合理地表達(dá)地表形態(tài)。

構(gòu)建TIN模型,要符合以下三個(gè)條件:

(1) 三角形網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個(gè);

(2) 力求最佳的三角形幾何形狀,盡量使每個(gè)三角形都趨于等邊三角形;

(3) 三角形的周長(zhǎng)最小,即構(gòu)成三角形的頂點(diǎn)是離散點(diǎn)中距離最近的。

滿足以上條件的三角網(wǎng)就是著名的狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)。Delaunay三角網(wǎng)由對(duì)應(yīng)Voronoi多邊形共邊的點(diǎn)連接而成(與Voronoi圖對(duì)偶,由虛線表示,如圖1所示)。由三個(gè)離散且相鄰最近的點(diǎn)互相連接形成Delaunay三角形,這三個(gè)相鄰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Voronoi多邊形有一個(gè)公共的頂點(diǎn),此頂點(diǎn)同時(shí)也是Delaunay三角形外接圓的圓心。圖1中的Delaunay三角網(wǎng)遵守平面圖形的歐拉定理:

Nregions+Nvertices-Nedges=2

(1)

研究表明,Delaunay三角網(wǎng)在地形擬合方面表現(xiàn)最為出色,因此常常被用于生成TIN。根據(jù)DEM產(chǎn)生的地形暈渲圖與正射影像的比較也可以看出,基于TIN的圖像與正射影像吻合得更好[14-15]。

圖1 Delaunay三角網(wǎng)模型Fig.1 Delaunay triangulation model

1.3 DEM的正射校正

基于DEM的正射校正有兩種方式:其一,利用含有星歷參數(shù)或RPC文件的影像數(shù)據(jù)直接通過(guò)DEM進(jìn)行影像的正射校正,在Map/Orthorectification/SPOT/Orthorectify SPOT下完成;其二,利用地面控制點(diǎn)增加校正精度的方式,在Map/Orthorectification/SPOT/Orthorectify SPOT with Ground Control下完成。首先,打開(kāi)地面控制點(diǎn)對(duì)話框,選擇地面控制點(diǎn)的位置,在三視窗口中使用大十字線放置于SPOT5所選同名控制點(diǎn)上,打開(kāi)Pixel Locator,選擇Export,在Elev文本框中自動(dòng)添加DEM中的高程信息;然后點(diǎn)擊Add Point把點(diǎn)位添加到控制點(diǎn)列表,以同樣的方式繼續(xù)選擇控制點(diǎn)至少達(dá)到3個(gè)或3個(gè)以上,點(diǎn)擊ShowList按鈕查看所選控制點(diǎn),確定誤差RMS是否滿足要求;最后輸出結(jié)果,在地面控制點(diǎn)對(duì)話框中打開(kāi)Options/Orthorecity File,選擇采樣方法、DEM數(shù)據(jù)、投影參數(shù)、像元大小,完成正射校正過(guò)程。本文選擇第二種方式進(jìn)行SPOT5數(shù)據(jù)的正射校正。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 研究區(qū)概況

博茨瓦納位于非洲南部?jī)?nèi)陸,東接津巴布韋,西連納米比亞,北鄰贊比亞,南接南非。該國(guó)地處南非高原中部的卡拉哈迪盆地,西北部為奧卡萬(wàn)戈三角洲沼澤地,東南部和弗朗西斯敦周?chē)乔鹆甑貛?中部和西南部為喀拉哈里沙漠(約占全國(guó)面積的2/3),北部的卡薩尼是大量野生動(dòng)物的棲息地。境內(nèi)無(wú)大的河流,南回歸線穿過(guò)博茨瓦納境內(nèi),地勢(shì)大致平坦,但有起伏的高原,平均海拔約1 000 m左右。大部分地區(qū)屬熱帶干旱草原氣候,西部為沙漠,屬熱帶沙漠氣候,年均氣溫21 ℃,分為春(9-11月)、夏(12-2月)、秋(3-5月)、冬(6-8月)四季,年均降水量400 mm。博茨瓦納礦產(chǎn)資源豐富,主要礦藏為鉆石,其次為銅、鎳、煤、蘇打灰、鉑、金、錳等,鉆石儲(chǔ)量和產(chǎn)量均居世界前列。

2.2 配準(zhǔn)與鑲嵌

在做配準(zhǔn)與鑲嵌之前,首先在ENVI5.3軟件中基于Pushbroom模型對(duì)兩幅SPOT5影像做正射校正,正射校正影像如圖2所示。正射校正后影像(圖2-b)比正射校正前影像(圖2-a)有了明顯的正旋轉(zhuǎn),說(shuō)明正射校正對(duì)影像的配準(zhǔn)(或幾何校正)具有良好的輔助作用。

圖2 正射校正Fig.2 Orthophoto correction左圖為原始影像拼接,右圖為正射校正后影像拼接。

影像配準(zhǔn)或幾何校正應(yīng)遵循以下原則:①選擇基準(zhǔn)影像(或地形圖)與配準(zhǔn)影像上均有的相同地標(biāo);②通?？刂泣c(diǎn)選在圖像的四角和對(duì)角線交點(diǎn)處,然后逐漸加密,使控制點(diǎn)均勻分布全圖;③盡可能選在固定的地物交叉點(diǎn)上,如果無(wú)精確定位的標(biāo)志,可利用半固定的地形地物交叉點(diǎn)(山頂、河流交匯處等);④選點(diǎn)數(shù)應(yīng)至少為(n+1)(n+2)/2,其中n為選擇多項(xiàng)式的次數(shù),一般控制點(diǎn)數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于最低數(shù)。

兩幅或多幅影像的鑲嵌可以使用兩種方法:一種是基于像元的鑲嵌;一種是基于地理坐標(biāo)的鑲嵌。本次研究數(shù)據(jù)自帶有地理信息,故采用基于地理信息的鑲嵌方法,在該方法基礎(chǔ)上,對(duì)比研究以下三種鑲嵌方式:①直接鑲嵌法;②基于配準(zhǔn)后的鑲嵌;③基于正射校正和配準(zhǔn)后的鑲嵌(圖3)。

圖3 配準(zhǔn)與鑲嵌Fig.3 Registration and mosaic注:以上顯示局部道路均為融合后2.5 m分辨率。

2.3 精度評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)三種方式的鑲嵌,誤差結(jié)果如表2所示。

表2 鑲嵌誤差對(duì)比表Table 2 Mosaic error comparison table

從表2可知,直接鑲嵌的誤差最大,平均誤差精度為60.12個(gè)像元,經(jīng)配準(zhǔn)后鑲嵌的誤差明顯縮小,平均誤差精度為1.05個(gè)像元,而經(jīng)過(guò)DEM正射校正和配準(zhǔn)后的鑲嵌,其誤差精度最小為0.47個(gè)像元。

從三種形式的圖像鑲嵌效果來(lái)看,由于兩幅影像本身的幾何畸變,直接鑲嵌的結(jié)果造成道路等地物實(shí)體拼接具有明顯的錯(cuò)位現(xiàn)象,不符合拼接精度要求;基于配準(zhǔn)后的圖像鑲嵌精度明顯提高,與圖3-c相比依然有錯(cuò)位現(xiàn)象,但比直接鑲嵌的結(jié)果有很大地改進(jìn),而基于正射校正和配準(zhǔn)后的影像,拼接效果最好,道路等地物實(shí)體基本上拼接完好,拼接誤差在0.5個(gè)像元以內(nèi),能夠?yàn)楹罄m(xù)的影像融合、制作三維影像圖等提供保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以南半球的博茨瓦納地區(qū)相鄰的兩景SPOT5遙感影像為數(shù)據(jù)源,利用DEM對(duì)影像做正射校正,基于正射校正后的影像對(duì)重疊區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)、鑲嵌,達(dá)到與重疊區(qū)域內(nèi)相同地物類型的位置相吻合[5],進(jìn)而生成滿足精度要求的遙感影像圖。

南半球的SPOT5影像由于受研究區(qū)內(nèi)地形起伏和地球自轉(zhuǎn)影響,造成衛(wèi)星影像的幾何畸變較大且相鄰影像的重疊部分較少,使影像的配準(zhǔn)、鑲嵌無(wú)法滿足精度要求,因此通過(guò)正射校正后再配準(zhǔn)、鑲嵌能夠很好地滿足精度要求,由此可看出,在同類地區(qū)對(duì)遙感影像做正射校正的必要性和重要意義。然而經(jīng)過(guò)細(xì)致的配準(zhǔn)后,仍難免有誤差,下一步可以使用更高精度的DEM對(duì)影像進(jìn)行配準(zhǔn)與鑲嵌的研究。