遙感影像正射糾正在鐵路制圖中的應用

唐紅鷹

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

遙感影像正射糾正在鐵路制圖中的應用

唐紅鷹

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

遙感影像具有獲取靈活、現勢性好、價格便宜等優點，越來越多地應用于鐵路工程制圖中。介紹基于ERDAS的遙感影像正射糾正方法，實驗證明，經過糾正的0.5 m Pleiades高分辨率遙感影像能滿足1∶2 000的制圖精度。

遙感影像 鐵路工程制圖 正射糾正 ERDAS

鐵路工程制圖往往具有工期緊迫、制圖精度及現勢性要求高的特點。常用的制圖方法是利用航片進行空三加密，然后在立體模型下進行地貌地物的采集。在一般情況下，可以收集到測圖區域的老航片，但這些老航片往往攝影時間過早，房屋、道路等地物變化較大，不能滿足鐵路工程制圖現勢性的要求。如果重新進行攝影，由于受空域和天氣的影響，往往達不到制圖工期要求，并且重新攝影的費用相對較高。另一種方法是進行野外補測，但存在工作量大，費用較高的問題。遙感影像具有現勢性好、獲取靈活、價格相對便宜的特點，如果能應用到鐵路工程制圖中，則能很好的解決上述問題。

要在鐵路工程制圖中使用遙感影像，首先要解決遙感影像的畸變問題。遙感影像在成像的過程中，受到中心投影、攝影軸傾斜、大氣折光、地球曲率及地形起伏等諸多因素影響，致使影像中各像點產生不同程度的幾何位移而失真[1]。因此，需要對遙感影像做正射糾正，以消除成像過程中各種因素導致的影像畸變。

1 實驗區與資料準備

實驗區數據為東部沿海地區某條市域鐵路的0.5 m高分辨率Pleiades衛星影像，全色波段分辨率為0.5 m，有原始的RPC衛星軌道參數。目測樓房投影差較明顯，初步判定攝影軸傾角在20°以上。區域高程從5～314 m，地形等級屬于丘陵，城區和山區交錯分布，地形較復雜、地物較多，適合作為正射糾正的試驗區。鑒于以上條件，需要利用DEM對影像做正射校正[2]。

實驗區存在老舊的1∶2 000 DLG。控制點和檢查點都可以從既有的1∶2 000 DLG上進行量測；高精度DEM采用既有1∶2 000 DLG等高線和高程點生成，格網間隔為2 m。

Pleiades衛星影像是基于WGS-84橢球的大地坐標系，DLG和DEM數據坐標系都是工程獨立坐標系，如果直接進行糾正，所得結果的誤差會很大。為了提高糾正精度，應將DLG和DEM轉到基于WGS-84橢球標準3°分帶的平面直角坐標系下進行正射糾正，糾正后再將影像轉回工程獨立坐標系。

2 糾正

2.1 軟件介紹

采用ERDAS軟件對實驗區的Pleiades衛星影像進行正射糾正。ERDAS IMAGINE是美國ERDAS公司開發的遙感圖像處理系統，具有先進的圖像處理技術、友好靈活的界面和操作方式、面向廣闊應用領域的產品模塊、服務于不同層次用戶的模型開發工具以及高度的RS/GIS集成功能，成為全球遙感領域最受歡迎和最富競爭力的軟件系統。

2.2 糾正模型[3]

(1)數學擬合模型

不管其物理意義， 直接以地面控制點對影像進行數學變換，該方法適用于平坦地區或未能提供影像衛星軌道參數、傳感器參數地區。一般采用多項式擬合法，其控制點個數與多項式階項n相關，最少控制點數計算公式為(n+1)(n+2)/2，式中n為次方數[4]，通常選擇2次方，理論上至少需要6個控制點。

(2)物理成像模型

考慮成像時造成影像變形的物理意義，利用成像的RPC衛星軌道參數、傳感器參數及DEM，對影像進行嚴密的物理模型糾正。糾正時首先恢復影像的成像模型，然后利用數字高程模型根據成像模型來糾正投影差，最后得到正射糾正影像。

原始衛星軌道參數的精度一般比較差，為了提高糾正精度，經過綜合分析，決定在既有1∶2 000 DLG上采集三維坐標作為控制點，修正衛星軌道參數，然后采用數學擬合方法，恢復影像的成像模型，再利用高精度DEM，基于物理成像模型來對原始衛星影像進行糾正。

2.3 糾正

在ERDAS軟件中，以DLG和高精度DEM為基準對Pleiades影像進行正射糾正。打開ERDAS軟件，加載待糾正影像，依次選擇Raster/Multispectral/Control Point模塊，彈出幾何模型選擇(Select Geometric Model)，不同的衛星影像必須選擇相應的影像種類，如IKONOS、QuickBird、Pleiades、SPOT、ALOS等。對于Pleiades影像，就必須選擇Pleiades RPC方式糾正，這時需要給出該影像的原始RPC參數，在高程模型中調入DEM文件。多項式選擇2次多項式或3次多項式。在Projection選項中，加入糾正的投影信息，即TM投影和WGS-84坐標系，最后選擇糾正方法。糾正方法有多種，可選擇“手工輸入控制點”方式進行糾正，當界面彈出影像和點位信息及誤差窗口時，則可以選點。

在地形圖上選取控制點：現有的Pleiades影像與地形圖時間跨度較大，由于道路的拓寬、改造、重新修建等造成道路交叉點很難找到同名點，即使找到也未必準確；河流交匯點由于攝影時間不同而存在差別。可行的方法是選取那些未發生變化的池塘角點和低矮房屋的角點，往往會提高精度。另一方面，由于實驗所用Pleiades影像攝影軸傾角過大，為避免高層房屋投影差引起的誤差，不宜挑選高層房屋的角點作為控制點。點位選取完畢之后，計算中誤差，并比較中誤差。如果有中誤差超限的點，可以適當移動使其誤差減小或者在不影響整體布點的情況下刪除該點。

多次選點、調點、剔點，檢查合格，滿足限差要求，選點工序完成。糾正時要認真細致地輸入信息，輸出圖像文件名及格式，定義影像的輸出范圍，忽略無數據區域(即0值)。設置完成后，軟件計算自動糾正。

3 糾正結果分析

手工采集30個同名點作為控制點，分別進行2次、3次多項式糾正并和不同精度DEM糾正進行對比。不同精度DEM包括SRTM 90 m分辨率DEM和基于1∶2 000地形圖生成的2 m分辨率DEM。糾正完后在CAD中打開地形圖，將糾正后的影像插入，進行特征地物的比較，并隨機選取15個同名點作為檢查點，用以檢驗糾正精度。不同糾正方法的精度比較見表1。

表1 幾種糾正方法精度比較 m

通過對比分析，對糾正精度影響最大的是DEM精度。為了獲得高精度的正射影像，制作高精度的DEM是必要條件。3次多項式的控制點精度稍好于2次多項式，但2次多項式的檢查點精度稍好于3次多項式。分析其原因，是3次多項式把控制點的隨機誤差進行了分攤，因此控制點誤差小一些，但由于扭曲變形大，因此檢查點的精度要差一些；2次多項式的控制點誤差雖然大一些，但更好地擬合了衛星軌道模型，更有利于消除控制點的隨機誤差，因此檢查點的精度要好一些。

基于以上對比分析，決定采用基于2 m分辨率DEM和2次多項式作為最終的糾正模型，對應的控制點精度為0.61 m，檢查點精度為0.92 m，能滿足1∶2 000鐵路工程制圖精度要求。糾正后的衛星影像和原始DLG的套合情況見圖1。

圖1 糾正后的衛星影像和原始DLG的套合情況

從圖1判斷，糾正后的影像和既有地形圖套合精度非常好，糾正影像精度可靠。

4 結束語

通過實驗驗證，基于ERDAS軟件，采用圖上量測控制點與高精度DEM相結合的辦法，對測區內0.5 m高分辨率Pleiades遙感影像進行正射糾正，經糾正后的遙感影像與既有地形圖套合檢驗，精度可靠，滿足1∶2 000鐵路制圖的精度要求。用此方法進行大比例尺地形圖更新，避免重新航攝或者大幅減少野外補測工作量，在保證精度的前提下，縮短工期，節約成本，可以推廣應用。

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

[2] 凌婷婷，常曉瀅，楊苗苗.用ERDAS IMAGINE進行衛星影像幾何糾正的方法[J].測繪與空間地理信息，2013，36(1)：143-145

[3] 馬洪超，趙向東.基于地形隨機場模型的遙感圖像幾何糾正[J].測繪學報，2006，35 (3)：251-254

[4] 王學平.遙感圖像幾何校正原理及效果分析[J].計算機應用與軟件，2008，25(9)：102-105

TheApplicationoftheRemoteSensingImageOrtho-rectificationinRailwayEngineeringMapping

TANG Hong-ying

2014-08-04

唐紅鷹(1965—)，女，1987年畢業于西南交通大學鐵道航空勘測專業，工程師。

1672-7479(2014)05-0023-03

P236

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