專利名稱：一種利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法，屬于信息處理 技術領域。
背景技術：
遙感影像都存在幾何變形，其來源主要包括衛(wèi)星平臺、傳感器、地球形狀，大氣層 和地圖投影性質等。當前多源遙感數(shù)據(jù)融合、集成、管理和分析技術的發(fā)展，使得對衛(wèi) 星遙感影像的幾何校正變得更加重要。
衛(wèi)星遙感影像的幾何校正模型主要可分為物理模型和經驗模型。用物理模型對衛(wèi)星 影像進行幾何校正需要知道衛(wèi)星軌道、姿態(tài)等衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和傳感器校準參數(shù)等信息。 對于我國政府資助的航天器，可以通過授權獲取這些校準參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)，但對于新的 大量的商用航天器和外國政府資助的一些航天器，這些校準參數(shù)和衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)是禁止 用戶使用的；同時，物理模型復雜度高，且不同傳感器需要變換不同的實時數(shù)學模型。 這些都使得幾何校正物理模型的應用受到較大限制。
由于上述物理模型的不足，近年來本領域己開始大規(guī)模研究如何應用通用的經驗模 型進行高分辨率遙感影像幾何校正。各種經驗數(shù)學模型，如多項式變換、仿射變換、直 接線性變換、有理函數(shù)變換等，均被嘗試用來表達影像空間點與對應地物空間點之間的 關系。這些經驗模型的使用示例與精度水平可以在以下文獻中查到[l]Fraser, C. S., and Hanley， H. B. 2005. Bias-compensated RPCs for sensor orientation of high-resolution satellite imagery. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 71 (8): 909-915;[2] Fraser， C. S. , Baltsavias, E. , and Gr,, A. 2002. Processing of Ikonos imagery for submetre 3D positioning and building extraction. Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 56(3): 177-194; [3] Grodecki， J"., and Dial, G. 2003. Block adjustment of high-resolution satellite images described by rational polynomials. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 69(1): 59—68;[4] Shi, W. Z. ， and Shaker, A. 2003. Analysis of terrain elevation effects on Ikonos imagery rectification accuracy by using non-rigorous models. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 69(12): 1359-1366。上述用經驗模型對衛(wèi)星遙感影像做幾何校正時，都是以地面控制點(Groun.d Control Point, GCP)為基礎的?？刂泣c主要記錄了同一地物在影像空間與地物空間中的坐標， 經驗模型主要利用控制點的信息，計算出對應的校正模型參數(shù)，然后利用得到的模型參 數(shù)，再對遙感影像進行幾何校正。
但當前應用的幾何校正經驗模型(如多項式函數(shù)模型)，其蘊含的基本假設是所有 的控制點精度等級相同。然而在實際應用過程中，控制點精度很可能存在差異首先， 控制點來源不同產生精度差異，如GPS采集的控制點和地形圖上采集的控制點精度不同； 第二，不同系統(tǒng)采集的控制點有精度差異，如差分GPS和非差分GPS;第三，控制點選 取是人工干預過程，控制點的影像匹配難度不同也會造成控制點的幾何精度不同，如易 于識別的交叉控制點一般精度較高。有經驗的控制點選取專家往往能夠根據(jù)控制點匹配 難度差異確定控制點幾何精度的相對大小。
現(xiàn)有的幾何校正經驗模型(如多項式函數(shù)模型)主要缺點有(1)當控制點精度 具有較大差異時(例如用GPS采集的控制點與從地形圖上采集的控制點)，現(xiàn)有經驗模 型無法區(qū)分不同精度控制點，只以同精度等級來進行幾何校正；(2)在對遙感影像應 用現(xiàn)有經驗模型進行幾何校正時，利用具有精度差異的控制點，極端情況下可能使得高 精度的控制點處殘差較大，精度高的控制點可能被當成粗差過大而剔除；(3)當同時 具有不同精度控制點時，如果強制使用現(xiàn)有多項式函數(shù)模型進行校正，校正結果幾何精 度較差，且結果精度穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題針對現(xiàn)有的遙感影像幾何校正模型沒有考慮控制點精度差 異的缺點，本發(fā)明提供一種利用不同精度控制點以加權多項式模型對衛(wèi)星遙感影像進行 幾何校正的方法，當己知控制點誤差時，本發(fā)明的方法能夠有效利用控制點誤差信息， 提高幾何校正結果精度。
本發(fā)明提出的基于加權多項式模型的衛(wèi)星遙感影像幾何校正方法，包括以下實施步
驟-
步驟l:輸入待校正的遙感影像；
步驟2:在待校正的遙感影像數(shù)據(jù)中采集控制點數(shù)據(jù)，所述的控制點數(shù)據(jù)必須包括 控制點影像坐標x。， y。；控制點地面坐標x,， y,和控制點誤差。" 步驟3:利用控制點數(shù)據(jù)計算生成權矩陣P和系數(shù)矩陣A
步驟4:利用步驟3得到的權矩陣。和系數(shù)矩陣A采用加權多項式模型，計算校正 模型參數(shù)向量"；步驟5:利思歩驟4所得校正模型參數(shù)向量》"對步驟4中的待校正遙感影像進行 坐標變換；
步驟6:通過圖像重采樣，取得坐標變換后遙感影像各像元的灰度值，得到校正后
的結果遙感影像。
所述步驟3中利用控制點數(shù)據(jù)生成權矩陣P的方法包括如下步驟 (l)以控制點最小誤差值為參考誤差。。，計算其他控制點誤差值",與。。的比值，
記為誤差因子A;
(2) 根據(jù)誤差因子A計算權重因子& ，取權重因子為誤差因子平方的倒數(shù)；
(3) 權矩陣計算控制點相互獨立，權矩陣為對角陣，對角線上元素的值為 具體表達形式為-
一 1
《 o ... (T
2 =
o《2… o
00 …《
0 … 0
1
0 — ... 0
0 o …4
其中i-l…n為控制點個數(shù)，"為第n個控制點的誤差因子，qn為第n個控制點的權 重因子。
所述步驟3中利用控制點數(shù)據(jù)生成系數(shù)矩陣力計算方法為-
爿=
1 x10 .. 少10
1 ■ 少20
—I .. 少"0
其中x,。為第/個控制點的影像X方向坐標，"。為第i個控制點的影像Y方向坐標，i為 自然數(shù)，t是所采用的多項式函數(shù)的最高次數(shù)， 一般不高于三次。
所述步驟4中計算校正模型參數(shù)向量"的方法為
其中A為步驟3所得系數(shù)矩陣，/表示系數(shù)矩陣力的轉置矩陣，A'表示系數(shù)矩陣A 的逆矩陣，。為步驟3所得權矩陣，/為控制點地面坐標向量。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于 (1)本發(fā)明所提出的用加權多項式模型對衛(wèi)星遙感影像進行幾何校正的方法突破了傳統(tǒng)幾何校正經驗模型方法無法利用控制點的精度差異信息的缺點，當己紐控制點誤 差時，能夠有效利用控制點誤差信息，提高幾何校正結果精度。
(2)本發(fā)明能夠在幾何校正中同時使用不同精度的控制點，在高精度控制點相對較 少的時候，本發(fā)明比傳統(tǒng)的經驗模型方法能夠有較大的精度改進，能夠同時兼容傳統(tǒng)的 經驗模型方法。


圖l是本發(fā)明方法的流程框圖2是本發(fā)明方法中由控制點誤差計算生成權矩陣的流程框圖。 具體的實施方式
本發(fā)明提出的利用不同精度控制點以加權多項式模型對遙感影像進行幾何校正的方 法，其實現(xiàn)流程如圖l所示，首先輸入待校正遙感影像；然后采集控制點信息，包括控 制點影像坐標、控制點地面坐標、控制點誤差估計值。；根據(jù)各控制點的誤差估計值 計算生成權矩陣ft利用控制點數(shù)據(jù)計算生成系數(shù)矩陣A然后計算加權幾何校正模型 的參數(shù)向量估計值》；再對待校正影像進行坐標變換，并通過圖像重采樣得到校正后的 遙感影像結果。
上述方法中的由控制點誤差估值計算生成權矩陣的方法，其實現(xiàn)流程如圖2所示。 首先是根據(jù)各控制點誤差估計值。，確定誤差因子A，設控制點最小誤差值為參考誤差 J。，誤差因子A.取控制點誤差值 與。。的比值；根據(jù)誤差因子A計算權重因子&， 一般取權重因子為誤差因子平方的倒數(shù)，實驗證明這種定權方式精度最高；權矩陣確定， 由于控制點相互獨立，權矩陣為對角陣，對角線上元素的值為ft,. -以下為本發(fā)明具體實施方式
的一個實例
現(xiàn)有一待校正遙感影像和已選取的/7個控制點，"為自然數(shù)，以x,i表示第/個控制 點的地面/坐標，凡，表示第i個控制點的地面y坐標，x,。表示第i個控制點的影像/ 坐標，乂。表示第i個控制點的影像y坐標(i = l,…，n) ， s,表示多項式模型未知系數(shù) (如下式j-0， 1，…5) ， A,表示第i個控制點J方向上的誤差，以二維二次多項式模 型為例，J方向方程組表達式如下
x =fl0 +^;^0 +"2_y10 +"3義|02 +fl4x10_y10 +"5_y102 +A,
乂21 = "0 + "1X20 + "2^20 + "3乂20 + "4義20少20 + "5^20 + A2 廣、若令
_1X10.力o2a0《
義=1叉20.ho2,々= 6,1",「=
……w，l…
1a5
則方程組寫成矩陣形式為
現(xiàn)有各控制點誤差估計值O
= i / a 。 權重因子的A值為 1
A = ■
誤差因子的A值為:
權矩陣Q的值為:
2=
A 0 … 0 0 《2… 0
0 0
《"
10
A2
01
00
0 0
工 p〗
系數(shù)矩陣A的形式由公式(2)確定，形式為: 1 ;.' 乂o2
1 X.
20
乂
20
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
—1 、。 凡。
加權幾何校正模型的參數(shù)向量估計值P的計算公式為.-
由此可計算出多項式模型未知系數(shù)a。，， a5。 對待校正影像進行坐標轉換，計算X方向校正后坐標的公式為-
;C"。 + aX。 + "2乂 + "3X。2 + "4X。X + a5乂 (9) 其中為x。， y。為影像坐標，^為轉換后的地面空間X坐標。
對于Y方向坐標的計算，其基本計算流程與方法同X方向坐標計算流程與方法相同:公式(1)至(9)的使用只需要將X坐標向量變?yōu)閅坐標向量，，計算可得原始影像轉換后地 面空間Y坐標。
對遙感影像幾何校正的最后一個步驟是重采樣，重采樣的結果即為校正后的結果遙
感影像。當前對影像重采樣的主要方法有三種，即最近鄰方法、雙線性內插方法，立 方巻積方法。在使用本發(fā)明的方法時，可以根據(jù)需要選取合適的重采樣方法。
本發(fā)明中的坐標轉換與重采樣過程與現(xiàn)有用一般多項式模型進行幾何校正的方法 相同，為本領域技術人員公知常識。
總之，與現(xiàn)有的基于經驗模型的幾何校正方法相比，本發(fā)明的方法能夠在幾何校正 中同時使用不同精度的控制點；并且在利用不同精度控制點對遙感影像進行幾何校正 時，本發(fā)明方法比傳統(tǒng)的一般多項式模型幾何校正方法能有明顯的精度改進。
權利要求
1、一種利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法，其特征在于步驟如下步驟1輸入待校正的遙感影像；步驟2在待校正的遙感影像數(shù)據(jù)中采集控制點數(shù)據(jù)，所述的控制點數(shù)據(jù)必須包括控制點影像坐標x0，y0；控制點地面坐標x1，y1和控制點誤差σi；步驟3利用控制點數(shù)據(jù)計算生成權矩陣Q和系數(shù)矩陣A；步驟4利用步驟3得到的權矩陣Q和系數(shù)矩陣A，采用加權多項式模型，計算校正模型參數(shù)向量β；步驟5利用步驟4所得校正模型參數(shù)向量β，對步驟1中的待校正遙感影像進行坐標變換；步驟6通過圖像重采樣，取得坐標變換后的遙感影像各像元的灰度值，得到校正后的結果遙感影像。
2、根據(jù)權利要求1所述的利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法，其 特征在于所述步驟3中利用控制點數(shù)據(jù)生成權矩陣P的方法包括如下步驟(l)以控制點最小誤差值為參考誤差c。，計算其他控制點誤差值 與 的比值， 記為誤差因子A;(2) 根據(jù)誤差因子p,計算權重因子( i,取權重因子為誤差因子平方的倒數(shù)；(3) 權矩陣計算控制點相互獨立，權矩陣為對角陣，對角線上元素的值為 具體表達形式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中i-l…n為控制點個數(shù)，Pn為第n個控制點的誤差因子，q。為第n個控制點的 權重因子。
3、根據(jù)權利要求i所述的利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法，其 特征在于所述步驟3中利用控制點數(shù)據(jù)生成系數(shù)矩陣力計算方法為-<formula>formula see original document page 3</formula>其中x,。為第i個控制點的影像X方向坐標，"。為第y個控制點的影像Y方向坐標，/為自然數(shù)，t是所采用的多項式函數(shù)的最高次數(shù)，不高于三次。
4、根據(jù)權利要求1所述的利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法，其 特征在于所述步驟4中計算校正模型參數(shù)向量3的方法為其中A為步驟3所得系數(shù)矩陣，^表示系數(shù)矩陣力的轉置矩陣，/T表示系數(shù)矩陣A 的逆矩陣，C為步驟3所得權矩陣，/為控制點地面坐標向量。
全文摘要
一種利用加權多項式模型實現(xiàn)遙感影像幾何校正的方法，屬于信息處理技術領域，利用本發(fā)明方法對遙感影像進行幾何校正，首先需要采集控制點的誤差信息，計算各控制點的權重因子，再生成權矩陣，然后計算加權幾何校正模型的參數(shù)向量，最后用加權多項式模型進行坐標計算，并對原始影像重采樣得到校正后結果影像。與現(xiàn)有的基于經驗模型的幾何校正方法相比，本發(fā)明能夠在幾何校正中同時使用不同精度的控制點；并且在利用不同精度控制點對遙感影像進行幾何校正時，本發(fā)明比傳統(tǒng)的一般多項式模型幾何校正方法能有明顯的精度改進。
文檔編號G06T5/00GK101477682SQ200910077439
公開日2009年7月8日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權日2009年2月11日
發(fā)明者周成虎, 濤 張, 楊曉梅 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所