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文檔簡(jiǎn)介
1、控制點(diǎn)數(shù)量與DEM分辨率對(duì)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(guó)科學(xué)院煙臺(tái)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(guó)科學(xué)院南海海洋研究所,廣東廣州5 1 0 3 0 1;3 中國(guó)科學(xué)院研 究生院,北京1 0 0 0 3 9;4 國(guó)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(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)均勻分布的基礎(chǔ)上,對(duì)3景SPOT-5影像 分別使用1:5萬DEM和SRTM90m數(shù)據(jù),開展6個(gè)、9個(gè)、12個(gè)控制點(diǎn) 的影像正射校正。結(jié)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(gè)控制點(diǎn)即可保證較高的精度,控制點(diǎn)數(shù)量的增多對(duì)精度的 提高并不顯著;1z5萬DEM比SRTM90m數(shù)據(jù)對(duì)影像的正射校正精度略高,但并不明顯,在缺 少1:5萬DEM時(shí),用SRTM90m數(shù)據(jù)代替亦能滿足9 0 8課題的精度要 求,進(jìn)一步驗(yàn)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(guān)鍵詞:海島海岸帶;控制點(diǎn)數(shù)量;DEM分辨率;SPOT5影像中圖分 類號(hào):TP751文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000 3096 (2009) 04000905我國(guó)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(chǔ),由于原始影程點(diǎn) 生成的2 5 1T1分辨率DEM數(shù)據(jù)對(duì)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(dá)到0.5個(gè)像元。綜制點(diǎn)進(jìn)行 影像精校正。研究區(qū)域的海島海岸帶,大述相關(guān)研究,未對(duì)不同控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)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(xiàng)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(duì)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(jié)果不能滿足項(xiàng)目規(guī)程中 2個(gè)像素的校正誤獲取的DEM亦會(huì)有所區(qū)別。差要求1,必須進(jìn)行正射校正,而控制點(diǎn)數(shù)量以
4、及作者針對(duì)海岸帶影像特征進(jìn)行控制點(diǎn)設(shè)計(jì)與采DEM(DigitalEle vationModel,數(shù)字高程模型)分辨集,并在6個(gè)、9個(gè)和12個(gè)控制點(diǎn)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(duì)3景SPOT-5影像進(jìn)行多次正射控制點(diǎn)采集過程耗費(fèi)時(shí) 間相對(duì)較長(zhǎng),動(dòng)用人力校正試驗(yàn),分析控制點(diǎn)數(shù)量與DEM分辨率對(duì)遙感影物力較 多,最佳的控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)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(diǎn)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(jìn)一步驗(yàn)證。數(shù)據(jù)目前,SPOT
5、5影像正射校正方法的相關(guān)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(fù)雜的林選用軌道號(hào)為292 274,290 2 7 4和292 279 (以區(qū),使用星基差分GPS測(cè)量控 制點(diǎn),并利用1;1萬下僅稱軌道號(hào))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(duì)SPOT5影像進(jìn)行正射校 正,控制點(diǎn)總數(shù)14個(gè),所有控制點(diǎn)總的點(diǎn)位誤差1 .3 3 7個(gè)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(gè)像元;劉云峰口 1在不同DEM數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星遙基金項(xiàng)目:國(guó)家海 洋局 9 0 8 專項(xiàng)項(xiàng)目(9 0 8
6、 0 iWY02,9 0 8 0 卜WY06)感影像校正精度影響試驗(yàn)中得出:利用1 :25萬地作者簡(jiǎn)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(diǎn)生成的5 0m分辨率為海洋地理信息系統(tǒng)與遙感應(yīng)用,E mail:shanwciliu1 6 3.comMarineSciences/V01.33,No.4/20099研究報(bào)告月E聊礤的1A級(jí)影像數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)對(duì)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(zhǔn)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(zhǔn),把向陸緩沖1 Okm的邊線作為控制點(diǎn)布設(shè)的邊界,一方 面實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shè)控制點(diǎn)。岸線相對(duì)平滑 的區(qū)域,控制點(diǎn)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(shè)控制點(diǎn),從而控制整個(gè)不規(guī)則區(qū)域,如圖1b;對(duì)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(diǎn),能夠登島的,盡量在島上布 設(shè)控制點(diǎn),以提高海島的定位精度,如圖1b;對(duì)于相鄰兩景影像,應(yīng)在其重疊區(qū) 域選取公共控制點(diǎn),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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)系,經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS 8 4坐標(biāo)系,以ARC/INFOGRID格式存儲(chǔ)。SRTM9Om數(shù)據(jù):中國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的SRTM9Om數(shù) 據(jù),由美國(guó)航空航天局(NASA)、美國(guó)圖像測(cè)繪局(N IMA)、德國(guó)及意大 利航天局共同實(shí)施的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)量任務(wù)獲取,分辨率為9 0m,采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng),以TIF F格式存儲(chǔ)。2方法2.1控制點(diǎn)設(shè)計(jì)地面控制點(diǎn)是一個(gè)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(biāo)(第i行,第J列)和地圖坐標(biāo)(以經(jīng)緯度為單位的地理坐標(biāo)或以m 為單
9、位的投影坐標(biāo))。地面控制點(diǎn)的質(zhì)量、數(shù)量和分布等指標(biāo)直接影響了影像校正 的精確性和可靠性,選取標(biāo)準(zhǔn)如下:(1)地面控制點(diǎn)應(yīng)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(jí)公路附近的細(xì)小土圖1調(diào)查區(qū)域與控制點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig ? 1suoVoy8。888ndGcPdo8ig “2 1 ? 2數(shù)量要求控制點(diǎn)數(shù)量剛能滿足校正模型的解算要求時(shí),一般無法達(dá)到校正精度要求,適 當(dāng)增加可以提高校正精度,但是過多地增加控制點(diǎn)的數(shù)量,不僅不會(huì)顯著提高校正 精度,反而會(huì)增大選擇地面控制點(diǎn)的工作量,降低工作效率。除控制點(diǎn)外,還要布 設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn),用于檢
10、查模型的校正精度。為保證校正精度以及避免測(cè)量錯(cuò)誤帶來的返工問題,每景影像設(shè)計(jì)15組以上 地面控制點(diǎn),每組控制點(diǎn)包括兩個(gè)距離較近的點(diǎn),如果因?yàn)闇y(cè)量錯(cuò)誤導(dǎo)致校正誤差 過大,可更換另一個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)。在正常情況下,另一個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)使用。2.2路交叉口(靠近等級(jí)公路的目的是提高踏勘效率,選擇土路是因?yàn)槠溆跋裆系?亮度普遍較高);(2 )地面控制點(diǎn)所在位置應(yīng)空間開闊、易于定位,保證GPS 接收到有效信號(hào)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(shè)控制點(diǎn),不能像 內(nèi)陸影像一樣
11、實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)在整景影像內(nèi)的均勻分布;以海岸線為基準(zhǔn)向陸緩沖5 k m為研究區(qū)域(紅線向海一側(cè)),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(duì)影像的整個(gè)陸地部分采集控制點(diǎn)不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且沒有必要。1O控制點(diǎn)采集儀器選擇中國(guó)沿海廣泛使用RBN/DGPS系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)單機(jī)快速定位,定位精度與用戶到信標(biāo)臺(tái)站的距離相關(guān),離臺(tái)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(jí)接收機(jī)實(shí)時(shí)定位精度優(yōu) 于5m4。海洋科學(xué)/ 2 0 0 9年/第3 3卷/第4期研究區(qū)域距離信標(biāo)臺(tái)站較近,在精度測(cè)試中,美后
12、利用DEM對(duì)原始影像進(jìn)行 校正,使其轉(zhuǎn)換為正射國(guó)天寶公司生產(chǎn)的亞米級(jí)接收機(jī) 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(diǎn)位移。滿足控制點(diǎn)的精度要求,且具有攜帶方便、價(jià)格便試驗(yàn)影像的海岸帶地區(qū)以山 地丘陵居多,地形宜、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)接收機(jī)作為地面控制點(diǎn)采集 儀器。均勻分布的基礎(chǔ)上,試驗(yàn)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(gè)、9個(gè)、12個(gè)控制點(diǎn)正射校正是將中心 投影的影像通過數(shù)字校正形進(jìn)行正
13、射校正,控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)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(diǎn)表示控制的區(qū)域,根據(jù)有關(guān)的參數(shù)利用相應(yīng)的構(gòu)像 方程式或點(diǎn),十字圓框表示檢查點(diǎn),文字表示點(diǎn)號(hào)。校正結(jié)果按一定的數(shù)學(xué)模型用 控制點(diǎn)解算,求得解算模型,然如表1。圖2不同控制點(diǎn)數(shù)量情形下的控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)分布Fig.2DistributionchartofGCPsandcheckpoi ntswhenusingdifferentquantitiesofGCPMarine硏究擢吿R呻5研滋區(qū)城沖關(guān)伯標(biāo)自站較18*在帝度測(cè)試甲.萎百秫用住大電營(yíng)司*
14、t嚴(yán)的業(yè)家級(jí)攪收機(jī)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(diǎn)的輛度舉貞+HH炳拆帶方權(quán)*株幣博試宜、精速度快箱就點(diǎn).囲此”逵拝USM232 DGPS 總點(diǎn)戦 援收機(jī)昨?yàn)榈孛婵刂泣c(diǎn)采集儀3L均勾井1.3彰悻虛附風(fēng)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(duì)過耳,賞JtJI是農(nóng)牝?yàn)闊o寧小292:1的區(qū)址段轉(zhuǎn)育蘢的塞數(shù)利用輻亦朗榔律方程式或 點(diǎn)十 按一宦的載#4翌用控解點(diǎn)解博*求得解棒權(quán)國(guó)+然城理LSeienees/V01.33,No.4/2009研究報(bào)告尺熙嘏鷹表1校正誤差表Tab.1Correctionerror
15、3結(jié)果分析3 ? 2DEM分辨率對(duì)校正精度的影響及6個(gè)、9個(gè)和12個(gè)控制點(diǎn)對(duì)3景SPOT5影像進(jìn)乏三E麓暑和SRTM9。專文2芝型用二:N差I(lǐng)N,1:5萬DEM比SRTM90m數(shù)據(jù)校正精行正射校正,共計(jì)18次試驗(yàn)。蓯試驗(yàn)結(jié)果(表1)看出,控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的中誤差皆小于1個(gè)像元,且最大誤差都控制在2個(gè)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(yuǎn)小于o ? 2 5個(gè)像元;從檢查點(diǎn)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(diǎn)的最大誤差和中誤差上看,11誤差,但增大了檢查點(diǎn)的中誤差,其增大值和降低值1目皆在0.3個(gè)像元以內(nèi),可以
16、近似忽略不計(jì)。因此,對(duì)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(duì)影像的于基于傳感器物理模型的影像校正,地面控制點(diǎn)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(duì)校正精度的提高并不顯著,使用6個(gè) 控制點(diǎn)DEM時(shí),可用SRTM90m數(shù)據(jù)代替??刂泣c(diǎn)數(shù)量對(duì)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(gè)像元,4最大誤差小于2個(gè)像元。一般情況下,選擇較多的控制點(diǎn)可以達(dá)到更高的校正精度,但是控制點(diǎn)數(shù)量的 增多也會(huì)造成作業(yè)時(shí)間結(jié)語作者在不同DEM分辨率、不同控制點(diǎn)數(shù)量的情形下,對(duì)3景SPOT5影像進(jìn)行正
17、射校正,并對(duì)比分的浪費(fèi),需要根據(jù)成圖精度的要求選擇控制點(diǎn)的個(gè)析了控制點(diǎn)數(shù)量和DEM分 辨率對(duì)校正精度的影響,數(shù)。在較少控制點(diǎn)情形下,一定要輔以一定數(shù)目的檢進(jìn)一 步驗(yàn)證了SRTM90m數(shù)據(jù)在高分辨率遙感影像查點(diǎn),以保證校正精度。12正射校正中的可用性。海洋科學(xué)/ 2 0 0 9年/第3 3卷/第4期通過試驗(yàn)得出:在海岸帶區(qū)域,基于SPOT-5物理模型進(jìn)行正射校正,6 個(gè)控制點(diǎn)即能滿足9 0 8課題的精度要求,在此基礎(chǔ)上增加控制點(diǎn)的數(shù)量并不能顯 著提高精度,但是對(duì)于整景影像,6個(gè)控制點(diǎn)能否滿足精度要求有待進(jìn)一步驗(yàn)證;1:5萬DEM比SRTM9 0m數(shù)據(jù)對(duì)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(shí),用SRTM90m數(shù)據(jù)代替亦能滿足精 度要求。以上結(jié)論對(duì)今后開展遙感調(diào)查以及遙感影像圖生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn):i 13國(guó)家海洋局9 0 8專項(xiàng)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(guó).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(duì)衛(wèi)星遙感影像校正精度的影響J.測(cè)繪通報(bào),2002,7:26- 2 8.E4桑金,張鐵軍.中國(guó)沿海RBN DGPS系統(tǒng)的建立及性能評(píng)定J.測(cè) 繪通報(bào),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,
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