專利名稱：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)明屬于檢驗在記錄載體上標記正確性的方法，特別涉及衛(wèi)星遙感圖像的數(shù)據(jù)識別方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星從幾百公里到上千公里的上空對地面進行觀測，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。對衛(wèi)星遙感圖像進行幾何精糾正使其與基礎地理底圖嚴格配準，保障遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的面積、長度、位置、空間關(guān)系幾何度量的正確性及可靠性，成為遙感應用的基礎。遙感數(shù)據(jù)應用時，一般認為基礎地理底圖是無誤差、無變形的數(shù)據(jù)，利用基礎地理底圖上的河流網(wǎng)、道路網(wǎng)、湖泊等衛(wèi)星圖像上可以識別的明顯地物點來控制糾正衛(wèi)星遙感影像，是一般的糾正方法，但在山地區(qū)域，控制點不足難找、控制點不足影響了衛(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線，即地性線，現(xiàn)有技術(shù)中幾何精糾正控制點文件的采集依賴于肉眼識別與計算機交互操作，多用河流網(wǎng)、道路網(wǎng)、湖泊等特征點線來尋找和采集控制點，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)星遙感圖像控制點難找、控制點不足的技術(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復雜的山地地形遙感圖像與期望的地理位置是否一致，還可用于遙測與定位地面?zhèn)刹鞂ο蟮牡貓D坐標。
本發(fā)明方法按照以下步驟進行1)從儲存媒介中調(diào)入數(shù)字DEM，計算機按地圖坐標系統(tǒng)的坐標管理和顯示該DEM，稱其為數(shù)字陣列A，其特征在于2)比對A的每個點與周邊8個點的海拔高低，按最大落差法，確定該點的地形最大下降方向，全部點比對完成，得到表達地形下降方向的新數(shù)字陣列，將其儲存為數(shù)字陣列B；3)對A的每個點，依據(jù)B確定的方向，搜索所有連續(xù)下降到該點的其它點，累加連續(xù)下降到該點的所有點數(shù)，A的全部點搜索完畢后，得到表達地形連續(xù)累積下降量的新數(shù)字陣列，將其儲存為陣列C；4)人機交互確定一個數(shù)字α，將C的每個點與α進行大小比較，如果大于α，則該點為溝谷所在區(qū)域，記為1，否則為非溝谷，記為Nodata，C的全部點比較完畢后，得到數(shù)字陣列，儲存為D，其中，參數(shù)α的確定的依據(jù)是，利用計算機將D顯示為黑白圖像，并與地形圖進行目視理解與對比，如果D的圖像表達與地形吻合好，則α選取較好，否則需改變α的數(shù)值，再重新試算；5)利用陣列轉(zhuǎn)化為矢量的計算方法，對D進行矢量化，得到表達溝谷的數(shù)字地圖，記錄為E1；6)統(tǒng)計計算A的最高海點，記為Max，將A的每個點調(diào)出做如下計算，用Max減去該點的數(shù)值后再加上2000，得到新陣列F；7)對F重復第1)步到第5)步的處理過程，得到山脊線矢量E2；8)從儲存媒介中調(diào)入衛(wèi)星圖像陣列，計算機按地圖坐標系統(tǒng)將其顯示為假彩色圖像，并將矢量E1與E2與其進行疊加顯示，按同名地物點匹配的原則，人機交互采集同名地物點的對應坐標對(Xi，Yj)與(Ui，Vj)，并將其記錄和儲存為文件G；
9)利用自適應多格網(wǎng)方法，用G的樣本數(shù)據(jù)擬合糾正多項式，并對圖像進行幾何精糾正。
所述的步驟3)中累積下降量可用二插樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄結(jié)果。
所述方法獲得的糾正圖像進一步用網(wǎng)格方法進行統(tǒng)計抽樣，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，通過計算和矢量化，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1個像元，方便了控制點的選取，提高了山地地區(qū)的衛(wèi)星遙感圖像與基礎地理底圖的配準精度。由于該處理是衛(wèi)星遙感圖像應用的必要基礎，本發(fā)明提供的計算機可讀形式的媒體或以此方法開發(fā)的硬件數(shù)字陣列處理裝置，能實現(xiàn)衛(wèi)星圖像幾何精糾正，并能夠廣泛應用于地球資源、軍事、地圖、農(nóng)業(yè)等勘察測繪領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的存貯媒介與計算機界面的裝置方框圖。
圖2是本發(fā)明的程序流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖做進一步說明。
(一)利用本發(fā)明對安寧市區(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Esri公司Arc/Info作為平臺。
1.數(shù)據(jù)準備經(jīng)過系統(tǒng)級糾正的ETM(Enhanced Thematic Mapper)衛(wèi)星遙感圖像，衛(wèi)星軌道號(WRS)129/043，陣列大小6969列×5965行，太陽高度角SUN ELEVATION＝52.4，太陽方位角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DEM進行平滑、去噪聲等處理，去除偽下陷點。
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)向低處運動的水流模擬方法，利用單流向最大坡降法確定每個柵格點的流向，根據(jù)DEM的水流方向計算每個柵格點的累計匯水量，匯水量大于某個閾值的格網(wǎng)點是溝谷線上的點。這個閾值與DEM的比例尺及其柵格點分辨率有關(guān)，取值太大，可能導致表達小地形的地性線的丟失；取值太小，很多低地會形成面狀閉合線，而不是最低點中心線，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步驟(1)應用Arc/Info的流向方向函數(shù)計算DEM上每個柵格點的下降量，得到流向矩陣Mdir。
流向計算模型分別用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個方向，如下表

依據(jù)公式(1)，計算每個柵格點的8流向坡降值，取最大坡降方向為該點的流向。
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)應用Arc/Info的累計流量函數(shù)計算流向矩陣Mdir每個柵格點的累計流量Macc。
(3)應用Arc/Info的條件函數(shù)計算溝谷線，如果Macc＞L，認為該柵格點是溝谷，令Mgorge＝1。
分別應用Arc/Info的Thin()與GridLine()兩個函數(shù)對Mgorge進行細化與矢量化，生成溝谷線Cnet。
2.2.2山脊線的提取計算Mdir的最高海點，記為Max，將DEM進行反運算，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2.2.1的處理，即可得到山脊線。
3.控制點采集與糾正處理3.1控制點采集在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時，選擇衛(wèi)星圖像上可視效果好的地性線的交叉點、拐點為控制點，并保證任何小的局部區(qū)域都有控制點分布。將全部數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)180°后，采集山脊控制點，所有控制點構(gòu)成控制點文件G。在安寧1000多平方公里的區(qū)域，G文件中的控制點達到1175個。
3.2糾正處理用Arc/Info的Adjust()函數(shù)處理控制點G文件的樣本點集，采用多元回歸方法，建立衛(wèi)星圖像平面到控制點平面的變換多項式，實現(xiàn)糾正。該方法是一種自適應的優(yōu)化計算方法，方法依據(jù)樣本點對構(gòu)成的矢量方向量將變形方向一致的連續(xù)區(qū)域看作一個片區(qū)，全部區(qū)域被分成m個片區(qū)，分別在每個片區(qū)建立5個多項式進行該區(qū)域的糾正。
4.基于地性線的精糾正與誤差估計衛(wèi)星圖像幾何糾正存在的誤差是隨機變量，依據(jù)誤差理論，其服從正態(tài)分布。建立隨機起點的公理格網(wǎng)地圖層，以格網(wǎng)點為單元進行隨機抽樣。對于抽中的格網(wǎng)點，尋找離該格點最近的點交互測量幾何誤差，各個格點上的誤差集合X1，X2，...，Xn構(gòu)成了誤差估計的獨立同分布隨機樣本。用樣本的均值ΔX估計總體誤差。ΔX的估計式為ΔX＝(X1+X2，...，+Xn)/n......(1)這里，N為樣本點數(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()進行糾正處理，得到了配準效果同一的圖象，衛(wèi)星圖象所表達的可視地形特征與絕大多數(shù)溝谷線實現(xiàn)了準確配準。
在該圖像上建立度量間隔為0.02度的經(jīng)緯網(wǎng)，對格網(wǎng)進行編碼，采區(qū)隨機抽樣后得到20個點的小樣本。對經(jīng)緯網(wǎng)地圖進行投影，以溝谷線作為真值，使用交互式方法測量選中為樣本點的網(wǎng)格頂點上的誤差，得到樣本數(shù)據(jù)，如下表



上表用于誤差估計的樣本點應用公式(1)求得總體的估計誤差為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)級糾正誤差的效果對比經(jīng)過系統(tǒng)級糾正的衛(wèi)星圖像往往存在多個像點的幾何誤差，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，通過手工目視測量，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)過精糾正后，可以明顯看到，水系線與溝谷線不是一個數(shù)量級別的矢量數(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，目視測量誤差，都不超過1個像元，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)從儲存媒介中調(diào)入數(shù)字DEM，計算機按地圖坐標系統(tǒng)的坐標管理和顯示該DEM，稱其為數(shù)字陣列A，其特征在于2)比對A的每個點與周邊8個點的海拔高低，按最大落差法，確定該點的地形最大下降方向，全部點比對完成，得到表達地形下降方向的新數(shù)字陣列，將其儲存為數(shù)字陣列B；3)對A的每個點，依據(jù)B確定的方向，搜索所有連續(xù)下降到該點的其它點，累加連續(xù)下降到該點的所有點數(shù)，A的全部點搜索完畢后，得到表達地形連續(xù)累積下降量的新數(shù)字陣列，將其儲存為陣列C；4)人機交互確定一個數(shù)字α，將C的每個點與α進行大小比較，如果大于α，則該點為溝谷所在區(qū)域，記為1，否則為非溝谷，記為Nodata，C的全部點比較完畢后，得到數(shù)字陣列，儲存為D，其中，參數(shù)α的確定的依據(jù)是，利用計算機將D顯示為黑白圖像，并與地形圖進行目視理解與對比，如果D的圖像表達與地形吻合好，則α選取較好，否則需改變α的數(shù)值，再重新試算；5)利用陣列轉(zhuǎn)化為矢量的計算方法，對D進行矢量化，得到表達溝谷的數(shù)字地圖，記錄為E1；6)統(tǒng)計計算A的最高海點，記為Max，將A的每個點調(diào)出做如下計算，用Max減去該點的數(shù)值后再加上2000，得到新陣列F；7)對F重復第1)步到第5)步的處理過程，得到山脊線矢量E2；8)從儲存媒介中調(diào)入衛(wèi)星圖像陣列，計算機按地圖坐標系統(tǒng)將其顯示為假彩色圖像，并將矢量E1與E2與其進行疊加顯示，按同名地物點匹配的原則，人機交互采集同名地物點的對應坐標對(Xi，Yj)與(Ui，Vj)，并將其記錄儲存為文件G；9)利用自適應多格網(wǎng)方法，用G的樣本數(shù)據(jù)擬合糾正多項式對圖像進行幾何精糾正。
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)格方法進行統(tǒng)計抽樣，以計算糾正的質(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)的識別方法。本發(fā)明步驟是調(diào)入數(shù)字DEM，每個點與周邊8個點比較確定最大下降方向；累加下降到該點的下降量，儲存為C；人機交互確定閾值α，C與α進行大小比較，大于α為溝谷記為1，否則記為Nodata，儲存為D，對D矢量化得到溝谷線文件E
文檔編號G06T5/00GK101050961SQ20071006585
公開日2007年10月10日 申請日期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 申請人:西南林學院