周李乾

（柳城縣自然資源和規(guī)劃局國土勘測所）

1 引言

隨著航天遙感技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始廣泛使用衛(wèi)星遙感影像作為應(yīng)用和分析的底圖。具有高清晰度和精準方位信息的高分辨率衛(wèi)星遙感影像在城市智能感知、土地資源監(jiān)測管控、生態(tài)環(huán)境保護等方面發(fā)揮了巨大的作用。如何保證衛(wèi)星遙感影像具有滿足應(yīng)用需求的幾何精度是遙感應(yīng)用中的核心問題。從衛(wèi)星遙感影像中提取信息，要把遙感影像投影在某一固定的參照系統(tǒng)中并修正原始影像所存在的幾何變形，這一過程便是幾何校正[1]。幾何校正通過一系列的數(shù)學(xué)模型來改正和消除遙感影像成像時因攝影材料變形、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、地球自轉(zhuǎn)、地形起伏等因素導(dǎo)致的影像上要素幾何位置、形狀、尺寸、方位等方面產(chǎn)生的偏差。經(jīng)過幾何校正的影像可以準確地量測地物之間的距離、多邊形的面積，并且與其他空間信息進行準確地疊加并進行空間分析。因此，影像幾何精度決定了其應(yīng)用的準確性，特別對于地物復(fù)雜以及精度需求較高的城市遙感分析。

2 研究現(xiàn)狀

長期以來，在影像處理中常使用控制點進行影像幾何校正，實地測量和正射影像是獲取控制點的兩種主要來源[2]。這些方法需要大量的人工和半自動工序，包括外業(yè)控制點測量、內(nèi)業(yè)影像判讀選取控制點等，獲取控制點的效率較低、成本較高，無法適應(yīng)如今快速發(fā)展的信息化應(yīng)用需求，如城市監(jiān)測、應(yīng)急保障等。此外，需要消耗大量的存儲設(shè)備以及人力物力對這些控制點進行管理。國內(nèi)外一些研究也提出了利用衛(wèi)星影像自身系統(tǒng)幾何參數(shù)進行校正的方法，面向不同衛(wèi)星提出了很多校正模型，但是沒有一種適合于不同類型的傳感器的通用系統(tǒng)幾何校正算法[3]。隨著衛(wèi)星影像源的增加，越來越多經(jīng)過處理加工以及質(zhì)量檢測的正射糾正影像產(chǎn)品可供使用，因此，筆者研究面向城市遙感高精度的應(yīng)用需求，探討了一種利用數(shù)字正射影像（DOM）作為參考，獲取其中特征點，并與處理影像特征點進行匹配，完成影像幾何校正的方法。

3 研究方法

基于高分辨率參考影像底圖，結(jié)合影像快速控制點匹配技術(shù)，構(gòu)建多源影像快速處理技術(shù)體系，面向大量影像處理任務(wù)，可快速完成影像幾何糾正工作，形成1:10000高分辨率高精度DOM產(chǎn)品。為了能夠快速準確地對大范圍大批量高分辨率遙感影像進行幾何校正，本項目使用基于RPC模型和參考DOM成果的方法。國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)大范圍快速幾何糾正。運用RPC模型對分辨率優(yōu)于1m的高分二號原始國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行幾何糾正和空間定位，并利用高分辨率DOM數(shù)據(jù)結(jié)合自動特征點匹配手段對國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行了大范圍快速平差計算，完成影像的正射校正。整個正射糾正主要包含了參考DOM處理、影像定位、控制點采集和影像配準四個步驟。

3.1 參考影像處理

為了能夠快速地進行大范圍影像正射糾正，同時保證較好的糾正精度，本項目利用經(jīng)過標(biāo)準產(chǎn)品檢驗得到的高精度航空影像成果作為參考影像。該成果具有較高的幾何精度和圖像質(zhì)量，采用2000國家大地坐標(biāo)系，地面分辨率為0.5m，平面中誤差在平地、丘陵均為1.2m，山地和高山地為1.6m，DOM接邊精度誤差不大于2個像元，圖像質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，色彩模式為RGB，選取其中紅色波段作為參考影像波段。

3.2 影像定位

使用一階有理函數(shù)模型方式進行影像幾何信息讀取和模型構(gòu)建。目前，衛(wèi)星成像模型主要是嚴格物理模型和有理函數(shù)模型，嚴格物理模型基于共線方程，描述了影像和地面之間的嚴格幾何成像關(guān)系，其參數(shù)具有明確的物理意義，但是，嚴格物理模型與衛(wèi)星傳感器相關(guān)，形式復(fù)雜，缺乏通用性，需要專業(yè)軟件才能支持。而有理函數(shù)模型是一種通用的廣義成像模型，形式簡單，參數(shù)沒有物理意義，精度與嚴格物理模型相近，且兼容和支持性較好。

高分辨率衛(wèi)星一般不提供嚴格的傳感器物理模型，而是用有理函數(shù)的通用傳感器模型代替。有理函數(shù)模型實質(zhì)是多項式模型的擴展，其本質(zhì)還是多項式模型。有理函數(shù)模型是將像點坐標(biāo)（x，y）表示為以相應(yīng)地面空間坐標(biāo)（X，Y，Z）為自變量的多項式的比值，如下式：

式 中 ：（X0，Y0，Z0，x0，y0） 為 標(biāo) 準化的平移參數(shù)，（X，Y，Z，x，y）為標(biāo)準化的比例參數(shù)。有理函數(shù)模型用標(biāo)準化坐標(biāo)的目的是減少計算過程中由于數(shù)據(jù)數(shù)量級差別過大引入的舍人誤差。如下式：

式中多項式系數(shù)即稱為有理函數(shù)的系數(shù)，一般包含在影像文件中。正射糾正時只需讀取RPC文件作為計算模型輸入的參數(shù)即可。

3.3 控制點采集

城市區(qū)域地物特征明顯，建筑、道路、地面構(gòu)筑物等均具有突出的角點或者特征圖案，能夠有效地使用特征提取算法獲取這些特征點。使用有理函數(shù)模型進行控制點定位，有理數(shù)函數(shù)模型計算階數(shù)為一階。使用光柵網(wǎng)格的方法來對處理影像和參考影像的特征點分別進行采樣。對于連接點采樣，積分運算法（即Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus，Susan）通常是首選。因為它可以促進在所采集的連接點上執(zhí)行質(zhì)量保證，操作人員可以看到可辨認的特征（例如，建筑物角落或某一具體的樹），并著眼于另一個影像，看其是否正確匹配。每景影像控制點數(shù)為200個。再通過這些控制點對參考影像和處理影像進行配準。使用該方法進行控制點采集可以很好地提高控制點準確度，比人工選點更為準確，且選點效率極大程度地提高?？刂泣c采集結(jié)果如圖1。

3.4 影像配準

影像配準就是指將多圖像的同名影像通過幾何變換實現(xiàn)重疊，即實現(xiàn)影像與影像間地理坐標(biāo)及像元空間分辨率上的統(tǒng)一?；驹硎歉鶕?jù)對兩個圖像的近似性量度，即在兩個圖像的相對移動中，找出其相似性量度值最大，或差別最小的位置作為圖像配準的位置。

使用快速傅里葉變換相匹配（FFTP）法來進行參考DOM影像和處理影像的特征同名點配準。使用FFTP法為當(dāng)兩幅影像之間具有相對漂移時，結(jié)果是在頻域內(nèi)產(chǎn)生相差。使用FFTP能夠更大的模板尺寸，因為它在頻域內(nèi)工作，它著眼于影像內(nèi)細節(jié)的方式而不是小鄰域內(nèi)的灰度值。這使得在影像之間存在較大亮度差異的情況下或者當(dāng)在影像之間已經(jīng)發(fā)生了較大的地表覆蓋變化時FFTP的匹配結(jié)果較為穩(wěn)固。此外，F(xiàn)FTP考慮了來自不同傳感器或光譜波段相同區(qū)域的影像之間的更好匹配。

指定用于連接點的最大搜索半徑，以像素為單位。該參數(shù)用來控制在尋找匹配時要搜索的面積大小。在匹配每一個點時，更大的值將增加要考慮的搜索面積，因此增加了處理時間。將在來自原始影像的小窗口（模板）內(nèi)檢查搜索區(qū)域內(nèi)像素的類似性。如果像素通過了匹配驗收標(biāo)準，則具有最高相似度的像素將被接受。由于所有可能的原因，指定的值應(yīng)該略大于兩幅影像之間配準的預(yù)計不準確度。

最小得分用于被認為是有效匹配的相關(guān)性得分的最低驗收值。有效值范圍從0～1不等，經(jīng)過模型測試和多次嘗試，認為0.75為較為合適的閾值。為了使一個匹配稱為連接點，其匹配得分必須大于所指定的值。

進行同名點配準計算時，使用的金字塔層級為第8級，配準特征點搜索半徑為100個像素，對應(yīng)處理影像分辨率1m，則搜索半徑為100m。使用絕對距離的拒絕方式進行配準結(jié)果判斷，設(shè)置最小得分為0.75。

圖1 控制點采集（左圖為整景影像，右圖為城市局部影像）

進行了控制點采集和同名點匹配計算后，使用一階有理函數(shù)模型進行平差計算。為了在精度和效率之間取得較好的兼顧，使用最近鄰近內(nèi)插法，the Nearest Neighbour Interpolation(NNI)基于已配準的控制點進行重采樣，形成經(jīng)過參考影像幾何糾正的DOM成果。不同地形的配準結(jié)果如圖2。

使用本項目中的影像正射糾正方法，生產(chǎn)1m分辨率DOM速度可以達到10min/景。平均偏差X方向為0.6m，Y方向為0.4m，位置精度中誤差最小為±0.72m，最大為±3.31m，平均中誤差為1.5m，幾何精度優(yōu)于1個像元。

圖2 參考影像（深色調(diào)）與糾正影像（淺色調(diào)）配準效果

圖3 經(jīng)過幾何校正的城市正射影像

4 結(jié)語

面向城市區(qū)域高分辨率衛(wèi)星遙感影像，充分利用已有的高精度DOM產(chǎn)品作為參考，通過自動化特征點選取和控制點配準，實現(xiàn)高分辨率衛(wèi)星遙感影像的幾何糾正，既能夠提升影像處理效率，同時也可以保證影像相對精度。理論上，只要參考影像的精度達到應(yīng)用需求，經(jīng)處理的影像產(chǎn)品便可達到相同精度水平。因此，對于精度要求較高且地物特征明顯的城市遙感應(yīng)用，基于參考影像的高分辨率衛(wèi)星影像幾何糾正方法提供了一種高效可行的影像處理和使用手段。