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.

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,