遥感图像几何校正原理及效果分析

第 25卷第 9期 　　　 计算机应用与软件 Vol125 No. 9 2008年 9月 　　 Computer App lications and Software Sep. 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 (MGMR2002 - 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 ETM + 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 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 　　ETM +图像 　GIS数据 　几何校正 　效果分析 GEOM ETR IC RECT IF ICAT IO N AND EFFECT ANALY S IS O F REMO TE SENS ING IM AGE W ang Xuep ing ( Institu te of M athem atica l and R em ote Sensing Geology, China U niversity of Geosciences, W uhan 430074, Hubei, China) Abstract　　Geometric rectification is an important component in remote sensing image p rocess, and is an essential means to reduce or elim2 inate differences between remote sensing image and real geographic shape. In this paper it deep ly analyzes the geometric rectification theory, taking Guangdong Conghua ETM + remote sensing data and GIS data as an examp le, introduces the app lication in geometric rectification of the software ER2Mapper7. 0, and points out the available app roach for imp roving the p recision of geometric rectification and the effect analy2 sis. Keywords　　ETM + image　GIS data　Geometric rectification　Effect analysis 0　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 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 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 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 ETM +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 ,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 = ∑ n i = o ∑ n - i j =0 aij ui vi y = ∑ n i = o ∑ n - i j =0 bij ui vi 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 )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。 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 n≥2,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 : RM S = ( x - x′) 2 + ( y - y′) 2 x, 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 ERMAPPER7. 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　广东省从化市 Landsa t 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 ETM + 遥感图像数据和近期同地区 1: 50万水系 GIS图件。Landsat 7 ETM +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. 208μm,地面分辨率为 30m。8波 段为全色波段 ,波长为 0. 5 - 0. 9μm,地面分辨率为 15m。6波 段为热红外波段 ,波长为 10. 4—12. 5μm,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 ETM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 ETM +图像 图 3　广东省从化市 1: 50万水系图 2. 2　ER2M apper7. 0遥感软件几何校正介绍 ER2Mapper7. 0是一个大型专业影像处理软件 ,由著名的澳 大利亚 ERM ( Earth Resource Mapp ing)公司研制 ,软件发展了近 20年 ,遍及全球。几何校正功能位于软件主菜单“Process”中 “GeocodingW izard”项中 ,或工具条“O rtho Geocoding W izard”项 中。其过程包括 5大步骤 : (1)坐标变换方法选择 ,如三角测量 法、多项式法等 ; (2)坐标变换参数选择 ,如多项式法的 n值取 1, 2或 3等 ; (3)标准图件文件设置 ,对应图像对图像、图像对地 图等不同文件类型的几何校正。如图像对地图校正 ,地图数据 需转换为 ER2Mapper7. 0认可的 tif、jpg等文件类型 ; (4)编辑和 建立控制点文件 ,形成包括控制点坐标、精度等信息的数据文 件 ,文件后缀为 gcp,可以保存和多次使用 ; (5)给定校正后图像 文件名 ,文件后缀为 ers,执行几何校正 [ 7 ]。其中第 ( 4)步是最 为烦琐和至关重要的一步 ,它关系到几何校正的成败和精度。 2. 3　广东省从化市 Landsa t 7 ETM +几何校正 为使几何校正工作的顺利进行 ,在开始前 ,需要完成一项非 常必要的准备工作 ,就是反复视读 ETM遥感图像和 1: 50万水 系图件 ,寻找和确定用于几何校正的控制点。由于广东省从化 市 ETM图像和 1: 50万水系图不是同时间采集的数据图件 ,且 比例尺也不一样 ,这使从化市水系分布状况在这两个图件上会 有许多不同点 ,所以在选择控制点时 ,需要遵循几何校正机理中 谈到的控制点 GCP采集要求。如果校正前 ,熟悉并了解了不同 图件上的水系特征信息 ,做到可采集控制点的位置、分布和数量 等都胸有成竹 ,那么随后的几何校正工作也会事半功倍。 其次在地理信息系统 MAPGIS环境下 ,将 1: 50万水系的 点、线矢量数据文件转换为 tif后缀的图像文件格式。 在 ER2Mapper7. 0软件中进行几何校正的 5个步骤的参数 选择如下 : (1)选择“多项式 ”坐标变换方法 ; ( 2)选择多项式 n 值为 1; (3)打开 1: 50万水系图件文件 ; (4)在 ETM +遥感图像 和水系图之间编辑控制点。根据几何校正的机理分析 ,选择多 项式 n值为 1,对应的坐标变换是二元一次线性变换。控制点 数目选为 3 ×6 = 18,且控制点均匀分布在 ETM +遥感图像和水 系图中 ,如图 4所示。控制点精度参数 RMS值小于 1,如表 1所 示 ; (5)给定保存校正后图像文件名 ,执行校正过程 ,图 5为几 何校正后的 ETM +图像。 图 4　ER2Mapper7. 0几何校正 表 1　ER2M apper7. 0几何校正控制点编辑表 图 5　几何校正后 ETM +图像 3　几何校正效果分析 遥感图像的几何校正效果分析与评价 ,一方面是从几何校 正的机理参数上加以考虑 ,分析和检查控制点的选择、分布、数 量以及 RMS值是否符合几何校正理论需要的条件 ,从定量上把 握几何校正的运算精度。另一方面是看几何校正的实际效果 , 从视觉上 ,查看不同图件上特征线的配准是否达到了预计的吻 合程度。 第一方面的参数评价在 ER2Mapper7. 0等软件中比较容易 实现 ,观察校正中 ,图像窗口中控制点分布是否均匀 ,控制点数 　 第 9期 　　　 王学平 :遥感图像几何校正原理及效果分析 105　　 目是否大于 3 ( n + 1) ( n + 2) ,控制点编辑表中的 RMS值是否都 小于 1既可。第二方面的实际效果评价需要进行如下操作 :在 ER2Mapper7. 0软件的算法窗口中建立两个 Surface层 ,分别装 载 ETM +图像数据和 1: 50万水系图数据 ,系统自动将校正 ETM +图像与 1: 50万水系图叠加显示 ,如图 6所示。从叠加图 上 ,可以看出整个 ETM +图像位于 1: 50万水系图的右偏上方。 水系图位于 ETM +图像的底层 ,调整 ETM +图像的透明度 ,可 以观察水系图与 ETM +图像中水系的重叠情况。追踪一些特 征的水系线 ,进行局部放大 ,可以观察到几何校正后不同图件上 水系分布重叠的实际效果。如局部放大图像左下角的溪流河部 分 ,如图 7所示 ,横穿北东向的溪流河在 ETM +遥感图像以深 色显示 ,在水系图上以深色线条显示 ,两种水系在叠加图上吻合 得相当好。图右上方的溪流水库在两个图件上吻合也很好 ,如 图 8所示。放大其它特征线部位 ,都有类似的效果。说明实际 的几何校正效果良好 ,达到了几何校正的目的。 图 6　ETM +图像与 1: 50万水系图的叠加图 图 7　溪流河局部放大图 图 8　溪流河水库局部放大图 4　结 　论 遥感图像几何校正的理论性很强 ,在实际应用中 ,需要深刻 理解其机理 ,对控制点的选择、控制点分布和数量以及 RMS值 要有很好的把握 ,才能作出较好的校正效果 ,才能使校正后的遥 感图像具有标准图件的几何精度和坐标系统。 通过多次实验性尝试 ,发现下列误操作会带来一些错误的 校正效果 : ①控制点数目偏少 ,校正图像会产生局部扩张或发散问 题。 ②控制点分布不均 ,校正图像会在缺少控制点的部位变 形。 ③控制点 RMS值过大 ,校正图像会产生整体变形。 ④控制点指示对象 ,在不同图件上对应的不是同一物 ,尽 管上述 3种情况都没有 ,但校正图像会发生整体错位或变形。 前 3种误操作可以在几何校正定量参数的选择时加以控 制。后一种误操作较难察觉 ,需要进行细致的特征线配准检查 , 重新修正控制点坐标 ,改善校正精度。 总之 ,遥感图像的几何校正 ,需要进行“理论 ”和“实际 ”两 方面的效果评价 ,方可得出较好的校正效果图。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘磊 ,周军. 基于 ERDAS IMAGINE进行 ETM影像几何精校正研 究 [ J ]. 遥感技术与应用 , 2007, 22 (1) : 55 58. 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