1 引言
高分辨率遥感卫星以其独特的优越性,为国土资源调查、地理国情监测等提供了快速可靠的数据源。
高分辨率卫星影像分辨率可与航片影像相媲美且成本低、精度高、影像更新周期短[1],是制作大中比例尺数字正射影像图的良好数据源。在卫星影像制作DOM中,控制点点数、DEM精度、纠正数学模型是影响DOM产品精度的重要因素。采用不同的纠正控制方法对其精度影响很大,本文对不同地貌类型区域立体和单景卫星遥感影像进行正射纠正生产试验和精度检测,分析控制点数、DEM精度、纠正数学模型等对卫星遥感数字正射影像图成果精度的影响。
2 研究技术路线
研究技术路线是收集不同地貌类型区域卫星遥感影像,充分利用现有的控制资料、DEM成果和相关资料,对不同传感器类型卫星影像采用不同方案进行正射纠正试验,通过对试验结果的精度检测分析,确定控制点数、DEM精度、纠正数学模型、地形对卫星影像正射影像图成果精度的影响[2],生产试验技术路线如下图1所示。生产试验采用的卫星遥感影像数据源主要有Quickbird、Geoeye、Worldview、P5、资源三号等,利用Erdas、PCI、Pixelgrid、MapMatrix等卫星影像处理软件进行生产试验,基于Xbchecker软件进行检测,按下式以景为单位统计计算中误差:
Ms=± ∑(△X2 +△Y2)
N
其中:Ms 为中误差,N为检测点个数,△X、△Y为检测点与观测值坐标在X、Y方向的差值。
图1.试验研究技术路线
3技术研究情况
3.1研究试验过程
1) QuickBird卫星影像的正射纠正试验
研究区域位于西安市城郊区,QuickBird全色影像两景[3],级别为预正射影像产品,未经任何地图投影处理,区域高差约205米;控制点来源为已有2千比例尺空三加密点; DEM分别为1万比例尺DEM和采用全数字方法制作的2千比例尺DEM。利用PCI遥感影像处理软件进行纠正试验,分别采用严格轨道模型和有理函数模型,基于不同控制点数、不同精度DEM进行卫星遥感数字正射影像图制作。
QuickBird每景选取约90个检测点,对采用不同试验方案纠正得到的正射影像图,分别进行检测点中误差统计计算。
表1 QuickBird卫星影像正射纠正试验结果
景号 |
高差 |
控制 点数 |
DEM 格网 间距 |
DEM 成图 方法 |
纠正方法 |
最小 误差 |
最大 误差 |
中误差 |
05JUN01- 005660743050 -01-P030 |
113 |
9点 |
2米 |
全数字 |
严格轨道模型 |
0.01 |
2.74 |
1.08 |
9点 |
5米 |
全数字 |
严格轨道模型 |
0.04 |
2.89 |
1.18 | ||
9点 |
5米 |
已有1万 |
严格轨道模型 |
0.06 |
2.88 |
1.25 | ||
5点 |
2米 |
全数字 |
有理函数 |
0.09 |
7.59 |
2.43 | ||
9点 |
2米 |
全数字 |
有理函数 |
0.13 |
6.21 |
2.08 | ||
05JUN01- 005660743050 -01-P031 |
205 |
9点 |
2米 |
全数字 |
严格轨道模型 |
0.01 |
2.76 |
0.97 |
9点 |
5米 |
全数字 |
严格轨道模型 |
0.08 |
2.89 |
1.12 | ||
9点 |
5米 |
已有1万 |
严格轨道模型 |
0.03 |
3.27 |
1.32 | ||
5点 |
2米 |
全数字 |
有理函数 |
0.07 |
35.05 |
9.14 | ||
9点 |
2米 |
全数字 |
有理函数 |
0.05 |
20.09 |
5.26 |
试验结论:采用严格轨道模型纠正精度明显优于有理函数模型,但纠正模型的选用受卫星影像数据源处理级别和控制点数的制约;山地因为地形起伏较大,控制点数量对DOM平面精度影响较大;地形起伏较大地区相对平坦地区DEM格网间距、DEM精度对数字正射影像图精度影响较大。
2)GeoEye单景卫星影像的正射纠正试验
研究区域位于汉中市城郊区,GeoEye全色影像一景,级别为标准影像产品,经过地图投影处理及正射校正,区域高差约为54米;控制点来源为2千比例尺空三加密点;DEM为已有2千比例尺DEM,DEM格网间距2米,利用Erdas遥感影像处理软件进行纠正试验,采用有理函数模型基于不同控制点数、不同格网间距DEM进行纠正试验。
GeoEye整景选取约40个检测点,对不同纠正点数,不同精度DEM纠正得到的正射影像图,分别进行检测点中误差统计计算。
表2 GeoEye卫星影像正射纠正试验结果
景号 |
高差 |
控制 点数 |
DEM 格网 间距 |
DEM 成图方法 方法 |
纠正方法 |
最小 误差 |
最大 误差 |
中误差 |
po_473856_0000000 |
81 |
9点 |
2米 |
全数字 |
有理函数 |
0.24 |
1.26 |
0.68 |
9点 |
5米 |
全数字 |
有理函数 |
0.22 |
1.31 |
0.69 | ||
5点 |
2米 |
全数字 |
有理函数 |
0.05 |
1.35 |
0.68 | ||
5点 |
5米 |
全数字 |
有理函数 |
0.12 |
1.43 |
0.71 | ||
5点 |
10米 |
全数字 |
有理函数 |
0.35 |
1.46 |
0.74 |
试验结论:平坦地区地形较为平坦,在满足5个基础控制点的情况下,再增加控制点对数字正射影像图精度的影响不大;平坦地区DEM格网间距过小会带来数据冗余,应该采取适宜的DEM格网间隔用于正射纠正。
3)Worldview单景卫星影像的正射纠正试验
研究区域位于西安市周至县,Worldview2全色影像3景,Worldview1全色影像9景,影像级别均为标准影像产品,经过地图投影处理及正射校正,其中有5景影像侧视角大于25°,区域高差约为2300米;控制点来源为1万比例尺空三加密点,检测点为未参与纠正的加密点和保密点;DEM为全数字方法生产的5米1万精度DEM和地形图矢量化方法生产的5米5万精度DEM,利用Erdas遥感影像处理软件进行纠正试验,采用有理函数模型基于不同精度DEM进行纠正试验。
表3 Worldview卫星影像正射纠正试验结果
景号 |
侧视角(度) |
地形 |
控制点数 |
检查 点数 |
DEM 精度 |
中误差(m) |
最大误差(m) |
WV1-P016-20091122 |
21.8 |
高山地 |
7 |
32 |
1万精度 |
3.96 |
9.34 |
5万精度 |
5.58 |
11.94 | |||||
WV1-P017-20091122 |
21.3 |
高山地 |
9 |
27 |
1万精度 |
2.43 |
8.98 |
5万精度 |
4.30 |
10.92 | |||||
WV1-P018-20110326 |
27.5 |
山地 |
13 |
21 |
1万精度 |
3.31 |
9.20 |
5万精度 |
4.46 |
10.68 | |||||
WV1-P019-20110326 |
26.9 |
高山地 |
13 |
27 |
1万精度 |
4.19 |
11.36 |
5万精度 |
5.89 |
13.05 | |||||
WV1-P020-20110326 |
26.4 |
高山地 |
8 |
24 |
1万精度 |
4.69 |
10.60 |
5万精度 |
5.37 |
11.96 | |||||
WV1-P025-20110203 |
7.1 |
高山地 |
14 |
28 |
1万精度 |
3.48 |
8.31 |
5万精度 |
4.32 |
10.64 | |||||
WV1-P026-20110203 |
6.5 |
高山地 |
11 |
26 |
1万精度 |
1.33 |
2.91 |
5万精度 |
3.51 |
7.26 | |||||
WV1-P027-20110203 |
6.2 |
高山地 |
6 |
22 |
1万精度 |
2.02 |
4.55 |
5万精度 |
3.35 |
7.68 | |||||
WV2-P030-20091221 |
19.4 |
高山地 |
15 |
38 |
1万精度 |
2.10 |
5.46 |
5万精度 |
4.6 |
8.76 | |||||
WV2-P031-20091221 |
18.1 |
高山地 |
11 |
21 |
1万精度 |
3.15 |
9.24 |
5万精度 |
5.57 |
11.63 | |||||
WV2-P032-20091221 |
17.2 |
高山地 |
12 |
26 |
1万精度 |
3.61 |
10.02 |
5万精度 |
4.72 |
13.86 | |||||
WV1-P036-20110330 |
23.9 |
高山地 |
11 |
19 |
1万精度 |
6.21 |
10.97 |
5万精度 |
7.65 |
11.63 |
试验结论:
采用5米1万精度DEM与5米5万精度DEM纠正的整景DOM检测点平面精度均符合整景1:10000规范精度要求,但5米1万精度DEM纠正结果优于5米5万精度DEM纠正结果;
在高山区DEM精度及影像侧视角对整景接边差影响较大,试验区影像侧视角普遍较大,5米1万精度DEM纠正结果,12景影像景接边差最大约为17米,能满足1:25000规范接边精度要求,不能满足1:10000规范接边精度要求。5米5万精度DEM纠正结果景接边差最大约为30米,不能满足1:10000 1:25000规范接边精度要求。
控制点的精度、数量、分布状态对正射影像图精度有着直接的影响;侧视角大于20°的景,整景DOM地物拉花、变形较严重,精度相对较差。
4) P5立体卫星影像的正射纠正试验
研究区域位于陕西省中西部,处于秦岭中、高山区。试验区共P5(分辨率为2.5米)立体影像11景,级别为标准影像产品,经过地图投影处理及正射校正;各景控制点来源为基于已有外业控制点进行区域网平差求得的单景立体卫星影像控制点,试验区外业控制点共40个; DEM利用影像匹配的方法制作,DEM格网间距为5米,满足1万DEM相关规范精度要求;所采用的正射纠正软件为Pixelgrid,采用的卫星影像纠正模型是有理函数模型。
试验研究过程是利用获取的卫星影像数据及参数文件结合外业控制点成果,基于卫星影像处理软件Pixelgrid,进行卫星影像区域网的平差解算,求得单景立体卫星影像的外参数解算成果,采用影像匹配的方法制作DEM,进行P5单景立体卫星影像的纠正。P5后视影像垂直入射角比前视影像小,更接近于正射投影,通常选取P5后视影像用于正射纠正。
每景影像均匀选取了40个以上保密点进行了精度检测,单景DOM精度检测结果如下表所示:
表4 P5卫星影像正射纠正试验结果
景号 |
地形 |
检测点数 |
中误差m |
最大误差m |
P5-669240A-20090718 |
高山地 |
41 |
4.45 |
7.90 |
P5-670240A-20100418 |
高山地 |
44 |
5.68 |
10.10 |
P5-670241A-20100418 |
高山地 |
66 |
4.78 |
11.14 |
P5-671241A-20100327 |
高山地 |
89 |
4.02 |
9.63 |
P5-671242A-20100327 |
高山地 |
52 |
4.35 |
7.59 |
P5-672241A-20090405 |
高山地 |
46 |
4.25 |
10.74 |
P5-672242A-20090405 |
高山地 |
54 |
4.73 |
9.74 |
P5-673241A-20110224 |
高山地 |
44 |
4.45 |
8.97 |
P5-673242A-20110224 |
高山地 |
40 |
3.64 |
8.01 |
P5-674241A-20110307 |
高山地 |
42 |
3.43 |
7.36 |
P5-674242A-20110307 |
高山地 |
48 |
4.38 |
9.84 |
试验结论: P5卫星影像采用适宜的方法,在控制资料和DEM满足1万相关规范精度要求的情况下,P5影像的纠正成果能满足1:1万相关规范精度要求。
5)资源三号立体卫星影像的正射纠正试验
研究区域位于陕西境内,选取了不同地貌类型,6景资源三号(分辨率为2.1米)立体卫星影像用于试验,级别为标准影像产品,经过地图投影处理及正射校正,其中平地2景、丘陵地2景、山地1景、高山地1景;控制资料为覆盖试验区的已有省基础测绘1:10000加密成果以及其他能满足1:10000地形图精度要求的加密成果;DEM为覆盖区域已有1:1万数字高程模型数据,DEM格网间隔为5米,基于卫星立体影像对DEM进行了修测;基于全数字摄影测量软件MapMatrix、DPgrid进行资源三号卫星影像的正射纠正。
试验研究过程是基于全数字摄影测量软件MapMatrix、Dpgrid,利用卫星影像数据结合地面控制点进行外参数解算后,建立立体模型,在立体状态,对已有DEM进行修测 ,资源三号下视影像接近于正射投影,通常选取资源三号下视影像用于正射纠正。
对纠正所得整景DOM中心约5万图幅区域,利用保密点成果进行精度检测,检测结果如下表所示:
表5 资源三号卫星影像正射纠正试验结果
景号 |
地形 |
控制点数 |
检查点数 |
中误差(m) |
最大误差(m) |
ZY3_ 017133 _20120207 |
平地 |
5 |
54 |
3.18 |
5.94 |
ZY3_ 016139 _20120530 |
平地 |
5 |
56 |
3.38 |
7.04 |
ZY3_ 016137 _20120530 |
丘陵地 |
5 |
51 |
2.16 |
5.75 |
ZY3_ 016137_20120406 |
丘陵地 |
5 |
52 |
2.19 |
3.77 |
ZY3_ 017139 _20120207 |
山地 |
5 |
58 |
4.73 |
12.34 |
ZY3_ 016140 _20120530 |
高山地 |
6 |
53 |
3.37 |
6.92 |
试验结论:基于资源三号卫星影像采用适宜的方法,在控制资料和DEM满足相关规范精度要求的情况下,资源三号卫星影像中心区域的DOM纠正精度能满足1:1万国家和行业相关规范的要求。
4结论分析
QuickBird、Worldview、GeoEye等高分辨率卫星影像是制作1:5000、1:10000数字正射影像图的良好数据源,资源三号、P5等中分辨率卫星影像在控制点、DEM等资料满足相关精度的情况下,也可用于1:5000、1:10000数字正射影像图的制作。
卫星遥感数字正射影像图的精度与控制点数、DEM精度、纠正数学模型等有很大的关系,控制点的精度、数量、分布状态对正射影像图精度有着直接的影响;纠正数学模型采用严格轨道模型纠正精度明显优于有理函数模型,但纠正模型的选用与影像数据源数据处理级别和控制点数有很大关系;地形起伏较大地区DEM格网间距、DEM精度对数字正射影像图精度影响较大。
在高山区卫星影像侧视角对整景DOM接边差影响较大,侧视角大于20°的景,整景DOM地物拉花、变形较严重,精度相对较差。
本次试验仅针对不同控制点数、不同精度DEM纠正所得正射影像精度进行分析研究,然而影像的拍摄品质也是影响精度的重要因子,如云、雾等大气条件及卫星系统稳定性等多项因素尚未考虑。
参考文献
[1] 关元秀 高分辨率卫星影像处理指南 [M ].科学出版社, 2008:23-58
[2] 景耀全 DEM精度对高分辨率卫星影像纠正的影响 [J ].测绘, 2011(2):70-73
[3] 蒋之富 QuickBird 卫星影像几何校正方法研究 [J ]. 中南林业调查规划, 2008(5):41-44