一种山区卫星影像自动配准到地理底图上的方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种山区卫星影像自动配准到地理底图上的方法，属于遥感图像预处 理中的几何精纠正技术领域。
【背景技术】：
[0002] 作为遥感数字图像预处理不可缺少的环节，几何精纠正，特别是将遥感图像快速、 精确配准到地理底图上，是实现遥感数据普及化、大众化应用，以及几乎所有的专业化遥感 应用的基础。中低分辨率的山区卫星影像，因小的道路、水系与周围地物混合，使用传统方 式进行配准存在采集控制点控制点较难找、数量不足、匹配精度不高的问题。从相对稳定的 DEM中提取地性线的几何精纠正方法，可达到增加山地区域的控制点数量和控制点精度的 目的。但是，若利用DEM或DEM生成的立体图形来人工寻找或采集控制点，如山脊、沟谷、山 峰、凹地等，受人为主观判断影响，误差较大，且不容易实现计算机批处理。因此，针对山区 遥感影像中常规控制点难找，而基于DEM地性线手工采集控制点费时又费力等问题，发明 一种将山区卫星遥感图像自动配准到地理底图上方法，对于满足遥感影像在山地区域的绝 大多数行业应用需求具有重要的实践意义。
【发明内容】
：
[0003] 针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种山区卫星影像自动配准到地 理底图上的方法。
[0004] 本发明的一种山区卫星影像自动配准到地理底图上的方法，其具体步骤为：一、山 区卫星影像地性线提取；二、DEM地性线提取；三、同名地物点库构建；四、几何精纠正运算； 五、纠正结果误差估计。
[0005] 作为优选，所述的山区卫星影像地性线提取步骤为：
[0006] 1、利用图像格式转换工具，将彩色的原始遥感图像转为灰度图像，记为g ;
[0007] 2、读取图像g，使用Sobel边缘算子对图像进行水平和垂直方向的滤波，然后求取 模值，得到梯度模值图像，记为bgm ;
[0008] 3、读取图像g，设定半径为R的圆形结构元素，记为disk(R)，进行形态学开操作、 图像腐蚀、图像重建、形态学关操作、图像膨胀、图像重建、求反，得到图像，记为g2;
[0009] 4、标记g2中局部极大值，得到极大值图像，记为fgm，将原图中极大值处像素值设 为 255 ;
[0010] 5、设置参数为A的结构元素，记为ones (A, A)，分别对极大值图像fgm进行关操作、 腐蚀、开操作，标记出前景，得到前景图像，记为fgm2;
[0011] 6、将图像g2使用合适的阈值转化为二值图像，记为BW ;
[0012] 7、计算BW的距离D，进行分水岭变换，可使用Matlab工具箱中的工具watershed 函数；
[0013] 8、修改梯度模值图像bgm，使梯度模值图像在标记的前景对象和背景对象中有最 小值，得到梯度模值图像bgm2，然后对&8!112进行分水岭变换，得到分割遥感图像后的图像数 字矩阵，记为L ;
[0014] 9、将矩阵L，导出为灰度图像，附加坐标信息，转换为带有地理坐标信息的图像文 件，记为MG ;
[0015] 10、将頂G栅格矢量化，得到遥感图像的地性线矢量文件，记为MG_R ;
[0016] 11、将提取的矢量结果頂G_R与遥感影像叠加显示，目视判读地性线是否符合应 用需求，若不符合则返回步骤3和步骤5进行调整。
[0017] 作为优选，所述的DEM地性线提取步骤为：
[0018] 1、将DEM中每个像素点的海拔数值的高低理解为该像素点得到降水后的流向，统 计出每个像素点上的水流方向；
[0019] 2、计算出每个像素点的累计汇水量；
[0020] 3、预定义阈值T，当某点上的汇水量大于T时，则该像素点标记为沟谷线上的点；
[0021] 4、将DEM进行反转运算，把海拔高的区域变为海拔低的区域，海拔低的区域变为 海拔高的地区，根据步骤1-步骤3提取出山脊线上的点；
[0022] 5、将选出的特征区域矢量化、线状要素细化、去掉细小断线，得到沟谷线、山脊线， 即DEM地性线，记为DEM_R。
[0023] 作为优选，所述的同名地物点库构建的步骤为：
[0024] 1、建立頂G_R和DEM_R拓扑关系，提取两矢量线的结点和节点；
[0025] 2、根据结点属性表和节点属性表，标识出节点属性表中为结点的节点记录，遍历 这些记录，将结点所在节点的邻节点号加入节点属性表，再附上结点坐标（ux，uy)、邻节点的 坐标（ax，ay)、（bx，by)，可得到用于同名地物点匹配的几何特征点库；
[0026] 3、对所有交叉点进行循环遍历，去除位于X轴或者Y轴上的结点，根据同名地物具 有几何形状相似、空间位置偏差仅限几个像元大小、几何偏移具有同向性的特点，筛选符合 条件的结点对；
[0027] 4、将同名地物点的坐标提取出来，建立同名地物点库；
[0028] 5、整理为地理信息系统软件（如ArcGIS软件）可识别的几何精纠正控制点txt 文件。
[0029] 作为优选，所述步骤3筛选符合条件的结点对的具体步骤包括：
[0030] A、设六"1是遥感图像上待纠正的结点，Bn是DEM上的参考结点；A m有k个相邻节点， 其中与A"成夹角A的邻节点为11、1+1出。有1^个相邻节点，其中与8。成夹角民；1的邻节 点为Bn 。结点AjPI B n的欧式几何空间距离Length_A mBn< D_max，其中D_max的大小 由遥感影像的空间分辨率和几何粗纠正的偏移误差决定；
[0031] B、A Bn相对于A"的方位角为λ，系统级校正后的遥感图像偏移地理底图的角度 为φ，则λ彡φ ;
S为同名地物点偏移的角度最大值。设结点A"在二维平面 中的投影为（ux，uy) ;a为A"与邻点构成的向量，其在二维平面中的坐标表达式为a = {(ax_ux), (ay_uy)} ;t^Am与邻点Aml构成的向量，其在二维平面中的坐标表达式为a = {(bx_bx), (by_by)}，则：
[0034] 同理可计算出参考结点与相邻节点的夹角的值；
[0035] 〇、设α Α、β Α分别为向量Ud与X轴、Υ轴的夹角，与之匹配的n y与}(轴、丫 轴的夹角为α Β、β B，它们之间的角度偏差最大为ξ，则α Α-α ξ、β Α-β ξ ;同理， 构成夹角見"的另一向量与X轴、Υ轴的夹角也必须满足以上条件。以αΑ、βΑ的计算为例，
[0038] 作为优选，所述的几何精纠正运算步骤为：
[0039] 1、几何精纠正转换模型构建；将地理信息系统软件可识别的几何精纠正控制点 txt文件导入几何精纠正模块，用Rubber Sheeting的模型建立待纠正卫星图像和地理底 图栅格像元点之间的坐标对应关系，并对卫星图像矩阵进行变换；
[0040] 2、图像重采样；使用双向线性内插法确定校正后图像上每个像素点在原卫星图像 中的亮度值。
[0041] 作为优选，所述的纠正结果误差估计步骤为：
[0042] 1、建立MXM像元大小的矢量网格，然后随机选取η个网格，在这些网格中随机选 取1个或几个沟谷线控制点，测量其距离真实同名地物点的平均距离，建立用于估计总体 误差的误差样本Xi、x2、Xf Χη，当η < 30时，样本量满足小样本检验的条件；
[0043] 2、使用误差样本的均值$衡量纠正后的卫星影像存在的几何总体误差μ，其计算 公式为：
[0045] 上式置信水平为1- α，置信下限为
置信上限为
，其中s为样本标准差，
[0046] 3、当几何总体误差控制在1-2个原卫星图像像元大小的范围之内时，匹配结果被 认为达到应用需求；反之则返回修改同名地物点匹配的参数值。
[0047] 本发明的有益效果为：它实现了计算机自动纠正山地区域卫星影像的技术，能在 保证控制点数量和质量满足应用需求的前提下，解决仅使用DEM地性线纠正山区卫星影像 时的人工采集控制点主观性强、耗时耗力的不足。
【附图说明】：
[0048] 为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
[0049] 图1为本发明中一种山区卫星影像自动配准到地理底图上的方法流程图；
[0050] 图2为本发明中地性线结点与邻节点示意图；
[0051] 图3为实施例中基于DEM提取的地性线不意图；
[0052] 图4为实施例中基于卫星影像提取的地性线示意图；
[0053] 图5为实施例中DEM沟谷线与卫星影像叠加显示图（自动配准前）；
[0054] 图6为实施例中DEM沟谷线与卫星影像叠加显示图（自动配准后）。
【具体实施方式】：
[0055] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面