控制點數(shù)量與DEM分辨率對海岸帶遙感影像正射校正精度影.

1、控制點數(shù)量與DEM分辨率對海岸帶遙感影像正射校正精度影響分析劉善偉1 23，張杰4 :馬毅4 5（1 中國科學院煙臺海岸帶與可持續(xù)發(fā)展研究所，山東炯/厶2 6 4 0 0 3;2 中國科學院南海海洋研究所，廣東廣州5 1 0 3 0 1;3 中國科學院研 究生院，北京1 0 0 0 3 9;4 國家海洋局第一海洋研究所，山東青島2 6 6 0 6 1;5 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東青島2 6 6 0 6 1）摘要：在保證海岸帶區(qū)域控制點均勻分布的基礎上，對3景SPOT-5影像 分別使用1:5萬DEM和SRTM90m數(shù)據(jù)，開展6個、9個、12個控制點 的影像正射校正。結果表

2、明：在海岸帶區(qū)域，基于傳感器物理模型的1景SPOT 5影像正射校正，6個控制點即可保證較高的精度，控制點數(shù)量的增多對精度的 提高并不顯著；1z5萬DEM比SRTM90m數(shù)據(jù)對影像的正射校正精度略高，但并不明顯，在缺 少1:5萬DEM時，用SRTM90m數(shù)據(jù)代替亦能滿足9 0 8課題的精度要 求，進一步驗證了SRTM90m數(shù)據(jù)在高分辨率遙感影像正射校正中的可用性。關鍵詞：海島海岸帶；控制點數(shù)量；DEM分辨率；SPOT5影像中圖分 類號：TP751文獻標識碼：A文章編號：1000 3096 (2009) 04000905我國9 0 8海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查課題以高分DEM數(shù)據(jù)與利用1:5萬地 形圖

3、上所有等高線、高辨率的SPOT5衛(wèi)星遙感影像為基礎，由于原始影程點 生成的2 5 1T1分辨率DEM數(shù)據(jù)對校正精度影響像存在一定的幾何變形，需利 用一定數(shù)量的地面控不可以忽略，中誤差最大相差達到0.5個像元。綜制點進行 影像精校正。研究區(qū)域的海島海岸帶，大述相關研究，未對不同控制點數(shù)量對正射 校正精度部分為山地和丘陵，地形起伏較大，常用的多項式校的影響做具體的比較 分析，此外，所使用的DEM多正方法難以消除地形因素對影像局部變形的影響， 以地形圖上矢量化等高線制作而成，其精度與航攝其校正結果不能滿足項目規(guī)程中 2個像素的校正誤獲取的DEM亦會有所區(qū)別。差要求1,必須進行正射校正，而控制點數(shù)量以

4、及作者針對海岸帶影像特征進行控制點設計與采DEM(DigitalEle vationModel，數(shù)字高程模型)分辨集，并在6個、9個和12個控制點的情形下分別基于率是影響校正精度的主 要因素。兩種DEM數(shù)據(jù)對3景SPOT-5影像進行多次正射控制點采集過程耗費時 間相對較長，動用人力校正試驗，分析控制點數(shù)量與DEM分辨率對遙感影物力較 多，最佳的控制點數(shù)量對于提高工作效率、節(jié)像正射校正精度的影響，為選取合適 分辨率的DEM省采集成本非常重要；課題組現(xiàn)有的1:5萬DEM以及最佳的控 制點數(shù)量提供依據(jù)。不能覆蓋研究區(qū)域，在未覆蓋區(qū)域，其他數(shù)據(jù)能否代替1:5 萬DEM需要進一步驗證。數(shù)據(jù)目前，SPOT

5、5影像正射校正方法的相關研究比1.1遙感影像較多，其中比較典型的有：代華兵2在地形復雜的林選用軌道號為292 274,290 2 7 4和292 279 （以區(qū)，使用星基差分GPS測量控 制點，并利用1;1萬下僅稱軌道號）3景SPOT5衛(wèi)星2 0 0 3年以后拍攝地形圖制作的DEM和SPOT5物理模型對SPOT5影像進行正射校 正，控制點總數(shù)14個，所有控制點總的點位誤差1 .3 3 7個像元，最大RMS 誤差為收稿日期：2 0 0 8 1 2 1 2 1慘回日期：200902182.0 4 6個像元；劉云峰口 1在不同DEM數(shù)據(jù)對衛(wèi)星遙基金項目：國家海 洋局 9 0 8 專項項目（9 0 8

6、 0 iWY02，9 0 8 0 卜WY06）感影像校正精度影響試驗中得出：利用1 :25萬地作者簡介：劉善偉（19 8 2），男，山東青島人，博士研究生，主要研究方向形圖上所有等高線、高程 點生成的5 0m分辨率為海洋地理信息系統(tǒng)與遙感應用，E mail:shanwciliu1 6 3.comMarineSciences/V01.33，No.4/20099研究報告月E聊礤的1A級影像數(shù)據(jù)作為試驗對象，其覆蓋地區(qū)多為山地丘陵，具有正射校正的 必要性。影像的空間分辨率為全色2.5m、多光譜10m，云覆蓋不超過1 0%,影像層次豐富、清晰。用全色影像配準多光譜影像，并采用主成分分析法融 合得到2.

7、5m分辨率的彩色影像。1 .2作者以岸線為基準，把向陸緩沖1 Okm的邊線作為控制點布設的邊界，一方 面實現(xiàn)了對研究區(qū)域的完全控制，另一方面也可以提高踏勘效率，降低數(shù)據(jù)采集成 本。在1 Okm寬的條帶內(nèi)，要沿海邊和邊界以內(nèi)均勻布設控制點。岸線相對平滑 的區(qū)域，控制點可稀疏一些，如圖la;岸線比較曲折的區(qū)域，可根據(jù)岸線的彎曲 情況在凹凸處布設控制點，從而控制整個不規(guī)則區(qū)域，如圖1b;對于有海島的影 像，不能夠登島的，則在距離海島最近處要有控制點，能夠登島的，盡量在島上布 設控制點，以提高海島的定位精度，如圖1b;對于相鄰兩景影像，應在其重疊區(qū) 域選取公共控制點，以保證影像校正后順利接邊。DEM數(shù)

8、據(jù)1:5萬DEM數(shù)據(jù)：1;5萬標準分幅DEM數(shù)據(jù)，航攝生產(chǎn)，分辨率為2 5m，采用西安1 98O坐標系，經(jīng)坐標轉換為WGS 8 4坐標系，以ARC/INFOGRID格式存儲。SRTM9Om數(shù)據(jù)：中國地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的SRTM9Om數(shù) 據(jù)，由美國航空航天局（NASA）、美國圖像測繪局（N IMA）、德國及意大 利航天局共同實施的航天飛機雷達地形測量任務獲取，分辨率為9 0m，采用WGS84坐標系統(tǒng)，以TIF F格式存儲。2方法2.1控制點設計地面控制點是一個在影像上可以分辨并能在地圖上精確定位的地表位置，包 括：影像坐標（第i行，第J列）和地圖坐標（以經(jīng)緯度為單位的地理坐標或以m 為單

9、位的投影坐標）。地面控制點的質(zhì)量、數(shù)量和分布等指標直接影響了影像校正 的精確性和可靠性，選取標準如下：（1）地面控制點應選擇在影像中紋理清晰、 特征明顯的地方，如線狀地物的交角或地物拐角上，交角必須良好（30。150。）。推薦選擇等級公路附近的細小土圖1調(diào)查區(qū)域與控制點設計Fig ? 1suoVoy8。888ndGcPdo8ig “2 1 ? 2數(shù)量要求控制點數(shù)量剛能滿足校正模型的解算要求時，一般無法達到校正精度要求，適 當增加可以提高校正精度，但是過多地增加控制點的數(shù)量，不僅不會顯著提高校正 精度，反而會增大選擇地面控制點的工作量，降低工作效率。除控制點外，還要布 設一定數(shù)量的檢查點，用于檢

10、查模型的校正精度。為保證校正精度以及避免測量錯誤帶來的返工問題，每景影像設計15組以上 地面控制點，每組控制點包括兩個距離較近的點，如果因為測量錯誤導致校正誤差 過大，可更換另一個點作為控制點。在正常情況下，另一個點作為檢查點使用。2.2路交叉口（靠近等級公路的目的是提高踏勘效率，選擇土路是因為其影像上的 亮度普遍較高）；（2 ）地面控制點所在位置應空間開闊、易于定位，保證GPS 接收到有效信號和儀器安全。由于研究區(qū)域范圍大，且海岸帶呈條帶狀，常規(guī)的控 制點設計方法并不適用，作者提出如下方法。2.1 .1分布原則調(diào)查所采用的遙感影像皆含水、陸兩部分，在海域中無法布設控制點，不能像 內(nèi)陸影像一樣

11、實現(xiàn)控制點在整景影像內(nèi)的均勻分布；以海岸線為基準向陸緩沖5 k m為研究區(qū)域（紅線向海一側），該區(qū)域呈不規(guī)則條帶狀，約占整景影像面積的1 /10,若對影像的整個陸地部分采集控制點不但費時費力，而且沒有必要。1O控制點采集儀器選擇中國沿海廣泛使用RBN/DGPS系統(tǒng)，可實現(xiàn)單機快速定位，定位精度與用戶到信標臺站的距離相關，離臺站越近，定位精度越高，距離增加，定位精度降低。在比較典型的區(qū)域：距離海岸線3 0 04 0 0km（海上）和2003 0 0 km（陸上）之內(nèi)，亞米級接收機實時定位精度優(yōu) 于5m4。海洋科學/ 2 0 0 9年/第3 3卷/第4期研究區(qū)域距離信標臺站較近，在精度測試中，美后

12、利用DEM對原始影像進行 校正，使其轉換為正射國天寶公司生產(chǎn)的亞米級接收機 DSM2 3 2影像。由于充分利用了DEM數(shù)據(jù)，故能夠改正因地DGPS定位精度優(yōu)于2 r n，中誤差在1 1TI以內(nèi)，完全形起伏而引起的像點位移。滿足控制點的精度要求，且具有攜帶方便、價格便試驗影像的海岸帶地區(qū)以山 地丘陵居多，地形宜、測量速度快等優(yōu)點。因此，選擇DSM2 3 2DGPS起伏較大，具有正射校正的必要性。在保證控制點接收機作為地面控制點采集 儀器。均勻分布的基礎上，試驗使用1:5萬DEM和2.3影像正射校正SRTM90m數(shù)據(jù)并分別基于6個、9個、12個控制點正射校正是將中心 投影的影像通過數(shù)字校正形進行正

13、射校正，控制點、檢查點分布情況如圖2中成正 射投影的過程，其原理是將影像化為很多微小2 90 279,290 274, 2 9 2 - 2 7 4所示，其中黑點表示控制的區(qū)域，根據(jù)有關的參數(shù)利用相應的構像 方程式或點，十字圓框表示檢查點，文字表示點號。校正結果按一定的數(shù)學模型用 控制點解算，求得解算模型，然如表1。圖2不同控制點數(shù)量情形下的控制點與檢查點分布Fig.2DistributionchartofGCPsandcheckpoi ntswhenusingdifferentquantitiesofGCPMarine硏究擢吿R呻5研滋區(qū)城沖關伯標自站較18*在帝度測試甲.萎百秫用住大電營司*

14、t嚴的業(yè)家級攪收機一DSM232峯媲.DGP害宦恆梢度憂于？榔+中謀蚤觀i mlil內(nèi)+完全形翟憂撫足竝制點的輛度舉貞+HH炳拆帶方權*株幣博試宜、精速度快箱就點.囲此”逵拝USM232 DGPS 總點戦 援收機昨為地面控制點采集儀3L均勾井1.3彰悻虛附風正SRTMlEWfif.fitt中心槍離的厭慷通過救寧校正腦毎懺正故正艸1S母對過耳，賞JtJI是農(nóng)牝為無寧小292：1的區(qū)址段轉育蘢的塞數(shù)利用輻亦朗榔律方程式或 點十 按一宦的載#4翌用控解點解博*求得解棒權國+然城理LSeienees/V01.33,No.4/2009研究報告尺熙嘏鷹表1校正誤差表Tab.1Correctionerror

15、3結果分析3 ? 2DEM分辨率對校正精度的影響及6個、9個和12個控制點對3景SPOT5影像進乏三E麓暑和SRTM9。專文2芝型用二:N差IN,1:5萬DEM比SRTM90m數(shù)據(jù)校正精行正射校正，共計18次試驗。蓯試驗結果（表1）看出，控制點和檢查點的中誤差皆小于1個像元，且最大誤差都控制在2個像 元以內(nèi)，完全滿足9 0 8課題的精度要求。3.1度略高，但最大差別遠小于o ? 2 5個像元；從檢查點的最大誤差和中誤差上 看，1。5萬DEM亦好于SRTM90m數(shù)據(jù)。就第3景影像而言，從控制點的最大誤差和中誤差上看，11誤差，但增大了檢查點的中誤差，其增大值和降低值1目皆在0.3個像元以內(nèi)，可以

16、近似忽略不計。因此，對一絮己懋黧嘗恕戮差塞嘉籬絮蕓蘭纛鬈大誤差綜上，1。5萬DEM比SRTM90m數(shù)據(jù)對影像的于基于傳感器物理模型的影像校正，地面控制點數(shù)量校正精度略高，就完成9 0 8課題來看，在缺少157j的增加對校正精度的提高并不顯著，使用6個 控制點DEM時，可用SRTM90m數(shù)據(jù)代替?？刂泣c數(shù)量對校正精度的影響5萬DEM比sRTM90m數(shù)據(jù)校正精度稍即能保證較高的校正精度，平均誤差小于1個像元，4最大誤差小于2個像元。一般情況下，選擇較多的控制點可以達到更高的校正精度，但是控制點數(shù)量的 增多也會造成作業(yè)時間結語作者在不同DEM分辨率、不同控制點數(shù)量的情形下，對3景SPOT5影像進行正

17、射校正，并對比分的浪費，需要根據(jù)成圖精度的要求選擇控制點的個析了控制點數(shù)量和DEM分 辨率對校正精度的影響，數(shù)。在較少控制點情形下，一定要輔以一定數(shù)目的檢進一 步驗證了SRTM90m數(shù)據(jù)在高分辨率遙感影像查點，以保證校正精度。12正射校正中的可用性。海洋科學/ 2 0 0 9年/第3 3卷/第4期通過試驗得出：在海岸帶區(qū)域，基于SPOT-5物理模型進行正射校正，6 個控制點即能滿足9 0 8課題的精度要求，在此基礎上增加控制點的數(shù)量并不能顯 著提高精度，但是對于整景影像，6個控制點能否滿足精度要求有待進一步驗證；1:5萬DEM比SRTM9 0m數(shù)據(jù)對影像的校正精度略高，但并不明顯，就9 0 8

18、課題而言，在缺少1:5萬DEM時，用SRTM90m數(shù)據(jù)代替亦能滿足精 度要求。以上結論對今后開展遙感調(diào)查以及遙感影像圖生產(chǎn)具有指導意義。參考文獻：i 13國家海洋局9 0 8專項辦公室海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查規(guī)程IM3 北 京：海洋出版社，2 0 0 5 卜2.12 3代華兵，李春干，李政國.基于星站差分GPS及DEM的林區(qū)SPOT5數(shù)據(jù)正射校正J.林業(yè)資源管理，2006，6:68 71.3 3劉云峰，李若.不同DEM數(shù)據(jù)對衛(wèi)星遙感影像校正精度的影響J.測繪通報，2002，7:26- 2 8.E4桑金，張鐵軍.中國沿海RBN DGPS系統(tǒng)的建立及性能評定J.測 繪通報，2 0 0 2，11:11

19、.InfluenceofGCPquantityandcationpre cisionofDEMresolutiononorthorectifiremotesensingimage4 LIUShan.weil,2 ，ZHANGJie4,5,MAYi(l.InstituteofYantaiCoastalZoneand SustainableDevelopment,theChineseAca demyofSciences,Yan tai264003,China; 2.SouthChinaSeaInstituteofOceanolog y,theChineseAcademyofSciences,Gua

20、ng zhou5l030l,China;3.GraduateUniversit yoftheChineseAcademyofSciences,Beiji ngl00039,China;4.FirstInstituteofOce anography,StateOceanicAdministratio n,Qingdao26606l,China;5.KeyLabora toryofMarineScienceandNumericalModeling, StateOceanicAdministration,Qingdao26 606l,China)Received:Dee.,l2,2008Keywords:islandandcostalzone;groun dcontrolpoints(GCP)quantity;DEMresolution;SPOT5imageAbstract:Accordingto thecharacteristicofislandandcostalzone,