MODIS遥感影像的几何精校正_以阿勒泰地区为例

以阿勒泰地区为例

钞振华1,陈全功2

(1.甘肃农业大学草业学院,甘肃兰州 730070;

2.兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州 730020)

摘要:遥感资料的准备和处理是遥感技术在实际应用中的核心工作,几何精校正是利用地面控制点(GCP)对遥感影像进行的几何校正。研究在对阿勒泰地区草地监测时用ERDAS IM AGINE软件对MODIS资料进行几何精校正,主要对相关模型参数设置、控制点输入和几何精校正作了探讨。结果表明:影响几何精校正的因素,主要表现在GCP的数量、分布和定位精度及校正方法和重采样方法。

关键词:MODIS资料;阿勒泰地区;几何精校正;地面控制点GCP;ERDAS IM AGIN E软件

中图分类号:S127 文献标识码:A 文章编号:1009-5500(2005)02-0035-03

遥感影像的应用主要解决定性和定位问题,即回答是什么,在何处。当遥感图像在几何位置上发生了变化,产生诸如行列不均匀,像元大小与地面对应不准确,地物形状不规则变化等畸变时,即说明遥感影像发生了几何畸变[1]。同时,随着遥感技术的应用不断发展,人们在应用遥感数据的时候往往需要各种多源数据,它们可以是来自不同的波段,不同的传感器,不同的时间。这些多源数据在使用时,必须具有较高的空间配准精度。这就需要对获取的原始影像进行高精度的几何纠正。几何纠正的目的在于把原始影像投影到控制点所在的投影平面上,而原始影像本身也是一个投影平面。因此,几何纠正的过程就是把目标由一个空间转向另一个空间转换的过程。

MODIS(M oder ate Resolution Im ag ing Spectr o-r adiometer)是EOS-AM1系列卫星的主要探测仪器,也是EOS T er ra平台上唯一直接发布的对地观测仪器。MODIS是一种按照摇扫扫描成像的辐射计系统,是当前世界上新一代 图谱合一 的光学遥感仪器,具有36个光谱通道,分布在0.4~14.4 m电磁波谱范围内。M ODIS仪器的星下点空间分辨率分为250m,

收稿日期:2004-04-26

基金项目:科技部社会公益研究专项资金 主要草地类型

承载力评定及管理研究 (2001DIB00149)

作者简介:钞振华(1977-),男,河南新野人,在读硕士。500m,1000m,扫描宽度为2330km,穿轨迹视场 55 。在对地观测过程中,每秒可同时获得6.1兆比特的来自大气、海洋和陆地表面的信息,每日或每两日可获取1次全球观测数据。其位置和带宽的选样,保证对地面或大气成像的最佳条件。在ARC/INFO数字化的矢量地形图的基础上,本文用ERDAS IMAG-INE软件对阿勒泰地区2002年7月19日3个波段的M ODIS影像进行了几何精纠正,影像的空间分辨率250m两景、500m一景。其中M ODIS资料由甘肃省气象局提供。

1 研究区概况及方法

阿勒泰地处E85 31 ~91 4 ,N45 00 ~49 11 ,本区境内有山地、平原、沙漠3大地貌特征,北部和西南部分别为阿尔泰山和萨吾尔山,中部为额尔齐斯河与乌仑古河老冲积平原。乌仑古河以南是准噶尔盆地北缘的丘陵平原和古尔斑通古特大沙漠的一部分。此外在海拔1100~1400m的阿尔泰山低山地带还发育着一些大小不等的断陷盆地。总的地势北高南低、东南高西北低。

本研究利用遥感技术对该区2002年的草地资源进行了监测,重点探讨了在图像处理过程中的几何精校正方法及其精度评价。

2 几何精纠正的基本原理

几何畸变有多种校正方法,但常用的是一种通用的精校正方法,适合于在地面平坦,不需考虑高程信息,或地面起伏较大而无高程信息,以及传感器的位置和姿态参数无法获取的情况时应用。几何精校正就是利用地面控制点(Gr ound Contro l Po int,简称GCP)对各种因素引起的遥感图像几何畸变进行纠正。其原理是用GCP数据对原始卫星图像的几何畸变过程进行数学模拟,建立原始的畸变图像空间与地理制图用标准空间之间的某种对应关系,利用这种对应关系把畸变空间中的全部元素变换到纠正纠正图像空间中去,从而实现几何精纠正。用重采样法实现两个空间的灰度转换。

MODIS影像几何精校正可归纳为以下步骤:

(1)选取合适的地理参考,建立原始图像与标准图像的坐标系。地理参考是将地图坐标系统赋予图像数据的过程。由于所有地图投影系统都遵从于一定的地图坐标系统,所以几何校正包含了地理参考。本研究利用ARC/INFO软件首先将阿勒泰地区的土地利用现状图数字矢量化,以此为地理参考。

(2)确定GCP,是根据控制点对利用最小二乘法来求取转换矩阵。地面控制点要求在整幅影像中呈均匀分布,一般选取明显地物点,线状地物的交叉点;控制点的个数根据实际影像的大小和多项式系数的个数来确定。控制点对实际上就是同名点对。事实上,任何的同名点对都可以作为控制点对来反求转换矩阵,而非仅仅是那些明显的地物点。比如在道路交叉口向右100m再向下100m的一个点,它在影像上的同名点是存在的同样地,河流弯道附近的地物点也有它们的同名点。问题在于他们在影像上的同名点难以找到。只要能够确定同名点,就可以把它们作为控制点来进行几何纠正。

多项式拟合法是利用地面控制点来建立遥感影像与地图之间相应点的变换关系,是实践中常用的一种方法,其原理比较直观,计算也较简单,特别是对平坦地区具有足够好的纠正精度。该方法的基本思想是回避成像的空间几何过程,而直接对影像变形的本身进行数学模拟,它认为遥感图像的总体变形可看作是平移、缩放、仿射、偏扭、弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果。多项式纠正法的原理是回避遥感图像成像几何过程,而直接对图像变形本身进行数学模拟。因而纠正前后图像相应点之间的坐标关系,可以用一个适当的多项式来表达。常用的多项式有二次多项式和三次多项式。多项式纠正法由于未按传感器构像的数学模型进行纠正,而是直接对图像变形规律进行数学模拟,故该法适用于各类航天传感器图像的几何纠正和几何配准[2,3]。

本次几何精校正模型采用的是二元二次完全多项

表1 2002年7月19日MODIS资料GCP的选取及RMS分析

GCP X Input Y Input X Ref.Y R ef.X residual Y residua l RM S Er ro r Contr ibution 11257.713-408.750085.92048.799-0.0040.0170.0180.121 21938.935-1024.82887.55247.2430.0320.0140.0350.239 32287.294-4.788.41548.5840.109-0.2790.299 2.056 42402.188-506.31388.69248.547-0.3320.8710.932 2.347 52466.438-618.56388.85448.265-0.1270.1820.2220.560 62636.531-584.594.26348.3550.152-0.3050.3410.859 73033.766-1191.76690.32046.8540-0.0080.0080.019 83107.266-1505.01690.536.070-0.0120.0280.0300.076 92547.516-1344.266.09546.4500.035-0.0690.0770.194 101932.766-1158.26687.53946.908-0.0550.0480.0730.184 111268.375-740.12585.90447.9790.016-0.0460.0490.123

注:Contro l P oint Er ro r(X)0.1498,(Y)0.3676,T o tal0.3970

式,即n=2,选取了m个(m至少是10个)地面控制点,且满足m>(n+1)(n+2)/2。原始影像位置以(x, y)表示,x为行号,y为列号,校正影像位置以(X,Y)表示。表1是以2002年7月19日的MODIS资料为例进行几何精校正的精度评价。

校正变换公式可表示为:X=a0+a1x+a2y+a3x2+a4x y+a5y2

Y=b0+b1x+b2y+b3x2+b4x y+b5y2 (1)

其中:a i,b i(i=0,1,2,3,4,5)为变换多项式的系数,用最小二乘法原理,可以求解出系数。

3 影像校正

几何校正过程中,位置计算完成后,要内插新像素的灰度值,ERDAS IM AGIN E提供了3种最常用的重采样方法:最邻近点插值法,即将最邻近像元值直接赋予输出像元;双线性插值法,用双线性方程和2 2窗口计算输出像元值;立方卷积插值法,用三次方程和4 4窗口计算输出像元值。这3种重采样方法各有优缺点:最邻近法简单易行,在几何位置上的精度为 0.5个像元,不破坏原来的像元值,处理速度快,但易产生 锯齿 效应,从而影响了精确度;双线性内插法对亮度不连续现象或线性特征的块状化现象有明显的改善,但这种方法具有平均化滤波效果,从而使对比度明显的分界线变得模糊,一些数据文件值的极值会丢失; 3次卷积法可得到较高的图像质量,但数据处理量大,处理速度慢,效率不高。

由于使用的阿勒泰地区M ODIS资料空间分辨率是250m和500m,本次工作主要是后面草地遥感监测的基础,考虑到该地区地形的复杂性和数据量大的特点,所以采用了最近邻法对阿勒泰地区的MODIS 影像进行重采样。

x=a0+(a1X+A2Y)+(a3X2+a4X Y+a5Y2)

y=b0+(b1X+b2Y)+(b3X2+b4X Y+b5Y2)(2) 式中:(a0,a1,a2,a3,a4,a5)T= a

(b0,b1,b2,b3,b4,b5)= b; a, b为待定系数。 RMS误差(即均方根)是GCP的输入位置和逆转换的(输出)位置之间的距离。

RMS误差=(x r-x i)2+(y r-y i)2 (3)

式中:x i和y i是输入的原坐标;x r和y r是逆转换后的坐标。

ERDAS IM AGINE中残差是某个方向上原坐标和逆变换坐标之间的距离。X残差是原X坐标和逆变换的X坐标之间的距离,Y残差是原Y坐标和逆变换Y坐标之间的距离。

总RMS误差由残差确定,表示如下: R x=1

n

n

i=1

X R2i

R y=1

n

n

i=1

YR2i

T=R2x+R2y (4)

式中:R x=X R MS误差;R y=YRM S误差;T= RM S误差;

n=G CP个数;X R i=GCP i的X残差;YR i= GCP i的Y残差

在对阿勒泰地区的M ODIS资料进行几何精校正时,将RMS误差的允许值控制在0.8个像元,从而保证每景影像的几何精校正精度。

4 结论

在对阿勒泰地区的M ODIS影像进行几何精校正的过程中,地面控制点(GCP)的选取不是越多越好。当GCP数目选取的过多时不仅不能保证精度,而且耗时、费力。本项工作中,选取了10~15个相对明显的地物为控制点,基本上达到了均匀布点。选取多项式精纠正法对阿勒泰地区M ODIS资料进行精校正时取得了很好的效果,加快了几何精校正工作的处理速度。重采样时采用了最近邻法,这样保证了原来的像元值不受破坏。几何精校正是遥感影像处理的核心,它的精度直接影响到后面预处理工作的质量。对影像精确地定位有利于影像的定性、定量分析,有利于影像的分类和专题信息的提取。在几何精校正中,将RM S误差控制在0.8个像元以内,从而保证了精度要求。

参考文献:

[1] 梅安新,彭望琭,秦其明,等.遥感导论[M].北京:高等教

育出版社,2001.

[2] 韩玲.关于遥感影像几何校正中纠正变换方法的探讨[J].

西安地质学院学报,1997,19(4):86~90.

[3] 刘志丽,陈曦.基于ERDA S IM AG IN E软件的T M影像

几何精校正方法初探 以塔里木流域为例[J].干旱区

地理,2001,24(4):353~358.

(下转42页)Measurement of physiological Indices of three

alfalfa varieties under in vitro

drought stress

H A N De-liang1,WA N G Y an-rong2,YU Ling2,H E Sheng-jiang3

(1.Pr atacultur al College,Gansu Ag ricultur al Univ er sity,L anz hou730070,China;2.College of

P astor al A gr icultur e Science and T echnology,L anz hou Univer sity;Gr assland Ecolog ical Resear ch

I nstitute,L anz hou730020,China;3.Biological and Environm ental College,

Guiz hou Univer sity,Guiy ang550025,China)

Abstract:T hr ee alfalfa varieties w ere used to m easure the physio logical indices(WRC,CAT,POD,SOD) fo r finding the relation to dro ug ht to ler ance under in vitr o dro ug ht str ess.T he results indicated that:(1)the order of drought tolerance w as prim e>long dong>hex i;(2)the w ater co ntent of in vitro leaf at72hour s could easily show the capacity of dr oug ht to lerance;(3)the v ig or o f CAT and SOD consistently sho w ed a drop-ping trend w ithin72ho urs,the changing trend o f POD vig or w as different from that o f CAT and SOD.there w ere significant differences(P<5%)of POD v igor at72hour among3varieties.the enzyme v ig or at72hour s could account for the difference of their capacity of drought to lerance.

Key words:dr oug ht stress;alfalfa;activ e ox yg en metabolism;phy siolog ical reactio n;capacity of droug ht to ler ance

(上接37页)

Discussion of MODIS imagery geometric

precision correction

T akeing the Aletai area as an ex ample

CH A O Zhen-hua1,CH EN Q uan-gong2

(1.Colleg e of Gr assland S cience,Gansu A gr icultur al University,L anz hou730070,China;2.College

of Gr assland A gr icultur al S cience and T echnolog y,L anz hou Univer sity,L anz hou730020,China)

Abstract:It is o ne of crucial techniques to process the data fr om remo te sensing for its practical utilization. The Imagery Geo metr ic Pr ecision Correction is the approach to corr ect the remo te sensing im age thr oug h the gro und co ntro l point(GCP).This study is aim ed to the g eo metr y calibratio n of M ODIS datum using ERDAS I-M AGINE softw are for the gr assland m onitor ing in A letai area of Xinjiang and tr y to probe the parameter selec-tion,control po int input and geom etrical calibration.T he results indicate that the m ain factors affecting geo-m etrical calibratio n ar e number,distr ibutio n and precision of GCP,and the approaches for calibr ation and re-sampling.

Key words:M ODIS datum;aletai area;geometric precision correction;gro und co ntro l point;ERDAS I-M AGINE softw are