高分辨率影像的空間定位誤差分析

摘要：高分辨率遙感影像的空間幾何精糾正是影像處理的一個(gè)重要步驟，其空間定位的誤差與不確定性已成為遙感與GIS研究的一個(gè)熱點(diǎn)。高分辨率影像的空間定位誤差是在幾何校正、地面控制點(diǎn)判讀和選取、1：1萬(wàn)地形圖上地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)讀取等過(guò)程中引入的誤差而產(chǎn)生的，并導(dǎo)致誤差與不確定性從地形圖上傳播到影像上。為了驗(yàn)證高分辨率影像定位的誤差，本文通過(guò)使用手持GPS進(jìn)行野外測(cè)點(diǎn)，用實(shí)測(cè)坐標(biāo)與SPOT5（2.5m）遙感影像的同名點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，確定兩者的一致性，驗(yàn)證SPOT5（2.5m）遙感影像的空間定位。同時(shí)通過(guò)兩臺(tái)GPS平行觀測(cè)，對(duì)比同步觀測(cè)機(jī)的數(shù)據(jù)，分析手持GPS的誤差來(lái)源以及穩(wěn)定性對(duì)定位精度的影響，并探討手持GPS測(cè)點(diǎn)作為高分辨率影像空間定位的可能性。

關(guān)鍵詞：高分辨率影像 地面標(biāo)志 定位精度 誤差分析

0 引言

本文的遙感影像是采用法國(guó)SPOT5生成的2.5m分辨率的圖像產(chǎn)品。但遙感影像的獲取會(huì)由于平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、偏扭、彎曲而產(chǎn)生幾何畸變，如像元大小與地面大小對(duì)應(yīng)不準(zhǔn)確，將給位置配準(zhǔn)造成困難。同時(shí)，進(jìn)行幾何校正和數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)時(shí)，由于地形圖的現(xiàn)勢(shì)性弱，許多明顯地物在地圖上都沒(méi)有顯示，很難從地形圖上選擇符合精度的地面控制點(diǎn)，而且在幾何校正的過(guò)程中，地面控制點(diǎn)的判讀和選取，從1：1萬(wàn)地形圖上選取地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的過(guò)程，以及使用PCI配準(zhǔn)影像產(chǎn)生的誤差都會(huì)將誤差累積傳播到最終結(jié)果，影響空間定位的精確度。因此，本文希望通過(guò)GPS野外測(cè)量與遙感影像數(shù)據(jù)的誤差計(jì)算來(lái)提高高分辨率影像定位精度。

1 高分辨率遙感影像的幾何精糾正

幾何精糾正的方法及原理

幾何糾正包括粗糾正和精糾正兩種，粗糾正根據(jù)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行糾正；經(jīng)常用的是精糾正。幾何精糾正是將一幅含有幾何畸變和比例尺差異的原始遙感影像，通過(guò)一種數(shù)學(xué)變換，生成一幅符合數(shù)字化地圖實(shí)際的新的遙感影像。幾何精糾正的具體方法為: 先在每幅原始遙感影像上選取若干個(gè)控制點(diǎn)，再求出這些控制點(diǎn)在數(shù)字化地圖上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，然后把這些已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)代入計(jì)算機(jī)的校正軟件進(jìn)行運(yùn)算。校正運(yùn)算實(shí)際上包含著兩個(gè)基本的運(yùn)算過(guò)程: 一是將每個(gè)原始像素點(diǎn)的行列值換算成它在新生成的遙感影像中的坐標(biāo)值，二是重新計(jì)算出每個(gè)原始像素點(diǎn)在新生成的遙感影像中的像元亮度值。當(dāng)所有的控制點(diǎn)被選好后，其校正運(yùn)算的過(guò)程由計(jì)算機(jī)校正軟件自動(dòng)完成。而控制點(diǎn)的選取則需要人工干預(yù)，其選擇的準(zhǔn)確性與合理性將直接影響到校正的處理效果。

2 東圳水庫(kù)SPOT5（2.5m）遙感影像圖幾何糾正過(guò)程

2.1 東圳庫(kù)區(qū)概況 莆田東圳水庫(kù)地處閩東南濱海，位于莆田市城廂區(qū)常太鎮(zhèn)木蘭溪支流的延壽溪中游地帶，庫(kù)區(qū)流域范圍包括了城廂區(qū)常太鎮(zhèn)大部分，仙游的鐘山，游洋兩鎮(zhèn)的一小部分，以及榜頭鎮(zhèn)的一小部分 。地勢(shì)從西北向東南傾斜，地貌以低山為主，丘陵次之，山間盆地發(fā)育其中，庫(kù)區(qū)森林覆蓋率達(dá)80％以上。

2.2 數(shù)據(jù)源及處理

2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 地形圖數(shù)據(jù)：莆田市常太鎮(zhèn)，游洋鎮(zhèn)，鐘山鎮(zhèn)和榜頭鎮(zhèn)的地形圖。

地形圖標(biāo)準(zhǔn)：比例尺1：10000；54北京座標(biāo)系3度分帶高斯克呂格投影；56黃海高程系；5米等高距；74年版式。一共有20張地形圖。

影像圖數(shù)據(jù)：東圳庫(kù)區(qū)的SPOT5與TM影像融合后的影像圖，共三個(gè)波段，其空間分辨率是2.5米。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 由于利用掃描儀后的地形圖存在掃描儀畸變和圖紙變形，為確保整體的精度，把掃描后的文件利用Geoway軟件的DRG模塊進(jìn)行糾正，糾正完畢后，在Mapinfo中配準(zhǔn)地形圖。

2.3 基于PCI的校正具體過(guò)程

2.3.1 參數(shù)選擇：選擇經(jīng)緯度為影像較正單位：“Long/Latitude”，以及Pulkovo1942為基準(zhǔn)面。

2.3.2 控制點(diǎn)選取：以配準(zhǔn)好的1：1萬(wàn)地形圖為基準(zhǔn)，在影像圖上找出和地形圖上地物相匹配的明顯地物作為地面控制點(diǎn)。

控制點(diǎn)選取有其要求，要求均勻分布在整個(gè)校正區(qū)域、特征要固定而明顯、數(shù)量要足夠。控制點(diǎn)應(yīng)是在原始影像中均勻分布并能正確識(shí)別和定位、在地形圖上可精確定位的特征點(diǎn)、特征線(取其中點(diǎn)) 。如固定的地形地物交叉點(diǎn)、河流拐彎處或交叉處、小島、塔、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、鐵路、水壩和交叉路口等。其具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)糾正方法的要求而定。

對(duì)于衛(wèi)星影像的糾正，每景應(yīng)在20-30個(gè)。控制點(diǎn)不必選太多，要求均勻，在控制點(diǎn)分布較少的地方，誤差較大。同時(shí)可能地形圖調(diào)給的時(shí)間與影像圖的時(shí)間有差距，所以選取的點(diǎn)必要是固定點(diǎn)，即不可能發(fā)生變化的點(diǎn)。控制點(diǎn)的選取很重要，控制點(diǎn)選擇好壞，決定誤差的大小，影像較正效果的好壞。

尋找控制點(diǎn)，在已經(jīng)配準(zhǔn)后的 地形圖中得到其坐標(biāo)，確定后，在PCI的編緝窗口中輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)。在東圳水庫(kù)整個(gè)流域范圍內(nèi)，一共選擇了32個(gè)控制點(diǎn)（如圖一），比較每個(gè)控制點(diǎn)的誤差，把誤差較大的控制點(diǎn)去掉，最終接受了20個(gè)點(diǎn)（如圖二），控制點(diǎn)的分布在北面的山區(qū)選擇控制的誤差較大，基本上去除掉，這是受到在山區(qū)無(wú)明顯、固定的地物，不容易選擇控制點(diǎn)的影響。

在控制點(diǎn)的數(shù)最不少于多項(xiàng)式的 系數(shù)個(gè)數(shù)情況下，適當(dāng)增加GCP的個(gè)數(shù)，可以提高幾何糾正的精度，因此，選取更多的控制點(diǎn)，可以達(dá)到更好的效果。

在本次操作中選擇的多項(xiàng)式次數(shù)為二次，此時(shí)的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)可以滿足要求，并且其誤差是最小的。假如要研究遙感影像的校正公式，PCI軟件提供了導(dǎo)出使用的多項(xiàng)式，以及通過(guò)校正得出的多項(xiàng)式的各個(gè)系數(shù)，同時(shí)可以在控制窗口觀察控制點(diǎn)在X 和Y 方向上的偏移程度。

3.3.3 執(zhí)行較正 選取重采樣的方法：在本次操作中選擇最鄰近法（Nearest），最后點(diǎn)擊“Perform Registration”完成較正。

3.3.4 精度計(jì)算 以“RMS”的大小來(lái)檢驗(yàn)得到影象校正效果好壞。“RMS Error”為誤差，單位為像元。

影象的校正效果要達(dá)到?jīng)]有或極小誤差的難度比較大，通常情況下，都允許一定范圍的校正誤差，校正結(jié)果在誤差范圍內(nèi)的校正影象都是可以使用的。影象誤差是原控制點(diǎn)的坐標(biāo)與通過(guò)變換后坐標(biāo)的差值。各點(diǎn)的誤差的計(jì)算公式如下所示：

RMS=[(Xi-xi)+(Yi-yi)]1/2

Xi，Yi是變換后控制點(diǎn)的坐標(biāo)，xi，yi是變換前控制點(diǎn)的坐標(biāo)。窗口中的RMS Error是總體的誤差值，即T是由所有控制點(diǎn)在X方向上的RMS和Y方向上的RMS決定的，如下：

T=（R2x+R2y）1/2

在 PCI 的控制窗口中讀取的誤差RMS Error是校正過(guò)后影像的誤差，即所有控制點(diǎn)總體誤差。而在前面選取控制點(diǎn)地程中，控制點(diǎn)編緝窗口中可以讀取Residual x，y，為每個(gè)控制點(diǎn)的在X、Y方向上的總體誤差，Error則是單個(gè)控制點(diǎn)在X、Y方向上的誤差。

在控制點(diǎn)編緝窗口中讀取這次操作的誤差為0.91，0.90；誤差的范圍在一個(gè)像元內(nèi)，莆田影像的一個(gè)像元大小是2.5*2.5米。這次操作的結(jié)果能夠滿足精度要求。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文