DEM對山區(qū)高分辨率影像正射校正精度的影響

陳 靜，袁 超，陳雪洋，張 燦，張少佳

（1.重慶市地理信息中心，重慶401121）

DEM對山區(qū)高分辨率影像正射校正精度的影響

陳 靜1，袁 超1，陳雪洋1，張 燦1，張少佳1

（1.重慶市地理信息中心，重慶401121）

針對實際生產(chǎn)中1∶2 000 DEM對于山區(qū)高分辨率衛(wèi)星影像正射校正扭曲變形嚴(yán)重的現(xiàn)象，研究了對現(xiàn)有DEM資料進行抽稀形成不同分辨率DEM數(shù)據(jù)，并對比分析了不同分辨率DEM數(shù)據(jù)參與正射校正后的影像扭曲變形、幾何精度、處理效率，從而為實際應(yīng)用提供解決方案。

DEM分辨率；山區(qū)；高分辨率衛(wèi)星影像；正射校正；精度

正射糾正是各種高分辨率衛(wèi)星影像應(yīng)用必不可少的基礎(chǔ)工作[1],尤其是對于某些地形起伏較大、常規(guī)的幾何校正難以消除幾何變形的區(qū)域（山區(qū)、城市地區(qū))。其運用衛(wèi)星攝影測量原理，重建衛(wèi)星成像幾何關(guān)系，同時利用DEM消除影像中由地形導(dǎo)致的變形。DEM作為正射校正環(huán)節(jié)中消除地形變形的控制數(shù)據(jù)，其現(xiàn)勢性、精度、分辨率等都對校正結(jié)果有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，校正使用的DEM分辨率并非越高越好，對于有些地形起伏變化較大的區(qū)域反而會加大影像的扭曲變形（高架橋、道路、房屋）。因此，研究DEM不同分辨率對于山區(qū)高分辨率衛(wèi)星影像正射校正精度的影響具有實際價值。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文以重慶市主城區(qū)為研究區(qū)，面積為5 473 km2，境內(nèi)長江、嘉陵江自西向東穿過并在渝中交匯，縉云山、中梁山、銅鑼山、明月山4條主要山脈南北向貫穿，兩江四山立體地勢明顯，大部分區(qū)域?qū)儆谏降氐匦危匦纹鸱兓蟆Ｖ鞒呛诵某菂^(qū)位于4條山脈的凹槽地帶。近年來主城區(qū)城市建設(shè)發(fā)展迅速，尤其是中梁山與銅鑼山之間，城市開發(fā)建設(shè)對于地形的改造頻繁。

1.2 數(shù)據(jù)源

1）衛(wèi)星遙感影像。采用WorldView影像，拍攝時間為2011-08，產(chǎn)品級別為預(yù)正射標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,帶RPC有理函數(shù)模型參數(shù)文件。產(chǎn)品類型包括全色波段（0．5 m分辨率）和多光譜數(shù)據(jù)（2 m分辨率），經(jīng)融合處理后形成0．5 m分辨率的4波段（紅、綠、藍(lán)、近紅外）彩色影像數(shù)據(jù)。

2）DEM數(shù)據(jù)。1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)：航攝生產(chǎn)，5 m分辨率，2000～2003年生產(chǎn)；1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)：航攝生產(chǎn)，2．5 m分辨率，2005～2011年由城市中心區(qū)域向外圍區(qū)域逐年生產(chǎn)。2套DEM數(shù)據(jù)均完全覆蓋主城區(qū)，但1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性明顯不足。本文采用1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)開展研究。

2 正射校正工藝流程

2.1 校正模型

衛(wèi)星遙感影像正射校正的常用方法有多項式模型、傳感器物理模型和有理函數(shù)模型[2-4]。

1）多項式校正模型，是一種簡單通用的成像傳感器模型。由于引起衛(wèi)星遙感影像變形的因素很多，用一個簡單的多項式模型來逼近不同地區(qū)、不同傳感器構(gòu)像的幾何變形，帶有一定的局限性，特別是山區(qū)，像元位移較大甚至影像扭曲。

2）傳感器物理模型，是以中心投影的共線式構(gòu)像方程為基礎(chǔ)建立的傳感器模型，是對成像空間幾何形態(tài)的直接描述，考慮了遙感衛(wèi)星成像時的諸多物理因素，如成像方法、方位參數(shù)等信息，是一種典型的嚴(yán)格成像模型。該算法理論嚴(yán)密，校正精度高，但前提是必須已知軌道星歷參數(shù)和傳感器參數(shù)，并通過一定數(shù)量的地面控制點來重構(gòu)影像模型。校正過程中還使用DEM信息，以修正因地形起伏引起的影像變形。

3）有理函數(shù)模型。商業(yè)衛(wèi)星公司為防止遙感衛(wèi)星核心技術(shù)參數(shù)泄露，對衛(wèi)星影像進行初步幾何校正和重采樣，使得影像成像時的嚴(yán)格幾何關(guān)系被破壞，而取而代之以向用戶提供有理多項式參數(shù)（RPC）進行處理。該模型是在充分利用衛(wèi)星遙感影像附加的輔助參數(shù)基礎(chǔ)上，對構(gòu)建嚴(yán)格幾何定位模型進行擬合而得到的廣義傳感器模型。

2.2 工藝流程

1）本研究基于Erdas遙感圖像處理平臺[5]，采用有理函數(shù)模型，取2次有理函數(shù)。控制點和檢查點采用GPS-RTK野外實測，點位分布均勻，選在影像紋理清晰、特征明顯且不易消損的地物上。

2）基于現(xiàn)有1∶2 000 DEM數(shù)據(jù)，分別重采樣抽稀為5 m、10 m、15 m、20 m分辨率，形成4個新DEM數(shù)據(jù)與1∶2 000原始DEM數(shù)據(jù)，分別作為DEM參考數(shù)據(jù)參與WorldView影像的正射校正。有理函數(shù)模型和地面控制點均采用相同數(shù)據(jù)[6,7]。正射校正工藝流程如圖1所示。

圖1 正射校正試驗工藝流程圖

3 精度對比分析

同一景影像采用同一控制點文件，利用不同分辨率DEM數(shù)據(jù)分別對WorldView影像進行有理函數(shù)模型校正[8]。

1）影像扭曲變形情況。利用抽稀后的DEM糾正可解決大部分扭曲現(xiàn)象，但部分地區(qū)仍存在扭曲。從圖2系列對比圖上可知，在解決影像扭曲變形方面，DEM抽稀為10 m、15 m、20 m后的校正對影像扭曲變形有較大改善，但3種抽稀方案校正影像之間無明顯區(qū)別，DEM抽稀為5 m的校正結(jié)果對扭曲變形改善效果不大。在處理效率上，DEM抽稀為20 m后的影像校正處理速度高于其他方案。

2）校正精度對比。同一景影像上均勻布設(shè)19個檢查點，對利用不同分辨率DEM數(shù)據(jù)進行的正射校正結(jié)果影像進行精度評定。從表1可以看出，抽稀DEM校正結(jié)果精度普遍低于1∶2 000 DEM校正結(jié)果精度，且隨著抽稀程度加劇精度略有降低，但無顯著差別。從檢查點的最大誤差看，X方向最大誤差為4．49 m，1∶2 000 DEM校正影像最大中誤差為4．48 m，均出現(xiàn)在抽稀20 mDEM校正影像上。相比1∶2 000 DEM校正影像，精度最多約降低了1個像元（0．5 m）。從全部檢查點的平均值來看，5種分辨率DEM校正影像精度無顯著差別。

圖2 不同DEM分辨率正射校正影像扭曲變形對比圖

表1 不同分辨率DEM校正結(jié)果精度評價表/m

4 結(jié) 語

通過對比分析不同分辨率DEM參與下的高分辨率衛(wèi)星影像校正結(jié)果可以看出：

1）利用抽稀后的DEM糾正可解決大部分扭曲現(xiàn)象。

2）在解決山區(qū)高分辨率正射影像扭曲變形方面，DEM抽稀為10 m、15 m、20 m后的正射校正影像對扭曲變形有較大的改善，但3種DEM抽稀后的校正影像之間無明顯區(qū)別。但隨著抽稀力度的加大，正射校正處理效率提升明顯。

3）在幾何精度上，隨著DEM抽稀力度的加大，正射校正影像幾何精度略有降低，但并無顯著差別。

4）1∶2 000 DEM抽稀后參與高分辨率衛(wèi)星影像正射校正方法對于解決影像扭曲變形和保障幾何精度具有較好的效果，可減少影像扭曲變形的后期人工處理工作量。但DEM抽稀程度對正射校正影像的影響效果會因影像類型、區(qū)域地形等不同而有所不同，需根據(jù)實際情況選擇合適的DEM抽稀程度。

[1] 湯國安．遙感數(shù)字圖像處理[M]．北京：科學(xué)出版社,2004

[2] 欒慶祖,劉慧平,肖志強．遙感影像的正射校正方法比較[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用,2007,22(6):743-747

[3] 高炳浩．高分辨率遙感影像糾正處理[J]．測繪與空間地理信息,2009,32(1):161-164

[4] 劉曉龍,薛明,蔡福根．利用SPOT5 參數(shù)進行嚴(yán)密物理模型法糾正方法研究[J]．測繪標(biāo)準(zhǔn)化,2010,26(1):6-9

[5] 黨安榮,王曉棟．ERDAS IMAGINE 遙感圖像處理方法[M]．北京:清華大學(xué)出版社,2003

[6] 劉善偉,張杰,馬毅．控制點數(shù)據(jù)與DEM分辨率對海岸帶遙感影像正射校正精度影響[J]．海洋科學(xué),2009,33(4):9-13

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P237.3

B

1672-4623（2014）01-0128-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.044

陳靜，碩士，主要從事遙感技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。

2013-09-27。

項目來源：重慶市科委科技項目（CSTC，2009CB2015）。