ikoisar遥感影像精度分析

ikoisar遥感影像精度分析

1需要满足使用遥感影像分辨率不够高的限制卫星遥感图像的研究和使用至少需要20多年。从20世纪70年代初开始，地球资源卫星（地球资源卫星）成功地出现，改名为“地球遗迹卫星”或“地球资源卫星”。从去年9月成功着陆于ikono2卫星的ikosi-2卫星到去年9月，人类对地震学技术的研究有了很大的发展，遥感数据的应用也有了很大的扩展。但是,使用卫星遥感影像进行大比例尺测图尚受遥感影像分辨率不够高的限制。一般认为,遥感影像的分辨率和精度决定了地形图测图比例尺,人对纸质地图的目视分辨率通常在0.07～0.1mm左右,也就是说,地形图测图要求卫星遥感影像的分辨率一般应达到或小于图上0.1mm,而地形图的更新至少也应要求卫星遥感影像的分辨率达到图上0.2mm。SPOT-4卫星遥感影像的分辨率为10m,因此最多可以用于1∶100000比例尺地形图的测图或者勉强用于1∶50000比例尺地形图的更新,此时,一个像素在图上为0.1～0.2mm。随着民用遥感卫星的分辨率越来越高,许多测绘工作者对应用卫星遥感于测绘表示出了极大的兴趣。IKONOS卫星遥感影像是全球第一颗民用1m级(事实上分辨率还可达到更高)分辨率的卫星遥感影像,是美国IMAGESPACE公司的产品,它的商用使利用卫星遥感影像进行1∶10000比例尺地形图(我国省级基础测绘的最重要组成部分)的测制与更新使用的数据源又多了一条渠道。IKONOS卫星遥感影像的标称分辨率已能满足测制和更新1∶10000比例尺地形图的需要,但其精度是否符合测图要求,尚需要通过认真、全面的检验。本文介绍对江苏省盐城地区约27km2的区域(一幅1∶10000地形图,I-51-85-(50)范围)IKONOS遥感影像的测试方法及测试的结果。2数据收集2.1水科ikooswgs983我们所获得的是一景完整的IKONOS卫星数据,包括两组几乎重叠的文件,有遥感影像文件“*.tif”、影像的头文件“*.hdr”、“*.tfw”和原数据文件“*.txt”共31个文件,容量达570M。表1列出了这次使用的一组主要影像文件名及各文件的长度及简要说明。遥感影像的扫描完成时间为2000年3月26日10时28分(北京时间),拍摄倾角为14°01′37″,与卫星轨道方向夹角4°17′34″,太阳与卫星轨道的夹角138°27′52″,太阳与卫星轨道的高度角为51°33′28″,卫星的纵、横向扫描步进分别为0.87m和0.84m。卫星同时获得两种分辨率、共5个波段的遥感影像,其中,全色波段分辨率为1m、其余红、绿、蓝和红外4个波段分辨率为4m。SpaceImage公司提供的IKONOS影像采用的是WGS84(世界测地系统),并已经过通用横轴墨卡托投影,与多数遥感影像不同的是IKONOS影像几乎是正南北方向,而不是斜的,影像的头文件和元数据文件给出了每一影像文件的行列像素数、4个角的像素坐标值(包括地图坐标和地理坐标)以及像素的位数(灰度阶)和分辨率。值得注意的是IKONOS卫星遥感影像文件采用的是遥感上常用的11位GeoTiff格式而不是计算机图像处理上常用的8位Tiff格式,因此在做影像彩色合成时必须充分注意色彩的合理拉伸,以免造成色调分辨率的降低。一景(指最小购买量)完整的IKONOS卫星遥感影像大约覆盖11×11km2(经差约6′,纬差约7′(在纬度33°附近),通常能保证不经拼接覆盖1∶10000比例尺地形图1～2幅)经彩色合成后有近350Mb大小,为提高计算机运行的速度,本次检验截取了完整的一幅1∶10000比例尺地形图范围的影像(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)为原点。2.2扫描分辨率及制作本次检测直接使用了一幅当地最新的1∶10000地形图的二底图进行二值图扫描。扫描使用Intergraph公司的工程扫描仪,扫描分辨率设为400dpi,取文件格式为“*.rle”,这是一种压缩率较高的无损压缩文件格式,整个文件包括图外装饰仅3Mb多。本检验地形图采用高斯—克吕格横轴投影,使用1954年北京坐标系,距中央子午线约6～12km。对扫描二底图按常规方法进行了纠正,检测合格后用作本次卫星遥感影像测试的基准数据。3卫星遥感影像的相对精度IKONOS提供的卫星遥感影像数据是经过大气辐射校正后的产品,其各波段数据的大小、位置的匹配已是十分准确,本文所谈及的检测是指IKONOS卫星遥感影像数据各像素间的相对精度。通常这样的检测是需要地面点的精确坐标的。由于直接使用全色片*.PAN的影像判读较彩色合成后的困难,因此,本次检测使用了全色片和多波段片合成后的1m分辨率彩色影像。卫星影像的纠正通常还要用当地的DEM(或DTM)进行投影差改正,但考虑到测试区域内的地面高差仅几十厘米,相对于600km高度的卫星,其投影差之差是可以忽略不计的。3.1阶仿射纠正法1∶10000地形图二底图的定位是在Intergraph公司专用于二值栅格图像处理的软件I/RASB下进行的,使用了4个图廓点,采用了一阶仿射纠正,即线性纠正方法,以确保原图变形最小,纠正后图廓点的残差小于1m(即图上0.1mm)。纠正后的图像文件可在Bentley公司的通用图形平台MicroStation下直接提取任意点的坐标。3.2检测点、同音点为保证检测的准确性和可比性,在检测前必须选取均匀分布的特征点若干个。特征点的位置必须同时在卫星遥感影像和二底图上清晰可辨,必须均匀分布且尽可能到达图幅边缘(满幅)。为描述方便,本文称卫星遥感影像上的特征点为“检测点”,而称二底图上的特征点为“同名点”。为此,在卫星遥感影像和二底图上分别选取了54处检测点和同名点,在每一检测点的像素上作了明显标记并编号,读取并记录该54处检测点的像素位置;又在二底图上精确提取54处同名点的坐标值作为检测遥感影像及纠正遥感影像的基准数据。3.3像素的真实分辨率对于卫星遥感影像来说,分辨率即指一个像素所对应的实地尺度。遥感影像的分辨率对于应用来说是非常重要的参数,已知影像的真实分辨率,就可以通过量取任意两个像素的间距推算出和影像对应的地面两点间的真实距离,同样可以通过像素的个数计算求得某个区域的面积,此方法已普遍应用于地面覆盖的分类统计中。IKONOS卫星遥感影像像素的真实分辨率(所谓真实分辨率是相当于标称分辨率而言的)可以用多种方法来计算求证。以下介绍两种方法:3.3.1像素计数sp反算每一对检测点的间距并求和,与每一对同名点的坐标反算间距求和取商,即可得影像的真实分辨率RES。设有m个检测点,则共可组成n条边。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为两像素间段号,dh=hi-hj为横向像素差,dv=vi-vj为横向和纵向像素差,i、j为标注点的点号,Sp为54个检测点间共n个区段的像素数总和,n=1431。同样,二底图上各同名点的坐标反算距离之和如下:Ss=n∑k=1√dx2k+dy2k(3)Ss=∑k=1ndx2k+dy2k−−−−−−−−√(3)最后得IKONOS卫星遥感影像的真实分辨率RES为:RES=SsSp(4)RES=SsSp(4)3.3.2sp、ss、y首先分别计算54个检测点和54个同名点的重心坐标O和O′,然后计算检测点和同名点到各自重心坐标的距离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′为54个检测点到重心坐标O的像素数总和,单位为像素。Ss′为54个同名点到重心坐标O′的距离总和,单位为米。最后得IKONOS卫星遥感影像的真实分辨率RES为:RES=Ss′Sp′(7)3.3.3a+b、c、d方法一取用大量的反算边长求和后测定遥感影像的真实分辨率,它的优点在于对区域内部点的位置精度要求不高,但对于周边点的精度要求就要高得多。设A、B、C三点于一直线上,点A至点B的距离为a,点B至点C的距离为b,点A至点C的距离为c,则不论B点的位置准确与否,a+b+c的值不变(见图1)。相反,当A或C点的位置不准确时,设b′=b+v,则有a+b′+c′=a+b+c+2v,其误差将放大两倍(见图2)。方法二计算每一点对与重心坐标的距离和,它的优点是同等对待每一点的精度,对各点的误差进行摊派,并减少误差的影响。设A、B、C、D4点于一矩形顶点上,其重心坐标为点O,各点至点O的距离分别为a、b、c和d,则a=b=c=d,各点至O点的距离和为a+b+c+d。假如点C的位置移到了矩形的中心,其偏移量为v,即总长度减小了v=c,则此时的重心点O位置将向A偏移1/4a,新的各边长分别为a′、b′、c′和d′(见图3)。∵a′+c′=a又∵d′=b′>b=d∴a′+b′+c′+d′+v>a+b+c+d可知,任一点的误差v对总和的影响≤v。因此,使用重心坐标能使最后结果更接近“真值”。为此,在结论中将采用方法二的结果。3.4像素精度测定卫星遥感影像拍摄倾角通常较大,IKONOS卫星的拍摄倾角甚至可以达到45°(我们研究的影像数扫描倾角为14°01′37″)。因此除了测定它的分辨率外,还要测定各像素的精度,即各像素点经常规纠正(这里说的常规纠正通常是指遥感影像的坐标配准,即定位。而非大气辐射纠正等特殊改正)后的相对位置是否均匀,是否准确,是否残余明显的畸变差。由于我们选取的区域,地面高程一般在2m左右,高差小于1m。因此不考虑投影差的影响。对IKONOS卫星遥感影像的像素精度测定采用了最常用的求中误差的方法。利用从图像上读取的像素位置反算的间距与从二底图上读取的坐标位置反算的边长之比,求其对于IKONOS卫星遥感影像的真实分辨率的最或然值RES的中误差MIKONOS。ΜΙΚΟΝΟS=±√n∑1v2n-1(8)vi=√dx2i+dy2idh2i+dv2i-RES(9)遥感影像的均匀度也可以通过计算测定RES的标准方差来说明各像素的离散程度。Μ=√n∑x2-(∑x)2n(n-1)(10)式中:x为RES测定的样本值(即xi=SsiSpi=√dx2i+dy2idh2i+dv2i)‚n为样本个数。3.5投影变换的校正对遥感影像的常规纠正一般分两大类:线性纠正和非线性纠正。其目的是配准遥感影像和实地间的相对关系,即定向和定位。最常用的线性纠正方法有仿射变换和投影变换,仿射变换又有一维和二维之分,它除进行位移、旋转操作外还可进行缩放运算。仿射变换的特点是保持纠正前后的线和面相似,如直线仍是直线、平行线仍平行以及面积之比为常数。当在两个垂直分量上使用两个不同的缩放系数A和B时,可称作二维线性纠正(见图4)。因为有6个未知数,因此至少需要3个点来求。R=R0+TSR′(11)式中:R=(XY)‚R0=(X0Y0)为位移量矩阵,Τ=(cosα-sinαsinαcosα),为旋转矩阵,S=(A00B),为缩放矩阵。当A=B时,即在任何方向都使用一个缩放系数时,则称作一维线性纠正,此时仅有4个未知数,因此只需要2个点;当A=B=1时,不作缩放运算。在航空摄影或卫星遥感领域,用得较多的是“投影”方式,投影变换的特点是直线经投影仍保持直线。投影变换有时也称“共线方程纠正”(见图5)。XP=X0+Ax或(XYΖ)=(X0Y0Ζ0)+(a1a2a3b1b2b3c1c2c3)(xyz)(12)式中:XP为地面点P在地面坐标系中的坐标;X0为遥感器坐标系的原点在地面坐标系中的坐标;x为P点在遥感器坐标系中的坐标;a1=cosφcosκ-sinφsinωsinκa2=-cosφsinκ-sinφsinωcosκa3=-sinφcosωb1=cosωsinκb2=cosωcosκb3=-sinωc1=sinφcosκ-cosφsinωsinκc2=-sinφsinκ-cosφsinωcosκc3=cosφcosωφ、ω、κ为遥感器的姿态角上式经转化可写成共线方程式(式13)投影纠正至少需要4个已知点以求解像点和物点间的映射关系。非线性纠正(见图6)的方法很多,最常用的非线性纠正方法是多项式纠正式(14),当仅取一次项时即为线性纠正式(11)。当取二次项时,共有12个未知数,因此至少需要6个已知点。表2给出了每种方法必须的已知点数。(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)本测试共使用了6种不同的纠正方法(Projective,Helmert,Affine,2ndorder,3rdorder和4thorder),Projective为投影纠正、Helmert为一维线性纠正、Affine和2ndorder,3rdorder和4thorder依次为一阶多项式(仿射)纠正、二阶多项式纠正、三阶多项式纠正和四阶多项式纠正。前3种为线性纠正,后3种为非线性纠正。我们对每一种方法分别用5种不同起算点数进行纠正,对大量的纠正数据进行分析,首先,将纠正后的54点坐标与54个同名点坐标求差,再计算其中误差和标准差。Μ=±√n∑1v2n-1(15)vi=√(Xi-X′i)2+(Yi-Y′i)2(16)式中M为中误差,vi为标准差,n为样本大小。4粗差后重算本次测试共计算两组,第一组n取全部数据,即54个数值,第二组剔除vi≥5.0m的数据(认为是粗差)后重算。由于整个计算产生了数万个数据,本文略去起算数据和所有的中间结果,仅列出第二组计算的最终成果。4.1ikolason卫星遥感图像的真实分辨率的计算和分析方法见3.3和3.44.1.1反算每东北部名义点的坐标反算由54个检测点可组成1431条边,反算每一对检测点的间距并求和得:Sp=4071760像素;同样,反算每一对同名点的坐标反算间距求和得:Ss=4072043m;由此可求得IKONOS卫星遥感影像的真实分辨率:RES=SsSp=40720434071760=1.000069m/像素标准方差见式(10):M=0.049847m中误差见式(15):MIKONOS=0.0497816m4.1.2卫星遥感影像的分辨率计算影像重心坐标得X像素=2858.259259、Y像素=2577.074074;二底图重心坐标得X二底图=8488.364926、Y二底图=6651.370259;各解得54个检测点(同名点)至重心点的边长之和ΣD=110646m和Σd=110673像素。由此可求得IKONOS卫星遥感影像的真实分辨率:RES=∑D∑d=110646110673=0.99975m/像素其中:D/d最大为1.04532m/像素;最小为0.96833m/像素。标准方差见式(10):M=0.00969m中误差见式(15):MIKONOS=0.00975m两种方法计算结果相差不大,第二种方法所得结果更精确(证明参见3.3.3)。4.26最佳起算点的确定表3给出了采用6种不同的纠正方法,每种方法又取用了不同起算点数纠正后的精度统计表。统计时剔除了粗差,标准偏差单位为米。采用Helmert方法时,取点数