不同分辨率DEM對影像正射糾正精度的影響

董玉剛

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心—遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

正射影像圖是按照地理坐標生成的具有幾何精度和影像特征的數(shù)字地圖，具備直觀準確地反應(yīng)地形地貌、制作周期短等特點，越來越廣泛地應(yīng)用在空間地理信息建設(shè)中。遙感衛(wèi)星影像在成像的過程中，由于地球曲率及地形起伏、攝影軸傾斜、大氣折光等諸多因素的影響，致使影像中每個像點產(chǎn)生不同程度的幾何變形而失真[1]。正射糾正不僅可以減少或消除成像過程中由于各種因素導致的影像畸變，也是各種影像應(yīng)用的前提與基礎(chǔ)，特別是對于山區(qū)等地形起伏較大，常規(guī)的幾何校正難以消除幾何變形的區(qū)域。

研究發(fā)現(xiàn)：數(shù)字高程模型的分辨率決定其對高分辨率影像正射糾正的精度。因此，研究不同分辨率數(shù)字高程模型對于高分辨率衛(wèi)星影像正射糾正精度的影響具有實際價值[2]。重慶市地理信息中心的陳靜，袁超等人針對實際生產(chǎn)中1∶2 000數(shù)字高程模型對于山區(qū)高分辨率衛(wèi)星影像正射校正扭曲嚴重的現(xiàn)象做過數(shù)字高程模型對山區(qū)高分辨率影像正射校正精度的影響[3]。劉云峰研究了數(shù)字高程模型對遙感衛(wèi)星影像正射糾正精度的影響，選取了包含山地、平地、丘陵等常見地貌的SPOT圖像，并使用所在區(qū)域1∶50 000地形圖作為試驗樣區(qū)，通多對比分析以后發(fā)現(xiàn)25米以及50米的格網(wǎng)間距對正射糾正精度的影響可以忽略[4]。本文使用資源三號衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，對衛(wèi)星遙感影像進行正射糾正，并通過試驗對比分析不同格網(wǎng)間距的高程模型對正射糾正的精度影響的情況，以此來確定最佳分辨率的數(shù)字高程模型。

1.試驗數(shù)據(jù)準備

試驗數(shù)據(jù)主正文開始要包括資源三號影像數(shù)據(jù)和四種不同分辨率的數(shù)字高程模型，四種分辨率的數(shù)字高程模型分別是15米分辨率的DSM、30米分辨率的ASTER GDEM、45米分辨率的SRTM、90米分辨率的SRTM。然后將下載的90米分辨率數(shù)字高程模型進行內(nèi)插處理，得到45米分辨率的數(shù)字高程模型。

1.1 衛(wèi)星影像

資源三號衛(wèi)星是我國第一顆民用高分辨率光學傳輸型立體測繪衛(wèi)星，它主要用于1∶2.5 000等更大比例尺地形圖部分要素的更新，還廣泛應(yīng)用于1∶50 000比例尺立體測繪和數(shù)字影像制作中。資源三號衛(wèi)星配備有多光譜相機和三線陣測繪相機兩種相機，采用三線陣成像方式，通過正視相機、前視相機、后視相機三種高幾何分辨率相機和多光譜相機獲取指定的某地區(qū)的立體影像、多光譜影像、高分辨率影像以及其他輔助數(shù)據(jù)[5]。本實驗采用的標準衛(wèi)星影像為資源三號全色波段影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過了傳感器校正的幾何處理方式和相對輻射校正處理，影像平面精度優(yōu)于10米，高程精度優(yōu)于5米。

1.2 DEM數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）是利用地面坐標及高程數(shù)據(jù)來模擬地球表面的數(shù)據(jù)集，描述一定空間范圍的地貌特征，是基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品，能夠用來糾正遙感影像在成像過程中的投影差。根據(jù)產(chǎn)品的不同形式通常分為以下幾種：

（1）SRTM數(shù)據(jù)

SRTM是航天飛機雷達地形測繪的產(chǎn)品，使用雷達干涉儀，生成小于60°緯度的全局一致的數(shù)字高程圖，獲取的雷達影像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，制成了分辨率為30米和90米兩種數(shù)字地形高程模型產(chǎn)品。

（2）ASTER GDEM數(shù)據(jù)

ASTER GDEM（先進星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型）是對ASTER衛(wèi)星的測繪數(shù)據(jù)進行處理生成的，其垂直精度能夠達到20米，水平精度達30米，產(chǎn)品覆蓋全球陸地，在大范圍地形圖制作等方面，它與SRTM兩種數(shù)據(jù)的應(yīng)用較為廣泛。

（3）DSM數(shù)據(jù)

DSM（數(shù)字表面模型）是比DEM更加精細的表示地形地貌的數(shù)據(jù)集，它不僅包含了自然地球表面的形狀還包含了人工建筑物產(chǎn)生的高度變化，是反映地表信息的重要手段之一[6]。利用資源三號立體像對建立的15米分辨率DSM已經(jīng)基本覆蓋全國。

空間地理數(shù)據(jù)云平臺是由中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心的科學數(shù)據(jù)中心研發(fā)，數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)可以從空間地理數(shù)據(jù)云免費獲取。

2.ZY-3遙感影像正射糾正試驗

2.1 技術(shù)方法

以ZY-3遙感影像的全色波段為影像數(shù)據(jù)源、準備試驗的數(shù)字高程模型以及數(shù)字表面模型等數(shù)據(jù)，分別利用15米分辨率數(shù)字表面模型、30米分辨率數(shù)字高程模型、45米分辨率數(shù)字高程模型以及90米分辨率數(shù)字高程模型對資源三號影像進行正射糾正，將正射糾正影像與高分辨率影像進行精度對比，評價正射糾正的效果。

2.2 數(shù)字高程模型預(yù)處理

2.2.1 DEM拼接

圖像拼接是將幾幅具有一定重疊區(qū)域并且?guī)в械乩韰⒖嫉挠跋窠M合成為一幅圖像的過程。圖像輸入之前必須經(jīng)過幾何校正處理或者進行校正標定[7]。由于本試驗選取的資源三號遙感影像的覆蓋范圍大于一幅數(shù)字高程模型的范圍，所以要將多幅數(shù)字高程模型的柵格圖像進行拼接，確保覆蓋試驗影像。

首先，選取覆蓋試驗區(qū)域的全部DEM數(shù)據(jù)，盡可能選擇成像時間和成像條件比較接近的數(shù)據(jù)，以減輕后面的色調(diào)調(diào)整的工作量。然后，選定拼接方案，這是極為重要的步驟，拼接方案的好壞直接關(guān)系到工作時間和工作量。本試驗確定的拼接方案為：確定標準像幅，標準像幅一般位于試驗區(qū)中央，再確定拼接順序，即以標準像幅為中心，由中央向四周逐步進行拼接，接下來，無論是幾何拼接的過程還是色調(diào)調(diào)整的過程都是以標準像幅為中心，向四周逐步擴散，完成相鄰圖像的拼接。

2.2.2 DEM裁剪

拼接后的DEM能夠完全覆蓋試驗區(qū)，需要按試驗區(qū)范圍對其進行裁剪。本次試驗采用資源三號影像數(shù)據(jù)自帶的邊界文件向外做一千米緩沖區(qū)，利用新生成的矢量文件，根據(jù)不規(guī)則分幅裁剪的方式對DEM數(shù)據(jù)進行裁剪。

2.2.3 DEM內(nèi)插

DEM內(nèi)插是根據(jù)若干個相鄰參考點的高程值，利用一定算法求出待定點上的高程值，在數(shù)學上屬于插值問題，任意一種內(nèi)插算法都是基于原始地形起伏變化的連續(xù)光滑性，或者說比較臨近的數(shù)據(jù)點之間有很大的相關(guān)性[8]。

由于本次試驗下載的DEM數(shù)據(jù)是柵格數(shù)據(jù)，所以使用影像內(nèi)插方法來進行數(shù)字高程模型內(nèi)插。影像內(nèi)插一般有最鄰近像元法、雙線性內(nèi)插、雙三次卷積法。本次試驗采用雙三次卷積方法進行處理，這種方法的內(nèi)插效果最好，但是處理時間相對較長。

2.3 正射糾正處理

許多遙感圖像處理軟件都能實現(xiàn)遙感影像的正射糾正處理，如ERDAS、ArcGIS等。利用成熟的遙感圖像處理軟件，在新建的處理項目選取與傳感器對應(yīng)的幾何模型進行自動正射糾正即可。糾正時，分別選取15米分辨率的DSM、30米分辨率的ASTER GDEM、45米分辨率的SRTM和90米分辨率的SRTM作為影像糾正的DEM數(shù)據(jù)。

2.4 精度評定

精度評定是評價一幅圖像正射糾正結(jié)果的唯一標準。本次試驗采用的精度評價方法是尋找特征點，并判斷影像上的特征點對比標準圖像上同一個特征點在圖上像素差值的中誤差。試驗中特征點提取采用SIFT算法，SIFT算法是Scale Invariant Feature Transform算法（即尺度不變特征變換匹配算法）的簡稱，它是一種用于計算機視覺識別的算法，用來偵測和描述一景影像的局部特征，在空間尺度中尋找極值點，并提取出其位置、尺度、旋轉(zhuǎn)不變量以確定兩景影像之間的相識度。本文在利用不同DEM數(shù)據(jù)源糾正后的正射影像上分別選取了城鎮(zhèn)、山地、丘陵、農(nóng)田以及河流等多種不同地貌類型，再進行特征點提取，統(tǒng)計其點位中誤差。各類特征點位中誤差如表1-表4所示。

表1城鎮(zhèn)特征點中誤差 單位：米

從表1可以看出：15米分辨率的DSM對影像中城鎮(zhèn)地區(qū)的正射糾正效果最好，而其他三種分辨率的DEM對影像正射糾正的效果雖有降低，但是降低幅度比較小。

表2山地、丘陵特征點中誤差 單位：米

從表2可以看出：同樣是15米分辨率的DSM對山地、丘陵類地形的正射糾正效果最好，而且正射糾正效果隨著DEM分辨率的降低而下降，但是與表1進行比較可以看出：山地地形整體糾正效果沒有城鎮(zhèn)地區(qū)的糾正效果好。

表3農(nóng)田特征點中誤差 單位：米

從表3可以看出：在農(nóng)田種植區(qū)15米分辨率的DSM糾正效果明顯比其他幾種分辨率的DEM的糾正效果要好，而且與城鎮(zhèn)區(qū)域的正射糾正中誤差相差不多。

表4河流特征點中誤差 單位：米

從以上四個表可以看出：15米分辨率的DSM對資源三號影像的正射糾正效果是最好的，其他三種分辨率DEM的糾正效果隨著DEM分辨率的提高而線性降低。相同分辨率的DEM在地形起伏較大地區(qū)的糾正效果低于平坦地區(qū)的正射糾正效果。

（1）通過對比試驗可以得出：隨著使用的DEM精度的提升，資源三號影像正射糾正的精度也隨之提高，15米分辨率的數(shù)字表面模型對資源三號影像正射糾正的效果最好。

（2）試驗過程中，針對不同地貌類型的正射糾正結(jié)果可以看出：農(nóng)田等地形起伏較小的地貌類型的正射糾正精度較好，山區(qū)等地形起伏較大的地貌類型糾正結(jié)果的精度有所下降，說明對地形復(fù)雜的遙感影像而言，其地形起伏直接影響正射糾正的精度，對于地形起伏較大的區(qū)域，高程模型的精度越高，其正射糾正效果越好。

（3）對于資源三號這種空間分辨率較高的遙感影像而言，使用45米分辨率的數(shù)字高程模型和90米分辨率的數(shù)字高程模型糾正的效果不好，因此不適合利用其對資源三號遙感影像做正射糾正。

3.結(jié)束語

本文以資源三號影像為基礎(chǔ)影像，利用四種不同分辨率的數(shù)字高程模型對其進行正射糾正處理，并對比其正射糾正的精度結(jié)果。本試驗中使用的標準影像是使用無控制點糾正的影像，如果能夠獲得GCP文件，將控制點參與到正射糾正中可以獲得更好的效果。每種地貌類別的糾正效果都是通過在糾正后的影像上手動截取一定區(qū)域然后與參照影像上手動截取相同區(qū)域提取特征點加以判斷，在手動截圖的過程中難免會產(chǎn)生一些偏差。有幾幅影像用SIFT算法提取特征點效果并不好，需要進行人工判斷并提取特征點，這個過程也會產(chǎn)生一些誤差。這些都是本次試驗中的不足。本次試驗僅對資源三號影像進行糾正分析，下一步將對多種分辨率的影像采用不同尺度的高程模型進行正射糾正，再對糾正結(jié)果進行對比分析，進一步驗證不同分辨率高程模型對影像正射糾正精度的影響。