ArcGIS影像配準在碳監測中的應用研究

先文娟

(遼寧省林業調查規劃院，遼寧 沈陽 110122)

1研究背景

根據《土地利用、土地利用變化及林業(LULUCF)碳監測試點技術方案》的要求，2013年遼寧省開展了全省LULUCF碳監測試點工作。

碳監測試點的數據調查主要利用遙感抽樣調查方法，基于格網理論，結合遼寧省森林資源規劃設計調查及其檔案更新數據和相關現有的各種林業監測數據，同時增設地面大樣地調查獲取相關數據等地面調查數據，統計分析得到全省碳變化量。

依據技術方案，遼寧省以15分經緯格網作為分級和賦予格網代碼的基本單元，在全省范圍內確定邊長4 km的正方形樣地研究區共316個，采用2005年衛星影像及2013年航拍影像進行對比分析。其中，2005年衛星影像的空間參考為1954北京大地坐標，2013年航拍影像的空間參考為1980西安大地坐標。為得到碳變化量，必須對影像進行坐標轉換后再完成對比工作。

傳統的坐標轉換方法是依靠轉換參數完成坐標轉換。而根據《中華人民共和國測繪法》，坐標轉換參數為保密數據，大部分生產單位無法直接獲得，只能通過平差計算的方法得到。平差方法專業性強，精度有限，需要耗費大量的人力及時間成本。因此，我們嘗試利用影像配準的方法解決碳監測兩期遙感影像坐標不一致問題，實現柵格數據的坐標轉換。

2 原理與方法

2.1 影像預處理

我們只對研究區內的樣地變化感興趣，因此，需要對2005年及2013年兩期影像進行預處理，生成和研究區大小一致的遙感影像，以此來減少工作量，提高機器運轉效率。

影像預處理主要包含兩部分內容：一是對2005年遙感影像進行裁切，二是對2013年航拍影像進行鑲嵌。

2.2 影像配準

影像配準是將不同時間、不同傳感器(成像設備)或不同條件下(天候、照度、攝像位置和角度等)獲取的兩幅或多幅圖像進行匹配、疊加的過程。配準屬于相對校正, 是指一幅影像相對另一幅影像的校正, 基準圖像不一定帶有地理信息, 只是兩幅影像之間的位置相對一致, 與真實位置不一定一致[1]。

考慮到林業系統已全面采用1980西安大地坐標系為空間參考系，在進行影像配準時，我們以2013年影像為基準影像，2005年影像為待糾正影像。

3 研究內容

本文以實驗區內某樣地為例，利用ArcGIS工具實現兩期影像的配準工作。

3.1 影像裁切

2005年影像為遼寧省全省鑲嵌后的影像，其范圍遠大于研究區范圍。因此，我們使用ArcGIS空間分析工具中的Extract by Mask工具對影像進行裁切處理，使其與研究區范圍一致。

3.2 影像鑲嵌

2013年影像為單張航片，研究區內涉及多張航片。因此，我們使用ArcGIS數據管理工具中的Mosaic To New Raster工具對影像進行批量鑲嵌處理，使其與研究區范圍一致。

3.3 影像配準

2005年影像本身帶有空間參考，在進行配準前需先去掉其空間參考。隨后利用ArcGIS的Georeferencing工具進行影像配準。

影像配準具體步驟如下：

(1)Georeferencing工具欄的Layer下拉框選擇待糾正影像，即裁切完的2005年影像。

(2)選取同名點。先選取2005年影像上明顯的永久性地物點(如道路拐點、房屋拐點、山脊山谷線等)，再選取2013年影像上對應的地物點。其中，綠色十字叉中心對應待糾正影像地物點，紅色十字叉對應基準影像地物點，如圖1所示。

a、選取2005年影像上明顯的永久性地物點

b、選取2013年影像上對應的地物點

(3)重復步驟2，至少選取9個均勻分布在航片上的同名點。

(4)查看Label Link，檢查配準誤差，如圖2所示。依據最小二乘原理，選取4個以上的同名點后方能查看準確的配準誤差，配準誤差(Residual以及Total RMS Error)越小越好。依據相關規范和工作經驗，配準誤差不能超過5 m[2]。如若誤差超限，可以通過繼續添加點位或者刪除誤差過大點位的方式重新選取，直至配準誤差滿足要求為止。

圖2 配準誤差查看

(5)誤差滿足限差要求后，保存坐標點文件，點擊Georeferencing下的Rectify，進行圖像糾正，保存糾正后的影像。

完成影像配準后，我們得到了位于1980西安大地坐標系下的2005年影像，完成了影像數據的坐標轉換工作，為后期的影像對比及碳變化量計算工作打下基礎。

4 分析與小結

在進行林業資源連續監測的過程中，常常需要對比多期數據，而由于歷史原因，各時期數據的空間參考并不完全一致。而在進行數據對比時，所有數據必須位于同一參考系中。因此，不同坐標系之間的數據轉換工作尤為重要。

傳統的坐標轉換方式需要用到不同坐標系間的轉換參數，而坐標轉換參數為保密數據，日常工作中只能通過大量的平差計算獲得研究區的坐標轉換參數，其精度取決于控制點及轉換模型的選取，轉換參數也只能保證其轉換結果在一定區域范圍內適用。

本文嘗試利用影像配準的方法實現坐標轉換，解決了研究區內兩期影像坐標不一致的問題，在確保研究區配準精度的同時，省去了外業采集和模型計算的環節。后續工作表明，利用此方法得到的影像數據精度足以滿足工作生產需求，為碳監測試點工作提供了極大的幫助。因此，在不知道坐標轉換參數的情況下，可以考慮使用影像配準的方法完成柵格數據的坐標轉換工作。