专利名称：山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法
技术领域：
本发明涉及一种山区多光谱遥感卫星影像的几何纠正与正射校正方法，尤其涉及一种航空航天领域所需的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，属于山区多光谱遥感卫星影像的计算机处理领域。
背景技术：
遥感卫星影像的几何纠正与正射校正是遥感影像预处理的基础性工作，也是后期应用遥感卫星影像开展如生态环境监测、灾害监测与评估等方面的关键步骤。实际应用中，遥感卫星影像的几何畸变比较严重，图I示出了典型遥感卫星影像的几何畸变的原理，该图可广泛见于教科书中，如高等教育出版社出版、梅安新主编的《遥感导论》，科学出版社出版一书的第二版(2001年7月)，赵英时主编的《遥感应用分析原理与方法》一书第一版(2003年6月)第36页及第178页就列出了该图。从图中可以看出，这些几何畸变有的是由于卫星的姿态、轨道、地球的运动和形状等外部因素引起的；有的是由于传感器本身结构性能和扫描镜的不规则运动、检测器采样延迟、探测器的配置等外部因素所引起的；也有的则由于纠正上述误差而进行一系列换算和模拟而产生的处理误差。这些误差有的是系统的，有的是随机的，有的是连续的，有的是非连续的，十分复杂，它们构成了遥感卫星影像所固有的结合特性。遥感卫星图像的定位，一般是由卫星跟踪系统所提供的卫星轨道和姿态参数，根据卫星轨道公式进行的。由于所提供的卫星参数尚不足以精确的确定每个象元的地理位置，所以影像中的几何定位残差非常大。人们若需要得到高定位精度的遥感数据，需通过地面控制点信息，研究和改进遥感图像的几何精纠正方法，纠正影像中的几何误差。然而，图I仅仅描述了卫星遥感影像的几何畸变，由于偏离星下观测地形导致的定位畸变没有给出描述。在山区，除了以上的几何畸变外，还存在着由于偏离卫星星下观测的起伏地形造成的山体定位误差，即山区多光谱遥感卫星影像还存在着由于偏离卫星星下观测的起伏地形造成的山体定位误差。卫星偏离星下观测导致的几何定位误差国内文献较少报道。美国 J. Storey 于 2006 年发表的 LANDSAT 7 Image Assessment System(IAS)geometric Algorithm Theoretical Basis Document 一文的第 117 页中关于 Landsat (地球资源卫星)上搭载的TM (Thematic Mapper,专题制图仪)传感器的文章里提到正射校正的算法，并给出了由于卫星偏离星下观测导致的几何畸变规律，见图2的遥感卫星影像地形校正的几何原理示意图。然而，该原理仅适用于卫星垂直向下观测的规律。中国最新发射的环境减灾小卫星星座具有重复访问周期短、影像覆盖面积大的优势，该星座具有2颗光学卫星(型号HJ1A/B)，卫星上各搭载两颗同底安装的C⑶相机，编号分别为CXDl与(XD2，相机之间呈30°夹角。由于相机间存在30°夹角，因此，环境减灾卫星获取的影像为侧视影像。其成像规律与传统的垂直向下观测TM(Thematic Mapper,专题制图仪)、CBERS (中巴地球资源卫星)等影像不同，影像的几何定位误差分布规律也有很大区别。中国国产环境减灾卫星同时获取的CXDl和(XD2影像共享星下基线，因此，星下基线位于CXDl与(XD2获取影像的重叠区域。沿着星下基线，降轨工作的CXDl影像位于右侧，地物坐标受地形影响自西向东误差逐渐增大，CCD2的误差分布规律则相反，而传统的单传感器影像畸变规律是由影像中心向两侧逐渐增大，见图3所示中国国产环境减灾卫星拍摄多光谱卫星遥感影像的获取影像示意。同时，国产环境减灾卫星(HJ-1A/B)的设计幅宽为360公里，而TM的设计幅宽为185公里，由于TM的星下基线位于影像中心，而国产环境减灾卫星(HJ-1A/B)位于影像边缘，因此，国产环境减灾卫星(HJ-1A/B)由中心至影像远端边界的距离为360公里，而TM仅93公里左右，环境减灾卫星的畸变更大。根据图4所示的地形及星下点基线对像元坐标精度影响拟合图进行理论分析，在环境减灾卫星影像边界，当象元点海拔为2000m时，环境减灾卫星影像由于偏离星下观测而造成的误差将达到1km，约合33个象元。因此，在校正之前，需要确认获取的国产环境减灾卫星(HJ-1A/B)影像的升降轨类型及其C⑶相机编号，以了解其影像的基本几何误差分布规律。侧视影像的景中心位置与垂直观测的影像不同，环境减灾卫星降轨影像CXDl相机影像景中心位置偏左，(XD2偏右，见图3所示。因此，采用传统的算法原理开展几何畸变很大、导致原因复杂的山区侧视多光谱遥感卫星影像如中国国产环境减灾卫星拍摄的多光谱遥感卫星影像的几何纠正与正射校正，无法准确的纠正影像中的畸变，尤其是地形弓I起的几何畸变。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够高效率、高精度处理的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案本发明所述山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，包括以下步骤(I)基准影像的选择与拼接a、基准影像的选择基准影像满足以下条件整体云覆盖量小于5%;不同平台影像及邻近影像接边处配准误差小于O. 5个象元；b、基准影像的拼接拼接基准影像的近红外波段；(2)同名地物点的自动选择a、在基准影像和纠正影像上分别布设核窗口和搜索窗口，所述纠正影像为待纠正和校正的山区多光谱遥感卫星影像，下述亦然；b、将基准影像上核窗口内的关联点投影至纠正影像，然后以关联点为中心，计算纠正影像与基准影像的核窗口内的相关系数；c、在待纠正影像的搜索窗口内移动该核窗口，并计算相应核窗口内的相关系数；d、当搜索窗口内的核窗口全部计算后，若存在关联点核窗口的相关系数大于设定的阈值条件，且搜索窗口满足条件的关联点小于关联点数量上限阈值条件时，将相关系数最大的点认为是该窗口内的同名地物点；否则该搜索窗口内未找到同名地物点；(3)同名地物点的筛选、纠正影像的几何纠正与正射校正a、同名地物点的筛选对纠正影像进行边缘检测，估算出星下基线斜率，然后根据从纠正影像头文件获取的影像中心点坐标与卫星的设计高度，估算出纠正影像中心点坐标对应的星下点坐标，进而根据点斜式线性方程估算出纠正影像星下基线方程截距；在获取星下基线方程后，将该基线方程投影至基准影像，结合基准影像上同名地物点对应数字高程模型DEM的高程信息与卫星高度，计算每个基准影像上同名地物点偏离星下点的地形偏移，叠加上每个同名地物点的对应的偏移以恢复成为与纠正影像一致的观测条件；b、纠正影像的几何纠正所有同名地物点拟合获取的多项式均方根误差不能超过O. 75个像元，否则去除拟合误差最大的点重新拟合多项式系数，并再次计算拟合多项式的均方根误差，同名地物点的预测几何定位误差大于I个像元时，去除该点，当所有同名地物点均满足纠正要求时，根据满足筛选条件控制点拟合获取多项式系数，对纠正影像的每个象元位置进行重新计算；C、纠正影像的正射校正结合纠正影像的星下基线方程、卫星高度及数字高程模型DEM的数据，根据每个象元经过几何纠正后新的坐标信息，计算每个象元距星下基线的垂直距离，再计算每个象元由于偏离星下观测而导致的坐标偏差，去除由于偏离星下观测导致的偏差而完成正射校正；d、计算完毕后，对原始影像的光谱特征进行重采样；(4)精度评价通过光谱匹配，在基准影像和输出的正射校正结果之间搜索同名地物点作为验证点，将验证点按照影像中心分为左上、右上、左下、右下四个象限，分别判断每个象限内同名地物点配准误差，仅当四个区域的验证点比例均大于60%时，报告当前影像通过验证，否则增加配准多项式阶数配准后返回步骤(2)重新进行几何纠正与正射校正； (5)影像输出当达到程序收敛条件后，以纠正影像的原始影像范围输出经过几何纠正与正射校正的影响。作为优选，所述步骤(2)中，将基准影像上核窗口内的关联点按下述公式的坐标投影至纠正影像
<(式 I)
权利要求
1.一种山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于包括以下步骤 (1)基准影像的选择与拼接a、基准影像的选择基准影像满足以下条件整体云覆盖量小于5% ;不同平台影像及邻近影像接边处配准误差小于O. 5个象元；b、基准影像的拼接拼接基准影像的近红外波段； (2)同名地物点的自动选择a、在基准影像和纠正影像上分别布设核窗口和搜索窗口，所述纠正影像为待纠正和校正的山区多光谱遥感卫星影像，下述亦然；b、将基准影像上核窗口内的关联点投影至纠正影像，然后以关联点为中心，计算纠正影像与基准影像的核窗口内的相关系数；c、在待纠正影像的搜索窗口内移动该核窗口，并计算相应核窗口内的相关系数；d、当搜索窗口内的核窗口全部计算后，若存在关联点核窗口的相关系数大于设定的阈值条件，且搜索窗口满足条件的关联点小于关联点数量上 限阈值条件时，将相关系数最大的点认为是该窗口内的同名地物点；否则该搜索窗口内未找到同名地物点； (3)同名地物点的筛选、纠正影像的几何纠正与正射校正a、同名地物点的筛选对纠正影像进行边缘检测，估算出星下基线斜率，然后根据从纠正影像头文件获取的影像中心点坐标与卫星的设计高度，估算出纠正影像中心点坐标对应的星下点坐标，进而根据点斜式线性方程估算出纠正影像星下基线方程截距；在获取星下基线方程后，将该基线方程投影至基准影像，结合基准影像上同名地物点对应数字高程模型DEM的高程信息与卫星高度，计算每个基准影像上同名地物点偏离星下点的地形偏移，叠加上每个同名地物点的对应的偏移以恢复成为与纠正影像一致的观测条件山、纠正影像的几何纠正所有同名地物点拟合获取的多项式均方根误差不能超过O. 75个像元，否则去除拟合误差最大的点重新拟合多项式系数，并再次计算拟合多项式的均方根误差，同名地物点的预测几何定位误差大于I个像元时，去除该点，当所有同名地物点均满足纠正要求时，根据满足筛选条件控制点拟合获取多项式系数，对纠正影像的每个象元位置进行重新计算；c、纠正影像的正射校正结合纠正影像的星下基线方程、卫星高度及数字高程模型DEM的数据，根据每个象元经过几何纠正后新的坐标信息，计算每个象元距星下基线的垂直距离，再计算每个象元由于偏离星下观测而导致的坐标偏差，去除由于偏离星下观测导致的偏差而完成正射校正；d、计算完毕后，对原始影像的光谱特征进行重采样； (4)精度评价通过光谱匹配，在基准影像和输出的正射校正结果之间搜索同名地物点作为验证点，将验证点按照影像中心分为左上、右上、左下、右下四个象限，分别判断每个象限内同名地物点配准误差，仅当四个区域的验证点比例均大于60%时，报告当前影像通过验证，否则增加配准多项式阶数配准后返回步骤(2)重新进行几何纠正与正射校正； (5)影像输出当达到程序收敛条件后，以纠正影像的原始影像范围输出经过几何纠正与正射校正的影响。
2.根据权利要求I所述的多光谱遥感卫星影像的几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(2)中，将基准影像上核窗口内的关联点按下述公式的坐标投影至纠正影像
3.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(2)中，按下述公式计算纠正影像与基准影像的核窗口内的相关系数
4.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(2)中，设定的核窗口大小为7X7个象元，搜索窗口大小为50X50个象元。
5.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(2)中，阈值为O. 75，设定的搜索窗口内满足阈值条件的最大个数为3个。
6.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(3)中，“估算纠正影像中心点坐标对应的星下点坐标”、“对纠正影像的每个象元位置进行重新计算”和“计算每个象元由于偏离星下观测而导致的坐标偏差”均采用以下公式
7.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(3)中，采用以下公式计算每个同名地物点偏离星下点的地形偏移
8.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(3)中，根据以下公式拟合获取的多项式
9.根据权利要求I所述的山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，其特征在于所述步骤(3)中，重采样方法为最邻近法、二次内插法或三次卷积法。
全文摘要
本发明公开了一种山区多光谱遥感卫星影像的自动几何纠正与正射校正方法，包括以下步骤基准影像的选择与拼接；同名地物点的自动选择；同名地物点的筛选、纠正影像的几何纠正与正射校正；精度评价；影像输出。山区多光谱遥感卫星影像如中国国产环境减灾卫星(型号HJ-1A/B)影像，具有几何畸变严重的特点，本发明通过引入同名地物点的概念进行自动几何纠正与正射校正方法，能够实现批量化完成山区多光谱遥感卫星影像的正射纠正，并生成相关影像的残差报告，具有高效率、高精度的优点，对海量数据的山区多光谱遥感卫星影像处理非常有效，显著节省了传统遥感影像处理过程所需的人力物力，尤其对中国国产环境减灾卫星影像的处理非常有利。
文档编号G06K9/32GK102968631SQ201210477410
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者李爱农, 边金虎, 蒋锦刚, 雷光斌 申请人:中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所