城市高分辨率衛(wèi)星影像幾何校正技術(shù)研究

周李乾

（柳城縣自然資源和規(guī)劃局國土勘測所）

1 引言

隨著航天遙感技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始廣泛使用衛(wèi)星遙感影像作為應(yīng)用和分析的底圖。具有高清晰度和精準(zhǔn)方位信息的高分辨率衛(wèi)星遙感影像在城市智能感知、土地資源監(jiān)測管控、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了巨大的作用。如何保證衛(wèi)星遙感影像具有滿足應(yīng)用需求的幾何精度是遙感應(yīng)用中的核心問題。從衛(wèi)星遙感影像中提取信息，要把遙感影像投影在某一固定的參照系統(tǒng)中并修正原始影像所存在的幾何變形，這一過程便是幾何校正[1]。幾何校正通過一系列的數(shù)學(xué)模型來改正和消除遙感影像成像時因攝影材料變形、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、地球自轉(zhuǎn)、地形起伏等因素導(dǎo)致的影像上要素幾何位置、形狀、尺寸、方位等方面產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過幾何校正的影像可以準(zhǔn)確地量測地物之間的距離、多邊形的面積，并且與其他空間信息進(jìn)行準(zhǔn)確地疊加并進(jìn)行空間分析。因此，影像幾何精度決定了其應(yīng)用的準(zhǔn)確性，特別對于地物復(fù)雜以及精度需求較高的城市遙感分析。

2 研究現(xiàn)狀

長期以來，在影像處理中常使用控制點進(jìn)行影像幾何校正，實地測量和正射影像是獲取控制點的兩種主要來源[2]。這些方法需要大量的人工和半自動工序，包括外業(yè)控制點測量、內(nèi)業(yè)影像判讀選取控制點等，獲取控制點的效率較低、成本較高，無法適應(yīng)如今快速發(fā)展的信息化應(yīng)用需求，如城市監(jiān)測、應(yīng)急保障等。此外，需要消耗大量的存儲設(shè)備以及人力物力對這些控制點進(jìn)行管理。國內(nèi)外一些研究也提出了利用衛(wèi)星影像自身系統(tǒng)幾何參數(shù)進(jìn)行校正的方法，面向不同衛(wèi)星提出了很多校正模型，但是沒有一種適合于不同類型的傳感器的通用系統(tǒng)幾何校正算法[3]。隨著衛(wèi)星影像源的增加，越來越多經(jīng)過處理加工以及質(zhì)量檢測的正射糾正影像產(chǎn)品可供使用，因此，筆者研究面向城市遙感高精度的應(yīng)用需求，探討了一種利用數(shù)字正射影像（DOM）作為參考，獲取其中特征點，并與處理影像特征點進(jìn)行匹配，完成影像幾何校正的方法。

3 研究方法

基于高分辨率參考影像底圖，結(jié)合影像快速控制點匹配技術(shù)，構(gòu)建多源影像快速處理技術(shù)體系，面向大量影像處理任務(wù)，可快速完成影像幾何糾正工作，形成1:10000高分辨率高精度DOM產(chǎn)品。為了能夠快速準(zhǔn)確地對大范圍大批量高分辨率遙感影像進(jìn)行幾何校正，本項目使用基于RPC模型和參考DOM成果的方法。國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)大范圍快速幾何糾正。運(yùn)用RPC模型對分辨率優(yōu)于1m的高分二號原始國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正和空間定位，并利用高分辨率DOM數(shù)據(jù)結(jié)合自動特征點匹配手段對國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了大范圍快速平差計算，完成影像的正射校正。整個正射糾正主要包含了參考DOM處理、影像定位、控制點采集和影像配準(zhǔn)四個步驟。

3.1 參考影像處理

為了能夠快速地進(jìn)行大范圍影像正射糾正，同時保證較好的糾正精度，本項目利用經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品檢驗得到的高精度航空影像成果作為參考影像。該成果具有較高的幾何精度和圖像質(zhì)量，采用2000國家大地坐標(biāo)系，地面分辨率為0.5m，平面中誤差在平地、丘陵均為1.2m，山地和高山地為1.6m，DOM接邊精度誤差不大于2個像元，圖像質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，色彩模式為RGB，選取其中紅色波段作為參考影像波段。

3.2 影像定位

使用一階有理函數(shù)模型方式進(jìn)行影像幾何信息讀取和模型構(gòu)建。目前，衛(wèi)星成像模型主要是嚴(yán)格物理模型和有理函數(shù)模型，嚴(yán)格物理模型基于共線方程，描述了影像和地面之間的嚴(yán)格幾何成像關(guān)系，其參數(shù)具有明確的物理意義，但是，嚴(yán)格物理模型與衛(wèi)星傳感器相關(guān)，形式復(fù)雜，缺乏通用性，需要專業(yè)軟件才能支持。而有理函數(shù)模型是一種通用的廣義成像模型，形式簡單，參數(shù)沒有物理意義，精度與嚴(yán)格物理模型相近，且兼容和支持性較好。

高分辨率衛(wèi)星一般不提供嚴(yán)格的傳感器物理模型，而是用有理函數(shù)的通用傳感器模型代替。有理函數(shù)模型實質(zhì)是多項式模型的擴(kuò)展，其本質(zhì)還是多項式模型。有理函數(shù)模型是將像點坐標(biāo)（x，y）表示為以相應(yīng)地面空間坐標(biāo)（X，Y，Z）為自變量的多項式的比值，如下式：

式 中 ：（X0，Y0，Z0，x0，y0） 為 標(biāo) 準(zhǔn)化的平移參數(shù)，（X，Y，Z，x，y）為標(biāo)準(zhǔn)化的比例參數(shù)。有理函數(shù)模型用標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)的目的是減少計算過程中由于數(shù)據(jù)數(shù)量級差別過大引入的舍人誤差。如下式：

式中多項式系數(shù)即稱為有理函數(shù)的系數(shù)，一般包含在影像文件中。正射糾正時只需讀取RPC文件作為計算模型輸入的參數(shù)即可。

3.3 控制點采集

城市區(qū)域地物特征明顯，建筑、道路、地面構(gòu)筑物等均具有突出的角點或者特征圖案，能夠有效地使用特征提取算法獲取這些特征點。使用有理函數(shù)模型進(jìn)行控制點定位，有理數(shù)函數(shù)模型計算階數(shù)為一階。使用光柵網(wǎng)格的方法來對處理影像和參考影像的特征點分別進(jìn)行采樣。對于連接點采樣，積分運(yùn)算法（即Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus，Susan）通常是首選。因為它可以促進(jìn)在所采集的連接點上執(zhí)行質(zhì)量保證，操作人員可以看到可辨認(rèn)的特征（例如，建筑物角落或某一具體的樹），并著眼于另一個影像，看其是否正確匹配。每景影像控制點數(shù)為200個。再通過這些控制點對參考影像和處理影像進(jìn)行配準(zhǔn)。使用該方法進(jìn)行控制點采集可以很好地提高控制點準(zhǔn)確度，比人工選點更為準(zhǔn)確，且選點效率極大程度地提高?？刂泣c采集結(jié)果如圖1。

3.4 影像配準(zhǔn)

影像配準(zhǔn)就是指將多圖像的同名影像通過幾何變換實現(xiàn)重疊，即實現(xiàn)影像與影像間地理坐標(biāo)及像元空間分辨率上的統(tǒng)一?；驹硎歉鶕?jù)對兩個圖像的近似性量度，即在兩個圖像的相對移動中，找出其相似性量度值最大，或差別最小的位置作為圖像配準(zhǔn)的位置。

使用快速傅里葉變換相匹配（FFTP）法來進(jìn)行參考DOM影像和處理影像的特征同名點配準(zhǔn)。使用FFTP法為當(dāng)兩幅影像之間具有相對漂移時，結(jié)果是在頻域內(nèi)產(chǎn)生相差。使用FFTP能夠更大的模板尺寸，因為它在頻域內(nèi)工作，它著眼于影像內(nèi)細(xì)節(jié)的方式而不是小鄰域內(nèi)的灰度值。這使得在影像之間存在較大亮度差異的情況下或者當(dāng)在影像之間已經(jīng)發(fā)生了較大的地表覆蓋變化時FFTP的匹配結(jié)果較為穩(wěn)固。此外，F(xiàn)FTP考慮了來自不同傳感器或光譜波段相同區(qū)域的影像之間的更好匹配。

指定用于連接點的最大搜索半徑，以像素為單位。該參數(shù)用來控制在尋找匹配時要搜索的面積大小。在匹配每一個點時，更大的值將增加要考慮的搜索面積，因此增加了處理時間。將在來自原始影像的小窗口（模板）內(nèi)檢查搜索區(qū)域內(nèi)像素的類似性。如果像素通過了匹配驗收標(biāo)準(zhǔn)，則具有最高相似度的像素將被接受。由于所有可能的原因，指定的值應(yīng)該略大于兩幅影像之間配準(zhǔn)的預(yù)計不準(zhǔn)確度。

最小得分用于被認(rèn)為是有效匹配的相關(guān)性得分的最低驗收值。有效值范圍從0～1不等，經(jīng)過模型測試和多次嘗試，認(rèn)為0.75為較為合適的閾值。為了使一個匹配稱為連接點，其匹配得分必須大于所指定的值。

進(jìn)行同名點配準(zhǔn)計算時，使用的金字塔層級為第8級，配準(zhǔn)特征點搜索半徑為100個像素，對應(yīng)處理影像分辨率1m，則搜索半徑為100m。使用絕對距離的拒絕方式進(jìn)行配準(zhǔn)結(jié)果判斷，設(shè)置最小得分為0.75。

圖1 控制點采集（左圖為整景影像，右圖為城市局部影像）

進(jìn)行了控制點采集和同名點匹配計算后，使用一階有理函數(shù)模型進(jìn)行平差計算。為了在精度和效率之間取得較好的兼顧，使用最近鄰近內(nèi)插法，the Nearest Neighbour Interpolation(NNI)基于已配準(zhǔn)的控制點進(jìn)行重采樣，形成經(jīng)過參考影像幾何糾正的DOM成果。不同地形的配準(zhǔn)結(jié)果如圖2。

使用本項目中的影像正射糾正方法，生產(chǎn)1m分辨率DOM速度可以達(dá)到10min/景。平均偏差X方向為0.6m，Y方向為0.4m，位置精度中誤差最小為±0.72m，最大為±3.31m，平均中誤差為1.5m，幾何精度優(yōu)于1個像元。

圖2 參考影像（深色調(diào)）與糾正影像（淺色調(diào)）配準(zhǔn)效果

圖3 經(jīng)過幾何校正的城市正射影像

4 結(jié)語

面向城市區(qū)域高分辨率衛(wèi)星遙感影像，充分利用已有的高精度DOM產(chǎn)品作為參考，通過自動化特征點選取和控制點配準(zhǔn)，實現(xiàn)高分辨率衛(wèi)星遙感影像的幾何糾正，既能夠提升影像處理效率，同時也可以保證影像相對精度。理論上，只要參考影像的精度達(dá)到應(yīng)用需求，經(jīng)處理的影像產(chǎn)品便可達(dá)到相同精度水平。因此，對于精度要求較高且地物特征明顯的城市遙感應(yīng)用，基于參考影像的高分辨率衛(wèi)星影像幾何糾正方法提供了一種高效可行的影像處理和使用手段。