楊寶林，呂婷婷，王少軍，張 志

(1．中國地質(zhì)大學地球科學學院，武漢 430074;2．中國地質(zhì)大學公共管理學院，武漢 430074)

0 引言

隨著遙感技術的發(fā)展，衛(wèi)星圖像的應用領域日趨廣泛，尤其是高分辨率遙感圖像在土地開發(fā)、城市規(guī)劃設計、環(huán)境監(jiān)測、高精度地圖繪制及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等領域發(fā)揮了重要作用。高分辨率遙感圖像能夠反映礦山開采中各開采要素的空間關系及礦山采場地物的紋理等信息，結合區(qū)域含礦地層等基礎地質(zhì)資料，可以精確地識別礦山開采和礦山環(huán)境監(jiān)測目標［1］。由法國和意大利合作研發(fā)的 Pleiades衛(wèi)星，其圖像的空間分辨率為0．5 m，幅寬為 20 km［2］，適合用作礦山開發(fā)狀況遙感監(jiān)測。

對高分辨率遙感圖像進行正射糾正是對其應用的基礎［3］。以有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)為代表的通用傳感器模型具有與成像幾何無關、獨立于坐標系統(tǒng)和實時性好等優(yōu)點［4］，因而得到了廣泛應用。然而，Pleiades圖像作為一種應用時間尚短的新型遙感數(shù)據(jù)，目前還缺少對其專用的正射糾正處理方法。本文以湖北省大冶—陽新地區(qū)2013年5—8月間獲取的6景Pleiades圖像為例，進行正射糾正方法研究，得到了一套較理想的正射糾正處理方法，為大規(guī)模應用Pleiades圖像奠定了基礎。

1 RPC模型正射糾正原理

遙感圖像由于受投影方式、傳感器外方位元素變化、地球曲率以及地形起伏等因素的影響，往往存在一定的變形，正射糾正可有效地消除由于地形起伏引起的圖像畸變?；谛l(wèi)星信息保密的需要，衛(wèi)星制造者常采用一種有理多項式系數(shù)(rational polynomial coefficients，RPC)文件提供RFM糾正所需要的各項系數(shù)，因而也常將這種使用RPC文件系數(shù)的RFM模型稱為RPC模型，以用于高分辨率遙感圖像的幾何糾正處理，替代以共線條件為基礎的嚴格成像幾何模型。RPC模型獨立于傳感器和衛(wèi)星平臺，不考慮傳感器成像的物理意義，直接采用有理多項式形式來描述像點和相應地面點之間的幾何關系。利用RPC模型對推掃式光學遙感圖像進行平差也已獲得了一定的進展［5］。

RPC模型將像點坐標d(Line(行)，Sample(列))和與其對應的地面點大地測量坐標D(Latitude(緯度)，Longitude(經(jīng)度)，Height(高度))用比值多項式關聯(lián)起來，將地面坐標和圖像坐標正則化到［－1，1］之間，以增強參數(shù)求解的穩(wěn)定性。對于一景圖像，定義其比值多項式［6］為

式中:(X，Y，Z)為正則化的地面坐標;(x，y)為正則化的圖像坐標;NumL和NumS分別為求解正則化圖像橫縱坐標x和y所用的分子多項式;DenL和DenS分別為求解正則化圖像橫縱坐標x和y所用的分母多項式。

各多項式的項數(shù)相同，只是系數(shù)不同，即

式(2)—(5)中:ai，bi，ci，di(i=0，1，2，．．．，19)為各多項式的系數(shù)。為保證式(1)恒有意義，DenL(X，Y，Z)的常數(shù)項b0及式DenS(X，Y，Z)的常數(shù)項d0通常為1。正則化公式為

式中:LATOFF，LATSCALE，LONGOFF，LONGSCALE，HEIGHTOFF和HEIGHTSCALE為地面坐標的正則化參數(shù);LINEOFF，LINESCALE，SAMPOFF和SAMPSCALE為圖像坐標的正則化參數(shù)［7］。

2 Pleiades圖像的正射糾正

高分辨率遙感衛(wèi)星多采用線陣列CCD(charge coupled device)探測器進行推掃式掃描成像，同時獲取高分辨率全色和多光譜圖像［8］?？紤]到這種成像方式的相似性和與RPC模型正射糾正原理的一致性，采用ERDAS9．2提供的IKONOS圖像正射糾正模型對Pleiades圖像進行有控制點的正射糾正。

2．1 數(shù)據(jù)準備

為了對Pleiades圖像進行正射糾正，除原始圖像外，還需要準備地理參考資料，如帶有地理信息且具有一定地理精度的圖像或地形圖資料(作為參考，用以選取控制點)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)以及 Pleiades圖像的 RPC文件等。

目前，Pleiades圖像原始數(shù)據(jù)提供的文件格式為jpg2000。這種圖像格式的壓縮性比較好，但數(shù)據(jù)處理所需時間長［9］，不便在圖像處理軟件平臺上直接進行處理。為了提高在ERDAS9．2軟件平臺上圖像處理的速度，首先把Pleiades原始圖像格式jpg2000轉化為ERDAS標準圖像格式img。

要順利進行正射糾正，還要確保參考圖像與DEM處于同一坐標系下。本次實驗要求采用1980西安坐標系，利用ERDAS軟件提供的坐標轉換功能將參考圖像和DEM都轉換到該坐標系下。1980西安坐標系所采用的橢球是IAG75橢球，ERDAS軟件并不直接支持基于該橢球的坐標系統(tǒng)，故需要在該軟件中通過修改特定文件的方式，手動添加該橢球的相關參數(shù)［10］。

2．2 RPC文件格式轉換

IKONOS正射糾正模型要求輸入格式為txt的RPC文件，而Pleiades衛(wèi)星圖像原始數(shù)據(jù)提供的RPC文件為xml格式。鑒于手工轉換方式不僅費時費力，而且極易出現(xiàn)錯誤，為此，本文利用C#語言開發(fā)了一套RPC文件格式轉換程序，具體步驟如下:

1)利用C#語言中用Xm lDocument類實現(xiàn)的文檔對象模型完成對Pleiades圖像RPC文件中所需系數(shù)的讀入，每個系數(shù)對應于xm l格式的RPC文件中特定的節(jié)點。對于RPC文件為正值的系數(shù)，需要在其前添加“+”號(這是IKONOS圖像RPC文件格式的要求)。主要程序為

2)利用C#語言中的文件輸入流函數(shù)生成IKONOS衛(wèi)星的RPC文件，生成的RPC文件為 txt格式。主要程序為

2．3 控制點選取

選取待糾正圖像和地理參考資料中均有且能夠準確識別的同名地物點為控制點?？刂泣c在待糾正圖像內(nèi)應均勻分布，每景圖像的控制點數(shù)量為9～12個，同時保證各控制點的均方根誤差在限差要求范圍內(nèi)。每景圖像的4個角均要有一個控制點，以保證成圖區(qū)域的精度［12］。一般選取線狀地物交叉口等特征明顯的地物為控制點［13］。相鄰景圖像的重疊區(qū)內(nèi)應選取不少于3個公共控制點，以確保糾正精度。對圖像中地形起伏較大的區(qū)域，應適當增加控制點個數(shù)，以保證糾正精度。

3 精度評定

3．1 基于視覺效果的定性評價

完成正射糾正后，圖像的幾何變形得到了有效糾正，糾正效果在山區(qū)表現(xiàn)得更加明顯，可以根據(jù)同區(qū)域山區(qū)道路形狀進行直觀對比(圖1)。

圖1 RPC文件轉換錯誤與正確時正射糾正效果對比(局部)Fig．1 Comparison of orthographic correction effects between wrong and correct RPC file conversion(part)

將原始圖像(圖1(a))和RPC文件轉換(利用本文所編寫的程序進行轉換)正確時的正射糾正效果(圖1(d))分別與參考圖像(圖1(b))進行對比，可以看出，圓形區(qū)域內(nèi)的道路影像在圖1(a)中的位置明顯右偏，且道路形狀有變形;而圖1(d)中的道路影像與圖1(b)中的道路影像基本對應。

將圖1(c)(手工轉換RPC文件的糾正結果)與參考圖像(圖1(b))進行對比，可以看出，圓形區(qū)域內(nèi)的道路影像在圖1(c)中有明顯的東西向拉伸，且道路形狀有變形。

基于視覺效果的對比結果表明，正確轉換格式的RPC文件是正射糾正的基礎。在RPC文件格式正確轉換的情況下，正射糾正后圖像中的礦區(qū)道路變形得到糾正。

3．2 基于中誤差的定量評價

隨機選擇16個均勻分布的明顯地物點作為檢查點，分別獲取各檢查點在參考圖像和正射糾正圖像 中的坐標值，計算點位誤差，得到糾正精度(表1)。

表1 正射糾正精度Tab．1 Accuracy of ortho－rectification (m)

以中誤差作為圖像正射糾正質(zhì)量評價標準［14］，正射糾正后，圖像在X方向的中誤差為±1．4 m，Y方向的中誤差為±1．3 m，總體中誤差為±1．9 m。按照礦山開發(fā)狀況遙感調(diào)查的要求，正射糾正后圖像的中誤差不得大于參考圖像中2個像元的大小(參考圖像空間分辨率為2．5m，故中誤差不得大于5 m)，本文正射糾正后的圖像精度符合相關的限差要求。

3．3 應用效果

湖北省大冶—陽新地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，礦山開采活動歷史悠久，開采方式和開采礦種多樣，因而常出現(xiàn)無證開采和越界開采等違規(guī)行為。為了及時有效地監(jiān)測礦山開采活動，需要利用幾何精度高的高分辨率遙感圖像。

根據(jù)本文研究的方法，應用ERDAS軟件和利用C#語言開發(fā)的程序對該地區(qū)的Pleiades圖像進行的正射糾正效果理想。經(jīng)實際應用對比表明，該方法省時省力、圖像偏差小、精度高，適合大規(guī)模應用Pleiades圖像時的正射糾正。經(jīng)過正射糾正的圖像中的礦業(yè)開采痕跡清晰，礦區(qū)房屋和道路的幾何變形得到了有效糾正，有利于對礦山開采活動進行目視解譯和遙感動態(tài)監(jiān)測。

4 結論與展望

1)通過對Pleiades圖像正射糾正試驗研究，成功獲得了一套較理想的正射糾正處理方法，為今后Pleiades圖像的應用奠定了基礎。

2)本文開發(fā)的RPC文件轉換程序可以用于批量的Pleiades衛(wèi)星RPC文件格式轉換，能夠提高轉換效率和準確性，為大規(guī)模應用Pleiades圖像數(shù)據(jù)打下了基礎。通過在湖北省大冶—陽新地區(qū)礦山開采活動的遙感監(jiān)測工作中的應用，證明該方法誤差小、精度高。

3)作為一種新型的高分辨率遙感圖像，Pleiades圖像在礦山開發(fā)狀況遙感調(diào)查與監(jiān)測及其他領域中具有廣闊的應用前景。今后還需要進一步探討Pleiades圖像的RPC文件中提供的Direct_Model系數(shù)的使用方法及綜合使用Direct_Model和Inverse_Model這2套系數(shù)進一步提高正射糾正精度的方法。

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