通用RPC文件的卫星影像正射纠正应用

摘要：利用航空或航天摄影像片制作正射影像图，是当前地理信息系统建设和遥感应用中非常重要的内容。本文以alos卫星影像为例，介绍在envi软件中生成通用rpc和正射影像制作过程，本方法通过实际生产，验证了其方法生产的正射影像精度可靠，解决了无rpc文件时对山区影像很好消除地形高差引起的变形问题。

关键词：

abstract: this paper take alos satellite images for example, introduced in the envi software to generate a general-purpose rpc and orthophoto production process, and by actual production, verify its method of production of orthophoto accuracy to solve the rpc file on the mountain image very well eliminate the problem of deformation caused by the terrain elevation.

中图分类号 : p185.18文献标识码： a 文章编号：

一．dom是指消除各种影像变形后与地面物体形状相似，成一定比例并带有坐标的数字影像地图，也称数字正射影像图(digital orthor map)。在测绘生产中，4d产品dlg、drg、dem、dom是目前的主要内容，正射影像图dom做为其中一种新产品，以其直观、信息丰富等特点，成为测绘产中一重要部分。在dom产品指标中，像点精度、地面分辨率、色彩、反差是主要的内容，而dom影像点坐标精确度，是一项很重要指标，如果不同像片的dom坐标不一致，将无法做为影像图使用，也无法完成相互之间的拼接，也就无法制作合格的dom产品。不论利用哪种影像生产dom，其生产原理都是相同的。就是在精确测定摄影机（或传感器）内部参数和空间姿态数据基础上（消除传感器带来的影像变形），根据有限地面控制点，再结合dem数据，消除地面起伏带来的影像变形，得到与地形图位置一致的影像图dom。其主要基础理式，就是摄影测量中的共线方程，这里就不再论述。

二．在实际生产中，对于航空像片生产dom，通常是经内业空三解算出各像片外方位元素后，通过相对绝对定向建立像对并在立体模型上采集地面地物特征点和线，以此生成足够精度的dem，然后结合定向好的立体模型，对影像进行高差投影差改正。对于单张像片如果外方位未知，则可以通过地面上有限控制点，进行单像空间后方交会，求得像片的外方位元素，然后利用dem进行正射纠正。对于卫星影像，由于能构成立体像对的卫星影像还不多，大都还是单张影像进行生产。为了消除地形投影差，卫星数据提供商一般会在产品中附加每张像片的轨道参数模型或rpc文件，以便确定卫星摄影或扫描时的传感器姿态和位置，做为消除地面高差投影差的理论依据。所谓rpc文件，是英文rational polynomial cofficients的头字母缩写，意思是数学意义的几何成像模型，它是结合传感器的物理参数和轨道参数，并经过若干地面控制点，经过复杂的计算所得到的变换系数矩阵，在这里它的实际意义就是相当于航空像片获得外方位元素后由共线方程建立起来的光束模型。但是，生产中不是所有卫星数据提供商都会提供给用户该类型文件或用户没有购买该产品，在这种情况下，纠正软件一般是采用多项式拟合法进行纠正，由于卫星影像比例尺相对较小，对于平原和低丘岭地区，dom的点位精度受影响不大，对于山区或高山区，影像的高差投影差就无法有效的消除，尤其在不同景影像接连时影像错位较大甚至无法接边。下图是无rpc的多项式拟合的dom与原文件套合的情况。本文所用数据为日alos 卫星avnir-2传感器levelb2产品，提供方已作了辐射校正和粗几何校正（该产品只有在日本本土才使用dem），提供的产品在山区有局部的变形。

图1

图1中，上部分是无rpc文件和dem纠正得到的影像，下部分是做为控制的etm影像。下图2为错位处的放大图。

图2

明显看出，山区的高低处影像出现了很大的错位并且不同处错位量不一致，最大片约有十来个像元。

三．为了解决上述问题，本文以envi软件中build rpc的功能，创建了通用rpc文件，并利用envi4.5 的orthorectify using rpc生成了精度较好的dom。具体实现过程如下：

1．从网上下载免费90米或30米的dem数据，如果dem坐标系统与纠正所用的控制影像数据不一致时，注意要进行投影变换。本人所用etm数据与dem一致，不需要转换。

2．在envi中，打开要纠正的影像，并同时打开控制影像或用其它工具打开控制影像和dem影像，本文采用gobal maper打开，因为此软件对数据格式支持和显示较好，特别是dem同时显示坐标和高程。

3.在envi中启动build rpc 工具如图3。

图3图4

如图4当出现参数设置后，一定要认真填写，不同的传感器的参数是不一样的。

(1) 传感器类型，有框幅像机，数码框幅和线阵像机以及推扫式传感器4种，一般卫星是推扫式的。

(2) 对于像主点，如果不知，可填0

(3) 传感器ccd物理单元大小，这个参数要从供应商获取或从网上下载。

(4) 光轴中心的入射角，分与轨道方向夹角和与轨道垂直方向的夹角，对于alos avnir-2传感器，影像都是星下点。其它数据影像一定要知道入射角的数值或概略值。

(5) 多项式系数取2，效果会更好些。

当选点时，出现图5时，a区为在纠正的影像上所选点的像元坐标，当选定一个点后，就不要再动。b区是在控制影像上同样位置点击后，所得到的控制点坐标，因为是在其他软件工具打开，所以这里要人工复制填写进去。c区是高程信息，是在dem影像上人工按b区的坐标定位，获得该点的内插得到的高程并填入c区位置。

选点时要注意尽量均匀分布于影像上，在地形变化区要选点适当多些。当达到足够点数后，可按图4中的ok进行纠正。纠正后打开生成的dom影像并将原错位处放大图如图6。

图6

在图6中可以看到，错位被消除，纠正效果很理想。

本次纠正影像为甘肃白银市及周边共19景，其中山区点90%，最后经镶嵌，接边非常好，只有个别地方有约2像元的错位。在不考虑影像辐射校正带来的误差及dem本身高程误差的前提下，现分析原因如下：

dem采样间隔精度不够，本次用的dem采样间隔只有90m，远低于待纠正的影像地面分辨率10m。本次纠正影像所在区域是高山区，坡度较大，如果山梁或山谷正好落在dem两个采样点中间时，如图7，d为地面点，黑点为dem点，1和2两点为dem相邻点，此时山顶没有采样，则此处的dem值为山顶周围点经线性内插后所得值，按图中则与1、2两点接近。d点的影像进行投影差改正时所采用的高度值减小了δ。δ对影像投影差改正值的影响是随它与传感器位置不同而不同，在星正下方时，则无影响，当偏离星下水平距离越远，则影响越大，其投影改正示意图如图8。图中，s为传感器，p为影像面，xoy为扫描影像对应的地面，o为星下点，r为影像中最后用到的影像点与星下点的最大偏移距离。对于上述情况的d点，改正后的位置应为d0，而实际只改到了s-d’的延长线上。即，对应于地面改正距离，应改位移为δ0,实际改正δ’，剩下的δ并未改正。对于残余高差δ，可以估算，本次作业山区，按平均坡度45度计，按图7则δ为dem间隔的二分之一，本dem为90m，则δ=45m。按图8, δ≈r*δ/h，对于alos卫星，h=690km，影像对应地面为边长70km矩形，所以r最大取值为70km*1.414，约为99000m，考虑到相邻景有重叠区,镶嵌时不会到最边缘，取90000m，则δ≈6m，如果分辨率为10m时，误差近一个象元。当坡度为65度左右时，δ=90m，δ≈12，当坡度达75度时，δ≈18。对应像片上，误差为2个象元。因此在接边时两景影像相互错动最大值可能会达到4个像元.。所以要得到更好的纠正效果，应选择采样精度较高的dem。同时注意，在提取高程时，所用软件对所选点的高程值应该是由dem内插所得，有的软件只取相近dem格网点高程值，这个一定要注意。

控制点选点误差，因纠正影像与控制片往往在分辨率不同、时相不同、传感器类型不同，所以选点时很难选在同一点位，常常会有一个像元的误差。

通过本测区的纠正实验，说明了在卫星纠正中利用地面控制点求解rpc过程，该方法简单好用，所得到的rpc在山区正射纠正中适应性良好，消除了影像上地面高差投影差，纠正得到的dom几何精度高，对无rpc数据时生产dom是一种有效的途径。

参考文献

视小勇等.国产光学卫星影像rpc制作.国土资源遥感，2009（3）

李庆鹏等.基于严格仿射变换模型的遥感影像rpc参数求解.测绘信息与工程，2011（3）