马海涛
(黑龙江省国土资源勘测规划院,哈尔滨,150056)
摘要:卫星影像的坐标准确性对土地利用数据库更新至关重要,根据鸡西市的遥感数据源应用ERDAS IMAGINE 对鸡西市遥感影像进行校正和误差分析,探讨卫星遥感影像的内部、外部误差产生原因。
关键词:卫星影像;遥感;误差;正射;DEM
1 高分辨率卫星遥感技术现状及应用前景
高分辨率的卫星影像通常指像素的空间分辨率在10 m以内的遥感影像。早期高分辨率传感器的研制与应用主要是在军事领域,以大比例尺遥感制图、对地物的分析和监测人类活动为目的,20 世纪90年代以后才逐渐进入商业和民用领域的范围,并迅速地发展起来。
我国自行研制和发射了包括太阳和地球同步轨道在内的六颗气象卫星。1999年10月我国第一颗以陆地资源和环境为主要观测目标的中巴地球资源卫星发射成功,结束了我国没有较高空间分辨率传输型资源卫星的历史。同时我国还建立了多个国家级遥感应用机构,这些遥感应用机构广泛地开展气象预报、国土普查、作物估产、森林调查、地质找矿、海洋预报、环境保护、灾害监测、城市规划和地图测绘等遥感业务。
高分辨率卫星遥感影像的出现使得在较小的空间尺度上观察地表的细节变化,进行大比例尺遥感制图以及监测人为活动对环境的影响成为可能,具有广阔的应用前景。高空间分辨率图像数据和地理信息系统紧密结合,它已经在城市生态环境评价、地形图更新、地籍调查、精准农业等方面被证实有巨大的应用潜力。
2 遥感影像的处理流程
遥感影像从接收到最后的应用一般要经过以下几个步骤(图1):
3 鸡西市影像数据源与遥感影像的变形原因
鸡西市影像数据源
鸡西市影像数据源为 SOPT-5 卫星数据,A1 级数据,共两景。
图1 遥感影像处理流程
轨道编号:305-258;307-258
成像时间:2005/11/22;2005/11/12
入射角度:;
SPOT 对地观测卫星系统是由法国空间研究中心发展的,参与的国家还有比利时和瑞典。SPOT-5 分辨率为,成像方式为 CCD 阵列推扫成像,具体参数见表1。
表1 SPOT-5 卫星参数
SPOT 影像产品共分为5 级:
1A 级:图像仅做辐射校正,无几何校正。
1B 级:在1A 级基础上,做部分几何校正,校正了全景变形和地球自转及曲率、轨道高度变化等带来的变形。
2A 级:加入了标准地图投影。
2B 级:地理校正,加入了大地控制点和平均高度改正。
正射级:完全地理校正,经数字高程模型处理,消除了因地形起伏而导致的投影误差。
遥感影像变形原因及误差来源分析
遥感影像的总体变形是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲及其他变形综合作用的结果。遥感数据接收后,首先由接收部门根据遥感平台、地球自身、传感器的各种参数进行校正处理,根据预处理的级别不同,提供影像的等级也不同。
遥感平台位置和运动状态变化的影响
无论是飞机还是卫星,运动过程中都会由于种种原因产生飞行姿态的变化从而引起影像变形。
(1)偏航 指遥感平台在前进过程中,相对于原前进航向偏转了一个小角度,从而引起扫描行方向的变化,导致图像的倾斜畸变,如图2 (a)。
(2)航速 卫星的椭圆轨道本身就导致了卫星飞行速度的不均匀,航速快时,扫描带超前;航速慢时,扫描带滞后。由此可导致图像在卫星前进方向上(图像上下方向)的位置错动,如图2 (b)。
(3)航高 当平台运动过程中受到力学因素影响,产生相对于原标准航高偏离,或者说卫星运行的轨道本身就是椭圆的。航高始终发生变化,而传感器的扫描视场角不变,导致图像扫描行对应的地面长度发生变化。航高越往高处偏离,图像对应的地面越宽,如图2 (c)。
(4)俯仰 遥感平台的俯仰变化能引起图像上下方向的变化,即星下点俯时后移,仰时前移,发生行间位置错动,如图2 (d)。
(5)翻滚 遥感平台姿势翻滚指以前进方向为轴旋转了一个角度,可导致星下点在扫描线方向偏移,使整个图像的行向翻滚角引起偏离的方向错动,如图2 (e)。
图2 遥感平台位置与运动状态改变对图像的影响
地形起伏的影响
当地形存在起伏时,会产生局部像点的位移,使原来本应是地面点的像点被同一位置上某高点的像点代替。
地球表面曲率的影响
地球是椭球体,因此地球的表面是曲面。曲面主要影响两个方面,一是像点位置的移动,二是像元对应于地面宽度的不等。当传感器扫描角度即入射角度较大时,影响更加突出,造成边缘景物在图像显示时被压缩。假定原地面真实景物是一条直线,成像时中心窄、边缘宽,单图像显示时像元大小相同,这时直线被显示成反 S 形弯曲,这种现象又叫全景畸变。
大气折射的影响
大气折射的影响即大气对辐射的传播产生折射。由于大气的密度分布从下向上越来越小,折射率不断变化,因此折射后的辐射传播不再是直线而是一条曲线,从而导致传感器接收的像点发生位移。
地球自转的影响
卫星行进过程中,传感器对地面扫描获得图像时,由于地球自转会产生影像偏离。因为多数卫星在轨道运行的降段接收图像,即卫星自北向南运动,这时地球自西向东自转,结果使卫星的星下点位置逐渐产生偏离。
通过以上对遥感图像的变形分析,大致可以看出误差基本可以分为三类:遥感器本身引起的内部误差,随遥感器的结构、特性和工作方式的不同而异,此类误差一般较小;外界因素引起的外部误差,如上对遥感影像变形原因的分析;处理过程中产生的处理误差,即人为误差。
4 鸡西市遥感影像的正射校正
鸡西市自然条件及数据资料
自然条件
鸡西市位于黑龙江省东南部,素有“北国春城”之美誉。西与牡丹江市的林口县、穆棱县接壤,北与双鸭山市的饶河县、宝清县和七台河市区、勃利县相连,东以乌苏里江、松阿察河,南以兴凯湖、白棱河及陆地边界与俄罗斯毗邻,是省内东部边境城市,国境线长。鸡西市行政辖区内有六区二县一市,辖区土地总面积为。鸡西市有丰富的矿产资源,旅游景点星罗棋布,冰雪、湖泊、湿地、森林古墓遗址等特色旅游资源丰富,地形较为复杂。
数据资料
鸡西市采用2 景 SPOT-5 数据和14 幅1∶5 万 DEM,全覆盖鸡西市六区。
原始 DEM 为1∶50000 数字高程模型、GRID 格式、等高距10 m、1980 西安坐标系、1985年国家高程基准、高斯-克吕格投影、6 度分带。
控制点采取 GPS 实测控制点,2 景影像共实测80个GPS点。
鸡西市影像纠正工作流程
控制点选取及 DEM 数据处理
每景影像选取40个控制点,由外业人员实地GPS 测算大地坐标,由于其他各种环境因素的限制,按照原刺点测量的36个,其余4个点由外业测绘人员根据实际情况选取相邻近明显地物点测量,并在底图上作标记,记录详细点之记。
GPS 型号为南方灵锐 S80;精度5 mm+1 ppm。
图3 影像纠正工作流程
原始 DEM 共14 幅,国家测绘局标准格式,为1∶50000 数字高程模型、GRID 格式、等高距10 m、1980 西安坐标系、1985年国家高程基准、高斯-克吕格投影、6 度带。
最终影像需要校正到1954 北京坐标系,3 度带,因此 DEM 也需校正到此坐标系。
采取先转换格式、再镶嵌为一个文件、最后进行1954 坐标系转1980 坐标系并投影到3度带。
经处理后 DEM 为1∶50000 数字高程模型、格式为 IMG 格式、等高距10 M、1954 北京坐标系、高斯-克吕格投影、3 度带。所有 DEM 数据镶嵌为一个IMG文件,覆盖整个监测区。
全色影像的纠正
作业软件采用 ERDAS ,由软件读取原始全色影像的 DIM 文件,将卫星参数加入到纠正模型中,再加入处理后的 DEM 数据,此时的全色影像数据已具有比较粗略的地理坐标,误差仍很大,根据影像上的特征地物点输入外业实测的 GPS 点位坐标,对GPS 点位对应的影像特征地物点进行微调,使其位置更接近于真实坐标,缩小控制点误差。对误差很大的点位进行原因分析,根据具体情况进行调整和删减,满足校正条件后对影像进行纠正处理。影像重采样分辨率为,重采样方法为三次卷积处理。影像控制点坐标分布及纠正误差如表2所示。
应用高分辨率影像进行校正中,对于数据源的选取很重要,不同卫星、不同时像、不同质量的卫星影像对采取的校正方法和最后的校正精度有较大的影响。对于山区来说,DEM数据至关重要。良好的卫星影像、精确的特征地物点坐标和适宜的DEM数据可以把卫星影像纠正中的外部误差因素降到最低。
表2 鸡西市纠正影像 307 -258 景控制点残差统计
参考文献
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