控制点数量与DEM分辨率对海岸带遥感影像正射校正精度影.docx
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控制点数量与DEM分辨率对海岸带遥感影像正射校正精度影
控制点数量与DEM分辨率对海岸带遥感影像正射校正精度影
响分析
刘善伟1’2’3,张
杰4“,马
毅4’5
(1.中国科学院烟台海岸带与可持续发展研究所,山东炯/厶264003;2.中国科学院南海海洋研究所,广东广州510301;3.中国科学院研究生院,北京100039;4.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;5.海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室,山东青岛266061)
摘要:
在保证海岸带区域控制点均匀分布的基础上,对3景SPOT-5影像分别使用l:
5万DEM和SRTM90m数据,开展6个、9个、12个控制点的影像正射校正。
结果表明:
在海岸带区域,基于传感器物理模型的1景SPOT-5影像正射校正,6个控制点即可保证较高的精度,控制点数量的增多对精度的提高并不显著;1
z
5万
DEM比SRTM90m数据对影像的正射校正精度略高,但并不明显,在缺少1:
5万DEM时,用SRTM90m数据代替亦能满足908课题的精度要求,进一步验证了SRTM90m数据在高分辨率遥感影像正射校正中的可用性。
关键词:
海岛海岸带;控制点数量;DEM分辨率;SPOT-5影像中图分类号:
TP751
文献标识码:
A
文章编号:
1000—3096(2009)04—0009—05
我国908海岛海岸带卫星遥感调查课题以高分DEM数据与利用1:
5万地形图上所有等高线、高辨率的SPOT一5卫星遥感影像为基础,由于原始影程点生成的251T1分辨率DEM数据对校正精度影响像存在一定的几何变形,需利用一定数量的地面控不可以忽略,中误差最大相差达到0.5个像元。
综制点进行影像精校正。
研究区域的海岛海岸带,大述相关研究,未对不同控制点数量对正射校正精度部分为山地和丘陵,地形起伏较大,常用的多项式校的影响做具体的比较分析,此外,所使用的DEM多正方法难以消除地形因素对影像局部变形的影响,以地形图上矢量化等高线制作而成,其精度与航摄其校正结果不能满足项目规程中2个像素的校正误获取的DEM亦会有所区别。
差要求[1],必须进行正射校正,而控制点数量以及
作者针对海岸带影像特征进行控制点设计与采DEM(DigitalElevationModel,数字高程模型)分辨
集,并在6个、9个和12个控制点的情形下分别基于率是影响校正精度的主要因素。
两种DEM数据对3景SPOT-5影像进行多次正射控制点采集过程耗费时间相对较长,动用人力校正试验,分析控制点数量与DEM分辨率对遥感影物力较多,最佳的控制点数量对于提高工作效率、节像正射校正精度的影响,为选取合适分辨率的DEM省采集成本非常重要;课题组现有的1:
5万DEM以及最佳的控制点数量提供依据。
不能覆盖研究区域,在未覆盖区域,其他数据能否代替l:
5万DEM需要进一步验证。
1
数据
目前,SPOT一5影像正射校正方法的相关研究比1.1遥感影像
较多,其中比较典型的有:
代华兵[2]在地形复杂的林选用轨道号为292-274,290—274和292-279(以区,使用星基差分GPS测量控制点,并利用1;1万下仅称轨道号)3景SPOT-5卫星2003年以后拍摄
地形图制作的DEM和SPOT一5物理模型对SPOT-5影像进行正射校正,控制点总数14个,所有控制点总的点位误差1.337个像元,最大RMS误差为收稿日期:
2008—12—12I惨回日期:
2009—02—18
2.046个像元;刘云峰口1在不同DEM数据对卫星遥基金项目:
国家海洋局908专项项目(908—0i-WY02,908—0卜WY06)
感影像校正精度影响试验中得出:
利用1:
25万地作者简介:
刘善伟(1982-),男,山东青岛人,博士研究生,主要研究方向形图上所有等高线、高程点生成的50m分辨率
为海洋地理信息系统与遥感应用,E-mail:
shanweiliu@163.com
MarineSciences/V01.33,No.4/2009
9
研究报告月E聊礤
的1A级影像数据作为试验对象,其覆盖地区多为山地丘陵,具有正射校正的必要性。
影像的空间分辨率为全色2.5m、多光谱10m,云覆盖不超过10%,影像层次丰富、清晰。
用全色影像配准多光谱影像,并采用主成分分析法融合得到2.5m分辨率的彩色影像。
1.2
作者以岸线为基准,把向陆缓冲10km的边线作为控制点布设的边界,一方面实现了对研究区域的完全控制,另一方面也可以提高踏勘效率,降低数据采集成本。
在10km宽的条带内,要沿海边和边界以内均匀布设控制点。
岸线相对平滑的区域,控制点可稀疏一些,如图la;岸线比较曲折的区域,可根据岸线的弯曲情况在凹凸处布设控制点,从而控制整个不规则区域,如图1b;对于有海岛的影像,不能够登岛的,则在距离海岛最近处要有控制点,能够登岛的,尽量在岛上布设控制点,以提高海岛的定位精度,如图1b;对于相邻两景影像,应在其重叠区域选取公共控制点,以保证影像校正后顺利接边。
DEM数据
1:
5万DEM数据:
1;5万标准分幅DEM数据,
航摄生产,分辨率为25m,采用西安1980坐标系,经坐标转换为WGS84坐标系,以ARC/INFOGRID格式存储。
SRTM90m数据:
中国地球系统科学数据共享网提供的SRTM90m数据,由美国航空航天局(NASA)、美国图像测绘局(NIMA)、德国及意大利航天局共同实施的航天飞机雷达地形测量任务获取,分辨率为
90
m,采用WGS84坐标系统,以TIFF格式存储。
2
方法
2.1控制点设计
地面控制点是一个在影像上可以分辨并能在地图上精确定位的地表位置,包括:
影像坐标(第i行,第J列)和地图坐标(以经纬度为单位的地理坐标或以m为单位的投影坐标)。
地面控制点的质量、数量和分布等指标直接影响了影像校正的精确性和可靠性,选取标准如下:
(1)地面控制点应选择在影像中纹理清晰、特征明显的地方,如线状地物的交角或地物拐角上,交角必须良好
(30。
~150。
)。
推荐选择等级公路附近的细小土
图1调查区域与控制点设计
Fig・1
su。
V。
y
8。
88
8ndGcPd。
8ig“
2-1・2数量要求
控制点数量刚能满足校正模型的解算要求时,一般无法达到校正精度要求,适当增加可以提高校正精度,但是过多地增加控制点的数量,不仅不会显著提高校正精度,反而会增大选择地面控制点的工作量,降低工作效率。
除控制点外,还要布设一定数量的检查点,用于检查模型的校正精度。
为保证校正精度以及避免测量错误带来的返工问题,每景影像设计15组以上地面控制点,每组控制点包括两个距离较近的点,如果因为测量错误导致校正误差过大,可更换另一个点作为控制点。
在正常情况下,另一个点作为检查点使用。
2.2
路交叉口(靠近等级公路的目的是提高踏勘效率,选择土路是因为其影像上的亮度普遍较高);(2)地面控制点所在位置应空间开阔、易于定位,保证GPS接收到有效信号和仪器安全。
由于研究区域范围大,且海岸带呈条带状,常规的控制点设计方法并不适用,作者提出如下方法。
2.1.1分布原则
调查所采用的遥感影像皆含水、陆两部分,在海域中无法布设控制点,不能像内陆影像一样实现控制点在整景影像内的均匀分布;以海岸线为基准向陆缓冲5km为研究区域(红线向海一侧),该区域呈不规则条带状,约占整景影像面积的1/10,若对影像的整个陆地部分采集控制点不但费时费力,而且没有必要。
lO
控制点采集仪器选择
中国沿海广泛使用RBN/DGPS系统,可实现单
机快速定位,定位精度与用户到信标台站的距离相关,离台站越近,定位精度越高,距离增加,定位精度降低。
在比较典型的区域:
距离海岸线300~400
km
(海上)和200~300km(陆上)之内,亚米级接收机实时定位精度优于5m[4。
。
海洋科学/2009年/第33卷/第4期
研究区域距离信标台站较近,在精度测试中,美后利用DEM对原始影像进行校正,使其转换为正射国天宝公司生产的亚米级接收机——DSM232
影像。
由于充分利用了DEM数据,故能够改正因地DGPS定位精度优于2rn,中误差在11TI以内,完全形起伏而引起的像点位移。
满足控制点的精度要求,且具有携带方便、价格便试验影像的海岸带地区以山地丘陵居多,地形宜、测量速度快等优点。
因此,选择DSM232DGPS
起伏较大,具有正射校正的必要性。
在保证控制点接收机作为地面控制点采集仪器。
均匀分布的基础上,试验使用1:
5万DEM和2.3影像正射校正
SRTM90m数据并分别基于6个、9个、12个控制点正射校正是将中心投影的影像通过数字校正形进行正射校正,控制点、检查点分布情况如图2中成正射投影的过程,其原理是将影像化为很多微小290—279,290—274,292—274所示,其中黑点表示控制的区域,根据有关的参数利用相应的构像方程式或点,十字圆框表示检查点,文字表示点号。
校正结果按一定的数学模型用控制点解算,求得解算模型,然
如表1。
图2不同控制点数量情形下的控制点与检查点分布
Fig.2
DistributionchartofGCPsandcheckpointswhenusingdifferentquantitiesofGCPs
Marine
Seienees/V01.33,No.4/2009
研究报告尺熙嘏鹰
表1校正误差表
Tab.1
Correction
error
3
结果分析
3・2
DEM分辨率对校正精度的影响
及6个、9个和12个控制点对3景SPOT一5影像进
。
专文2芝型用-二:
..乏三E麓暑和SRTM9。
0,m。
。
堂
-N差I-N",1:
5万DEM比SRTM90m数据校正精~
.。
.一.
行正射校正,共计18次试验。
苁试验结果(表1)
看出,控制点和检查点的中误差皆小于1个像元,且最大误差都控制在2个像元以内,完全满足908课题的精度要求。
3.1
度略高,但最大差别远小于o・25个像元;从检查点的最大误差和中误差上看,1。
5万DEM亦好于SRTM90m数据。
就第3景影像而言,从控制点的最大误差和中误差上看,1
1
...一……:
。
误差,但增大了检查点的中误差,其增大值和降低值1…““一目’‘~。
…“…。
~。
“一“1。
皆在0.3个像元以内,可以近似忽略不计。
因此,对
一絮己懋黧尝恕戮差塞嘉篱絮芸‘兰纛鬈≯大误差
综上,1。
5万DEM比SRTM90m数据对影像的
于基于传感器物理模型的影像校正,地面控制点数量校正精度略高,就完成908课题来看,在缺少1。
57j"的增加对校正精度的提高并不显著,使用6个控制点DEM时,可用SRTM90m数据代替。
控制点数量对校正精度的影响
5万DEM比sRTM90m数据校正精度稍
即能保证较高的校正精度,平均误差小于1个像元,4
最大误差小于2个像元。
一般情况下,选择较多的控制点可以达到更高的校正精度,但是控制点数量的增多也会造成作业时间
结语
作者在不同DEM分辨率、不同控制点数量的情
形下,对3景SPOT一5影像进行正射校正,并对比分
的浪费,需要根据成图精度的要求选择控制点的个析了控制点数量和DEM分辨率对校正精度的影响,数。
在较少控制点情形下,一定要辅以一定数目的检进一步验证了SRTM90m数据在高分辨率遥感影像查点,以保证校正精度。
12
正射校正中的可用性。
海洋科学/2009年/第33卷/第4期
通过试验得出:
在海岸带区域,基于SPOT-5物理模型进行正射校正,6个控制点即能满足908课题的精度要求,在此基础上增加控制点的数量并不能显著提高精度,但是对于整景影像,6个控制点能否满足精度要求有待进一步验证;1:
5万DEM比SRTM90m数据对影像的校正精度略高,但并不明显,就908课题而言,在缺少1:
5万DEM时,用SRTM90m数据代替亦能满足精度要求。
以上结论对今后开展遥感调查以及遥感影像图生产具有指导
意义。
参考文献:
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海洋出版社,2005.卜2.
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桑金,张铁军.中国沿海RBN—DGPS系统的建立及性能评定[J].测绘通报,2002,11:
11.
InfluenceofGCPquantityandcationprecisionof
DEM
resolution
on
orthorectifi—
remotesensingimage
4’5
LIUShan.weil,2…,ZHANGJie4,5,MAYi
(1.InstituteofYantaiCoastalZoneandSustainableDevelopment,theChineseAcademyofSciences,Yan—tai264003,China;2.SouthChinaSeaInstituteofOceanology,theChineseAcademyofSciences,Guang—zhou510301,China;3.GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;4.FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China;5.KeyLabora—
tory
of
MarineScienceandNumericalModeling,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China)
Received:
Dee.,12,2008
Keywords:
islandandcostalzone;groundcontrol
points(GCP)quantity;DEM
resolution;SPOT-5image
Abstract:
According
to
thecharacteristicofislandandcostalzone,choosingstandard,quantityanddistri—
points)aredesigned
based
on
butionofGCPs(groundcontrol
measuringdemandandimagecharacter.
are
RBN/DGPs
is
chosenformeasuringGCPs,andthentheimages
a
correctedbased
on
differentDEMsand
differentquantitiesofGCPs.Thereisphysicalmodel,6GCPs
can
conclusionbyanalyzingtheresultsofcorrection.UsingSPOT-5
cannot
get
a
highcorrectionprecisionandmorecontrols
islittlebetterthan
get
a
notableimprove—
mentofprecision.DEMof
OUS,andwhenthereis
no
1:
50000
SRTM90m
can
forimagecorrection,butitisnotobvi—
DEM
of1:
50000,SRTM90mreplaceit.Theconclusionsaboveprovidethe
basisofchoosingoptimalquantityofGCPsandappropriateresolutionofDEMforimagecorrection.
(本文编辑:
刘珊珊)
MarineSeienees/V01.33,No.4/2009
13
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