广义控制点影像库构建与影像几何校正应用.pdf

Geomatics Science and Technology 测绘科学技术测绘科学技术,2023,11(2),76-87 Published Online April 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/gst https:/doi.org/10.12677/gst.2023.112009 文章引用文章引用:孔祥杰,刘春,辛亮,吴杭彬.广义控制点影像库构建与影像几何校正应用J.测绘科学技术,2023,11(2):76-87.DOI:10.12677/gst.2023.112009 广义控制点影像库广义控制点影像库构建与构建与影像几何校正应用影像几何校正应用 孔祥杰孔祥杰1，刘刘 春春1，辛辛 亮亮2，吴杭彬吴杭彬1 1同济大学测绘与地理信息学院，上海 2上海市测绘院，上海 收稿日期：2023年2月15日；录用日期：2023年4月4日；发布日期：2023年4月12日 摘摘 要要 传统控制点影像数据库控制点特征单一，在卫星影像几何校正应用中容易出现传统控制点影像数据库控制点特征单一，在卫星影像几何校正应用中容易出现在在待校正待校正影像上影像上控制点不控制点不易分辨与定位易分辨与定位情况情况，无法为地物光谱信息多样化卫星影像提供相适应的控制信息。本文，无法为地物光谱信息多样化卫星影像提供相适应的控制信息。本文提出提出广义广义控制点控制点影像影像概念概念，并提出三层并提出三层C/S模式的广义控制点影像库模式的广义控制点影像库构建方法构建方法，包括包括广义控制点影像检索广义控制点影像检索，最后最后完成完成多多源卫星影像几何校正应用。以某城市为例，利用三种类型卫星影像数据进行可行性实验。实验结果表明：源卫星影像几何校正应用。以某城市为例，利用三种类型卫星影像数据进行可行性实验。实验结果表明：本文本文方法可以为方法可以为多源卫星影像几何校正检索多源卫星影像几何校正检索出出准确准确的的广义广义控制点影像数据控制点影像数据，检索，检索结果结果最邻近指数总体大最邻近指数总体大于于1，且，且校正精度可达校正精度可达1像素以内像素以内。本文方法可以本文方法可以实现实现特征特征更更高级高级的控制信息的存储与的控制信息的存储与检索检索，以及多源卫，以及多源卫星影像高效统一式几何校正。星影像高效统一式几何校正。关键词关键词 广义控制点影像，数据库，广义控制点影像，数据库，几何校正几何校正 Construction and Application for Image Geometric Correction of Generalized GCP Chip Database Xiangjie Kong1,Chun Liu1,Liang Xin2,Hangbin Wu1 1College of Surveying and Geographic Informatics,Tongji University,Shanghai 2Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping,Shanghai Received:Feb.15th,2023;accepted:Apr.4th,2023;published:Apr.12th,2023 Abstract The GCP feature of traditional GCP chip database is single.It is difficult for geometric correction to 孔祥杰 等 DOI:10.12677/gst.2023.112009 77 测绘科学技术 distinguish and locate GCP and it is unable to provide appropriate control information for satellite images with diverse spectral information.This paper proposes the concept of generalized GCP chip,the construction method of GCP chip database system based on three-tier Client/Server mode and the retrieval method for generalized GCP chips,and finishes the geometric correction of mul-ti-source satellite images.Taking a city as an example,the feasibility test is carried out by using three types of satellite image data.The experimental results show that the proposed method can retrieve accurate generalized GCP chips.The nearest neighbor index of Retrieving result is greater than 1,and the correction accuracy is less than 1 pixel.The proposed method of this paper can realize the storage and retrieval of more advanced control information,and efficient unified geo-metric correction of multi-source satellite images.Keywords Generalized GCP Chip,Database,Geometric Correction Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着我国卫星遥感技术日益成熟，国产卫星遥感影像在测绘、资源环境、城市规划等领域应用需求逐渐增大1，所需生产处理的卫星影像种类与数量显著增加，而几何校正是卫星影像必不可少的处理流程，传统做法是基于整幅参考影像，人工选取影像控制点，借助成熟遥感软件完成2，此方法复杂繁琐，效率低下，因此越来越多的学者进行了提高影像校正自动化相关研究。控制点影像3概念的提出，为卫星影像几何校正提供了新方法，出现了许多基于控制点影像库的卫星影像校正方法。文献4通过影像采集和野外实测两种方式获取大量控制点影像数据，基于 SQL Server数据库，开发了福建省海岛海岸带控制点影像数据库系统，验证了构建控制点影像库的可行性，实现了对几何校正所需大量控制点数据的科学管理，以及控制点数据的可重复利用。文献5通过人工选取控制点影像数据并设置控制点影像库的表结构，建立了控制点影像库，利用 SURF 匹配算法、RANSAC 算法获取匹配控制点，从而验证了基于控制点影像库的卫星影像校正的可行性，并且有效地提高了影像校正的精度和效率。但是目前研究所构建的控制点影像数据库只包含点状控制地物，特征比较单一，对影像校正畸变约束能力不强。现有卫星影像数据地物光谱信息具有一定不确定性，点状地物与周围环境光谱信息容易变化不明显，不利于被识别和提取6，需要引入包含高级特征控制信息的控制点影像数据，例如线特征控制要素和面特征控制要素。本文提出含有更高级特征控制信息的“广义控制点影像”概念，研究广义控制点影像采集与编码方法；基于三层 C/S 模式，研究广义控制点影像库构建方法；基于网格采样思想和最远点采样法，研究广义控制点影像空间检索方法，确保校正所需广义控制点影像空间质量，为待校正影像提供相适应可靠的高级控制信息；并基于广义控制点影像库实现多源卫星影像几何校正。2.广义控制点影像库构建广义控制点影像库构建 广义控制点影像库是对大量广义控制点影像数据进行统一存储、管理、可视化等操作的应用系统，提高广义控制点影像数据重复利用率，同时包括广义控制点影像检索，为后续卫星影像几何校正提供可Open AccessOpen Access孔祥杰 等 DOI:10.12677/gst.2023.112009 78 测绘科学技术 靠控制信息。本章给出广义控制点影像库具体构建方法。2.1.广义控制点广义控制点影像影像采集采集与编码与编码 2.1.1.广义控制点影像采集广义控制点影像采集 广义控制点影像是指在严格几何精校正后的高分辨航天或航空影像上采集得到大小适中的矩形影像图元，具体可分为控制点影像、控制线影像、控制面影像。控制点平面坐标采用 CGCS2000 坐标系，高程采用 1985 国家高程基准。控制点影像包含易于分辨的固定点状特征，可适用于含有丰富明显点状地物的卫星影像几何校正，主要针对固定点状特征地物，如城市道路交叉点、主干道交通标线交叉点、铁路交叉点、标志性建筑等，在数据源影像上利用 SURF 点特征提取算法7，结合人工判读实现控制点影像半自动化采集，分辨率为0.5 m，大小为 256 像素*256 像素，如图 1(a)所示。控制线影像主要是由固定线状地物两个端点处的控制点影像数据组成的长度、坡度适中的直线矢量影像对，可适用于具有丰富线几何特征地物的卫星影像几何校正，控制点影像对组成的固定矢量直线长度以 500 m 为主，长度控制在 100 m 到 1000 m，采集方法为选取城市固定道路上的两个交叉路口，且道路坡度要求小于 5%，分别截取 256 像素*256 像素影像块，组成为控制线影像，分辨率为 0.5 m，同时截取包含整体道路且大小适当的矩形影像作为示意图，如图 1(b)所示。控制面影像则包含大小适中明显固定的规则几何多边形地物，可适用于存在大量面状固定地物的卫星影像几何校正。主要针对固定面状几何地物，如城市建筑物、耕地地块等，在数据源影像上以面状地物几何中心坐标为中心，以面状地物几何多边形外接矩阵边长两倍大小，利用 Canny 边缘检测算子8，结合人工判读实现控制面影像半自动化采集，分辨率为 0.8 m，如图 1(c)所示。(a)控制点影像 (b)控制线影像 孔祥杰 等 DOI:10.12677/gst.2023.112009 79 测绘科学技术 (c)控制面影像 Figure 1.Example of generalized GCP chips 图图 1.广义控制点影像示例 2.1.2.广义控制点影像编码广义控制点影像编码 为方便广义控制点影像数据的组织存储、管理、检索等操作，以及保障广义控制点影像数据完整性，本文设计了广义控制点影像数据编码方法。广义控制点影像数据统一采用八位数编码。第 1 位为类型码，表示广义控制点影像特征类型，其中“P”代表控制点影像数据，“L”代表控制线影像数据，“A”代表控制面影像数据；第 23 位为尺度码，表示广义控制点影像空间分辨率，尺度码第一位为空间分辨率米位数值，第二位表示空间分辨率分米位数值；第 48 位为序列码，表示广义控制点影像数据采集序号；例如“L0500234”表示 0.5 米空间分辨率第 234 个控制线影像。广义控制点影像编码见图 2。Figure 2.Code of generalized GCP chips 图图 2.广义控制点影像编码 2.2.广义控制点广义控制点影像影像库库架构架构 广义控制点影像库系统架构采用三层结构 C/S 模式9。底层为数据库及数据访问层，其中封装了访问数据库函数，实现对广义控制点影