卫星遥感图像处理几何精度分析评价

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卫星遥感图像处理几何精度分析评价
点数可以提高正射校正精度，但过多增加 GCPs 数量，则不会显著提高精度。 由图 2-4 可以知道每个 CPs 点的平面误差最终都平稳在某个值附近，它由决定校正成果
精度的 GCPs 所控制，即 GCP 位置精度越高，则校正精度越高。
三、实测与图解控制点几何校正精度比较
一、引言
进入新世纪以来，随着信息技术的快速发展，卫星遥感技术得到了突破性进展，特别是 近几年法国的 SPOT5、美国的 QUOIKBIRD、IKONOS 高分辨率卫星遥感数据产品面世后，卫星 遥感数据在国民经济各个行业及领域得到广泛应用，促进了各应用行业的科技进步和管理水 平，并产生了良好的社会、经济效益。高分辨率卫星遥感在国土资源调查评价、土地利用动 态监测、土地变更调查以及中大比例尺地形图测绘等方面已得到初步应用，取得了可喜的成 果［1］。高分辨率卫星遥感图像具有信息内容丰富，现势性强、调查和成图周期短、成本低的 优势,是当前地图更新和国土资源调查、监测、规划首选的信息数据源，具有广泛的应用前景。
高分辨率卫星遥感在国土资源调查、动态监测、土地变更调查以及地形图测绘等方面应 用，需要经过专业的各种影像增强处理、分类信息提取、遥感解译、面积平差计算统计、野 外检查、综合分析等，然后按不同专业的国家标准分别制作成专题系列图，并建立图形、图 像、专业属性数据建库及集成地理信息系统，对地面上具体地块的定位、定量精度要求较高。 遥感图像的形成，由于受诸多因素如遥感平台位置和运动状态变化、地形起伏、地球表面曲 率的影响，在几何位置上发生了变化，产生诸如行列不均匀，像元大小与地面大小对应不准 确，地物形状不规则变化等畸变。遥感影像的总体变形是平移、缩放、旋转、偏扭、变曲及 其它多变形综合影响的结果。产生畸变的图像不能直接用于定位和定量分析。遥感数据接收 后，首先由接收单位对遥感平台、地球传感器的各种参数进行部分处理和校正，但仍满足不 了用户的要求，需要作进一步的几何校正或正射校正［2］。
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误差、平均误差、标准偏差，见表 2 和图 2
表 2 不同控制布点数量几何校正误差统计对比表(10 米分辨率)
30 个 GPS 控制点均匀分布
10 个 GPS 控制点周边分布
点位坐标和距离误差 图上距离误差 点位坐标和距离误差 图上距离误差 误差统计类型
(m)
(mm)
5.000 0.000
不同数量控制点几何校正点位误差比较图(10米分辨率)
30个GPS点控制 10个GPS点控制
图 2 不同控制点数量几何校正中误差比较图 为了进一步验证遥感图像二次多项式几何校正精度与校正控制点数量关系,我们选择位于 Quickbird 遥感影像同一地区的 SPOT 遥感数据再次进行了试验。试验范围约 1100 平方公里， SPOT 遥感影像空间分辨率为 10 米。在试验范围内实测了 80 个 GPS 个作为二次多项式校正的 控制点和检查点，选择两种布点方案：一是以图像周边控制为主布设了 10 个 GPS 控制点，其 余的 GPS 点作为检查；二是在满足图像周边控制的基础上均匀布设了 30 个 GPS 控制点，其余 的 GPS 点仍作为检查点。应用 ERDAS 图像处理软件，输入 SPOT 遥感数据参数和地图投影参数， 逐点采集和键入 GPS 控制点的图像坐标、大地坐标，计算机软件自动解算控制点、检查 点 X、Y 方向几平面距离的残余误差△X、△Y、△S，再由校正后 GPS 控制点的残差统计为中
-10
-15 GCPs数量（个）
G40△X 47△Y 45△X
G40△Y 46△X 45△Y
G43△X 46△Y 44△X
G43△Y 49△X 44△Y
G82△X 49△Y 43△X
G82△Y 50△X 43△Y
47△X 50△Y
（2）检查点（CPs）平面误差分布图（图 4）：
图 4 检查点（CPs）平面误差分布图 3、结果分析 本试验区为丘陵地区，高差不超过 200 米，由表 2-3 可知，地物点平面精度对最近野外 控制点的中误差不大于 5.0m,点位最大误差不大于 10m； 由图 2-4 可以看出，使用 5、6、7、8 个 GCPs（控制点）时 Cps 的平面误差不够稳定，使用 9、 10、11、12、······18、19、20 个 GCPs 时 Cps 的平面误差则趋于平稳。因此，适当增加 GCPs
平均误差 6.29 6.64 10.25 0.21 0.41 6.24 7.51 10.98 0.22 0.44 从表 2、图 2 中二种不同控制布点几何校正中误差统计图、表看，10 个、30 个控制点参
与校正的几何误差，ΔX 分别为 9.57 米和 9.47 米,相差 1.10 米,ΔY 分别为 9.79 米和 8.75 米, 相差 1.04 米,ΔS 分别为 13.69 米和 12.89 米只相差 0.80 米。而实地 1.10 米、1.04 米、 0.80 米差值，化算成 1∶5 万图（SPOT10 米分辨率图像成图比例尺一般为 1∶5 万）上分别 0.022 mm 、0.021 mm 和 0.016mm,不足 0.10mm。这说明采用 10 个和采用 30 个控制点的几何 校正精度相近或相同，而采用 10 个控制点比采用 30 个控制点节省了工作时间和大量经费。
2.906 2.812 7.29
2.079 2.584 6.223
2.010 2.838 7.152
1.955 2.726 6.22
1.963 2.980 7.276
12 2.050 2.818 6.939
20 1.940 2.951 7.523
误差（米）
15
10
5
0
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 -5
米、0.175 米、0.171 米，这说明从 10 个控制点增加到 20 个控制点，遥感图像几何精度并没 有随着控制点增加而提高精度，说明遥感图像几何校正在满足一定精度的前提下，对控制点
的数量要求并不是越多越好。
（二） SPOT 遥感图像二维校正
40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000
2005 年中国科协学术年会论文集
卫星遥感图像处理几何精度分析评价
蒲体信⒈ 吴敏宁⒉ （⒈四川省国土勘测规划研究院，成都 610031；⒉成都市国土资源局，成都
610031）
摘 要：本文通过高分辨率卫星遥感图像几何校正的多种方法试验结果，分析阐述了在不同 基础控制精度、不同地面控制点数量等条件下，遥感图像的几何、正射纠正的制图精度。对 提高卫星遥感图像几何校正精度，具有一定参考价值。 关键词：卫星遥感 控制点 图像校正 几何精度
2.918 2.080
1.894
△Y 2.820 △max 9.588
4.787 -9.792
3.183 9.605
3.411
2.923
8.730 续表 3
7.486
2.701 6.325
2.793 6.912
13
14
15
16
17
18
19
△X 2.055 △Y 2.703 △max 6.433
1.996 2.832 7.187
△ —— 控制点 ○ —— 检查点 图 3 控制点（GCPs）和检查点（CPs）的分布图
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2.结果与分析
（1）检查点（CPs）平面中误差△X、△Y 和最大误差△max（表 3）： 表 3 检查点平面误差统计表（单位：米）
5
6
7
8
9
10
11
△X 2.901
4.236 3.670 2.202
控制点数量
10 个 GPS 点 15 个 GPS 点 20 个 GPS 点
表 1 不同控制点数量几何校正中误差比较
实地（m）
图上（mm）
△X
△Y
△S
1∶5 千 1∶2 千
0.891
2.224
2.396
0.479
1.198
0.904
2.399
2.567
0.513
1.283
0.802
2.261
2.417
（三）SPOT5 图像正射校正
1.试验方法 采用 IMAGINE OrthoBase 软件［4］，选取 5 至 20 个地面控制点和数字高程模型 DEM，依次 进行正射校正，每次校正时注意使点位均匀分布，保存各次校正成果（共 16 个成果）。选取 10 个外业控制点作为检查点（CPs），量取图面坐标，计算不同点数参与控制的各种情况下的 中误差。根据每个检查点（CPs）在各次校正成果中的误差趋势，分析成果精度与控制点（GCP） 数量的关系。控制点（GCPs）和检查点（CPs）的分布如下图（图 2-3）：
0.483
1.208
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3.000 2.000 1.000 0.000
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不同控制点数量几何校正中误差比较图
来自百度文库
△X
△Y
△S
10个GPS点 15个GPS点 20个GPS点
误差（米）
图 1 不同控制点数量几何校正中误差比较图 从表 1、图 1 中三种不同控制布点几何校正中误差统计图、表看，10 个、15 个、20 个 GPS 像控点△X 中误差均小于 1.0 米,△Y 中误差均小于 2.4 米，平面距离△S 中误差均小于 2.6 差。三种不同控制布点方案在坐标 X、Y 方向和平面距离的误差值差异很小，分别为 0.10
目前主要采用两种数学模型对遥感影像进行几何精度校正。平坦地区或地面高差较小的
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卫星影像，一般采用二维多项式模型；地面起伏较大不能满足定量分析或制图精度的卫星影 像，采用三维数字微分纠正模型。二维多项式模型近似地描述了影像纠正前后的坐标关系， 并利用控制点的图像坐标和理论坐标（控制点的实测坐标或地形图上坐标），按最小二乘原理 求解出多项式中的系数，然后以此多项式对图像进行几何纠正［3］。三维数字微分纠正模型是 利用数字高程模型（DEM）进行数字微分纠正，通过对图像上因地面起伏引起的像点位移进 行逐点改正，得到影像比例尺完全一致的正射影像。大量实践证明，遥感影像的几何校正精 度与地面控制点的位置、数量、定位精度等级有关，与遥感影像的分辨率有关，与数字高程 模型（DEM）精度有关。
(m)
(mm)
ΔX ΔY ΔS 1/5 万 1/2.5 万 ΔX ΔY ΔS 1/5 万 1/2.5 万
中误差 9.47 8.75 12.89 0.26 0.52 9.57 9.79 13.69 0.27 0.55
标准偏差 7.12 5.74 7.87 0.16 0.31 7.30 6.33 8.23 0.16 0.33
遥感图像的几何校正的控制点有二种，一是用测量仪器如全站仪或卫星定为仪 GPS 实测， 二是图解，从数学精度较高的基础地理图（通常为地形图）上选取不易变化的明显地物点（如 道路叉口等）作为控制点。对遥感图像定位精度要求高主要采用实测控制点，而对定位精度 要求较低一般采用在地形图选择控制点进行几何校正。实践证明，遥感图像的几何校正采用 实测控制点比选取地形图明显地物点作为控制点精度高，一般实测点定位精度较高，图解点 定位精度较低。图解控制点的几何精度还与图件比例尺有关，比例尺越小，图解精度越低。 实测和图解点两者校正图像差异到底有多大，用 SPOT10 米分辨率图像采用这两种控制点进行 几何校正，校正后点位误差统计情况见表 4 和图 5。
二、不同控制布点数量几何校正精度分析 （一） Quickbird 图像二维校正
航空摄影测量控制布点实践表明，航空摄影测量的几何精度与控制点本身精度等级、布 点位置及布点数量密切相关，控制点数量并不是越多越好，控制点只要保证必需的位置分布 和保持一定数量就可以了，数量太多增大野外作业成本，数量太少不能满足成图精度要求。 同样,卫星遥感图像的几何校正精度与控制点的精度等级、布点位置及布点数量有关，采用二 维多项式模型最少需要 4 个控制点，为了增加多余观测条件，以检核粗差，一般布设的控制 点数量不少于 9 个。下面是我们对一景范围内 Quickbird 遥感图像,布设了 25 个 GPS 点，分 别按 10 个、15 个、20 个 GPS 像控点和 15 个、10 个、5 个检查点三种方案，采用二维多项式 模型进行校正的精度统计结果。