（森林经理学专业论文）quickbird卫星影像几何校正研究.pdf

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何畸变的影响，对d e m 在q u i c k b i r d 影像的几何精校正作用进行了研究。 1 、出于商业保密的需要，d i g i t a lg l o b e 公司不向用户提供q u i e k b i r d 卫星的传感 参数，通过非物理模型对q u i c k b i r d 影像进行几何精校正成为必然选择。在众多非物 理校j 下模型中，以一般多项式模型使用最为广泛；r p c 模型不需要知道传感器的参 数，其系数包含了各种因素的影响，也逐渐成为倍受关注的焦点。实验表明，在 q u i c k b i r d 影像的几何精校正处理中，起伏强烈的地区r p c 模型的最佳校正精度为 9 5 3 个像元，小范围的平坦地区r p c 模型的最佳校正精度达到7 0 3 个像元，精度高 于直接线性模型和一般多项式模型的校正精度，是最适用于对q u i c k b i r d 影像进行几 何精校萨的非线性模型。 2 、地形起伏变化强烈地区的q u i c k b i r d 影像变形是其几何精校正的难点，d e m 的使用是应对这一问题的重要手段。实验证明，没有d e m 的r p c 模型最佳校正精度 为1 0 2 2 像元，当加入1 ：5 0 0 0 0d e m 进行几何精校正后精度提高到7 3 8 像元，加入 l ：1 0 0 0 0d e m 时精度为7 2 0 像元。d e m 的r p c 模型能明显提高q u i c k b i r d 影像几何 精校正的准确性。l ：5 0 0 0 0d e m 与1 ：1 0 0 0 0d e m 的几何校正精度仅相差o 1 8 个像元， 然而市面上1 ：5 力与1 ：1 万的d e m 的售价差别却很大，因此使用1 ：5 ) j - d e m 辅助 几何校正从而大大节省成本。 3 、影响q u i c k b i r d 影像几何精校正精度的主要因素有：几何校正模型、地面控制 点数目、地面控制点的分布、地形起伏等。其中任何一个因素都能明显地影响最终的 几何精校正精度。 实验显示，在g c p 分布均匀的情况下，多种几何校正模型的总体趋势是校j 下 精度随控制点数目的增多而提高，当g c p 数目增加到一定程度后，精度提高的速度 放缓。 经研究分析，图像坐标的位移与高程差成正比关系，所以对于起伏大的地区( 如 云南山区) 的影像使用d e m 辅助几何精校j 下显得尤为重要。 控制点分布状态良好，则校正结果精确。控制点分布不均，集中在影像某一局 部地区，校正精度则降低。 4 、西南林学院参与的宜良县林改宗地勘测，以l ：l 万地形图为标准校正空间，采 用d e m 辅助的3 次r p c 模型对该地的q u i c k b i r d 卫星影像进行几何精校正，获得了 较高精度，符合林改要求。最终这一方法校正的q u i c k b i r d 影像全部投入到整个宜良 县集体林权制度改革的宗地勘测工作中使用，取得了很好的效果。 几何精校正是遥感卫星影像预处理的重要组成部分，本研究在高分辨率 q u i c k b i r d 卫星影像的几何精校正在理论和实践上取得了一定成果，为进一步的 q u i c k b i r d 影像应用和数字图像处理做好了准备。 关键词：q u i c k b i r d ：遥感影像；高分辨率；数字高程模型( d e m ) ；几何精校正；精 度 i i g e o l o c a t i o n a la n da c c u r a t e l y t h eq u i c k b i r ds a t e l l i t ep r o v i d e st h el a r g e s ts w a t hw i d t h ， l a r g e s to n - b o a r ds t o r a g e ，a n dh i g h e s tr e s o l u t i o no fa n yc u r r e n t l ya v a i l a b l eo rp l a n n e d c o m m e r c i a ls a t e l l i t e h o w e v e r , t h er e m o t es e n s i n gi m a g e sa r ea f f e c t e db yd i f f e r e n te r r o r sa n db r i n gt h e g e o m e t r i cd i s t o r t i o n s ot h eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o nm u s tb eu s e di no r d e rt oa t t a i np r e c i s e g e o c o d i n ga n dp r o v i d et h es u p p o r tf o rg e o m e t r i c a lm e a s u r i n g ，r e c i p r o c a lc o m p a r i s o n ， i m a g ec o m p o u n da n de t c i ti sv e r yi m p o r t a n tt op r a c t i c a lw o r ka n do u re r aw h e np e o p l e r e q u i r ei n c r e a s i n gp r o d u c t s e x t r af u n c t i o nv e r ym u c h a l la b o v em a k et h eq u i c k b i r dh i 曲 r e s o l u t i o ni m a g eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o nb e c o m ead i f f i c u l tp r o b l e m i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m ，t h i sp a p e rh a v em a d ea ni n t e n s i v es t u d yo fg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o no fq u i c k b i r d i m a g e t h em a i n l yr e s e a r c h e sa n dp r o g r e s si sa st h ef o l l o w i n g ： t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h eq u i c k b i r di m a g e s p r o d u c tc h a r a c t e r sa n dg e o m e t r i c c h a r a c t e r s ，p r e p a r i n gf o rt h eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o ns t u d y t h em a t h e m a t i c a lm o d e li st h e b a s i so fg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n , w h i c hd e f i n e st h ei m a g i n gr e l a t i o n s h i po fi m a g e r y s ot h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r et h ee m p h a s i so ft h i sp a p e r c o m p a r i n gt h e s em o d e l sf r o mt h e a c c u r a c ya n dp e r f o r m a n c ec o m p r e h e n s i v e l ya n ds t u d y i n gt h ea p p l i c a t i o no fs o m em o d e l s f o rq u i c k b i r di m a g e r yw i l lb e n e f i tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n i na d d i t i o n , w er e a l i z e dt h a t t h eh y p s o g r a p h yc a u s e st h eg e o m e t r i cd i s t o r t i o no ft h ei m a g e s ，s ow em a k ea n ye f f o r t so n t h er e s e a r c ho ft h ee f f e c to fd e mo nt h eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n 1 b e c a u s eo fc o m m e r c i a ls e c r e t ，t h ec o m p a n yd i g i t a lg l o b ed o e s n tp r o v i d et h e s e n s o rp a r a m e t e r s ，t h eg e n e r a l i z e dg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o nm o d e lb e c o m e n e c e s s a r y o nt h e o n es i d e ，p o l y n o m i a lm o d e li so n eo ft h eu s u a lg e n e r a l i z e dg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o nm o d e l s ， i i i 3 m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a m o u n to fg c p , d i s t r i b u t i n go fg c pa n dh y p s o g r a p h yi m p a c t t h eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o na c c u r a c yt o g e t h e r a n yo n eo ft h ea b o v ef a c t o r sw o u l da f f e c tt h e r e s u l te v i d e n t l y ( ) e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tw h i l et h eg c pi sw e l l p r o p o r t i o n e d ，t h ea c c u r a c yo ft h e g e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o nm o d e l sw i l lp r o v e dw i t ht h ei n c r e a s i n ga m o u n to fg c p s b u tt h e r a p i d i t yw i l ls l o wd o w n w h e nt h eg c pa m o u n tr e a c hac e r t a i nr a n g e i ti sa n a l y z e dt h a tt h ed i s p l a c e m e n to ft h ei m a g ec o o r d i n a t e si sp o s i t i v ep r o p o r t i o n a l t ot h ee l e v a t i o n ，s oi t ss i g n i f i c a n tt ou s i n gt h ed e mi nt h eg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n g o o dd i s t r i b u t i o nc a u s e sag o o da c c u r a c y , w h i l eb a do n e sw h i c hm u s t e ro n ac e r t a i n a r e ac a u s e sal o w e ra c c u r a c y 4 s o u t h w e s tf o r e s t r yc o l l e g ep a r t i c i p a t e di nt h er e f o r mo fc o l l e c t i v ef o r e s tp r o p e r t yr i g h t u s i n gq u i c k b i r di m a g e i san e wa t t e m p ti n o p e r a t i o n t h eg e o m e t r i c r e c t i f i c a t i o n r e f e r e n c i n g1 ：10 0 0 0m a pm e t h o do f3 r dr p cm o d e l 晰t l ld e m ，o b t a i nar e s u l tw h i c h a n s w e rf o rt h eo f f i c i a lr e q u e s to ft h er e f o r m f i n a l l y , q u i c k b i r di m a g e sr e c t i f i e dt h r o u g h t h i sw a ya r eg e n e r a l i z e dt oa l lt h ec o u n t yr e c o n n a i s s a n c e g e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o ni sap a r to ft h er e m o t es e n s i n gi m a g e r yp r e t r e a t m e n t t h i s s t u a ya c q u i r e ss o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lp r o g e n y , w h i c hp r e p a r e s f o rf u r t h e r a p p l i c a t i o no f t h eq u i c k b i r dd i g i t a li m a g e r y k e y w o r d s ：q u i c k b i r d ；r e m o t es e n s i n g ；h i g hr e s o l u t i o n ；d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e m ) ； g e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o n ；a c c u r a c y i v 1 l ：! 3 4 性4 ! ； 5 2q u i c k b i r d 卫星影像的几何特性及几何校j 下原理。7 2 1q u i c k b i r d 卫星影像的成像7 2 2q u i c k b i r d 卫星影像的空间坐标系定义7 2 2 1 扫描坐标系7 2 2 2 像平面坐标系8 2 2 3 像空问坐标系8 2 2 4 像空间辅助坐标系8 2 2 5 地面坐标系9 2 3 数字高程模型( d e m ) 在q u i c k b i r d 卫星影像几何精校正中的作用1o 2 3 1d e m 简介1 0 2 3 2d e m 的表示法1 1 2 3 3d e m 的采集。1 3 2 3 4d e m 在q u i c k b i r d 影像几何精校正中的应用1 3 2 4 几何精校j 下的一般原理1 4 2 4 1 几何校正的一般原理1 4 2 4 2 几何精校正的步骤1 4 2 5 几何精校正模型l8 2 5 1 共线方程模型l8 2 5 2 严格物理模型1 9 2 5 3 一般多项式模型1 9 v 3 4 4 2d e m 在q u i c k b i r d 影像几何精校正中对校f 精度的作用3 5 4 3 整乡校f 与分村校f 对比实验3 8 4 4 影响q u i c k b i r d 影像几何校正精度的因素4 2 5q u i c k b i r d 影像在宜良县集体林权制度改革中的应用4 4 5 1 资料收集4 4 5 2 基础地理数据准备与处理4 4 5 3q u i c k b i r d 影像数据处理4 5 5 4 利用q u i c k b i r d 影像进行宗地勘测4 6 6 结论与讨论4 7 参考文献5 0 攻读硕士研究生期间发表的论文情况5 3 攻读硕士研究生期问课题情况5 3 致谢5 4 v i 1 绪论 l 绪论 1 1 高分辨率遥感影像的发展 1 9 5 7 年原苏联将全球首颗人造地球卫星成功送入预定轨道，开创了空问科学研究 和技术应用的新局面。虽然人造地球卫星上天迄今只有五十余年的时间，但它已经在 空间探测、资源调查、通讯、导航、气象、测绘和军事侦察等领域获得了广泛的应用。 航天摄影测最传感器也从静态型到动态型，从回收型到传输型，从摄影* j l 至u 光学扫描 仪，性能同益优良，用途越来越广。鉴于卫星遥感获取资料迅速，成本相对较低，并 且不受区域限制，可以自由获取境外军事目标信息，因此从发射之r 起，人们就意识 到卫星遥感的重要性，丌始了对航天遥感应用技术的研究工作。2 0 世纪9 0 年代后期， s p o t 、i k n o s 、q u i c k b i r d 高分辨率光学影像的出现，极大地促进了遥感影像的基础 理论和应用技术的研究。 高分辨率遥感影像，是指分辨率相对较高的遥感图像f i ，2 】。不同时期其标准也不同。 上世纪8 0 9 0 年代，地面分辨率为l o 一3 0 m 的美国l a n d s a t 卫星数据和法国的 s p o t 卫星数据被称为高分辨率卫星影像。随着i k o n o s 、q u i c k b i r d 等米级分辨率 遥感卫星的成功发射使用，现在提到的高分辨率遥感影像通常指米级分辨率的遥感卫 星数据p j 。 以q u i c k b i r d ( 0 6 m ) ，i k o n o s ( 1 m ) ，s p o t 5 ( 2 5 m ) 为代表的高分辨影像主要特 点是：地物的几何结构和纹理信息更加明显，地物景观被详细地展现，如细小的道路 和河流，公路上奔跑的汽车等等；成像光谱波段变窄，单色波段的光谱分辨率增加， 这使得利用光谱空间特征来区分和判定地物类别的精度大大提高；而单幅影像的数据 量也显著增加，高空间分辨率数据量是相同面积中低分辨率数据的1 0 0 倍以上。另 外其时间分辨率也大大提高，从以前半个月左右缩短到几天。由于在米级分辨率的卫 星影像上，城市地表景观清晰可见，所以在城市监测、规划、管理等方面，高分辨率 遥感影像应用范围越来越广。 高分辨率遥感卫星影像具有广阔的应用前景，而其多样性和复杂性使得传统的处 理技术不再完全适用，因此开展高分辨率卫星遥感影像的基础理论和应用技术研究是 十分必要的。 高分辨率“快i 弓”( q u i c kb i r d ) 卫展遥感图像的) l f i 校l e 研究 1 2q u i c k b i r d 卫星影像介绍 美国数字全球公司( d i g i t a lg l o b e ) 于2 0 0 1 年1 0 月1 8 日在加利福尼亚范登 堡空军基地发射成功，是目前世界上空间分辨率最高的商用卫星。q u i c k b i r d 卫星传 感器与现有市面上其他高分辨率商用卫星i k o n o s 的lm 分辨率及e r o s 的1 8 m 分辨率相比，q u i c k b i r d 卫星图像的清晰度及图像质量都有明显优势1 4 j ：图像图 更直观、生动，即使不具备地图常识的人也能看懂；图像图所记录的信息量丰富， 细= 常表达清楚；具有快速更新特点，利用航空航天传感器是当f i i 地理信息最重要的 快速更新手段。 q u i c k b i r d 卫星图像突出特点是，全色分辨率为o 6 1m ，多光谱分辨率为2 4 4m ， 多光谱有红、绿、蓝、近红外四个波段，图像幅宽1 6 5k m 。在没有地面控制点的情 况下，地面定位圆误差精度可达2 3m 。q u i c k b i r d 在空间分辨率、多光谱成像( 1 个全色波段、4 个多光谱波段) 、成像宽幅、成像摆角等方面具有显著的优势( 表1 1 ) ， 能够满足更专业、更广泛应用领域的遥感信息源服务1 5 1 。 表1 1q u i c k b i r d 卫星影像参数 t a b 1 1t h e p a r a m e t e r so f q u i c k b i r di m a g e 星下点成像( 立体)沿轨横轨迹方向( 4 - 2 5 。) 辐照宽度以星下点轨迹为中心，左右各2 7 2k m 成像幅宽1 6 5k m x l 6 5k m 目前q u i c k b i r d 可提供三种级别的图像产品：基础产品( 1 b ) 、标准产品( 2 a ) 、 2 1 绪论 正射产品。基础产品是q u i c k b i r d 产品系列中处理最少的一种，是为具备较高的影像 处理能力的用户设计的。基础产品连同辅助的姿态、星历、相机模型信息一起提供， 适于高级测量处理。标准产品适用于要求适中的绝对定位精度以及大面积覆盖的用 户。标准影像产品用户一般都拥有处理工具和知识来对影像进行全面应用。标准影像 产品经过了辐射校正、传感器校j 下和几何校j 下，投影到一定的地图投影平面。2 0 0 3 年以来，d i g i t a lg l o b e 公司提供新的产品预备正射标准影像产品，除了没有经过 地形校正外，与标准影像产品类似。预备正射标准影像产品是为用户用自己的d e m 和r p c 参数校正影像设计的。j 下射影像产品是g i s 可以直接应用的产品，可以作为 多种应用的底图。正射影像产品是生产和更新地理信息系统数据库和地图或配准已有 数据层的理想产品。 q u i c k b i r d 卫星影像以其高时间和空间分辨率在生产实践中有着巨大的作用和发 展潜力。对于林业而言，其影像可清晰区分单个树冠，当林火、洪涝灾害发生时， q u i c k b i r d 卫星影像在灾前预测、灾中监测和灾后损失评价都能发挥功用；另外， q u i c k b i r d 卫星影像的多光谱影像可以用来评估幸存树的健康状况。 非法采伐森林是世界各地面临的一个非常严重的问题，特别是濒危热带雨林地 区。森林消失后，单棵树的价值增加。通过地面常规手段管理森林合法和非法采伐是 一件困难又费钱的事情，通过q u i c k b i r d 卫星影像对于常规管理和执法是非常重要的 工具，其丰富的纹理信息足以区分单棵的树和道路。 q u i c k b i r d 卫星影像还可以识别树木类型、生物量、生长条件和树龄，将它应用 于森林立地清查，评估造林进展，环境影响可以大大节省了人力物力和财力。 1 3 几何校正研究的必要性 s p o t 、i k n o s 、q u i c k b i r d 高分辨率卫星影像的出现，极大地促进了遥感影像的 基础理论和应用技术的研究，其中“定性和“定位 始终是该研究领域的两大热点 6 1 。卫星遥感影像不仅仅用来判断“是什么 ，同时也应该回答“在哪里 【刀。 尤其是q u i c k b i r d 卫星影像的出现，图像承载了更为大量丰富的信息，仅仅将其 用作识别定性，不能做到精确定位，可说是对资源的浪费。卫星遥感影像几何精校正 的处理，是实现遥感影像应用的前提，产品增值需求f i = e 盛的今天，卫星影像几何精校 正方法进行研究，具有重要的现实意义。 高分辨率“快l 马”( q u i c kb i r d ) j i j 址遥感图像的儿何校j l ：研究 1 3 1q u i c k b i r d 卫星影像的误差来源 影像误差来源有两方面( 见表1 2 ) ：观测体( 卫星平台和传感器) 和被观测体( 大 气和地球) 【羽。 卫星平台的轨道高度、飞行速度和传感器的瞬时视场角一起决定了影像的几何特 征。卫星平台的稳定性严重影响影像的几何精度。传感器与地面之间的几何关系直接 影响影像时，这种几何关系在一定范围内变化，导致影像内的辐射和几何畸变。传感 器本身的特性对影像质量有非常大的影响，传感器的物理参数不但决定了数据的空 问、辐射和光谱分辨率，而且还决定数据的信噪咄8 1 。地形起伏会导致像点产生位移 使影像几何畸变。 表1 2 推扫式卫星遥感影像变形分类 t a b 1 - 2c l a s s i f yo fp u s h - b r o o ms a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi m a g e s d i s t o r t i o n 1 3 2q u i c k b i r d 卫星影像几何精校正的必要性 以上种种因素造成的影像几何误差的存在，有必要对其进行几何精校正处理： 作为地球资源及环境的遥感调查结果，通常需要用能够满足量测和定位要求的 各类专题图来表示，而这些因图件的产生，则要求对原始图像的几何变形进行改正： 当应用不同传感方式、不同光谱范围以及不同成像时间的各种同地域的复合图 像数据进行计算机自动分类、地物特征的变化监测或其他应用处理时，必须保证各不 同图像间的几何一致性，即需要进行图像间的几何配准，以满足复合处理原理卜的证 确性： 利用遥感图像进行地图更新，也对遥感图像的几何校j 下提出了更严格的要求。 4 1 绪论 1 4 研究内容 本文通过几个角度的实验进行对比，综合、详细地研究q u i c k b i r d 影像的几何校 f 问题： 本文将通过采用不同几何精校正模型对同一小范围地区进行几何精校正，x , 寸l l 其校j f 精度，初步筛选出比较适用于q u i c k b i r d 影像几何精校正的算法模型； 针对不同的地形地貌，采用不同几何精校正模型，从而对比不同几何模型对于 q u i c k b i r d 影像不同类型地貌的适用性； 针对地形起伏对q u i c k b i r d 影像几何变形的影响，将对同一实验区的q u i c k b i r d 影像使用不同精度的数字高程模型( d e m ) ，从而证明d e m 在q u i c k b i r d 影像几何 精校正中的作用； - 以某乡的q u i c k b i r d 影像为实验对象，对比其整乡校j 下和分割为行政村后小块 校f 的几何精校f 效果( 精度) ，讨论q u i c k b i r d 影像面积大小对几何精校j 下精度的 影响。 1 5 国内外研究概况 遥感影像在成像时受到地球自转、大气折射、地形起伏、传感器位置与姿态变化 等因素的影响而畸变，因此必须对获取到的影像进行几何校正和定位，消除畸变误差， 实现影像精确地理编码。其中，成像几何模型即校正模型的建立是影像几何校正和定 位的基础，它定义了影像像素坐标和地面空问坐标的数学关系。 文献 9 】将校j 下模型划分为严格成像模型和广义成像模型两类。严格成像模型是依 据不同传感器成像特性或几何成像关系而建立的校正模型，其通常要考虑卫星轨道及 姿态等信息；广义成像模型则不考虑传感器成像的物理因素，直接采用数学函数的形 式来描述地面点和相应像点之间的几何关系。 在星载光学影像的校正或定位处理中，以共线方程为基础的严格成像模型是最有 代表性的。特别是伴随着高分辨率光学影像的大量出现，学者们对以共线方程为基础 的严格成像模型进行了大量细致的研究和试验，希望从轨道模型、姿态模型、成像几 何等方面来建立更为严格成像模型。在这类模型中，每个定向参数都有严格的物理意 义，并且彼此是相互独立的。这类传感器适用于传统的空中三角测量处理，并且可以 产生很高的定向精度【l o j l , 2 。事实上，严格成像模型都与传感器的物理构造、成像方 高分辨率“伙j 乌”( q u i c kb i r d ) ；1 u l - 遥感l 针像的儿何校j l 狮f 究 式、成像参数及姿态信息紧密相关，因而不同的传感器需要不同的成像模型，这就为 实际影像的定位带了来困难。一方面，对于新的传感器，用户需要为其建立新的成像 模型并在已有的系统中增加该模块，从而为软件升级、系统维护带来不便。另一方面， 目前的很多高分辨率遥感卫星的姿态信息及轨道参数鉴于商业或军事原因予以保密， 因而直接通过严格成像模型对影像进行精校正是不可能的。尽管可以通过地面控制点 平差求解严格成像模型参数从而进行定位，但高分辨率传感器长焦距、窄视场的特征 决定了定向参数的强相关性，影响了严格成像模型参数的校f 精度及稳定性。因此必 须研究不依赖于具体传感器的广义成像模型来适应传感器成像方式多样化的发展要 求。 传统的遥感图像几何校f 算法主要是基于线性模型的最小二乘算法，由于引起变 形的因素是多种多样的，这些变形通常是复杂系统中的非线性现象，传统的线性模型 不足以描述这种非线性变形规律 1 3 , 1 4 , 1 5 】。伴随着i k n o s 卫星的成功发射，人们开始 了有理函数模裂的全面研究。与严格成像模型相比，基于有理函数的广义成像模型不 需要了解传感器的实际构造和成像过程，适用于不同类型的传感器，而且新型的传感 器只是改变了获取参数这一部分，应用上却独立于传感器类型。基于这些特点，很多 卫星资料商将其作为影像传递的标准。影像供应商便是首先解算出严格的几何模型， 然后利用严格的几何模型结果反求有理函数模型，最后将有理函数系数提供给用户， 这样用户就可以避免涉及传感器的物理特性和成像参数，从而进行影像校正和后续处 理。 文献 1 6 】认为r b f 神经网络具有良好的逼近非性函数的性能，提出了一种基于 r b f 人工神经网络和地面控制点相结合的遥感图像几何校正算法，获得了较好的校 正结果。 6 图2 1 线阵推扫式卫星影像成像几何示意图 f i g 2 - 1i m a g i n go fl i n e a r - a r r a yp u s h b r o o ms a t e l l i t ei m a g e s 其中，p 。为影像上任一像点，x 。为扫描线上影像点的坐标，c 为传感器主距，q 为扫描线的投影中心，0 。为扫描线的主点，t 为扫描线从投影中心o k 发出的光线。 2 2q u i c k b i r d 卫星影像的空间坐标系定义【1 8 】 2 2 1 扫描坐标系 对于一幅数字影像，其结构形式是一个数字阵列。通常采用影像左上角作为扫描 坐标系0 一c r 的原点，c 为横轴，取值为影像的列号；，为纵轴，取值为影像的行号， 如图2 2 所示。 7 图2 - 2 扫描坐标系示意图 f i g 2 - 2s c a n n i n gc o o r d i n a t es y s t e m 图2 3 像平面坐标系示意图 f i g 2 - 3i m a g ep l a n ec o o r d i n a t es y s t e m 图2 4 像空间坐标系示意图图2 5 像空间辅助坐标系示意图 f i g 2 _ 4i m a g es p a c ec o o r d i n a t es y s t e mf i gf i g 2 5a s s i s t a n ti m a g es p a c ec o o r d i n a t es y s t e m 2 2 3 像空间坐标系 以摄站点( 或投影中心) s 为坐标原点，摄影机的主光轴s o 为坐标系的z 轴，从s 向 像主点o 的方向为负，x ，y 轴分别与像平面坐标系o x y 的x ，y 轴平行。这样像点的空 间坐标为( x ，y ，一f ) ，其中x ，y 为像点的像平面坐标，厂为摄影机的焦距。如图2 - 4 所 示。 2 2 4 像空间辅助坐标系 以摄站点s 为坐标原点，坐标轴可根据需要而选定的一种空间直角坐标系，一般 8 2 q u i c k b i r d + i - j _ h 己影像的儿何特性及儿何校“：原理 以铅垂方向为z f 轴，义f 轴方向与航向方向一致。在研究像点与模型的坐标关系时， 像空间辅助坐标系是一种过渡班标系，其坐标轴与地嘶世标系的坐标轴平行。图2 5 示意了像空f n j 辅助坐标系。 2 2 5 地面坐标系 地面坐标系( 图2 6 ) 是表达影像物方空间位置的几何参考系统。主要的几种地 面坐标系如下： 摄影测量坐标系( d - x ，r , z p ) ：在航空与航天遥感中，这是一种最常用的局部坐 标系，其原点为某一地面点d ，乙轴取竖直方向，轴位于乙和摄影基线所在的平 面，是一个右手空间直角坐标系。 大地坐标系：一种以大地经纬度化矽和大地高例来表示空间位置的椭球坐标系。 地心坐标系( d x z ) ：其原点在地球质心，z 轴指向地球北级，x 轴位于格林尼 治平天文子面和赤道平面的交线，】，轴和z ，彳轴构成右手坐标系。 切平面坐标系( d 一x j ，z ) ：原点0 一般选在测区中央某测站点对于参考椭球的 法线上，z 轴与d 点法线重合且指向椭球外，y 轴在d 点的大地子午面内与z 轴 j 下交且指向北点方向，x 轴与】，、z 轴构成右手系。 投影坐标系：是以地图投影获得的地面坐标系。所谓的地图投影，就是将椭球面 上的元素( 包括坐标，方位和距离) 按一定的数学法则投影到平面或可展的曲面上。 常用的投影坐标系有高斯一克吕格投影、通用横轴墨卡托投影、兰勃脱投影等。 图2 - 6 地心坐标系、大地坐标系及切平面坐标系示意图 f i g 2 6g e o c e n t r i cc o o r d i n a t es y s t e m ，e a r t hc o o r d i n a t es y s t e m ， a n dp l a n es e c t i o nc o o r d i n a t es y s t e m 9 高分辨率“快呜”( q u i c kb i r d ) - i j 星遥感图像的) l f q 校i 卜研究 2 3 数字高程模型( d e m ) 在q u i c k b i r d 卫星影像几何精校正中的作用 地球表面的高低变化，使像点产生位移，造成影像的几何畸变。在对q u i c k b i r d 影像几何精校j 下时，必须考虑到地面的起伏变化，因此有必要引入表征这些高低起伏 的模型来辅助几何精校j 下。 2 0 世纪5 0 年代中期，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任c l m i l l e r 首次提 出数字地型模型的基本概念。最初的应用仅局限于土木工程。此后，在线路的设计， 面积、体积、坡度的计算，两点间的可视性差别，断面图的测绘，等高线、立体透视 图的绘制，j 下射影像图的制作，地形图的修测，遥感图像的分类以及飞行器导航与定 位等方面得到了广泛的应用。 2 3 1d e m 简介 高程模型 高程模型是高程z 关于平面坐标兄j ，两个自变量的连续函数。它最常见的表达 是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度，所以高程模型又叫地形模 型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其他的地表形态属性，如坡度、坡向 在押 守o 数字地形模型 数字地形模型( d t m ，d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ) 是地形表面形态属性信息的数字表 达，是带有空问位置选自和地形属性的数字描述。 数字高程模型 数字高程模型( d e m ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 是数字地形模型中的地形属性。 高程是地理空间中的第三维坐标。数字高程模型通常用地表规则网格( g r i d ) 单元 构成的高程矩阵表示，广义的d e m 还包括等高线和三角网( t i n ) 等所有表达地面 高程的数字表示。 数字地形模型与数字高程模型 从数学的意义上来说，d t m 是定义在某一个区域d 上，z 维向量有限序列 以，f = 1 , 2 ，z ，其中某一个m 维向量k = 缈。，k ：，形。， 表示地形、资源、环境、 土地、人口等多种信息的定性或定量的描述；而数字高程模型d e m 是d t m 的一个 地形分量，它能比较准确地表示地形表面的形态，它表示区域d 上地形的三维微量 1 0 2 q u i c k b i r d i ! 屎影像的儿何特性及儿们佼止原理 有限序列： = ( x ，r ，z ，) ，x ，z d ，f = 1 , 2 ，2 ) ( 2 3 1 ) 其中，z ，z 表示平面位置，z f 是相应的高程，当平面位嚣呈规则排列时，则 】，夕可以省略，因此，d e m 可简化为一维向量序列= z ，江1 , 2 ，刀 ( 2 3 2 ) 。 2 3 2d e m 的表示