遥感影像正射纠正在铁路制图中的应用

唐红鹰

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

遥感影像正射纠正在铁路制图中的应用

唐红鹰

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

遥感影像具有获取灵活、现势性好、价格便宜等优点，越来越多地应用于铁路工程制图中。介绍基于ERDAS的遥感影像正射纠正方法，实验证明，经过纠正的0.5 m Pleiades高分辨率遥感影像能满足1∶2 000的制图精度。

遥感影像 铁路工程制图 正射纠正 ERDAS

铁路工程制图往往具有工期紧迫、制图精度及现势性要求高的特点。常用的制图方法是利用航片进行空三加密，然后在立体模型下进行地貌地物的采集。在一般情况下，可以收集到测图区域的老航片，但这些老航片往往摄影时间过早，房屋、道路等地物变化较大，不能满足铁路工程制图现势性的要求。如果重新进行摄影，由于受空域和天气的影响，往往达不到制图工期要求，并且重新摄影的费用相对较高。另一种方法是进行野外补测，但存在工作量大，费用较高的问题。遥感影像具有现势性好、获取灵活、价格相对便宜的特点，如果能应用到铁路工程制图中，则能很好的解决上述问题。

要在铁路工程制图中使用遥感影像，首先要解决遥感影像的畸变问题。遥感影像在成像的过程中，受到中心投影、摄影轴倾斜、大气折光、地球曲率及地形起伏等诸多因素影响，致使影像中各像点产生不同程度的几何位移而失真[1]。因此，需要对遥感影像做正射纠正，以消除成像过程中各种因素导致的影像畸变。

1 实验区与资料准备

实验区数据为东部沿海地区某条市域铁路的0.5 m高分辨率Pleiades卫星影像，全色波段分辨率为0.5 m，有原始的RPC卫星轨道参数。目测楼房投影差较明显，初步判定摄影轴倾角在20°以上。区域高程从5～314 m，地形等级属于丘陵，城区和山区交错分布，地形较复杂、地物较多，适合作为正射纠正的试验区。鉴于以上条件，需要利用DEM对影像做正射校正[2]。

实验区存在老旧的1∶2 000 DLG。控制点和检查点都可以从既有的1∶2 000 DLG上进行量测；高精度DEM采用既有1∶2 000 DLG等高线和高程点生成，格网间隔为2 m。

Pleiades卫星影像是基于WGS-84椭球的大地坐标系，DLG和DEM数据坐标系都是工程独立坐标系，如果直接进行纠正，所得结果的误差会很大。为了提高纠正精度，应将DLG和DEM转到基于WGS-84椭球标准3°分带的平面直角坐标系下进行正射纠正，纠正后再将影像转回工程独立坐标系。

2 纠正

2.1 软件介绍

采用ERDAS软件对实验区的Pleiades卫星影像进行正射纠正。ERDAS IMAGINE是美国ERDAS公司开发的遥感图像处理系统，具有先进的图像处理技术、友好灵活的界面和操作方式、面向广阔应用领域的产品模块、服务于不同层次用户的模型开发工具以及高度的RS/GIS集成功能，成为全球遥感领域最受欢迎和最富竞争力的软件系统。

2.2 纠正模型[3]

(1)数学拟合模型

不管其物理意义， 直接以地面控制点对影像进行数学变换，该方法适用于平坦地区或未能提供影像卫星轨道参数、传感器参数地区。一般采用多项式拟合法，其控制点个数与多项式阶项n相关，最少控制点数计算公式为(n+1)(n+2)/2，式中n为次方数[4]，通常选择2次方，理论上至少需要6个控制点。

(2)物理成像模型

考虑成像时造成影像变形的物理意义，利用成像的RPC卫星轨道参数、传感器参数及DEM，对影像进行严密的物理模型纠正。纠正时首先恢复影像的成像模型，然后利用数字高程模型根据成像模型来纠正投影差，最后得到正射纠正影像。

原始卫星轨道参数的精度一般比较差，为了提高纠正精度，经过综合分析，决定在既有1∶2 000 DLG上采集三维坐标作为控制点，修正卫星轨道参数，然后采用数学拟合方法，恢复影像的成像模型，再利用高精度DEM，基于物理成像模型来对原始卫星影像进行纠正。

2.3 纠正

在ERDAS软件中，以DLG和高精度DEM为基准对Pleiades影像进行正射纠正。打开ERDAS软件，加载待纠正影像，依次选择Raster/Multispectral/Control Point模块，弹出几何模型选择(Select Geometric Model)，不同的卫星影像必须选择相应的影像种类，如IKONOS、QuickBird、Pleiades、SPOT、ALOS等。对于Pleiades影像，就必须选择Pleiades RPC方式纠正，这时需要给出该影像的原始RPC参数，在高程模型中调入DEM文件。多项式选择2次多项式或3次多项式。在Projection选项中，加入纠正的投影信息，即TM投影和WGS-84坐标系，最后选择纠正方法。纠正方法有多种，可选择“手工输入控制点”方式进行纠正，当界面弹出影像和点位信息及误差窗口时，则可以选点。

在地形图上选取控制点：现有的Pleiades影像与地形图时间跨度较大，由于道路的拓宽、改造、重新修建等造成道路交叉点很难找到同名点，即使找到也未必准确；河流交汇点由于摄影时间不同而存在差别。可行的方法是选取那些未发生变化的池塘角点和低矮房屋的角点，往往会提高精度。另一方面，由于实验所用Pleiades影像摄影轴倾角过大，为避免高层房屋投影差引起的误差，不宜挑选高层房屋的角点作为控制点。点位选取完毕之后，计算中误差，并比较中误差。如果有中误差超限的点，可以适当移动使其误差减小或者在不影响整体布点的情况下删除该点。

多次选点、调点、剔点，检查合格，满足限差要求，选点工序完成。纠正时要认真细致地输入信息，输出图像文件名及格式，定义影像的输出范围，忽略无数据区域(即0值)。设置完成后，软件计算自动纠正。

3 纠正结果分析

手工采集30个同名点作为控制点，分别进行2次、3次多项式纠正并和不同精度DEM纠正进行对比。不同精度DEM包括SRTM 90 m分辨率DEM和基于1∶2 000地形图生成的2 m分辨率DEM。纠正完后在CAD中打开地形图，将纠正后的影像插入，进行特征地物的比较，并随机选取15个同名点作为检查点，用以检验纠正精度。不同纠正方法的精度比较见表1。

表1 几种纠正方法精度比较 m

通过对比分析，对纠正精度影响最大的是DEM精度。为了获得高精度的正射影像，制作高精度的DEM是必要条件。3次多项式的控制点精度稍好于2次多项式，但2次多项式的检查点精度稍好于3次多项式。分析其原因，是3次多项式把控制点的随机误差进行了分摊，因此控制点误差小一些，但由于扭曲变形大，因此检查点的精度要差一些；2次多项式的控制点误差虽然大一些，但更好地拟合了卫星轨道模型，更有利于消除控制点的随机误差，因此检查点的精度要好一些。

基于以上对比分析，决定采用基于2 m分辨率DEM和2次多项式作为最终的纠正模型，对应的控制点精度为0.61 m，检查点精度为0.92 m，能满足1∶2 000铁路工程制图精度要求。纠正后的卫星影像和原始DLG的套合情况见图1。

图1 纠正后的卫星影像和原始DLG的套合情况

从图1判断，纠正后的影像和既有地形图套合精度非常好，纠正影像精度可靠。

4 结束语

通过实验验证，基于ERDAS软件，采用图上量测控制点与高精度DEM相结合的办法，对测区内0.5 m高分辨率Pleiades遥感影像进行正射纠正，经纠正后的遥感影像与既有地形图套合检验，精度可靠，满足1∶2 000铁路制图的精度要求。用此方法进行大比例尺地形图更新，避免重新航摄或者大幅减少野外补测工作量，在保证精度的前提下，缩短工期，节约成本，可以推广应用。

[1] 栾庆祖，刘慧平，肖志强.遥感影像的正射校正方法比较[J].遥感技术与应用，2007，22(6)：743-747

[2] 凌婷婷，常晓滢，杨苗苗.用ERDAS IMAGINE进行卫星影像几何纠正的方法[J].测绘与空间地理信息，2013，36(1)：143-145

[3] 马洪超，赵向东.基于地形随机场模型的遥感图像几何纠正[J].测绘学报，2006，35 (3)：251-254

[4] 王学平.遥感图像几何校正原理及效果分析[J].计算机应用与软件，2008，25(9)：102-105

TheApplicationoftheRemoteSensingImageOrtho-rectificationinRailwayEngineeringMapping

TANG Hong-ying

2014-08-04

唐红鹰(1965—)，女，1987年毕业于西南交通大学铁道航空勘测专业，工程师。

1672-7479(2014)05-0023-03

P236

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