基于控制點影像庫的遙感影像幾何糾正研究

勾金榮 鐘自明 劉 博

（1.黑龍江龍誠福測地理信息技術有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江省第五測繪地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150081；3.黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

隨著衛星及遙感技術的深度發展，衛星遙感影像的應用領域范圍也在不斷壯大，在農業、林業、草原、海洋、城市規劃、自然資源管理、環境保護等很多領域發揮著重要的作用。衛星影像具有時效性強、分辨率高、地理信息豐富、覆蓋范圍廣等特點，為國民經濟發展和經濟建設提供了重要的空間信息參考數據，但是獲取到的衛星影像一般需要進行幾何糾正后才能與對應坐標系的空間數據進行疊加，在衛星影像幾何糾正過程中，需要對影像覆蓋區域采集控制點，如果對于每一景影像在作業前都重新采集控制點，那么相關的工作量是十分巨大的。目前較為方便的做法是利用計算機軟件技術，將預先采集好的控制點以數據庫的形式進行分類存儲，在需要對影像進行幾何糾正的時候調用對應的控制點，達到提高控制點使用效率的目的。

1.關鍵技術及基礎理論研究

1.1 控制點影像

控制點影像是對衛星影像控制點的一種升級和再利用?？刂泣c影像一般指的是裁切成寬高等比例像素的正方形影像塊，一般以2的幾何次方的像素寬高積制作，例如，32×32、64×64、128×128、256×256等。原則上，控制點影像分辨率寬高積不超過512×512，過大的控制點影像會占用較多的存儲空間?？刂泣c影像的特點是單張圖片較小、整體占用存儲空間較大、表達影像紋理直觀、準確記錄控制點信息等?？刂泣c影像一般還包含控制點的基本元數據，例如，坐標信息等。在同一幅影像中，控制點影像的選取盡量均勻分布于影像畫幅中?？刂泣c影像表達了控制點的空間信息及輔助信息，從控制點影像中，不僅能夠查看控制點的坐標，而且還可以查看影像使用的橢球參數、坐標系、影像采集傳感器類型、影像分辨率等信息，以及在影像采集時人為加入的一些備注信息，控制點影像示例（如圖1所示）：

圖1 控制點影像示例

1.2 影像配準

影像配準是指將兩幅影像重疊區域利用控制點轉換為相同坐標系的立體像對，或者將多幅影像，通過變換放在相同的坐標系中，從而實現影像套疊使用的一系列操作過程。影像配準一般分為灰度匹配和特征值匹配等兩種方法，其中特征值匹配方法能夠解決不同分辨率、不同亮度、異構視角的影像匹配需求。一般的配準步驟為：首先建立尺度空間，找到同名點，通過算法剔除誤匹配點，找到同名點的導向特征值，然后提取導向特征值屬性，最終實現影像配準。

1.3 影像幾何糾正

影像幾何糾正是讓衛星影像在一定范圍內進行圖像變形，變形后影像的投影滿足目標坐標系的相關參數，常規做法是，首先建立符合需求的模型、確定范圍、修補漏洞、空間變換、影像重采樣、影像輸出等。在幾何糾正過程中，首先要找到原始影像的坐標系，然后確定目標影像的坐標系，建立轉換模型，通過計算得出目標影像同名像點的位置。在轉換過程中要充分考慮到地表起伏、大氣折光、相機鏡頭畸變等外因，利用共線方程進行計算，得出目標像點的位置。

2.控制點影像庫的建立

2.1 控制點影像數據庫設計

2.2 控制點影像管理系統

控制點影像管理系統以控制點影像數據為核心，按照不同的功能劃分為多個子系統和若干個功能模塊，負責控制點影像的采集、存儲、維護和檢索。同時，控制點影像庫管理系統還能夠對影像控制點進行選取，并且能夠動態分析選取到的控制點的冗余程度，剔除誤匹配的控制點，建立成像模型，滿足地理信息數據加工生產過程中衛星影像糾正的需求?？刂泣c影像管理系統的子系統和功能模塊（如表2所示）：

表2 控制點影像管理系統

數據庫表設計。系統數據庫采用PostgreSQL，數據庫表之間關系符合第三范式，系統之間的關系E-R圖（如圖2所示）：

圖2 數據庫表E-R圖

數據庫各表之間的描述（如表1所示）：

表1 數據庫表描述

影像數據采集子系統包括4個子模塊，實現控制點的讀取、屬性錄入、影像查找、控制點影像裁切等功能，其主界面（如圖3所示）：

圖3 影像數據采集子系統的主界面

影像庫管理子系統主要負責管理系統的用戶和工程，用戶的每一步操作都被記錄為日志，可以在操作錯誤后回退，最多可以回退50步，并實現了簡單的數據編輯和空間分析功能；控制點影像庫數據檢索子系統可以按照行政區劃或代碼快速查找系統中保存的控制點影像，及時調用，并可以查看控制點影像的整體分布情況。

3.影像幾何處理

3.1 特征點誤匹配剔除算法

異構的衛星影像，按照分辨率相同和分辨率不同分為兩類。當分辨率相同時，影像特征點選取特征點連線的距離和斜率作為參考（如圖4所示）；當分辨率不同時，影像特征點選取特征點連線的延長線的交匯點作為參考（如圖5所示）。目前便于計算的方法是利用聚合法找到誤匹配的點，然后利用配積方法剔除誤匹配點。

圖4 分辨率相同特征點的關系

圖5 分辨率不同特征點的關系

特征點誤匹配剔除算法步驟（如表3所示）：

表3 特征點誤匹配剔除的算法執行步驟

3.2 成像模型

從像點坐標到物方坐標記作：（l，p）→（X，Y，Z），共分為六步。

第一步，計算l行p列像素所對應的成像時間如式（1）所示：

式（1）中，tc為中央掃描行的攝影時間；lsp為每行的掃描時間；lc為中央掃描行的行號。

第三步，通過p列的成像傾角（ψx）p和（ψy）p計算（l，p）在坐標系下的成像方向矢量，如式（4）和式（5）所示：

式（9）至式（11）中ap（ti）、ar（ti）、ay（ti）分別為時刻衛星的姿態角，可以從輔助數據文件中獲取。

式（17）中，X2、Y2、Z2為軌道坐標系O－X2Y2Z2的三個坐標軸方向矢量。

圖6 成像方與參考橢球交會

綜上，以共線方程的形式寫作如式（20）所示：

獲得導航坐標系下的成像方向矢量與地面坐標系的觀測方向的關系；投影中心為（XP，YP，ZP），坐標矢量為（X，Y，Z），投影系數為u，旋轉矩陣如式（21）所示：

最終可得共線方程如式（22）和式（23）所示：

3.3 幾何糾正

在作業過程中，收集作業范圍內的控制點影像，及時錄入控制點影像數據庫；在應用過程中，通過檢索控制點影像數據庫快速找到特征點，應用特征點剔除算法去掉誤匹配的特征點，加載成像模型相關算法，實現對遙感影像的幾何糾正，數據處理完畢后，將請求提交到服務器，進行影像重采樣，這個步驟的處理時間較長，最終得到糾正后的影像成果。

4.結束語

本論文通過建立控制點影像數據庫，快速完成衛星遙感影像的幾何糾正，首先將控制點影像裁切成合適像素的圖幅，利用數據庫技術對控制點影像進行存儲，提高了檢索效率；其次利用控制點影像庫數據快速匹配影像特征點，剔除誤匹配點，建立成像模型，從而提高了衛星遙感影像的幾何糾正效率。