基于光照模型的遙感圖像與DEM配準方法研究

胡勇修,李 輝,石曉春

(1.廣東省國土資源技術中心,廣州 510075;2.中國地質大學地球科學學院,武漢 430074;3.中國地質大學教育部長江三峽地質災害研究中心,武漢 430074;4.廣東省國土資源測繪院,廣州 510500)

基于光照模型的遙感圖像與DEM配準方法研究

胡勇修1,李 輝2,3,石曉春4

(1.廣東省國土資源技術中心,廣州 510075;2.中國地質大學地球科學學院,武漢 430074;3.中國地質大學教育部長江三峽地質災害研究中心,武漢 430074;4.廣東省國土資源測繪院,廣州 510500)

針對遙感圖像與DEM數據之間難以找到精確同名地物點而造成的配準精度較低問題,提出了一種基于光照模型的圖像配準方法。該方法首先計算DEM數據中每一個像元的方位和坡度,并結合遙感圖像成像時的太陽高度角和方位角,計算圖像與 DEM的地形光照模型,最后通過光照模型來輔助控制點的選取,從而實現圖像精確配準。實驗結果表明,該方法穩定有效,特別適合地形起伏較大的區域。

遙感圖像;DEM;配準;光照模型

0 引言

圖像配準是對取自不同時間、不同傳感器或不同視角的同一景物的兩幅或多幅圖像進行匹配、疊加的過程[1],是圖像融合、目標提取與定位、變化監測、地圖更新及三維顯示等處理工作不可缺少的步驟[2]?，F有的圖像配準方法主要分為基于區域的和基于特征的方法兩大類[3],前者直接利用圖像的灰度信息,對輻射特性比較敏感且計算量較大,不適合輻射失真較大和多源圖像之間的配準;后者對輻射特性不敏感,且計算量較小而被廣泛應用[4]。目前,國內外對基于特征的圖像配準方法研究較多,但主要集中在光學圖像之間的配準[4,5]、光學圖像與SAR圖像之間的配準[6]以及醫學圖像間的配準[7]等,而對遙感數據與 DEM數據間的配準則少有報道。這是由于DEM數據包含的地形信息與遙感圖像的明暗變化和紋理特征在視覺上并不直接相關,因此難以在兩者之間準確獲取同名地物點 (即特征點)。針對該問題,本文擬采用光照模型的方法來輔助控制點的選取,從而實現遙感圖像與DEM間的精確配準。

1 圖像配準方法

1.1 傳統方法

傳統圖像配準方法常使用基于特征的方法進行直接配準。由于DEM數據和 TM圖像之間成像原理不同,所以很難找到同名地物點。一般操作時通常選取山頂最高點或者河道拐點作為控制點進行校正。但如果地物特征不明顯,人眼就很難判斷出 DEM數據中的地形特征點,也難以判斷是否與圖像屬于同名地物點,因此選取的誤差較大,造成配準精度較低[8]。

1.2 光照模型法

由于地形的影響,各個像元的光照條件不盡相同,表現在圖像上便是明暗差異及陰影。本文擬利用 DEM數據,根據遙感觀測成像時的光照條件,模擬出光照亮度圖。此亮度圖反映了由坡度和坡向變化引起的圖像明暗和紋理變化特征,與遙感圖像的明暗變化和紋理特征極為相似,可為控制點的選取提供有效信息。

由于地物所在的地形環境及其與太陽的相對位置等不同,同一時刻不同地形條件下的地表所接收到的光輻射強度也不盡相同[9]。地表光照模型反映了地面接收太陽輻射量的多少,可以使用 Lam bert余弦定理來描述。假定太陽入射角為γi(入射光與地面法線的夾角),則光照系數 cosγi為[10]

式中,θp為坡度角;θz為太陽天頂角;φa為太陽方位角;φo為坡向角 (圖 1)。其中,地形坡度和坡向可以由DEM數據計算,太陽天頂角及方位角可從遙感圖像的頭文件中獲取。

圖 1 光照模型入射角幾何關系[10]Fig.1 Geometric diagram of incipient angle in illumination model[10]

Lambert余弦定理假設地表均一,即各個方向的反射率相同,輻射量的大小僅與入射量的大小有關。而事實上,雖然一般山體陰陽兩坡的植被類型大都是相同的,但植被長勢及密度不同,因而其反射率也不相同。在今后的研究中,需要考慮地表的變異,以進一步提高配準精度。

2 方法實驗

2.1 數據與處理

以覆蓋廣東省北部地區的Landsat7 ETM+圖像(列號 122,行號 043)為數據源,其成像時間為 2001年 11月 20日,成像時的太陽高度角為40.653°,方位角為 151.679°,地面分辨率為 30m;以地形圖或已精確糾正過的圖像作參考,選取道路交叉點和河流交匯點等特征明顯的永久地物點作為控制點,對圖像進行幾何精糾正,最終得到研究所需要的ETM+圖像。截取大小為 779像元 ×645像元的圖像作為試驗區 (圖 2a)。

圖 2 試驗區 ETM+遙感圖像 (左)與全球數字高程模型 (右)Fig.2 ETM+image(left)and DEM data(right)of the test area

DEM數據為相同地區的全球數字高程模型GDEM(圖 2b)。GDEM是 2009年 6月 NASA與日本經濟產業省 (M ETI)利用 ASTER衛星數據制作的全球 30 m分辨率的 DEM,是世界上迄今為止可為用戶提供的最完整的全球數字高程數據,填補了航天飛機測繪數據中的空白[11]。GDEM是采用全自動化方法對 150萬景的 ASTER存檔數據進行處理生成的,其中包括通過立體相關生成的1 264 118個基于獨立場景的 ASTER DEM數據,再經過去云和除去殘余異常值處理,取平均值,并以此作為ASTER GDEM對應區域的最后像元值[12]。

2.2 亮度圖模擬

在 A rcGIS軟件中,利用空間分析模塊計算DEM中每個像元的坡度及坡向,結合遙感圖像成像時的太陽光照參數,利用式 (1)模擬實驗區的亮度圖。為了說明不同光照參數對結果的影響,保持太陽高度角不變,將太陽方位角逆時針旋轉 90°后,模擬其亮度圖。

2.3 控制點選取與擬合

利用A rcG IS軟件中的幾何糾正模塊進行配準。在陰陽坡的交界區域形成了很多線狀紋理信息 (圖2(a)及圖 3(a)),在這些線狀條帶區域的尖銳拐點和交叉點可選取控制點,用于構建幾何糾正多項式數學模型。分別將模擬的亮度圖和遙感圖像放大到適當的尺度,分別在遙感圖像和模擬光照圖上均勻選取 20個同名地物點作為控制點 (GCP),通過三次多項式擬合的方法進行配準。

2.4 精度評估

在現有的圖像配準方法中,一般采用均方根誤差 (RM SE)來衡量圖像配準質量。本文利用兩幅圖像中實際存在的匹配特征得到的控制點來計算均方根誤差,計算公式如下:

式中,n為兩幅圖像上控制點的個數;xR、yR、xS、yS分別為控制點在參考圖像和待配準圖像上的坐標。

3 結果與討論

圖 3為試驗區的光照亮度圖像。

圖 3 試驗區光照亮度圖像Fig.3 Images of illumination of the test area

從圖 3(a)可以看出,光照亮度圖像上紋理及明暗色調與 ETM+圖像的極為相似,這為選取控制點提供了方便。圖 3(b)為光源旋轉 90°后的亮度圖像,不難發現,該圖像雖然也具有較好的紋理,但與ETM+圖像差異較大,故不適合用作控制點選取。表 1為配準精度評價表。

表 1 模擬的光照亮度圖像與 ETM+圖像的配準精度Tab.1 The accuracy assessment of registration between the images of illumination model and ETM+image

從表 1可以看出,RM SE誤差變幅為 0.756～24.422m,總的 RM SE=13.373m,誤差小于 1個像元大小,滿足配準精度要求。若采用常規方法,即在圖 2上直接選擇控制點,則很難達到配準精度要求。

4 結語

(1)利用圖像成像時的光照參數建立地形光照模型,將DEM數據轉換成具有顯著地形特征的圖像,轉換后的圖像與 ETM+圖像的相似性顯著提高,大大方便了地面控制點的選取。

(2)將該方法應用于廣東省 GDEM與 ETM+圖像的配準,獲得了較好的配準結果。配準后總的RM SE=13.373m,在 1個像素以內。

(3)該方法比直接用DEM和 ETM+數據進行配準更加簡單易用和直觀明了,特別是在多山地區,運用該方法更能獲得較高的配準精度。

由于本文采用的是 Lam bert光照模型,該模型假設地表在各個方向對光源的反射均勻,忽略了地形的變異,這與地面實際情況不完全相符,因此,今后的研究應充分考慮地形變異的影響,建立更合理的模型,以提高該方法的精度。

[1] 呂金建,文貢堅,李德仁,等.一種新的基于空間關系的特征匹配方法[J].測繪學報,2008,37(3):367-373.

[2] 文貢堅,呂金建,王繼陽.基于特征的高精度自動圖像配準方法[J].軟件學報,2008,19(9):2293-2301.

[3] Zitova B,Flusser J.Image Registration Methods:A Survey[J].Image Vision Computing,2003,21(11):977-1000.

[4] 鄧 熠,李智勇,粟 毅.仿射不變特征提取算法在遙感影像配準中的應用[J].中國圖象圖形學報,2009,14(4):615-621.

[5] 祿豐年.多源遙感影像配準技術分析[J].測繪科學技術學報,2007,24(4):251-254.

[6] 尹聰穎,焦斌亮.SAR與 TM圖像自動配準算法研究[J].電子技術 (上海),2009,8:33-34.

[7] 朱冰蓮,田學隆,宋維杰,基于人工免疫系統的醫學圖像配準[J].儀器儀表學報,2009,7:1416-1419.

[8] 陳 蕾,鄧孺孺,彭小鵑.TM影像與DEM的地形光照模型配準法研究——以廣州市為例[J].熱帶地理,2008,28(3):223-227.

[9] 李先華.遙感信息的地形影響與改正[J].測繪學報,1986,15(2):102-109.

[10]Riano D,Chuvieco E,Salas J,et al.Assessment of Different Topographic Corrections in Landsat-TM Data for Mapping Vegetation Types[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2003,41:1056-1061.

[11]NASA andMETI.Aster GDEM[EB/OL].[2010-04-30].http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp.

[12]CAS,迄今最完整的全球地形數據 -ASTER GDEM[EB/OL].[2010-04-30].http://datam irror.csdb.cn.

(責任編輯:刁淑娟)

Remote Sen sing Images and DEM Registration Based on Illumination Model

HU Yong-xiu1,LI hui2,3,SHI Xiao-chun4
(1.Land and Resources Technology Center of Guangdong Province,Guangzhou 510075,China;2.Geography Department,China University of Geoscience,Wuhan 430074,China;3.Three Gorges Research Center for Geohazards,Ministry of Education,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;4.Institute of Surveying&Mapping,Department of Land&Resources of Guangdong Province,Guangzhou 510500,China)

Registration between remote sensing images and DEM data is difficult because it is hard to find the Ground Control Points(GCPs)between the two images.In this paper,an illumination model was introduced and served as a proxy in the image registration to increase the registration accuracy. The aspect and slope were computed for each pixel of the image based on DEM data.The solar elevation angle and azimuth were obtained from the header file of the remote sensing image.Based on these parameters,the authors constructed the terrain illumination model based on the Lambert reflectance model,which displays very similar texture to the remote sensing image.Thus,the GCPs can be easily identified in the two images.This method was tested by using sub ETM+image and DEM in Guangdong province.The result show s that the total RM SE of this method is13.373m,which is less than one pixel.This method is effective in the registration of remote sensing image and DEM,especially in mountain areas.

Remote sensing image;DEM;Registration;Illumination model

胡勇修 (1975-),男,工程師,主要從事攝影測量與遙感等研究與應用工作。

TP 75

A

1001-070X(2011)01-0083-04

2010-06-18;

2010-08-15

國家自然科學基金主任基金項目(編號:41040021)、國家自然科學基金項目 (編號:40901206)、中央高?；究蒲袠I務費專項基金項目(編號:CUGL100211)及測繪遙感信息工程國家重點實驗室開放研究基金項目(編號:(09)重 01)聯合資助。