高分辨率影像的空间定位误差分析

高分辨率影像的空间定位误差分析
高分辨率遥感影像的空间几何精纠正是影像处理的一个重要步骤，其空间定位的误差与不确定性已成为遥感与GIS研究的一个热点。

高分辨率影像的空间定位误差是在几何校正、地面控制点判读和选取、1：1万地形图上地面控制点的坐标读取等过程中引入的误差而产生的，并导致误差与不确定性从地形图上传播到影像上。

为了验证高分辨率影像定位的误差，本文通过使用手持GPS进行野外测点，用实测坐标与SPOT5（2.5m）遥感影像的同名点的空间坐标进行对比，确定两者的一致性，验证SPOT5（2.5m）遥感影像的空间定位。

同时通过两台GPS平行观测，对比同步观测机的数据，分析手持GPS的误差来源以及稳定性对定位精度的影响，并探讨手持GPS测点作为高分辨率影像空间定位的可能性。

标签：高分辨率影像地面标志定位精度误差分析
0 引言
本文的遥感影像是采用法国SPOT5生成的2.5m分辨率的图像产品。

但遥感影像的获取会由于平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲而产生几何畸变，如像元大小与地面大小对应不准确，将给位置配准造成困难。

同时，进行几何校正和数据空间配准时，由于地形图的现势性弱，许多明显地物在地图上都没有显示，很难从地形图上选择符合精度的地面控制点，而且在几何校正的过程中，地面控制点的判读和选取，从1：1万地形图上选取地面控制点坐标的过程，以及使用PCI配准影像产生的误差都会将误差累积传播到最终结果，影响空间定位的精确度。

因此，本文希望通过GPS野外测量与遥感影像数据的误差计算来提高高分辨率影像定位精度。

1 高分辨率遥感影像的几何精纠正
几何精纠正的方法及原理
几何纠正包括粗纠正和精纠正两种，粗纠正根据有关参数进行纠正；经常用的是精纠正。

几何精纠正是将一幅含有几何畸变和比例尺差异的原始遥感影像，通过一种数学变换，生成一幅符合数字化地图实际的新的遥感影像。

几何精纠正的具体方法为: 先在每幅原始遥感影像上选取若干个控制点，再求出这些控制点在数字化地图上对应点的真实坐标，然后把这些已知坐标的控制点代入计算机的校正软件进行运算。

校正运算实际上包含着两个基本的运算过程: 一是将每个原始像素点的行列值换算成它在新生成的遥感影像中的坐标值，二是重新计算出每个原始像素点在新生成的遥感影像中的像元亮度值。

当所有的控制点被选好后，其校正运算的过程由计算机校正软件自动完成。

而控制点的选取则需要人工干预，其选择的准确性与合理性将直接影响到校正的处理效果。

2 东圳水库SPOT5（2.5m）遥感影像图几何纠正过程
2.1 东圳库区概况莆田东圳水库地处闽东南滨海，位于莆田市城厢区常太镇木兰溪支流的延寿溪中游地带，库区流域范围包括了城厢区常太镇大部分，仙游的钟山，游洋两镇的一小部分，以及榜頭镇的一小部分。

地势从西北向东南倾斜，地貌以低山为主，丘陵次之，山间盆地发育其中，库区森林覆盖率达80％以上。

2.2 数据源及处理
2.2.1 数据来源地形图数据：莆田市常太镇，游洋镇，钟山镇和榜头镇的地形图。

地形图标准：比例尺1：10000；54北京座标系3度分带高斯克吕格投影；56黄海高程系；5米等高距；74年版式。

一共有20张地形图。

影像图数据：东圳库区的SPOT5与TM影像融合后的影像图，共三个波段，其空间分辨率是2.5米。

2.2.2 数据处理由于利用扫描仪后的地形图存在扫描仪畸变和图纸变形，为确保整体的精度，把扫描后的文件利用Geoway软件的DRG模块进行纠正，纠正完毕后，在Mapinfo中配准地形图。

2.3 基于PCI的校正具体过程
2.3.1 参数选择：选择经纬度为影像较正单位：“Long/Latitude”，以及Pulkovo1942为基准面。

2.3.2 控制点选取：以配准好的1：1万地形图为基准，在影像图上找出和地形图上地物相匹配的明显地物作为地面控制点。

控制点选取有其要求，要求均匀分布在整个校正区域、特征要固定而明显、数量要足够。

控制点应是在原始影像中均匀分布并能正确识别和定位、在地形图上可精确定位的特征点、特征线(取其中点) 。

如固定的地形地物交叉点、河流拐弯处或交叉处、小岛、塔、桥梁、机场跑道、铁路、水坝和交叉路口等。

其具体数量应根据纠正方法的要求而定。

对于卫星影像的纠正,每景应在20-30个。

控制点不必选太多，要求均匀，在控制点分布较少的地方，误差较大。

同时可能地形图调给的时间与影像图的时间有差距，所以选取的点必要是固定点，即不可能发生变化的点。

控制点的选取很重要，控制点选择好坏，决定误差的大小，影像较正效果的好坏。

寻找控制点，在已经配准后的地形图中得到其坐标，确定后，在PCI的编缉窗口中输入控制点坐标。

在东圳水库整个流域范围内，一共选择了32个控制点（如图一），比较每个控制点的误差，把误差较大的控制点去掉，最终接受了
20个点（如图二），控制点的分布在北面的山区选择控制的误差较大，基本上去除掉，这是受到在山区无明显、固定的地物，不容易选择控制点的影响。

在控制点的数最不少于多项式的系数个数情况下，适当增加GCP的个数，可以提高几何纠正的精度，因此，选取更多的控制点，可以达到更好的效果。

在本次操作中选择的多项式次数为二次，此时的控制点个数可以满足要求，并且其误差是最小的。

假如要研究遥感影像的校正公式，PCI软件提供了导出使用的多项式，以及通过校正得出的多项式的各个系数，同时可以在控制窗口观察控制点在X 和Y 方向上的偏移程度。

3.3.3 执行较正选取重采样的方法：在本次操作中选择最邻近法（Nearest），最后点击“Perform Registration”完成较正。

3.3.4 精度计算以“RMS”的大小来检验得到影象校正效果好坏。

“RMS Error”为误差，单位为像元。

影象的校正效果要达到没有或极小误差的难度比较大，通常情况下，都允许一定范围的校正误差，校正结果在误差范围内的校正影象都是可以使用的。

影象误差是原控制点的坐标与通过变换后坐标的差值。

各点的误差的计算公式如下所示：
RMS=[(Xi-xi)+(Yi-yi)]1/2
Xi，Yi是变换后控制点的坐标，xi，yi是变换前控制点的坐标。

窗口中的RMS Error是总体的误差值，即T是由所有控制点在X方向上的RMS和Y方向上的RMS决定的，如下：
T=（R2x+R2y）1/2
在PCI 的控制窗口中读取的误差RMS Error是校正过后影像的误差，即所有控制点总体误差。

而在前面选取控制点地程中，控制点编缉窗口中可以读取Residual x,y，为每个控制点的在X、Y方向上的总体误差，Error则是单个控制点在X、Y方向上的误差。

在控制点编缉窗口中读取这次操作的误差为0.91，0.90；误差的范围在一个像元内，莆田影像的一个像元大小是2.5*2.5米。

这次操作的结果能够满足精度要求。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。