QuickBird卫星影像几何校正研究

摘要

作为21世纪空间地理信息的主要数据来源，商业高分辨率卫星广泛应用于测绘、规划、国土、农业、林业、政府管理等方面。随着社会进步和需求的进一步增加，还会开发许多新的应用领域。高分辨率卫星轨道低，体积小，机械设计更灵活，指向性好，最突出的优势是空间分辨率高，通过卫星也可取得与航片相媲美的空间数据，尤其是QuickBird卫星的发射成功和投入使用，更是遥感测绘行业具有划时代意义的事件。QuickBird卫星是专为高效、精准获取大面积、引领行业地理定位精度的影像数据而设计，是目前在轨运行的商业遥感卫星中，具有最大幅宽、最大星上存储和最高分辨的卫星。其全色波段0.61m分辨率使遥感卫星图像的最高分辨率首次迈进了亚米级的行列。
　　 然而卫星在成像时，遥感卫星影像会受到多种因素的影响而发生几何畸变，因此必须对影像进行几何校正，实现精确的地理编码，为后续的几何测量、相互比较及复合分析提供支持。在产品增值需求旺盛的今天，卫星影像几何精校正方法进行研究，具有重要的现实意义。对于高分辨率的QuickBird卫星影像而言，几何精校正长期以来都是制约影像使用的一大难题，是数字图像处理的“瓶颈”环节。为了解决这一问题，本文对QuickBird卫星影像的几何精校正进行了深入研究。
　　 文章的主要内容及成果如下：
　　 本文详细介绍了QuickBird卫星影像的产品特点，深入分析了QuickBird卫星影像的几何成像，从而对QuickBird卫星影像的几何精校正研究作了充分准备。几何校正模型作为几何精校正的基础，反映了影像的构像关系，是本文关注的重点，文章综合研究了不同几何模型的性能和精度，研究相关模型对于QuickBird影像几何精校正的适用性，对实际应用有积极意义。另外本文注意到地形起伏对QuickBird影像的几何畸变的影响，对DEM在QuickBird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，Digital Globe公司不向用户提供QuickBird卫星的传感参数，通过非物理模型对QuickBird影像进行几何精校正成为必然选择。在众多非物理校正模型中，以一般多项式模型使用最为广泛；RPC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QuickBird影像的几何精校正处理中，起伏强烈的地区RPC模型的最佳校正精度为9.53个像元，小范围的平坦地区RPC模型的最佳校正精度达到7.03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QuickBird影像进行几何精校正的非线性模型。
　　 2、地形起伏变化强烈地区的QuickBird影像变形是其几何精校正的难点，DEM的使用是应对这一问题的重要手段。实验证明，没有DEM的RPC模型最佳校正精度为10.22像元，当加入1:50000 DEM进行几何精校正后精度提高到7.38像元，加入1:10000 DEM时精度为7.20像元。DEM的RPC模型能明显提高QuickBird影像几何精校正的准确性。1:50000 DEM与1:10000 DEM的几何校正精度仅相差0.18个像元，然而市面上1:5万与1:1万的DEM的售价差别却很大，因此使用1:5万DEM辅助几何校正从而大大节省成本。
　　 3、影响QuickBird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。
　　 ①实验显示，在GCP分布均匀的情况下，多种几何校正模型的总体趋势是校正精度随控制点数目的增多而提高，当GCP数目增加到一定程度后，精度提高的速度放缓。
　　 ②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DEM辅助几何精校正显得尤为重要。
　　 ③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1:1万地形图为标准校正空间，采用DEM辅助的3次RPC模型对该地的QuickBird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QuickBird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QuickBird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QuickBird影像应用和数字图像处理做好了准备。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 高分辨率遥感影像的发展

1.2 QuickBird卫星影像介绍

1.3 几何校正研究的必要性

1.3.1 QuickBird卫星影像的误差来源

1.3.2 QuickBird卫星影像几何精校正的必要性

1.4 研究内容

1.5 国内外研究概况

2 QuickBird卫星影像的几何特性及几何校正原理

2.1 QuickBird卫星影像的成像

2.2 QuickBird卫星影像的空间坐标系定义

2.2.1 扫描坐标系

2.2.2 像平面坐标系

2.2.3 像空间坐标系

2.2.4 像空间辅助坐标系

2.2.5 地面坐标系

2.3 数字高程模型(DEM)在QuickBird卫星影像几何精校正中的作用

2.3.1 DEM简介

2.3.2 DEM的表示法

2.3.3 DEM的采集

2.3.4 DEM在QuickBird影像几何精校正中的应用

2.4 几何精校正下的一般原理

2.4.1 几何校正的一般原理

2.4.2 几何精校正的步骤

2.5 几何精校正模型

2.5.1 共线方程模型

2.5.2 严格物理模型

2.5.3 一般多项式模型

2.5.4 直接线性变换模型

2.5.5 严密投影仿射变换模型

2.5.6 RPC有理函数模型

2.6 模型参数求解

2.6.1 几何精校正模型参数求解的一般式

2.6.2 RPC模型参数的解算

2.7 几何精校正模型综合比较

3 实验区概况及使用数据

3.1 实验区概况

3.2 使用数据

3.3 影像辅助数据RPC文件(头文件)

3.4 实验流程

4 实验结果及分析

4.1 小范围平坦地区QuickBird影像几何精校正实验

4.2 DEM在QuickBird影像几何精校正中对校正精度的作用

4.3 整乡校正与分村校正对比实验

4.4 影响QuickBird影像几何校正精度的因素

5 QuickBird影像在宜良县集体林权制度改革中的应用

5.1 资料收集

5.2 基础地理数据准备与处理

5.3 QuickBird影像数据处理

5.4 利用QuickBird影像进行宗地勘测

6 结论与讨论

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文情况

攻读硕士研究生期间课题情况

致谢