專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于地性線的衛(wèi)星遙感圖像幾何精糾正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢驗(yàn)在記錄載體上標(biāo)記正確性的方法，特別涉及衛(wèi)星遙感圖像的數(shù)據(jù)識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星從幾百公里到上千公里的上空對(duì)地面進(jìn)行觀測(cè)，受地球的自轉(zhuǎn)、地球表面的曲率、地形的起伏、大氣的折射、傳感器內(nèi)外方位元素的變化等因素的影響，遙感圖像往往產(chǎn)生幾何變形。對(duì)衛(wèi)星遙感圖像進(jìn)行幾何精糾正使其與基礎(chǔ)地理底圖嚴(yán)格配準(zhǔn)，保障遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的面積、長(zhǎng)度、位置、空間關(guān)系幾何度量的正確性及可靠性，成為遙感應(yīng)用的基礎(chǔ)。遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)，一般認(rèn)為基礎(chǔ)地理底圖是無(wú)誤差、無(wú)變形的數(shù)據(jù)，利用基礎(chǔ)地理底圖上的河流網(wǎng)、道路網(wǎng)、湖泊等衛(wèi)星圖像上可以識(shí)別的明顯地物點(diǎn)來(lái)控制糾正衛(wèi)星遙感影像，是一般的糾正方法，但在山地區(qū)域，控制點(diǎn)不足難找、控制點(diǎn)不足影響了衛(wèi)星影糾正的質(zhì)量。在多山地區(qū)，地形高差變化引起的投影差進(jìn)一步影響了幾何精糾正的效果。數(shù)字地形模型，DEM(Digital Elevation Model)是地理底圖中最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，它包含該比例尺上的地形變化的所有特征點(diǎn)線，即地性線，現(xiàn)有技術(shù)中幾何精糾正控制點(diǎn)文件的采集依賴(lài)于肉眼識(shí)別與計(jì)算機(jī)交互操作，多用河流網(wǎng)、道路網(wǎng)、湖泊等特征點(diǎn)線來(lái)尋找和采集控制點(diǎn)，常常受人的主觀判斷、操作不易等方面的影響，工作效率低、數(shù)據(jù)誤差大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服衛(wèi)星遙感圖像控制點(diǎn)難找、控制點(diǎn)不足的技術(shù)難題，本發(fā)明利用DEM中的地性線，提供一種衛(wèi)星遙感圖像的幾何精糾正方法，可以精確控制糾正有任何局部變形的遙感圖像。該方法還可用于比對(duì)復(fù)雜的山地地形遙感圖像與期望的地理位置是否一致，還可用于遙測(cè)與定位地面?zhèn)刹鞂?duì)象的地圖坐標(biāo)。
本發(fā)明方法按照以下步驟進(jìn)行1)從儲(chǔ)存媒介中調(diào)入數(shù)字DEM，計(jì)算機(jī)按地圖坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)管理和顯示該DEM，稱(chēng)其為數(shù)字陣列A，其特征在于2)比對(duì)A的每個(gè)點(diǎn)與周邊8個(gè)點(diǎn)的海拔高低，按最大落差法，確定該點(diǎn)的地形最大下降方向，全部點(diǎn)比對(duì)完成，得到表達(dá)地形下降方向的新數(shù)字陣列，將其儲(chǔ)存為數(shù)字陣列B；3)對(duì)A的每個(gè)點(diǎn)，依據(jù)B確定的方向，搜索所有連續(xù)下降到該點(diǎn)的其它點(diǎn)，累加連續(xù)下降到該點(diǎn)的所有點(diǎn)數(shù)，A的全部點(diǎn)搜索完畢后，得到表達(dá)地形連續(xù)累積下降量的新數(shù)字陣列，將其儲(chǔ)存為陣列C；4)人機(jī)交互確定一個(gè)數(shù)字α，將C的每個(gè)點(diǎn)與α進(jìn)行大小比較，如果大于α，則該點(diǎn)為溝谷所在區(qū)域，記為1，否則為非溝谷，記為Nodata，C的全部點(diǎn)比較完畢后，得到數(shù)字陣列，儲(chǔ)存為D，其中，參數(shù)α的確定的依據(jù)是，利用計(jì)算機(jī)將D顯示為黑白圖像，并與地形圖進(jìn)行目視理解與對(duì)比，如果D的圖像表達(dá)與地形吻合好，則α選取較好，否則需改變?chǔ)恋臄?shù)值，再重新試算；5)利用陣列轉(zhuǎn)化為矢量的計(jì)算方法，對(duì)D進(jìn)行矢量化，得到表達(dá)溝谷的數(shù)字地圖，記錄為E1；6)統(tǒng)計(jì)計(jì)算A的最高海點(diǎn)，記為Max，將A的每個(gè)點(diǎn)調(diào)出做如下計(jì)算，用Max減去該點(diǎn)的數(shù)值后再加上2000，得到新陣列F；7)對(duì)F重復(fù)第1)步到第5)步的處理過(guò)程，得到山脊線矢量E2；8)從儲(chǔ)存媒介中調(diào)入衛(wèi)星圖像陣列，計(jì)算機(jī)按地圖坐標(biāo)系統(tǒng)將其顯示為假彩色圖像，并將矢量E1與E2與其進(jìn)行疊加顯示，按同名地物點(diǎn)匹配的原則，人機(jī)交互采集同名地物點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)對(duì)(Xi，Yj)與(Ui，Vj)，并將其記錄和儲(chǔ)存為文件G；
9)利用自適應(yīng)多格網(wǎng)方法，用G的樣本數(shù)據(jù)擬合糾正多項(xiàng)式，并對(duì)圖像進(jìn)行幾何精糾正。
所述的步驟3)中累積下降量可用二插樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄結(jié)果。
所述方法獲得的糾正圖像進(jìn)一步用網(wǎng)格方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)抽樣，確定糾正的質(zhì)量和誤差。
本發(fā)明提出的基于地性線控制糾正衛(wèi)星遙感圖像的方法，利用了DEM提取地性線文件，通過(guò)計(jì)算和矢量化，用矢量格式的溝谷線、山脊線控制糾正衛(wèi)星影像，比僅僅用水系等進(jìn)行系統(tǒng)糾正處理的衛(wèi)星圖像的幾何誤差由2～5像元誤差降低至不超過(guò)1個(gè)像元，方便了控制點(diǎn)的選取，提高了山地地區(qū)的衛(wèi)星遙感圖像與基礎(chǔ)地理底圖的配準(zhǔn)精度。由于該處理是衛(wèi)星遙感圖像應(yīng)用的必要基礎(chǔ)，本發(fā)明提供的計(jì)算機(jī)可讀形式的媒體或以此方法開(kāi)發(fā)的硬件數(shù)字陣列處理裝置，能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星圖像幾何精糾正，并能夠廣泛應(yīng)用于地球資源、軍事、地圖、農(nóng)業(yè)等勘察測(cè)繪領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的存貯媒介與計(jì)算機(jī)界面的裝置方框圖。
圖2是本發(fā)明的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。
(一)利用本發(fā)明對(duì)安寧市區(qū)域的衛(wèi)星遙感圖像的數(shù)據(jù)處理云南省安寧市毗連昆明，位于東經(jīng)102°10′～102°37′，北緯24°31′～25°06′之間；地處滇中高原的東部邊緣，境內(nèi)地形破碎，屬中山地貌。
以下數(shù)據(jù)處理使用美國(guó)Esri公司Arc/Info作為平臺(tái)。
1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備經(jīng)過(guò)系統(tǒng)級(jí)糾正的ETM(Enhanced Thematic Mapper)衛(wèi)星遙感圖像，衛(wèi)星軌道號(hào)(WRS)129/043，陣列大小6969列×5965行，太陽(yáng)高度角SUN ELEVATION＝52.4，太陽(yáng)方位角SUNAZIMUTH＝139.8，景中心位置為東經(jīng)103度5分0秒，北緯24度33分0秒。選擇第5、第4、第3波段，合成近似真彩色的衛(wèi)星圖像。
應(yīng)用采集的1∶50,000的等高線地圖層，作為提取地性線處理的預(yù)備數(shù)據(jù)。
2.地性線的提取與結(jié)果2.1 DEM生成及處理利用1∶50,000數(shù)字化等高線生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)數(shù)據(jù)；將TIN轉(zhuǎn)化為10米分辨率的柵格陣列數(shù)據(jù)，即DEM；對(duì)DEM進(jìn)行平滑、去噪聲等處理，去除偽下陷點(diǎn)。
2.2溝谷線和山脊線的提取、處理與結(jié)果2.2.1溝谷線的提取基于地表物質(zhì)向低處運(yùn)動(dòng)的水流模擬方法，利用單流向最大坡降法確定每個(gè)柵格點(diǎn)的流向，根據(jù)DEM的水流方向計(jì)算每個(gè)柵格點(diǎn)的累計(jì)匯水量，匯水量大于某個(gè)閾值的格網(wǎng)點(diǎn)是溝谷線上的點(diǎn)。這個(gè)閾值與DEM的比例尺及其柵格點(diǎn)分辨率有關(guān)，取值太大，可能導(dǎo)致表達(dá)小地形的地性線的丟失；取值太小，很多低地會(huì)形成面狀閉合線，而不是最低點(diǎn)中心線，取闕值L＝60效果較好?；谏鲜鲈淼牡匦跃€的提取包括了如下幾個(gè)步驟(1)應(yīng)用Arc/Info的流向方向函數(shù)計(jì)算DEM上每個(gè)柵格點(diǎn)的下降量，得到流向矩陣Mdir。
流向計(jì)算模型分別用1，2，4，8，16，32，64，128代表柵格流向正東、正東南、正南、正西南、正西、正西北、正北和正東北的8個(gè)方向，如下表

依據(jù)公式(1)，計(jì)算每個(gè)柵格點(diǎn)的8流向坡降值，取最大坡降方向?yàn)樵擖c(diǎn)的流向。
Drop=ΔZdistance×100---(1)]]>
其中，Drop為相鄰柵格的坡降值，ΔZ為相鄰的柵格的高程差，distance為相鄰柵格的距離。
(2)應(yīng)用Arc/Info的累計(jì)流量函數(shù)計(jì)算流向矩陣Mdir每個(gè)柵格點(diǎn)的累計(jì)流量Macc。
(3)應(yīng)用Arc/Info的條件函數(shù)計(jì)算溝谷線，如果Macc＞L，認(rèn)為該柵格點(diǎn)是溝谷，令Mgorge＝1。
分別應(yīng)用Arc/Info的Thin()與GridLine()兩個(gè)函數(shù)對(duì)Mgorge進(jìn)行細(xì)化與矢量化，生成溝谷線Cnet。
2.2.2山脊線的提取計(jì)算Mdir的最高海點(diǎn)，記為Max，將DEM進(jìn)行反運(yùn)算，把海拔高的區(qū)域變?yōu)榈偷?，海拔低的區(qū)域變?yōu)楦叩?，利用變換式DEM_1＝Max-DEM+2000得到新陣列DEM_1。重復(fù)2.2.1的處理，即可得到山脊線。
3.控制點(diǎn)采集與糾正處理3.1控制點(diǎn)采集在Arcedit的編輯與數(shù)據(jù)采集環(huán)境中，將ETM衛(wèi)星圖像處理為假彩色圖像；調(diào)入溝谷線，用藍(lán)色顯示；調(diào)入山脊線，用紅色表示。手工交互采集溝谷控制點(diǎn)時(shí)，選擇衛(wèi)星圖像上可視效果好的地性線的交叉點(diǎn)、拐點(diǎn)為控制點(diǎn)，并保證任何小的局部區(qū)域都有控制點(diǎn)分布。將全部數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)180°后，采集山脊控制點(diǎn)，所有控制點(diǎn)構(gòu)成控制點(diǎn)文件G。在安寧1000多平方公里的區(qū)域，G文件中的控制點(diǎn)達(dá)到1175個(gè)。
3.2糾正處理用Arc/Info的Adjust()函數(shù)處理控制點(diǎn)G文件的樣本點(diǎn)集，采用多元回歸方法，建立衛(wèi)星圖像平面到控制點(diǎn)平面的變換多項(xiàng)式，實(shí)現(xiàn)糾正。該方法是一種自適應(yīng)的優(yōu)化計(jì)算方法，方法依據(jù)樣本點(diǎn)對(duì)構(gòu)成的矢量方向量將變形方向一致的連續(xù)區(qū)域看作一個(gè)片區(qū)，全部區(qū)域被分成m個(gè)片區(qū)，分別在每個(gè)片區(qū)建立5個(gè)多項(xiàng)式進(jìn)行該區(qū)域的糾正。
4.基于地性線的精糾正與誤差估計(jì)衛(wèi)星圖像幾何糾正存在的誤差是隨機(jī)變量，依據(jù)誤差理論，其服從正態(tài)分布。建立隨機(jī)起點(diǎn)的公理格網(wǎng)地圖層，以格網(wǎng)點(diǎn)為單元進(jìn)行隨機(jī)抽樣。對(duì)于抽中的格網(wǎng)點(diǎn)，尋找離該格點(diǎn)最近的點(diǎn)交互測(cè)量幾何誤差，各個(gè)格點(diǎn)上的誤差集合X1，X2，...，Xn構(gòu)成了誤差估計(jì)的獨(dú)立同分布隨機(jī)樣本。用樣本的均值ΔX估計(jì)總體誤差。ΔX的估計(jì)式為ΔX＝(X1+X2，...，+Xn)/n......(1)這里，N為樣本點(diǎn)數(shù)目。
置信度為1-α的置信區(qū)間為{ΔX-Stn-1(α)/n1/2，ΔX+Stn-1(α)/n1/2}......(2)這里，S2＝{(X1-ΔX)2+(X2-ΔX)2+，...，+(Xn-ΔX)2}/(n-1)在Arc/Info的Adjust()進(jìn)行糾正處理，得到了配準(zhǔn)效果同一的圖象，衛(wèi)星圖象所表達(dá)的可視地形特征與絕大多數(shù)溝谷線實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確配準(zhǔn)。
在該圖像上建立度量間隔為0.02度的經(jīng)緯網(wǎng)，對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行編碼，采區(qū)隨機(jī)抽樣后得到20個(gè)點(diǎn)的小樣本。對(duì)經(jīng)緯網(wǎng)地圖進(jìn)行投影，以溝谷線作為真值，使用交互式方法測(cè)量選中為樣本點(diǎn)的網(wǎng)格頂點(diǎn)上的誤差，得到樣本數(shù)據(jù)，如下表



上表用于誤差估計(jì)的樣本點(diǎn)應(yīng)用公式(1)求得總體的估計(jì)誤差為ΔX＝30.453取1-α＝0.9，查t分布表得t(19)(1-0.1)＝1.3277，利用公式(2)，求得總體的估計(jì)區(qū)間為{30.453-11.38×1.3277/191/2，30.453+11.38×1.3277/191/2}＝{26.99，33.91}(二)本發(fā)明精糾正誤差與系統(tǒng)級(jí)糾正誤差的效果對(duì)比經(jīng)過(guò)系統(tǒng)級(jí)糾正的衛(wèi)星圖像往往存在多個(gè)像點(diǎn)的幾何誤差，特別是地形變化大的山地地區(qū)，誤差較大。以水系線為真值，通過(guò)手工目視測(cè)量，幾何誤差從190多米到200多米不等。
DEM提取的溝谷線與1∶50,000地形圖上河流及其衛(wèi)星影像的疊加顯示，經(jīng)過(guò)精糾正后，可以明顯看到，水系線與溝谷線不是一個(gè)數(shù)量級(jí)別的矢量數(shù)據(jù)；水系線僅僅在大流域區(qū)才出現(xiàn)，溝谷線可以出現(xiàn)在任何地形起伏的地方，并且，以溝谷線作為真值，目視測(cè)量誤差，都不超過(guò)1個(gè)像元，即30m左右。
權(quán)利要求
1.一種基于地性線的衛(wèi)星遙感圖像幾何精糾正方法，具有步驟1)從儲(chǔ)存媒介中調(diào)入數(shù)字DEM，計(jì)算機(jī)按地圖坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)管理和顯示該DEM，稱(chēng)其為數(shù)字陣列A，其特征在于2)比對(duì)A的每個(gè)點(diǎn)與周邊8個(gè)點(diǎn)的海拔高低，按最大落差法，確定該點(diǎn)的地形最大下降方向，全部點(diǎn)比對(duì)完成，得到表達(dá)地形下降方向的新數(shù)字陣列，將其儲(chǔ)存為數(shù)字陣列B；3)對(duì)A的每個(gè)點(diǎn)，依據(jù)B確定的方向，搜索所有連續(xù)下降到該點(diǎn)的其它點(diǎn)，累加連續(xù)下降到該點(diǎn)的所有點(diǎn)數(shù)，A的全部點(diǎn)搜索完畢后，得到表達(dá)地形連續(xù)累積下降量的新數(shù)字陣列，將其儲(chǔ)存為陣列C；4)人機(jī)交互確定一個(gè)數(shù)字α，將C的每個(gè)點(diǎn)與α進(jìn)行大小比較，如果大于α，則該點(diǎn)為溝谷所在區(qū)域，記為1，否則為非溝谷，記為Nodata，C的全部點(diǎn)比較完畢后，得到數(shù)字陣列，儲(chǔ)存為D，其中，參數(shù)α的確定的依據(jù)是，利用計(jì)算機(jī)將D顯示為黑白圖像，并與地形圖進(jìn)行目視理解與對(duì)比，如果D的圖像表達(dá)與地形吻合好，則α選取較好，否則需改變?chǔ)恋臄?shù)值，再重新試算；5)利用陣列轉(zhuǎn)化為矢量的計(jì)算方法，對(duì)D進(jìn)行矢量化，得到表達(dá)溝谷的數(shù)字地圖，記錄為E1；6)統(tǒng)計(jì)計(jì)算A的最高海點(diǎn)，記為Max，將A的每個(gè)點(diǎn)調(diào)出做如下計(jì)算，用Max減去該點(diǎn)的數(shù)值后再加上2000，得到新陣列F；7)對(duì)F重復(fù)第1)步到第5)步的處理過(guò)程，得到山脊線矢量E2；8)從儲(chǔ)存媒介中調(diào)入衛(wèi)星圖像陣列，計(jì)算機(jī)按地圖坐標(biāo)系統(tǒng)將其顯示為假彩色圖像，并將矢量E1與E2與其進(jìn)行疊加顯示，按同名地物點(diǎn)匹配的原則，人機(jī)交互采集同名地物點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)對(duì)(Xi，Yj)與(Ui，Vj)，并將其記錄儲(chǔ)存為文件G；9)利用自適應(yīng)多格網(wǎng)方法，用G的樣本數(shù)據(jù)擬合糾正多項(xiàng)式對(duì)圖像進(jìn)行幾何精糾正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于地性線的衛(wèi)星遙感圖像幾何精糾正方法，其特征在于步驟3)累積下降量用二插樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于地性線的衛(wèi)星遙感圖像幾何精糾正方法，其特征在于用網(wǎng)格方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)抽樣，以計(jì)算糾正的質(zhì)量和誤差。
全文摘要
一種基于地性線的衛(wèi)星遙感圖像幾何精糾正方法，特別涉及衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)的識(shí)別方法。本發(fā)明步驟是調(diào)入數(shù)字DEM，每個(gè)點(diǎn)與周邊8個(gè)點(diǎn)比較確定最大下降方向；累加下降到該點(diǎn)的下降量，儲(chǔ)存為C；人機(jī)交互確定閾值α，C與α進(jìn)行大小比較，大于α為溝谷記為1，否則記為Nodata，儲(chǔ)存為D，對(duì)D矢量化得到溝谷線文件E
文檔編號(hào)G06T5/00GK101050961SQ20071006585
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者周汝良 申請(qǐng)人:西南林學(xué)院