ikoisar遙感影像精度分析

ikoisar遙感影像精度分析

1需要滿(mǎn)足使用遙感影像分辨率不夠高的限制衛(wèi)星遙感圖像的研究和使用至少需要20多年。從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始，地球資源衛(wèi)星（地球資源衛(wèi)星）成功地出現(xiàn)，改名為“地球遺跡衛(wèi)星”或“地球資源衛(wèi)星”。從去年9月成功著陸于ikono2衛(wèi)星的ikosi-2衛(wèi)星到去年9月，人類(lèi)對(duì)地震學(xué)技術(shù)的研究有了很大的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用也有了很大的擴(kuò)展。但是,使用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行大比例尺測(cè)圖尚受遙感影像分辨率不夠高的限制。一般認(rèn)為,遙感影像的分辨率和精度決定了地形圖測(cè)圖比例尺,人對(duì)紙質(zhì)地圖的目視分辨率通常在0.07～0.1mm左右,也就是說(shuō),地形圖測(cè)圖要求衛(wèi)星遙感影像的分辨率一般應(yīng)達(dá)到或小于圖上0.1mm,而地形圖的更新至少也應(yīng)要求衛(wèi)星遙感影像的分辨率達(dá)到圖上0.2mm。SPOT-4衛(wèi)星遙感影像的分辨率為10m,因此最多可以用于1∶100000比例尺地形圖的測(cè)圖或者勉強(qiáng)用于1∶50000比例尺地形圖的更新,此時(shí),一個(gè)像素在圖上為0.1～0.2mm。隨著民用遙感衛(wèi)星的分辨率越來(lái)越高,許多測(cè)繪工作者對(duì)應(yīng)用衛(wèi)星遙感于測(cè)繪表示出了極大的興趣。IKONOS衛(wèi)星遙感影像是全球第一顆民用1m級(jí)(事實(shí)上分辨率還可達(dá)到更高)分辨率的衛(wèi)星遙感影像,是美國(guó)IMAGESPACE公司的產(chǎn)品,它的商用使利用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行1∶10000比例尺地形圖(我國(guó)省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪的最重要組成部分)的測(cè)制與更新使用的數(shù)據(jù)源又多了一條渠道。IKONOS衛(wèi)星遙感影像的標(biāo)稱(chēng)分辨率已能滿(mǎn)足測(cè)制和更新1∶10000比例尺地形圖的需要,但其精度是否符合測(cè)圖要求,尚需要通過(guò)認(rèn)真、全面的檢驗(yàn)。本文介紹對(duì)江蘇省鹽城地區(qū)約27km2的區(qū)域(一幅1∶10000地形圖,I-51-85-(50)范圍)IKONOS遙感影像的測(cè)試方法及測(cè)試的結(jié)果。2數(shù)據(jù)收集2.1水科ikooswgs983我們所獲得的是一景完整的IKONOS衛(wèi)星數(shù)據(jù),包括兩組幾乎重疊的文件,有遙感影像文件“*.tif”、影像的頭文件“*.hdr”、“*.tfw”和原數(shù)據(jù)文件“*.txt”共31個(gè)文件,容量達(dá)570M。表1列出了這次使用的一組主要影像文件名及各文件的長(zhǎng)度及簡(jiǎn)要說(shuō)明。遙感影像的掃描完成時(shí)間為2000年3月26日10時(shí)28分(北京時(shí)間),拍攝傾角為14°01′37″,與衛(wèi)星軌道方向夾角4°17′34″,太陽(yáng)與衛(wèi)星軌道的夾角138°27′52″,太陽(yáng)與衛(wèi)星軌道的高度角為51°33′28″,衛(wèi)星的縱、橫向掃描步進(jìn)分別為0.87m和0.84m。衛(wèi)星同時(shí)獲得兩種分辨率、共5個(gè)波段的遙感影像,其中,全色波段分辨率為1m、其余紅、綠、藍(lán)和紅外4個(gè)波段分辨率為4m。SpaceImage公司提供的IKONOS影像采用的是WGS84(世界測(cè)地系統(tǒng)),并已經(jīng)過(guò)通用橫軸墨卡托投影,與多數(shù)遙感影像不同的是IKONOS影像幾乎是正南北方向,而不是斜的,影像的頭文件和元數(shù)據(jù)文件給出了每一影像文件的行列像素?cái)?shù)、4個(gè)角的像素坐標(biāo)值(包括地圖坐標(biāo)和地理坐標(biāo))以及像素的位數(shù)(灰度階)和分辨率。值得注意的是IKONOS衛(wèi)星遙感影像文件采用的是遙感上常用的11位GeoTiff格式而不是計(jì)算機(jī)圖像處理上常用的8位Tiff格式,因此在做影像彩色合成時(shí)必須充分注意色彩的合理拉伸,以免造成色調(diào)分辨率的降低。一景(指最小購(gòu)買(mǎi)量)完整的IKONOS衛(wèi)星遙感影像大約覆蓋11×11km2(經(jīng)差約6′,緯差約7′(在緯度33°附近),通常能保證不經(jīng)拼接覆蓋1∶10000比例尺地形圖1～2幅)經(jīng)彩色合成后有近350Mb大小,為提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度,本次檢驗(yàn)截取了完整的一幅1∶10000比例尺地形圖范圍的影像(120°03′45″～120°07′30″E,33°22′30″～33°25′00″N),截取后文件大小近100Mb,因此以下提及的像素位置以截取影像的左上角(0,0)為原點(diǎn)。2.2掃描分辨率及制作本次檢測(cè)直接使用了一幅當(dāng)?shù)刈钚碌?∶10000地形圖的二底圖進(jìn)行二值圖掃描。掃描使用Intergraph公司的工程掃描儀,掃描分辨率設(shè)為400dpi,取文件格式為“*.rle”,這是一種壓縮率較高的無(wú)損壓縮文件格式,整個(gè)文件包括圖外裝飾僅3Mb多。本檢驗(yàn)地形圖采用高斯—克呂格橫軸投影,使用1954年北京坐標(biāo)系,距中央子午線約6～12km。對(duì)掃描二底圖按常規(guī)方法進(jìn)行了糾正,檢測(cè)合格后用作本次衛(wèi)星遙感影像測(cè)試的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。3衛(wèi)星遙感影像的相對(duì)精度IKONOS提供的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)大氣輻射校正后的產(chǎn)品,其各波段數(shù)據(jù)的大小、位置的匹配已是十分準(zhǔn)確,本文所談及的檢測(cè)是指IKONOS衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)各像素間的相對(duì)精度。通常這樣的檢測(cè)是需要地面點(diǎn)的精確坐標(biāo)的。由于直接使用全色片*.PAN的影像判讀較彩色合成后的困難,因此,本次檢測(cè)使用了全色片和多波段片合成后的1m分辨率彩色影像。衛(wèi)星影像的糾正通常還要用當(dāng)?shù)氐腄EM(或DTM)進(jìn)行投影差改正,但考慮到測(cè)試區(qū)域內(nèi)的地面高差僅幾十厘米,相對(duì)于600km高度的衛(wèi)星,其投影差之差是可以忽略不計(jì)的。3.1階仿射糾正法1∶10000地形圖二底圖的定位是在Intergraph公司專(zhuān)用于二值柵格圖像處理的軟件I/RASB下進(jìn)行的,使用了4個(gè)圖廓點(diǎn),采用了一階仿射糾正,即線性糾正方法,以確保原圖變形最小,糾正后圖廓點(diǎn)的殘差小于1m(即圖上0.1mm)。糾正后的圖像文件可在Bentley公司的通用圖形平臺(tái)MicroStation下直接提取任意點(diǎn)的坐標(biāo)。3.2檢測(cè)點(diǎn)、同音點(diǎn)為保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可比性,在檢測(cè)前必須選取均勻分布的特征點(diǎn)若干個(gè)。特征點(diǎn)的位置必須同時(shí)在衛(wèi)星遙感影像和二底圖上清晰可辨,必須均勻分布且盡可能到達(dá)圖幅邊緣(滿(mǎn)幅)。為描述方便,本文稱(chēng)衛(wèi)星遙感影像上的特征點(diǎn)為“檢測(cè)點(diǎn)”,而稱(chēng)二底圖上的特征點(diǎn)為“同名點(diǎn)”。為此,在衛(wèi)星遙感影像和二底圖上分別選取了54處檢測(cè)點(diǎn)和同名點(diǎn),在每一檢測(cè)點(diǎn)的像素上作了明顯標(biāo)記并編號(hào),讀取并記錄該54處檢測(cè)點(diǎn)的像素位置;又在二底圖上精確提取54處同名點(diǎn)的坐標(biāo)值作為檢測(cè)遙感影像及糾正遙感影像的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。3.3像素的真實(shí)分辨率對(duì)于衛(wèi)星遙感影像來(lái)說(shuō),分辨率即指一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的實(shí)地尺度。遙感影像的分辨率對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常重要的參數(shù),已知影像的真實(shí)分辨率,就可以通過(guò)量取任意兩個(gè)像素的間距推算出和影像對(duì)應(yīng)的地面兩點(diǎn)間的真實(shí)距離,同樣可以通過(guò)像素的個(gè)數(shù)計(jì)算求得某個(gè)區(qū)域的面積,此方法已普遍應(yīng)用于地面覆蓋的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)中。IKONOS衛(wèi)星遙感影像像素的真實(shí)分辨率(所謂真實(shí)分辨率是相當(dāng)于標(biāo)稱(chēng)分辨率而言的)可以用多種方法來(lái)計(jì)算求證。以下介紹兩種方法:3.3.1像素計(jì)數(shù)sp反算每一對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的間距并求和,與每一對(duì)同名點(diǎn)的坐標(biāo)反算間距求和取商,即可得影像的真實(shí)分辨率RES。設(shè)有m個(gè)檢測(cè)點(diǎn),則共可組成n條邊。n=m(m-1)2(1)n=m(m?1)2(1)Sp=n∑k=1√dh2k+dν2k(2)Sp=∑k=1ndh2k+dν2k????????√(2)其中:k為兩像素間段號(hào),dh=hi-hj為橫向像素差,dv=vi-vj為橫向和縱向像素差,i、j為標(biāo)注點(diǎn)的點(diǎn)號(hào),Sp為54個(gè)檢測(cè)點(diǎn)間共n個(gè)區(qū)段的像素?cái)?shù)總和,n=1431。同樣,二底圖上各同名點(diǎn)的坐標(biāo)反算距離之和如下:Ss=n∑k=1√dx2k+dy2k(3)Ss=∑k=1ndx2k+dy2k????????√(3)最后得IKONOS衛(wèi)星遙感影像的真實(shí)分辨率RES為:RES=SsSp(4)RES=SsSp(4)3.3.2sp、ss、y首先分別計(jì)算54個(gè)檢測(cè)點(diǎn)和54個(gè)同名點(diǎn)的重心坐標(biāo)O和O′,然后計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)和同名點(diǎn)到各自重心坐標(biāo)的距離h、v和x、y,求和并取商。Sp′=n=54∑j=1√h2j+ν2j(5)Ss′=n=54∑j=1√x2j+y2j(6)其中:Sp′為54個(gè)檢測(cè)點(diǎn)到重心坐標(biāo)O的像素?cái)?shù)總和,單位為像素。Ss′為54個(gè)同名點(diǎn)到重心坐標(biāo)O′的距離總和,單位為米。最后得IKONOS衛(wèi)星遙感影像的真實(shí)分辨率RES為:RES=Ss′Sp′(7)3.3.3a+b、c、d方法一取用大量的反算邊長(zhǎng)求和后測(cè)定遙感影像的真實(shí)分辨率,它的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)的位置精度要求不高,但對(duì)于周邊點(diǎn)的精度要求就要高得多。設(shè)A、B、C三點(diǎn)于一直線上,點(diǎn)A至點(diǎn)B的距離為a,點(diǎn)B至點(diǎn)C的距離為b,點(diǎn)A至點(diǎn)C的距離為c,則不論B點(diǎn)的位置準(zhǔn)確與否,a+b+c的值不變(見(jiàn)圖1)。相反,當(dāng)A或C點(diǎn)的位置不準(zhǔn)確時(shí),設(shè)b′=b+v,則有a+b′+c′=a+b+c+2v,其誤差將放大兩倍(見(jiàn)圖2)。方法二計(jì)算每一點(diǎn)對(duì)與重心坐標(biāo)的距離和,它的優(yōu)點(diǎn)是同等對(duì)待每一點(diǎn)的精度,對(duì)各點(diǎn)的誤差進(jìn)行攤派,并減少誤差的影響。設(shè)A、B、C、D4點(diǎn)于一矩形頂點(diǎn)上,其重心坐標(biāo)為點(diǎn)O,各點(diǎn)至點(diǎn)O的距離分別為a、b、c和d,則a=b=c=d,各點(diǎn)至O點(diǎn)的距離和為a+b+c+d。假如點(diǎn)C的位置移到了矩形的中心,其偏移量為v,即總長(zhǎng)度減小了v=c,則此時(shí)的重心點(diǎn)O位置將向A偏移1/4a,新的各邊長(zhǎng)分別為a′、b′、c′和d′(見(jiàn)圖3)?！遖′+c′=a又∵d′=b′>b=d∴a′+b′+c′+d′+v>a+b+c+d可知,任一點(diǎn)的誤差v對(duì)總和的影響≤v。因此,使用重心坐標(biāo)能使最后結(jié)果更接近“真值”。為此,在結(jié)論中將采用方法二的結(jié)果。3.4像素精度測(cè)定衛(wèi)星遙感影像拍攝傾角通常較大,IKONOS衛(wèi)星的拍攝傾角甚至可以達(dá)到45°(我們研究的影像數(shù)掃描傾角為14°01′37″)。因此除了測(cè)定它的分辨率外,還要測(cè)定各像素的精度,即各像素點(diǎn)經(jīng)常規(guī)糾正(這里說(shuō)的常規(guī)糾正通常是指遙感影像的坐標(biāo)配準(zhǔn),即定位。而非大氣輻射糾正等特殊改正)后的相對(duì)位置是否均勻,是否準(zhǔn)確,是否殘余明顯的畸變差。由于我們選取的區(qū)域,地面高程一般在2m左右,高差小于1m。因此不考慮投影差的影響。對(duì)IKONOS衛(wèi)星遙感影像的像素精度測(cè)定采用了最常用的求中誤差的方法。利用從圖像上讀取的像素位置反算的間距與從二底圖上讀取的坐標(biāo)位置反算的邊長(zhǎng)之比,求其對(duì)于IKONOS衛(wèi)星遙感影像的真實(shí)分辨率的最或然值RES的中誤差MIKONOS。ΜΙΚΟΝΟS=±√n∑1v2n-1(8)vi=√dx2i+dy2idh2i+dv2i-RES(9)遙感影像的均勻度也可以通過(guò)計(jì)算測(cè)定RES的標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)說(shuō)明各像素的離散程度。Μ=√n∑x2-(∑x)2n(n-1)(10)式中:x為RES測(cè)定的樣本值(即xi=SsiSpi=√dx2i+dy2idh2i+dv2i)?n為樣本個(gè)數(shù)。3.5投影變換的校正對(duì)遙感影像的常規(guī)糾正一般分兩大類(lèi):線性糾正和非線性糾正。其目的是配準(zhǔn)遙感影像和實(shí)地間的相對(duì)關(guān)系,即定向和定位。最常用的線性糾正方法有仿射變換和投影變換,仿射變換又有一維和二維之分,它除進(jìn)行位移、旋轉(zhuǎn)操作外還可進(jìn)行縮放運(yùn)算。仿射變換的特點(diǎn)是保持糾正前后的線和面相似,如直線仍是直線、平行線仍平行以及面積之比為常數(shù)。當(dāng)在兩個(gè)垂直分量上使用兩個(gè)不同的縮放系數(shù)A和B時(shí),可稱(chēng)作二維線性糾正(見(jiàn)圖4)。因?yàn)橛?個(gè)未知數(shù),因此至少需要3個(gè)點(diǎn)來(lái)求。R=R0+TSR′(11)式中:R=(XY)?R0=(X0Y0)為位移量矩陣,Τ=(cosα-sinαsinαcosα),為旋轉(zhuǎn)矩陣,S=(A00B),為縮放矩陣。當(dāng)A=B時(shí),即在任何方向都使用一個(gè)縮放系數(shù)時(shí),則稱(chēng)作一維線性糾正,此時(shí)僅有4個(gè)未知數(shù),因此只需要2個(gè)點(diǎn);當(dāng)A=B=1時(shí),不作縮放運(yùn)算。在航空攝影或衛(wèi)星遙感領(lǐng)域,用得較多的是“投影”方式,投影變換的特點(diǎn)是直線經(jīng)投影仍保持直線。投影變換有時(shí)也稱(chēng)“共線方程糾正”(見(jiàn)圖5)。XP=X0+Ax或(XYΖ)=(X0Y0Ζ0)+(a1a2a3b1b2b3c1c2c3)(xyz)(12)式中:XP為地面點(diǎn)P在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);X0為遙感器坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);x為P點(diǎn)在遙感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo);a1=cosφcosκ-sinφsinωsinκa2=-cosφsinκ-sinφsinωcosκa3=-sinφcosωb1=cosωsinκb2=cosωcosκb3=-sinωc1=sinφcosκ-cosφsinωsinκc2=-sinφsinκ-cosφsinωcosκc3=cosφcosωφ、ω、κ為遙感器的姿態(tài)角上式經(jīng)轉(zhuǎn)化可寫(xiě)成共線方程式(式13)投影糾正至少需要4個(gè)已知點(diǎn)以求解像點(diǎn)和物點(diǎn)間的映射關(guān)系。非線性糾正(見(jiàn)圖6)的方法很多,最常用的非線性糾正方法是多項(xiàng)式糾正式(14),當(dāng)僅取一次項(xiàng)時(shí)即為線性糾正式(11)。當(dāng)取二次項(xiàng)時(shí),共有12個(gè)未知數(shù),因此至少需要6個(gè)已知點(diǎn)。表2給出了每種方法必須的已知點(diǎn)數(shù)。(XpYp)=(X0Y0)+((Ζp-Ζ0)a1x+a2y-a3fc1x+c2x-c3f(Ζp-Ζ0)b1x+b2y-b3fc1x+c2x-c3f)(13)(XY)=(x0+a1x+a2y+a3x2+a4xy+a5y2+a6x3?y0+b1x+b2y+b3x2+b4xy+b5y2+b6x3?)(14)本測(cè)試共使用了6種不同的糾正方法(Projective,Helmert,Affine,2ndorder,3rdorder和4thorder),Projective為投影糾正、Helmert為一維線性糾正、Affine和2ndorder,3rdorder和4thorder依次為一階多項(xiàng)式(仿射)糾正、二階多項(xiàng)式糾正、三階多項(xiàng)式糾正和四階多項(xiàng)式糾正。前3種為線性糾正,后3種為非線性糾正。我們對(duì)每一種方法分別用5種不同起算點(diǎn)數(shù)進(jìn)行糾正,對(duì)大量的糾正數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,首先,將糾正后的54點(diǎn)坐標(biāo)與54個(gè)同名點(diǎn)坐標(biāo)求差,再計(jì)算其中誤差和標(biāo)準(zhǔn)差。Μ=±√n∑1v2n-1(15)vi=√(Xi-X′i)2+(Yi-Y′i)2(16)式中M為中誤差,vi為標(biāo)準(zhǔn)差,n為樣本大小。4粗差后重算本次測(cè)試共計(jì)算兩組,第一組n取全部數(shù)據(jù),即54個(gè)數(shù)值,第二組剔除vi≥5.0m的數(shù)據(jù)(認(rèn)為是粗差)后重算。由于整個(gè)計(jì)算產(chǎn)生了數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù),本文略去起算數(shù)據(jù)和所有的中間結(jié)果,僅列出第二組計(jì)算的最終成果。4.1ikolason衛(wèi)星遙感圖像的真實(shí)分辨率的計(jì)算和分析方法見(jiàn)3.3和3.44.1.1反算每東北部名義點(diǎn)的坐標(biāo)反算由54個(gè)檢測(cè)點(diǎn)可組成1431條邊,反算每一對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的間距并求和得:Sp=4071760像素;同樣,反算每一對(duì)同名點(diǎn)的坐標(biāo)反算間距求和得:Ss=4072043m;由此可求得IKONOS衛(wèi)星遙感影像的真實(shí)分辨率:RES=SsSp=40720434071760=1.000069m/像素標(biāo)準(zhǔn)方差見(jiàn)式(10):M=0.049847m中誤差見(jiàn)式(15):MIKONOS=0.0497816m4.1.2衛(wèi)星遙感影像的分辨率計(jì)算影像重心坐標(biāo)得X像素=2858.259259、Y像素=2577.074074;二底圖重心坐標(biāo)得X二底圖=8488.364926、Y二底圖=6651.370259;各解得54個(gè)檢測(cè)點(diǎn)(同名點(diǎn))至重心點(diǎn)的邊長(zhǎng)之和ΣD=110646m和Σd=110673像素。由此可求得IKONOS衛(wèi)星遙感影像的真實(shí)分辨率:RES=∑D∑d=110646110673=0.99975m/像素其中:D/d最大為1.04532m/像素;最小為0.96833m/像素。標(biāo)準(zhǔn)方差見(jiàn)式(10):M=0.00969m中誤差見(jiàn)式(15):MIKONOS=0.00975m兩種方法計(jì)算結(jié)果相差不大,第二種方法所得結(jié)果更精確(證明參見(jiàn)3.3.3)。4.26最佳起算點(diǎn)的確定表3給出了采用6種不同的糾正方法,每種方法又取用了不同起算點(diǎn)數(shù)糾正后的精度統(tǒng)計(jì)表。統(tǒng)計(jì)時(shí)剔除了粗差,標(biāo)準(zhǔn)偏差單位為米。采用Helmert方法時(shí),取點(diǎn)數(shù)