全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (增刊 ) : 130～133
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008)增刊 20130204
侧视角和 DEM精度对 SPOT5正射影像的影响分析
王雪军 1 , 付 　晓 2 , 徐茂松 1
(1. 国家林业局调查规划设计院 ,北京　100714; 2. 北京联合大学应用文理学院 ,北京　100083 )
关键词 :数字正射影像 ; SPOT5; DEM;侧视角 ;正射校正
中图分类号 : TP75 文献标识码 : A
收稿日期 : 2007205228
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目“基于森林资源清查的碳循环规律研究”(编号 30571492)共同资助
作者简介 : 王雪军 (1977—) ,男 ,浙江新昌人 ,工程师. 主要研究方向 :森林资源监测、遥感地理信息系统应用. 电话 : 010284238305　
E2mail: wangxuejun320@126. com
Effect of Inc idence Angle and Accuracy of D EM on Qua lity of
SPO T5 O rtho2image M ap
WANG Xue2jun1 , FU X iao2 , XU M ao2song1
(1. Academy of Forestry Inventory and Planning, State Forestry Adm inistration, Beijing　100714, China;
2. College of App lied Sciences and Humanities of Beijing Union University , Beijing　100083, China)
Abstract: Taking two neighboring scenes SPOT5 satellite data of the L iupanshui City of Guizhou Province, based on
the scale of 1∶10 000 DRG as ground control points of reference and different scales accuracy of the DEM for the
images ortho2rectification which compared test, it was analyzed in detail the effect of incidence angle and different
scales accuracy of the DEM for the accuracy of the results of SPOT5 ortho2image. On the analysis, it was found that
the incidence angle was an important factor leading to the“ layover” in SPOT5 ortho2image. It will p rovide the
important basis for the next step of elim inating this phenomenon.
Key words: digital ortho2image; SPOT5; DEM; incidence angle; ortho2rectification
随着航天遥感技术和信息技术的飞速发展 ,高
质量的航天遥感信息源能为森林资源调查提供分辨
率高、质量好的影像资料 ,为快速掌握区域内的森林
资源现状、建立地理信息系统、监测森林资源动态变
化和林业经营管理活动、科学地进行森林资源管理
提供了快捷的手段。
而在众多高分辨率的影像资料中 , SPOT5 的全
色波段 ( PAN )的分辨率已经达到了 2. 5 m,虽然不
及 QU ICKB IRD (0. 61 m)和 IKONOS(1. 0 m )两者的
分辨率高 ,但从影像价格和处理成本上占有绝对的
优势 ,因此 , SPOT5数据在森林资源调查中的应用越
来越广泛 ,尤其是在森林资源二类调查中 [ 124 ]。目前
为止 ,广东、云南、贵州等省的二类调查中相继展开
使用。SPOT5数据一般要经过正射校正才能使用 ,
而遇到地形起伏大、高程落差大的山区 ,影像上往往
会出现白色高亮区域 ,边界不清晰 ,地物难以区分 ,
产生“叠掩 ”现象。产生这种现象是与卫星拍摄时
的侧视角和正射校正时所应用数字高程模型 DEM
的精度两者密切相关 [ 5 ] ,国内外关于探讨这两因素
对正射影像质量的影响的文献很少。本文选择相邻
两景不同侧视角的 SPOT5数据 ,采用 1∶10 000 DRG
作为地面控制点参考源 ,分别基于不同比例尺精度
的 DEM来对 SPOT5数据进行正射校正 ,从而进行
对比试验 ,分析不同侧视角、不同比例尺精度的
DEM对 SPOT5正射影像质量的影响程度 ,从中找出
造成 SPOT5正射影像中的“叠掩 ”问题关键所在 ,同
增刊 王雪军等 :侧视角和 DEM精度对 SPOT5正射影像的影响分析
时探讨有效消除这一现象的方法 ,旨在提高 SPOT5
正射影像的精度质量。
1　研究区数据资料
本文选取的是贵州省六盘水市地区相邻两景
SPOT5高分辨率成像装置 ( HRG) 测制的 1A 级
2. 5 m全色波段 ( PAN )遥感数据 ,轨道号为 264—
297和 266—297,左右重叠约为 1 /5景。其中 264—
297 SPOT5全色波段 ( PAN )遥感数据获取时间是
2004 年 10 月 8 日 , 侧视角为 30. 52°; 266—297
SPOT5全色波段 ( PAN )遥感数据获取时间是 2004
年 12月 4日 ,侧视角为 7. 45°。SPOT5 1A级数据产
品是在 0级基础上做了辐射校正而得到的 ,没有做
任何几何校正 ,未造成由重采样而造成的影像失真 ,
所以最大程度地保留了卫星图像的所有原信息。此
外 1A级产品提供所有的星历参数 ,为做正射级校正
提供了条件 [ 6 ]。
2　试验方案设计
通过设计两组对比试验 ,来分析卫星拍摄时的
侧视角和数字高程模型 DEM的精度对 SPOT5正射
影像结果影响程度评价。
第一组试验是选取了不同侧视角度的两景左右
相邻的 SPOT5 1A级 2. 5 m全色波段 ( PAN )遥感数
据 ,用 1 ∶10 000 DRG作为地面控制点参考源 ,
1∶50 000 DEM 作为高程校正的参考源 ,数据重叠地
区采用一致的地面控制点 ,对这两景数据进行正射
校正处理。分析这两景数据重叠区域的局部山区的
正射影像结果 ,以此来说明侧视角对 SPOT5正射影
像的影响程度。
第二组试验 ,对以上两景影像的重叠区域 ,采用
1∶10 000 DRG作为地面控制点参考源 ,并且采用一
样的地面控制点 ( GCP) ,然后 ,基于 1∶10 000 DEM
制作正射影像。通过对比分析 ,来说明 DEM精度对
正射影像结果的影响程度。
为了叙述方便 ,在以下章节 ,用 SPOT_orth1 表
示基于 1∶10 000 DEM制作的正射影像 , SPOT_orth5
表示基于 1∶50 000 DEM制作的正射影像。
3　数据处理与分析
正射校正是利用地面控制点和数字高程模型
(DEM )消除因传感器成像侧视角和地形起伏引起
的像点位移的误差 [ 5, 7 ]。目前 ,大多数商业图象处
理软件如 PC I、ERDAS、ERMAPPER等都有专门处理
SPOT5数据的正射校正模型和算法。本文选用 PC I
软件来对 SPOT5影像做正射校正处理。该软件提
供的 SPOT5影像正射校正模型综合了卫星星历参
数、大地控制点、地图投影、数字高程模型 ,生成的正
射影像可以达到控制点参考源地形图的定位精度。
在影像正射校正之前首先对参考源资料 , 即
1∶10 000 DRG和 1 ∶50 000 DEM 进行了处理 ,将
DRG和 DEM数据文件转换为 PC I软件的 P IX格式。
地图投影选择北京 54高斯 2克吕格投影 ,将 DRG和
DEM也统一转换为上述投影方式。然后调用正射
校正模型以 DRG为控制点选取参考源对 2. 5 m分
辨率的全色波段影像进行正射校正。
3. 1　精度分析
影响几何校正精度的因素主要有参考图的选点
误差 ( GCP)、数字高程模型 (DEM )的误差、内部几
何误差 ( IG) 3个主要因素。
∑X Y = ∑2IG + ∑2GCP + ∑2D EM
其中 , ∑IG为传感器内部几何误差之和 , ∑GCP为控制
点参考图的选点误差 , ∑D EM为高差校正的误差。
传感器内部几何误差之和 ∑IG的值根据法国
SPOT公司的研究结果通常取常数为 1. 25。
地面控制点选点误差 ∑GCP = 0. 2 ×k,其中 0. 2
为眼睛视觉误差常数 ; k为选取地面控制点的地图
比例尺。
高差校正的误差 ∑D EM = V h ×tga ,取决于成像
时侧视角 ( a )与 D EM的精度 (V h ) 。∑D EM的精度
与比例尺有关 ,由测绘部门按国家标准生产的
D EM精度 , 1∶50 000的精度为 5 m , 1∶10 000的
精度为 2 m。
通过上述方法对 264—297、266—297 两景
SPOT5遥感数据进行正射校正 ,分别计算出两景影
像正射校正模型误差见表 1。由中误差传播公式 ,
可以计算得到正射影像 264—297 (侧视角 30. 52°)
总体残差要求为 9. 43 m , 266—297 (侧视角为
7. 45°)总体残差为 5. 95 m。由表 1可知 , 264—297、
266—297两景影像正射校正模型中误差为 4. 70、
2. 93,均小于各自的总体残差 ,因此均满足精度要
求。266—297的正射校正模型中误差明显小于
264—297的中误差 ,说明了侧视角是影响 SPOT5影
像正射校正精度的重要因子 ,更小的侧视角能够得
到更小的总体误差。
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
表 1　影像校正模型误差
轨道号
控制点
个数 平均高程 /m
中误差
残差 (MAX) /m 横坐标误差 /m 纵坐标误差 /m 综合误差 /m
精度要求
∑XY /m
264—297 174 1 776. 5 10. 8 3. 86 2. 68 4. 70 9. 43
266—297 146 1 614. 2 8. 23 2. 08 2. 06 2. 93 5. 95
3. 2　对比试验结果分析
对 264—297、266—297两景 SPOT5数据分别进
行以上两组对比试验 , 264—297影像因自身侧视角比
较大 ,为 30. 52°,超过 SPOT5数据的极限角度 (27°) ,
原始影像上一些区域由地形变化引起了一定程度的
扭曲 ,这些区域经过正射处理后 ,被正射展开后 ,图像
上呈现白色高亮区域 ,而且图像边界不清晰 ,地物难
以区分 ,产生“叠掩 ”现象。见图 12A、图 12C和图 12
E。而 266—297影像因自身侧视角比较小 ,原始影像
受地形变化引起的扭曲程度比较小 ,因此 ,图像经正
射处理后 ,图像质量非常高 ,地物很清晰 ,即使在地形
起伏和高差大的山区 ,没有出现所说的“叠掩”现象。
见图 12B、图 12D和图 12F。这说明卫星传感器拍摄时
的侧视角是造成影像“叠掩”现象的关键因子。
对以上两景影像的重叠区域 ,在保证与上述
SPOT_orth5采用一样的地面控制点 ( GCP)外 ,分别
基于 1∶10 000 DEM来产生 SPOT_orth1,如图 12E、图
12F。对 264—297影像 ,图 12C与图 12E相比 ,虽然
图 12E比图 12C在正射校正处理中 ,采用了精度更
高、比例尺更大的 DEM ,但还是没有能有效地消除
“叠掩 ”现象 , SPOT_orth5与 SPOT_orth1效果相当。
同样 ,对 266—297影像来说 , SPOT_orth5与 SPOT_
orth1效果也基本相当。由此说明在保证地面控制
点选取精度前提下 ,仅仅靠提高 DEM的精度是不能
有效地消除影像“叠掩 ”现象的产生。
进一步分析造成 SPOT5正射影像“叠掩 ”现象
产生的原因。如图 2,假设 A点为 SPOT5拍摄地物
M、N的拍摄状态 ,θ1 为卫星此时的拍摄侧视角 ,同
样 , B点为 SPOT5拍摄地物 M、N的拍摄状态 ,θ2 为
卫星此时的拍摄侧视角 ;其中 ,θ1 ﹥θ2。在 A点 ,由
于受到卫星拍摄侧视角的限制和地物 N的遮挡影
响 ,导致无法拍摄到地物 M ,使得在影像上地物 M
完全被地物 N遮挡。而在 B点 ,由于卫星拍摄侧视
角比较小 ,基本不受地物 N的遮挡影响 ,可以拍摄到
地物 M。因次 , A点卫星拍摄的影像在正射处理过
程中 ,无论采用多高精度的 DEM ,无法使地物 M在
影像上复原 ,清晰地展现 ,相反 ,在正射影像中很容
易产生上述所说的“叠掩 ”现象 ,这是由于卫星拍摄
图 1　基于不同控制源的 SPOT5正射影像与原始影像
注 : A为 264—297原始图像局部 , B为 266—297原始图像局部 ,
C为 264—297的 SPOA_orth5图像 ,D为 266—297的 SPOT_orth5图像 ,
E为 264—297的 SPOT_orth1图像 , F为 266—197的 SPOT_orth1图像。
侧视角角度过大 ,加上受地形遮挡影响 ,使得卫星无
法拍摄到实际地物 ,从而导致该地物在影像上信息
的丢失 ,在正射处理后 ,无法在影像上复原该地物的
信息。而在 B点卫星拍摄的影像在正射影像上不会
出现类似的情况。由此说明卫星传感器拍摄时的侧
视角是造成影像“叠掩 ”现象的关键因子。
综上所述 ,对于 SPOT5遥感数据正射处理来
说 ,造成正射影像产生“叠掩 ”现象的关键原因是传
感器拍摄时的侧视角角度过大的缘故 ,而并非是高
程校正的 DEM的精度。
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增刊 王雪军等 :侧视角和 DEM精度对 SPOT5正射影像的影响分析
图 2　不同侧视角的 SPOT5卫星影像受地形影响分析
注 : ∠POA =θ1 , ∠POB =θ2 ,θ1 ,θ2 为卫星的侧视角 ,
A, B为卫星拍摄时的不同姿态。
4　结论与讨论
通过以上选择不同比例尺精度的 DEM来对不
同侧视角的 SPOT5数据进行正射校正 ,从而进行了
两组对比试验 ,得到以下结论 :
在确保地面控制点精度要求的前提下 ,造成
SPOT5正射影像产品“叠掩 ”现象的关键因子是
SPOT5数据成像时的侧视角。如果通过提高校正过
程中 DEM的精度是无法有效消除地形复杂、高程落
差大的山区的 SPOT5影像产生“叠掩 ”现象。截止
目前 ,还没有出现从根本上解决此问题的模型或技
术方法 ,由于影像“叠掩 ”现象的存在 ,使影像出现
边界不清晰 ,地物难以区分 ,大大降低了判读区划的
精度 ,增加外业工作量和成本费用的支出。
为了提高 SPOT5影像质量和判读区划的精度 ,
在地形复杂、高差大的山区 ,影像订购时 ,在满足云
量要求下 ,同时也要考虑 SPOT5卫星数据的成像时
的侧视角 ,侧视角不能太大 ,尽量不超过 27°。通过
笔者多年对 SPOT5数据处理的经验 ,在地形复杂的
山区 , SPOT5正射影像在侧视角为极限情况 27°时 ,
就会出现“叠掩 ”现象。
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