專(zhuān)利名稱(chēng)：山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的幾何糾正與正射校正方法，尤其涉及一種航空航天領(lǐng)域所需的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，屬于山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的計(jì)算機(jī)處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
遙感衛(wèi)星影像的幾何糾正與正射校正是遙感影像預(yù)處理的基礎(chǔ)性工作，也是后期應(yīng)用遙感衛(wèi)星影像開(kāi)展如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估等方面的關(guān)鍵步驟。實(shí)際應(yīng)用中，遙感衛(wèi)星影像的幾何畸變比較嚴(yán)重，圖I示出了典型遙感衛(wèi)星影像的幾何畸變的原理，該圖可廣泛見(jiàn)于教科書(shū)中，如高等教育出版社出版、梅安新主編的《遙感導(dǎo)論》，科學(xué)出版社出版一書(shū)的第二版(2001年7月)，趙英時(shí)主編的《遙感應(yīng)用分析原理與方法》一書(shū)第一版(2003年6月)第36頁(yè)及第178頁(yè)就列出了該圖。從圖中可以看出，這些幾何畸變有的是由于衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道、地球的運(yùn)動(dòng)和形狀等外部因素引起的；有的是由于傳感器本身結(jié)構(gòu)性能和掃描鏡的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)器采樣延遲、探測(cè)器的配置等外部因素所引起的；也有的則由于糾正上述誤差而進(jìn)行一系列換算和模擬而產(chǎn)生的處理誤差。這些誤差有的是系統(tǒng)的，有的是隨機(jī)的，有的是連續(xù)的，有的是非連續(xù)的，十分復(fù)雜，它們構(gòu)成了遙感衛(wèi)星影像所固有的結(jié)合特性。遙感衛(wèi)星圖像的定位，一般是由衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)所提供的衛(wèi)星軌道和姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)衛(wèi)星軌道公式進(jìn)行的。由于所提供的衛(wèi)星參數(shù)尚不足以精確的確定每個(gè)象元的地理位置，所以影像中的幾何定位殘差非常大。人們?nèi)粜枰玫礁叨ㄎ痪鹊倪b感數(shù)據(jù)，需通過(guò)地面控制點(diǎn)信息，研究和改進(jìn)遙感圖像的幾何精糾正方法，糾正影像中的幾何誤差。然而，圖I僅僅描述了衛(wèi)星遙感影像的幾何畸變，由于偏離星下觀測(cè)地形導(dǎo)致的定位畸變沒(méi)有給出描述。在山區(qū)，除了以上的幾何畸變外，還存在著由于偏離衛(wèi)星星下觀測(cè)的起伏地形造成的山體定位誤差，即山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像還存在著由于偏離衛(wèi)星星下觀測(cè)的起伏地形造成的山體定位誤差。衛(wèi)星偏離星下觀測(cè)導(dǎo)致的幾何定位誤差國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)較少報(bào)道。美國(guó) J. Storey 于 2006 年發(fā)表的 LANDSAT 7 Image Assessment System(IAS)geometric Algorithm Theoretical Basis Document 一文的第 117 頁(yè)中關(guān)于 Landsat (地球資源衛(wèi)星)上搭載的TM (Thematic Mapper,專(zhuān)題制圖儀)傳感器的文章里提到正射校正的算法，并給出了由于衛(wèi)星偏離星下觀測(cè)導(dǎo)致的幾何畸變規(guī)律，見(jiàn)圖2的遙感衛(wèi)星影像地形校正的幾何原理示意圖。然而，該原理僅適用于衛(wèi)星垂直向下觀測(cè)的規(guī)律。中國(guó)最新發(fā)射的環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星星座具有重復(fù)訪問(wèn)周期短、影像覆蓋面積大的優(yōu)勢(shì)，該星座具有2顆光學(xué)衛(wèi)星(型號(hào)HJ1A/B)，衛(wèi)星上各搭載兩顆同底安裝的C⑶相機(jī)，編號(hào)分別為CXDl與(XD2，相機(jī)之間呈30°夾角。由于相機(jī)間存在30°夾角，因此，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星獲取的影像為側(cè)視影像。其成像規(guī)律與傳統(tǒng)的垂直向下觀測(cè)TM(Thematic Mapper,專(zhuān)題制圖儀)、CBERS (中巴地球資源衛(wèi)星)等影像不同，影像的幾何定位誤差分布規(guī)律也有很大區(qū)別。中國(guó)國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星同時(shí)獲取的CXDl和(XD2影像共享星下基線，因此，星下基線位于CXDl與(XD2獲取影像的重疊區(qū)域。沿著星下基線，降軌工作的CXDl影像位于右側(cè)，地物坐標(biāo)受地形影響自西向東誤差逐漸增大，CCD2的誤差分布規(guī)律則相反，而傳統(tǒng)的單傳感器影像畸變規(guī)律是由影像中心向兩側(cè)逐漸增大，見(jiàn)圖3所示中國(guó)國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星拍攝多光譜衛(wèi)星遙感影像的獲取影像示意。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1A/B)的設(shè)計(jì)幅寬為360公里，而TM的設(shè)計(jì)幅寬為185公里，由于TM的星下基線位于影像中心，而國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1A/B)位于影像邊緣，因此，國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1A/B)由中心至影像遠(yuǎn)端邊界的距離為360公里，而TM僅93公里左右，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星的畸變更大。根據(jù)圖4所示的地形及星下點(diǎn)基線對(duì)像元坐標(biāo)精度影響擬合圖進(jìn)行理論分析，在環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星影像邊界，當(dāng)象元點(diǎn)海拔為2000m時(shí)，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星影像由于偏離星下觀測(cè)而造成的誤差將達(dá)到1km，約合33個(gè)象元。因此，在校正之前，需要確認(rèn)獲取的國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1A/B)影像的升降軌類(lèi)型及其C⑶相機(jī)編號(hào)，以了解其影像的基本幾何誤差分布規(guī)律。側(cè)視影像的景中心位置與垂直觀測(cè)的影像不同，環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星降軌影像CXDl相機(jī)影像景中心位置偏左，(XD2偏右，見(jiàn)圖3所示。因此，采用傳統(tǒng)的算法原理開(kāi)展幾何畸變很大、導(dǎo)致原因復(fù)雜的山區(qū)側(cè)視多光譜遙感衛(wèi)星影像如中國(guó)國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星拍攝的多光譜遙感衛(wèi)星影像的幾何糾正與正射校正，無(wú)法準(zhǔn)確的糾正影像中的畸變，尤其是地形弓I起的幾何畸變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種能夠高效率、高精度處理的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案本發(fā)明所述山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，包括以下步驟(I)基準(zhǔn)影像的選擇與拼接a、基準(zhǔn)影像的選擇基準(zhǔn)影像滿足以下條件整體云覆蓋量小于5%;不同平臺(tái)影像及鄰近影像接邊處配準(zhǔn)誤差小于O. 5個(gè)象元；b、基準(zhǔn)影像的拼接拼接基準(zhǔn)影像的近紅外波段；(2)同名地物點(diǎn)的自動(dòng)選擇a、在基準(zhǔn)影像和糾正影像上分別布設(shè)核窗口和搜索窗口，所述糾正影像為待糾正和校正的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像，下述亦然；b、將基準(zhǔn)影像上核窗口內(nèi)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)投影至糾正影像，然后以關(guān)聯(lián)點(diǎn)為中心，計(jì)算糾正影像與基準(zhǔn)影像的核窗口內(nèi)的相關(guān)系數(shù)；c、在待糾正影像的搜索窗口內(nèi)移動(dòng)該核窗口，并計(jì)算相應(yīng)核窗口內(nèi)的相關(guān)系數(shù)；d、當(dāng)搜索窗口內(nèi)的核窗口全部計(jì)算后，若存在關(guān)聯(lián)點(diǎn)核窗口的相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定的閾值條件，且搜索窗口滿足條件的關(guān)聯(lián)點(diǎn)小于關(guān)聯(lián)點(diǎn)數(shù)量上限閾值條件時(shí)，將相關(guān)系數(shù)最大的點(diǎn)認(rèn)為是該窗口內(nèi)的同名地物點(diǎn)；否則該搜索窗口內(nèi)未找到同名地物點(diǎn)；(3)同名地物點(diǎn)的篩選、糾正影像的幾何糾正與正射校正a、同名地物點(diǎn)的篩選對(duì)糾正影像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，估算出星下基線斜率，然后根據(jù)從糾正影像頭文件獲取的影像中心點(diǎn)坐標(biāo)與衛(wèi)星的設(shè)計(jì)高度，估算出糾正影像中心點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)點(diǎn)斜式線性方程估算出糾正影像星下基線方程截距；在獲取星下基線方程后，將該基線方程投影至基準(zhǔn)影像，結(jié)合基準(zhǔn)影像上同名地物點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字高程模型DEM的高程信息與衛(wèi)星高度，計(jì)算每個(gè)基準(zhǔn)影像上同名地物點(diǎn)偏離星下點(diǎn)的地形偏移，疊加上每個(gè)同名地物點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的偏移以恢復(fù)成為與糾正影像一致的觀測(cè)條件；b、糾正影像的幾何糾正所有同名地物點(diǎn)擬合獲取的多項(xiàng)式均方根誤差不能超過(guò)O. 75個(gè)像元，否則去除擬合誤差最大的點(diǎn)重新擬合多項(xiàng)式系數(shù)，并再次計(jì)算擬合多項(xiàng)式的均方根誤差，同名地物點(diǎn)的預(yù)測(cè)幾何定位誤差大于I個(gè)像元時(shí)，去除該點(diǎn)，當(dāng)所有同名地物點(diǎn)均滿足糾正要求時(shí)，根據(jù)滿足篩選條件控制點(diǎn)擬合獲取多項(xiàng)式系數(shù)，對(duì)糾正影像的每個(gè)象元位置進(jìn)行重新計(jì)算；C、糾正影像的正射校正結(jié)合糾正影像的星下基線方程、衛(wèi)星高度及數(shù)字高程模型DEM的數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)象元經(jīng)過(guò)幾何糾正后新的坐標(biāo)信息，計(jì)算每個(gè)象元距星下基線的垂直距離，再計(jì)算每個(gè)象元由于偏離星下觀測(cè)而導(dǎo)致的坐標(biāo)偏差，去除由于偏離星下觀測(cè)導(dǎo)致的偏差而完成正射校正；d、計(jì)算完畢后，對(duì)原始影像的光譜特征進(jìn)行重采樣；(4)精度評(píng)價(jià)通過(guò)光譜匹配，在基準(zhǔn)影像和輸出的正射校正結(jié)果之間搜索同名地物點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)，將驗(yàn)證點(diǎn)按照影像中心分為左上、右上、左下、右下四個(gè)象限，分別判斷每個(gè)象限內(nèi)同名地物點(diǎn)配準(zhǔn)誤差，僅當(dāng)四個(gè)區(qū)域的驗(yàn)證點(diǎn)比例均大于60%時(shí)，報(bào)告當(dāng)前影像通過(guò)驗(yàn)證，否則增加配準(zhǔn)多項(xiàng)式階數(shù)配準(zhǔn)后返回步驟(2)重新進(jìn)行幾何糾正與正射校正； (5)影像輸出當(dāng)達(dá)到程序收斂條件后，以糾正影像的原始影像范圍輸出經(jīng)過(guò)幾何糾正與正射校正的影響。作為優(yōu)選，所述步驟(2)中，將基準(zhǔn)影像上核窗口內(nèi)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)按下述公式的坐標(biāo)投影至糾正影像
<(式 I)
權(quán)利要求
1.一種山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于包括以下步驟 (1)基準(zhǔn)影像的選擇與拼接a、基準(zhǔn)影像的選擇基準(zhǔn)影像滿足以下條件整體云覆蓋量小于5% ;不同平臺(tái)影像及鄰近影像接邊處配準(zhǔn)誤差小于O. 5個(gè)象元；b、基準(zhǔn)影像的拼接拼接基準(zhǔn)影像的近紅外波段； (2)同名地物點(diǎn)的自動(dòng)選擇a、在基準(zhǔn)影像和糾正影像上分別布設(shè)核窗口和搜索窗口，所述糾正影像為待糾正和校正的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像，下述亦然；b、將基準(zhǔn)影像上核窗口內(nèi)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)投影至糾正影像，然后以關(guān)聯(lián)點(diǎn)為中心，計(jì)算糾正影像與基準(zhǔn)影像的核窗口內(nèi)的相關(guān)系數(shù)；c、在待糾正影像的搜索窗口內(nèi)移動(dòng)該核窗口，并計(jì)算相應(yīng)核窗口內(nèi)的相關(guān)系數(shù)；d、當(dāng)搜索窗口內(nèi)的核窗口全部計(jì)算后，若存在關(guān)聯(lián)點(diǎn)核窗口的相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定的閾值條件，且搜索窗口滿足條件的關(guān)聯(lián)點(diǎn)小于關(guān)聯(lián)點(diǎn)數(shù)量上 限閾值條件時(shí)，將相關(guān)系數(shù)最大的點(diǎn)認(rèn)為是該窗口內(nèi)的同名地物點(diǎn)；否則該搜索窗口內(nèi)未找到同名地物點(diǎn)； (3)同名地物點(diǎn)的篩選、糾正影像的幾何糾正與正射校正a、同名地物點(diǎn)的篩選對(duì)糾正影像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，估算出星下基線斜率，然后根據(jù)從糾正影像頭文件獲取的影像中心點(diǎn)坐標(biāo)與衛(wèi)星的設(shè)計(jì)高度，估算出糾正影像中心點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)點(diǎn)斜式線性方程估算出糾正影像星下基線方程截距；在獲取星下基線方程后，將該基線方程投影至基準(zhǔn)影像，結(jié)合基準(zhǔn)影像上同名地物點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)字高程模型DEM的高程信息與衛(wèi)星高度，計(jì)算每個(gè)基準(zhǔn)影像上同名地物點(diǎn)偏離星下點(diǎn)的地形偏移，疊加上每個(gè)同名地物點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的偏移以恢復(fù)成為與糾正影像一致的觀測(cè)條件山、糾正影像的幾何糾正所有同名地物點(diǎn)擬合獲取的多項(xiàng)式均方根誤差不能超過(guò)O. 75個(gè)像元，否則去除擬合誤差最大的點(diǎn)重新擬合多項(xiàng)式系數(shù)，并再次計(jì)算擬合多項(xiàng)式的均方根誤差，同名地物點(diǎn)的預(yù)測(cè)幾何定位誤差大于I個(gè)像元時(shí)，去除該點(diǎn)，當(dāng)所有同名地物點(diǎn)均滿足糾正要求時(shí)，根據(jù)滿足篩選條件控制點(diǎn)擬合獲取多項(xiàng)式系數(shù)，對(duì)糾正影像的每個(gè)象元位置進(jìn)行重新計(jì)算；c、糾正影像的正射校正結(jié)合糾正影像的星下基線方程、衛(wèi)星高度及數(shù)字高程模型DEM的數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)象元經(jīng)過(guò)幾何糾正后新的坐標(biāo)信息，計(jì)算每個(gè)象元距星下基線的垂直距離，再計(jì)算每個(gè)象元由于偏離星下觀測(cè)而導(dǎo)致的坐標(biāo)偏差，去除由于偏離星下觀測(cè)導(dǎo)致的偏差而完成正射校正；d、計(jì)算完畢后，對(duì)原始影像的光譜特征進(jìn)行重采樣； (4)精度評(píng)價(jià)通過(guò)光譜匹配，在基準(zhǔn)影像和輸出的正射校正結(jié)果之間搜索同名地物點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)，將驗(yàn)證點(diǎn)按照影像中心分為左上、右上、左下、右下四個(gè)象限，分別判斷每個(gè)象限內(nèi)同名地物點(diǎn)配準(zhǔn)誤差，僅當(dāng)四個(gè)區(qū)域的驗(yàn)證點(diǎn)比例均大于60%時(shí)，報(bào)告當(dāng)前影像通過(guò)驗(yàn)證，否則增加配準(zhǔn)多項(xiàng)式階數(shù)配準(zhǔn)后返回步驟(2)重新進(jìn)行幾何糾正與正射校正； (5)影像輸出當(dāng)達(dá)到程序收斂條件后，以糾正影像的原始影像范圍輸出經(jīng)過(guò)幾何糾正與正射校正的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光譜遙感衛(wèi)星影像的幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(2)中，將基準(zhǔn)影像上核窗口內(nèi)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)按下述公式的坐標(biāo)投影至糾正影像
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(2)中，按下述公式計(jì)算糾正影像與基準(zhǔn)影像的核窗口內(nèi)的相關(guān)系數(shù)
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(2)中，設(shè)定的核窗口大小為7X7個(gè)象元，搜索窗口大小為50X50個(gè)象元。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(2)中，閾值為O. 75，設(shè)定的搜索窗口內(nèi)滿足閾值條件的最大個(gè)數(shù)為3個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(3)中，“估算糾正影像中心點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)坐標(biāo)”、“對(duì)糾正影像的每個(gè)象元位置進(jìn)行重新計(jì)算”和“計(jì)算每個(gè)象元由于偏離星下觀測(cè)而導(dǎo)致的坐標(biāo)偏差”均采用以下公式
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(3)中，采用以下公式計(jì)算每個(gè)同名地物點(diǎn)偏離星下點(diǎn)的地形偏移
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(3)中，根據(jù)以下公式擬合獲取的多項(xiàng)式
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，其特征在于所述步驟(3)中，重采樣方法為最鄰近法、二次內(nèi)插法或三次卷積法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，包括以下步驟基準(zhǔn)影像的選擇與拼接；同名地物點(diǎn)的自動(dòng)選擇；同名地物點(diǎn)的篩選、糾正影像的幾何糾正與正射校正；精度評(píng)價(jià)；影像輸出。山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像如中國(guó)國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(型號(hào)HJ-1A/B)影像，具有幾何畸變嚴(yán)重的特點(diǎn)，本發(fā)明通過(guò)引入同名地物點(diǎn)的概念進(jìn)行自動(dòng)幾何糾正與正射校正方法，能夠?qū)崿F(xiàn)批量化完成山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像的正射糾正，并生成相關(guān)影像的殘差報(bào)告，具有高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)海量數(shù)據(jù)的山區(qū)多光譜遙感衛(wèi)星影像處理非常有效，顯著節(jié)省了傳統(tǒng)遙感影像處理過(guò)程所需的人力物力，尤其對(duì)中國(guó)國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星影像的處理非常有利。
文檔編號(hào)G06K9/32GK102968631SQ201210477410
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者李?lèi)?ài)農(nóng), 邊金虎, 蔣錦剛, 雷光斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所