遥感图像几何校正原理及效果分析

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1、第25卷第9期 计算机应用与软件Vol125 No. 9 2008年9月 ComputerApplications and SoftwareSep. 2008遥感图像几何校正原理及效果分析王 学 平(中国地质大学数学地质遥感地质研究所 湖北 武汉430074)收稿日期: 2007 - 09 - 10。地质过程与矿产资源国家重点实验室基金项目(MG MR2002 - 11)。王学平,副教授,主研领域:遥感应用与研究。摘 要 几何校正是遥感图像处理的一个重要环节,是削弱遥感图像与地面真实形态差异的重要手段。以广东省从化市ET M + 遥感数据和GIS数据为例,较深入地分析遥感图像几何校正原理并介绍

2、ER2Mapper7. 0遥感软件的几何校正应用,指出提高遥感图 像几何校正精度的有效途径和效果分析。关键词 ET M +图像 GIS数据 几何校正 效果分析GEOM ETRIC RECTIFICATI ON AND EFFECT ANALYSIS OF REMOTE SENSING I MAGEWang Xueping( Institute of Mathematical and Remote Sensing Geology, China University of Geosciences,W uhan 430074, Hubei, China)Abstract Geometric rect

3、ification is an important component in remote sensing i mage process, and is an essentialmeans to reduce or elim2inate differences between remote sensing image and real geographic shape.In this paper it deeply analyzes the geometric rectification theory,taking Guangdong Conghua ET M + remote sensing

4、 data and GIS data as an example, introduces the application in geometric rectification ofthe software ER2Mapper7. 0, and points out the available approach for improving the precision of geometric rectification and the effect analy2sis .Keywords ET M + image GIS data Geometric rectification Effect a

5、nalysis0 引 言在二十一世纪的今天,遥感已揭开她神秘的外纱,与多种应 用学科相结合,从理论遥感已发展出资源遥感、 环境遥感、 生态 遥感、 海洋遥感、 地质遥感等领域,遥感应用方面的教材和专著 也层出不穷。本人多年从事遥感理论与应用方面的研究和教学 工作,发现遥感图像处理中的几何校正是一个易被忽视的研究 内容,常造成处理后遥感图像的质量下降。本文结合实例,较深 入地剖析几何校正原理,较全面地指出提高几何校正精度的有 效参数和途径。重视几何校正在遥感图像处理中的作用,它不 仅可以有效提高遥感图像的几何精度,而且可以进行遥感图像 与其它数据源如GIS图形的配准。1 遥感图像几何校正原理分析

6、在分析遥感图像几何校正原理的同时,有必要了解几何校 正产生的背景以及与遥感图像几何精度的关系。1. 1 几何畸变与几何校正几何畸变和几何校正是遥感理论的一对派生词,几何校正 是因几何畸变而产生,是解决几何畸变的方法体系。 在遥感理论上,将遥感平台位置和运动状态、 地形起伏、 地 球表面曲率、 大气折射等遥感系统内外因素影响造成的遥感图 像几何位置上的变化统称为几何畸变,也就是遥感图像在几何 位置上与实际地面位置有差异。在图像上表现为像元行列分布 不均匀,像元大小与地面大小对应不准确等。针对不同因素产生的图像几何畸变,发展出了多种多样的校正方法,如图像比例 尺的变化、 中心位置的偏移以及旋转等畸

7、变,通过不同的线性变 换进行校正。对于图像的不规则几何畸变,通过多项式法、 三角 测量法、MQ模型、 自动纠正算法等众多方法1 - 4来消除。1. 2 图像级别遥感图像的几何精度级别与几何校正密切相关。一般遥感 图像数据源分为3个级别,第1个级别是指卫星下行数据经过 格式化同步、 按景分幅、 格式重整等处理后得到的图像数据。该 数据未进行任何几何校正,几何畸变较大。第2个级别是经过 系统几何校正的图像数据,即利用卫星所提供的轨道和姿态等 参数、 以及地面系统中的有关处理参数对第1个级别遥感数据 进行几何校正所获得的数据,该工作通常是由遥感卫星地面接 收站完成,是研究人员获取的主要遥感数据源。第

8、3个级别是 经过几何精校正的图像数据,指采用地面控制点对第2个级别 中的系统几何校正模型进行修正,使之更精确地描述卫星与地 面位置之间的关系。该工作可以由遥感卫星地面接收站完成, 也可以由研究人员来实现。 对于第3级别的Landsat 7 ET M +遥感图像数据,几何定位 精度可达一个像元以内,即几何误差为15米,可以作为1: 10万 以下中小比例尺的矿产、 资源、 测量等研究方面的数据源。1. 3 几何校正原理分析几何校正,即图像级别中的几何精校正,主要方法是多项式第9期 王学平:遥感图像几何校正原理及效果分析103 法。方法机理是通过若干控制点,建立不同图像间的多项式空 间变换和像元插值

9、运算5,6,实现遥感图像与实际地理图件间 的配准,达到消减以及消除遥感图像的几何畸变,是获取第3个 级别遥感数据的重要方法。该方法适用于地面平坦,不考虑高 程信息,或地面起伏较大而无高程信息,以及传感器位置和姿态 参数无法获取等情况。同时在遥感图像制图、 不同类型或不同 时相遥感图像间的几何配准和复合分析上也有重要应用。如人 们习惯于正射投影地图,可以采用以不同正射投影地图为无几 何畸变图件或标准图,对非正射投影图像进行几何校正,得到正 射投影的遥感图像专题图。 多项式几何校正机理实现的两大步:(1)图像坐标的空间变换有几何畸变的遥感图像与没有几何畸变的遥感图像,其对 应像元的坐标是不一样的,

10、如图1右边为无几何畸变的图像像 元分布图,像元是均匀且等距分布;左边为有几何畸变的遥感图 像像元分布图,像元是非均匀且不等距的分布。为在有几何畸 变的图像上获取无几何畸变的像元坐标,需要进行两图像坐标 系统的空间转换。图1 图像几何校正示意图 在数学方法上,对于不同二维笛卡儿坐标系统间的空间转 换,通常采用的是二元n次多项式,表达式如下:x =ni=on- ij=0aijuiviy =ni=on- ij=0bijuivi其中x, y为变换前图像坐标,u, v为变换后图像坐标,aij,bij为 多项式系数,n=1, 2, 3,。 二元n次多项式将不同坐标系统下的对应点坐标联系起 来, (x, y

11、)和(u, v)分别对应不同坐标系统中的像元坐标。这 是一种多项式数字模拟坐标变换的方法,一旦有了该多项式,就 可以从一个坐标系统推算出另一个坐标系统中的对应点坐标。 如何获取和建立二元n次多项式,即二元n次多项式系数 中a和b的求解,是几何校正成败的关键。数学上有一套完善 的计算方法,核心是通过已知若干存在于不同图像上的同名点 坐标,建立求解n次多项式系数的方程组,采用最小二乘法,得 出二元n次多项式系数。 不同的二元n次多项式,反映了几何畸变的遥感图像与无 几何畸变的遥感图像间的像元坐标的对应关系,其中哪种多项 式是最佳的空间变换模拟式,能达到图像间坐标的完全配准,是 需要考虑和分析的。

12、在二元n次多项式数字模拟中,从提高几何校正精度的角 度考虑,需要兼顾的因素主要有引起几何畸变的原因和产生数 学运算误差因素。归纳起来有三个方面的考虑因素: 一是多项式中n值的选择, n值与几何畸变的复杂程度密 切相关。当n= 1,上述的坐标空间变换成为二元一次多项式, 可以进行线性的坐标变换,解决比例尺、 中心移动、 歪斜等方面的几何畸变,实用于第2级别以上的遥感数据。n值的不同选 择,可以得到不同的空间变换式,当n2,上述的坐标空间变换 成为二元非线性多项式,解决遥感器偏航、 俯仰、 滚动等因素引起的几何畸变。从理论上讲, n值越大,越能校正复杂的几何畸变,但计算量也相对要大。实际应用中n值

13、通常取小于等于3。二是控制点GCP (用于空间坐标变换的同名坐标点)的选择, GCP的几何精度直接影响着多项式系数的求解误差大小。成熟的作法是:通过目视,选择熟悉的、 易分辩且精细较高的特征点(如小水塘边缘、 线状地物的交叉点、 海岸线弯曲处等) ,且GCP 分布在全图中要尽量均匀,特征变化性大的地区选择多些,图像边缘部分选些控制点,使系数的求解尽可能准确。控制点精度的衡量尺度为RMS(RootMean Square)参数,意为均方根,以图像像素大小为单位,表达式为:RMS=(x - x)2+ (y - y)2x, y为无几何畸变的图像控制点坐标,x, y 为变换后图像控制点坐标。在ERMAP

14、PER7. 0或ENV I等遥感软件中,对于一次线性变换,当采集到4个控制点以上时,软件系统就会自动推算控制点的变换值和RMS,可以很好地辅助控制点的编辑。在实际应用中需要引起注意的是:随着控制点数目的增减,多项式系数值也在变化,每个控制点的RMS也在变化。当RMS值都小于等于1时,控制点的精度控制在一个像素大小上,几何校 正效果较好。最后是控制点GCP数目的确定,从数学运算上来说,一次多项式变换,存在6个系数要计算,需要GCP的最少数目是3。二次多项式变换,有12个系数需要计算, GCP最少数目是6。n次多项式, GCP的最小数目为(n+1) (n+2)/2。但在实际应用 中,采用最小GCP

15、数目,几何校正效果往往不好。所以在条件允许的条件下, GCP数目要远远大于最小数目,可以是其的6 倍。(2)图像像元灰度值重采样经过上述图像像元坐标的空间变换,得到对应于实际地面或无几何畸变的图像坐标,图像上每个像元都有了无几何畸变的坐标值。随后需要做的是给每个像元赋亮度值。因为已知的图像数据是有几何畸变的像元亮度值,并没有校正后的无几何 畸变的像元亮度值。所以需要通过数学上的重采样方法如最近邻法、 双向线性内插法和三次卷积内插法等计算出校正后像元位置的亮度值,形成无几何畸变的遥感数据。在重采样方法中, 三次卷积内插法计算量虽最大,但图像质量要好,细节表现要清晰,是许多遥感软件的首选方法。2

16、广东省从化市Landsat 7 ETM +几何校正2. 1 数据准备本文选择广东省从化市2003年11月9日Landsat 7 ET M +遥感图像数据和近期同地区1: 50万水系GIS图件。Landsat 7ET M +图像(如图2所示)含有8个波段, 1、2、3、4、5、7波段分 别为可见光、 近红外和短波红外波段,波长依次为0. 4787, 0.5610, 0. 6614, 0. 8346, 1. 65, 2. 208m,地面分辨率为30m。8波段为全色波段,波长为0. 5 - 0. 9m,地面分辨率为15m。6波段为热红外波段,波长为10. 412. 5m,地面分辨率为60m。以1: 50万水系GIS图件(如图3所示) ,包括本地区近期1 级至6级的水系分布,为标准的无几何畸变图像,对ET M各波104 计算机应用与软件2008年段遥感数据进行几何校正。图2 广东省从化市ET M +图像图3 广东省从化市1: 50万水系图2. 2 ER2Mapper7. 0遥