专利名称：一种基于地性线的卫星遥感图像几何精纠正方法
技术领域：
本发明属于检验在记录载体上标记正确性的方法，特别涉及卫星遥感图像的数据识别方法。
背景技术：
卫星从几百公里到上千公里的上空对地面进行观测，受地球的自转、地球表面的曲率、地形的起伏、大气的折射、传感器内外方位元素的变化等因素的影响，遥感图像往往产生几何变形。对卫星遥感图像进行几何精纠正使其与基础地理底图严格配准，保障遥感卫星数据的面积、长度、位置、空间关系几何度量的正确性及可靠性，成为遥感应用的基础。遥感数据应用时，一般认为基础地理底图是无误差、无变形的数据，利用基础地理底图上的河流网、道路网、湖泊等卫星图像上可以识别的明显地物点来控制纠正卫星遥感影像，是一般的纠正方法，但在山地区域，控制点不足难找、控制点不足影响了卫星影纠正的质量。在多山地区，地形高差变化引起的投影差进一步影响了几何精纠正的效果。数字地形模型，DEM(Digital Elevation Model)是地理底图中最稳定的数据，它包含该比例尺上的地形变化的所有特征点线，即地性线，现有技术中几何精纠正控制点文件的采集依赖于肉眼识别与计算机交互操作，多用河流网、道路网、湖泊等特征点线来寻找和采集控制点，常常受人的主观判断、操作不易等方面的影响，工作效率低、数据误差大。
发明内容
为了克服卫星遥感图像控制点难找、控制点不足的技术难题，本发明利用DEM中的地性线，提供一种卫星遥感图像的几何精纠正方法，可以精确控制纠正有任何局部变形的遥感图像。该方法还可用于比对复杂的山地地形遥感图像与期望的地理位置是否一致，还可用于遥测与定位地面侦察对象的地图坐标。
本发明方法按照以下步骤进行1)从储存媒介中调入数字DEM，计算机按地图坐标系统的坐标管理和显示该DEM，称其为数字阵列A，其特征在于2)比对A的每个点与周边8个点的海拔高低，按最大落差法，确定该点的地形最大下降方向，全部点比对完成，得到表达地形下降方向的新数字阵列，将其储存为数字阵列B；3)对A的每个点，依据B确定的方向，搜索所有连续下降到该点的其它点，累加连续下降到该点的所有点数，A的全部点搜索完毕后，得到表达地形连续累积下降量的新数字阵列，将其储存为阵列C；4)人机交互确定一个数字α，将C的每个点与α进行大小比较，如果大于α，则该点为沟谷所在区域，记为1，否则为非沟谷，记为Nodata，C的全部点比较完毕后，得到数字阵列，储存为D，其中，参数α的确定的依据是，利用计算机将D显示为黑白图像，并与地形图进行目视理解与对比，如果D的图像表达与地形吻合好，则α选取较好，否则需改变α的数值，再重新试算；5)利用阵列转化为矢量的计算方法，对D进行矢量化，得到表达沟谷的数字地图，记录为E1；6)统计计算A的最高海点，记为Max，将A的每个点调出做如下计算，用Max减去该点的数值后再加上2000，得到新阵列F；7)对F重复第1)步到第5)步的处理过程，得到山脊线矢量E2；8)从储存媒介中调入卫星图像阵列，计算机按地图坐标系统将其显示为假彩色图像，并将矢量E1与E2与其进行叠加显示，按同名地物点匹配的原则，人机交互采集同名地物点的对应坐标对(Xi，Yj)与(Ui，Vj)，并将其记录和储存为文件G；
9)利用自适应多格网方法，用G的样本数据拟合纠正多项式，并对图像进行几何精纠正。
所述的步骤3)中累积下降量可用二插树数据结构记录结果。
所述方法获得的纠正图像进一步用网格方法进行统计抽样，确定纠正的质量和误差。
本发明提出的基于地性线控制纠正卫星遥感图像的方法，利用了DEM提取地性线文件，通过计算和矢量化，用矢量格式的沟谷线、山脊线控制纠正卫星影像，比仅仅用水系等进行系统纠正处理的卫星图像的几何误差由2～5像元误差降低至不超过1个像元，方便了控制点的选取，提高了山地地区的卫星遥感图像与基础地理底图的配准精度。由于该处理是卫星遥感图像应用的必要基础，本发明提供的计算机可读形式的媒体或以此方法开发的硬件数字阵列处理装置，能实现卫星图像几何精纠正，并能够广泛应用于地球资源、军事、地图、农业等勘察测绘领域。
图1是本发明的存贮媒介与计算机界面的装置方框图。
图2是本发明的程序流程图。
具体实施例方式
以下结合附图做进一步说明。
(一)利用本发明对安宁市区域的卫星遥感图像的数据处理云南省安宁市毗连昆明，位于东经102°10′～102°37′，北纬24°31′～25°06′之间；地处滇中高原的东部边缘，境内地形破碎，属中山地貌。
以下数据处理使用美国Esri公司Arc/Info作为平台。
1.数据准备经过系统级纠正的ETM(Enhanced Thematic Mapper)卫星遥感图像，卫星轨道号(WRS)129/043，阵列大小6969列×5965行，太阳高度角SUN ELEVATION＝52.4，太阳方位角SUNAZIMUTH＝139.8，景中心位置为东经103度5分0秒，北纬24度33分0秒。选择第5、第4、第3波段，合成近似真彩色的卫星图像。
应用采集的1∶50,000的等高线地图层，作为提取地性线处理的预备数据。
2.地性线的提取与结果2.1 DEM生成及处理利用1∶50,000数字化等高线生成不规则三角网(TIN)数据；将TIN转化为10米分辨率的栅格阵列数据，即DEM；对DEM进行平滑、去噪声等处理，去除伪下陷点。
2.2沟谷线和山脊线的提取、处理与结果2.2.1沟谷线的提取基于地表物质向低处运动的水流模拟方法，利用单流向最大坡降法确定每个栅格点的流向，根据DEM的水流方向计算每个栅格点的累计汇水量，汇水量大于某个阈值的格网点是沟谷线上的点。这个阈值与DEM的比例尺及其栅格点分辨率有关，取值太大，可能导致表达小地形的地性线的丢失；取值太小，很多低地会形成面状闭合线，而不是最低点中心线，取阙值L＝60效果较好。基于上述原理的地性线的提取包括了如下几个步骤(1)应用Arc/Info的流向方向函数计算DEM上每个栅格点的下降量，得到流向矩阵Mdir。
流向计算模型分别用1，2，4，8，16，32，64，128代表栅格流向正东、正东南、正南、正西南、正西、正西北、正北和正东北的8个方向，如下表
依据公式(1)，计算每个栅格点的8流向坡降值，取最大坡降方向为该点的流向。
Drop=ΔZdistance×100---(1)]]>
其中，Drop为相邻栅格的坡降值，ΔZ为相邻的栅格的高程差，distance为相邻栅格的距离。
(2)应用Arc/Info的累计流量函数计算流向矩阵Mdir每个栅格点的累计流量Macc。
(3)应用Arc/Info的条件函数计算沟谷线，如果Macc＞L，认为该栅格点是沟谷，令Mgorge＝1。
分别应用Arc/Info的Thin()与GridLine()两个函数对Mgorge进行细化与矢量化，生成沟谷线Cnet。
2.2.2山脊线的提取计算Mdir的最高海点，记为Max，将DEM进行反运算，把海拔高的区域变为低地，海拔低的区域变为高地，利用变换式DEM_1＝Max-DEM+2000得到新阵列DEM_1。重复2.2.1的处理，即可得到山脊线。
3.控制点采集与纠正处理3.1控制点采集在Arcedit的编辑与数据采集环境中，将ETM卫星图像处理为假彩色图像；调入沟谷线，用蓝色显示；调入山脊线，用红色表示。手工交互采集沟谷控制点时，选择卫星图像上可视效果好的地性线的交叉点、拐点为控制点，并保证任何小的局部区域都有控制点分布。将全部数据旋转180°后，采集山脊控制点，所有控制点构成控制点文件G。在安宁1000多平方公里的区域，G文件中的控制点达到1175个。
3.2纠正处理用Arc/Info的Adjust()函数处理控制点G文件的样本点集，采用多元回归方法，建立卫星图像平面到控制点平面的变换多项式，实现纠正。该方法是一种自适应的优化计算方法，方法依据样本点对构成的矢量方向量将变形方向一致的连续区域看作一个片区，全部区域被分成m个片区，分别在每个片区建立5个多项式进行该区域的纠正。
4.基于地性线的精纠正与误差估计卫星图像几何纠正存在的误差是随机变量，依据误差理论，其服从正态分布。建立随机起点的公理格网地图层，以格网点为单元进行随机抽样。对于抽中的格网点，寻找离该格点最近的点交互测量几何误差，各个格点上的误差集合X1，X2，...，Xn构成了误差估计的独立同分布随机样本。用样本的均值ΔX估计总体误差。ΔX的估计式为ΔX＝(X1+X2，...，+Xn)/n......(1)这里，N为样本点数目。
置信度为1-α的置信区间为{ΔX-Stn-1(α)/n1/2，ΔX+Stn-1(α)/n1/2}......(2)这里，S2＝{(X1-ΔX)2+(X2-ΔX)2+，...，+(Xn-ΔX)2}/(n-1)在Arc/Info的Adjust()进行纠正处理，得到了配准效果同一的图象，卫星图象所表达的可视地形特征与绝大多数沟谷线实现了准确配准。
在该图像上建立度量间隔为0.02度的经纬网，对格网进行编码，采区随机抽样后得到20个点的小样本。对经纬网地图进行投影，以沟谷线作为真值，使用交互式方法测量选中为样本点的网格顶点上的误差，得到样本数据，如下表
上表用于误差估计的样本点应用公式(1)求得总体的估计误差为ΔX＝30.453取1-α＝0.9，查t分布表得t(19)(1-0.1)＝1.3277，利用公式(2)，求得总体的估计区间为{30.453-11.38×1.3277/191/2，30.453+11.38×1.3277/191/2}＝{26.99，33.91}(二)本发明精纠正误差与系统级纠正误差的效果对比经过系统级纠正的卫星图像往往存在多个像点的几何误差，特别是地形变化大的山地地区，误差较大。以水系线为真值，通过手工目视测量，几何误差从190多米到200多米不等。
DEM提取的沟谷线与1∶50,000地形图上河流及其卫星影像的叠加显示，经过精纠正后，可以明显看到，水系线与沟谷线不是一个数量级别的矢量数据；水系线仅仅在大流域区才出现，沟谷线可以出现在任何地形起伏的地方，并且，以沟谷线作为真值，目视测量误差，都不超过1个像元，即30m左右。
权利要求
1.一种基于地性线的卫星遥感图像几何精纠正方法，具有步骤1)从储存媒介中调入数字DEM，计算机按地图坐标系统的坐标管理和显示该DEM，称其为数字阵列A，其特征在于2)比对A的每个点与周边8个点的海拔高低，按最大落差法，确定该点的地形最大下降方向，全部点比对完成，得到表达地形下降方向的新数字阵列，将其储存为数字阵列B；3)对A的每个点，依据B确定的方向，搜索所有连续下降到该点的其它点，累加连续下降到该点的所有点数，A的全部点搜索完毕后，得到表达地形连续累积下降量的新数字阵列，将其储存为阵列C；4)人机交互确定一个数字α，将C的每个点与α进行大小比较，如果大于α，则该点为沟谷所在区域，记为1，否则为非沟谷，记为Nodata，C的全部点比较完毕后，得到数字阵列，储存为D，其中，参数α的确定的依据是，利用计算机将D显示为黑白图像，并与地形图进行目视理解与对比，如果D的图像表达与地形吻合好，则α选取较好，否则需改变α的数值，再重新试算；5)利用阵列转化为矢量的计算方法，对D进行矢量化，得到表达沟谷的数字地图，记录为E1；6)统计计算A的最高海点，记为Max，将A的每个点调出做如下计算，用Max减去该点的数值后再加上2000，得到新阵列F；7)对F重复第1)步到第5)步的处理过程，得到山脊线矢量E2；8)从储存媒介中调入卫星图像阵列，计算机按地图坐标系统将其显示为假彩色图像，并将矢量E1与E2与其进行叠加显示，按同名地物点匹配的原则，人机交互采集同名地物点的对应坐标对(Xi，Yj)与(Ui，Vj)，并将其记录储存为文件G；9)利用自适应多格网方法，用G的样本数据拟合纠正多项式对图像进行几何精纠正。
2.根据权利要求1所述的一种基于地性线的卫星遥感图像几何精纠正方法，其特征在于步骤3)累积下降量用二插树数据结构记录结果。
3.根据权利要求1所述的一种基于地性线的卫星遥感图像几何精纠正方法，其特征在于用网格方法进行统计抽样，以计算纠正的质量和误差。
全文摘要
一种基于地性线的卫星遥感图像几何精纠正方法，特别涉及卫星遥感图像数据的识别方法。本发明步骤是调入数字DEM，每个点与周边8个点比较确定最大下降方向；累加下降到该点的下降量，储存为C；人机交互确定阈值α，C与α进行大小比较，大于α为沟谷记为1，否则记为Nodata，储存为D，对D矢量化得到沟谷线文件E
文档编号G06T5/00GK101050961SQ20071006585
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者周汝良 申请人:西南林学院