式中,(x,y)为像点的坐标,Z为该像点的NCC值;最后,根据拟合得到的NCC曲面函数表达式,以亚像素的间距插值NCC值,此时最大NCC值所对应的位置即为所求的连接点精匹配位置。
1.2.3 误匹配点剔除
在连接点精匹配阶段,采用连接点粗定位结果并结合连接点全局残差进行约束匹配,能剔除存在明显错误的匹配点。但由于多源SAR影像的雷达波段、成像视角和地物散射特性等不尽相同,使得点位追踪算法的提取结果中仍然存在一些误匹配连接点。
SAR相邻影像的几何畸变较小,一般表现为平移、拉伸以及极小的旋转。这种类似刚性形变的畸变特性可采用一次多项式结合部分二次项进行修正。较为常用的拟合多项式可表达为式(16)[23]
(16)
式中,(xm, ym)、(xs, ys)分别为连接点在主影像和从影像上的像点坐标;ai、bi为多项式拟合系数,i=0,1,2,3。
误匹配点剔除分为两步:首先,根据连接点求解一次多项式模型参数并计算残差,当残差大于1个像素时,剔除误差最大的连接点,并重新计算多项式模型参数和残差,直至残差小于1个像素。然后,计算水平和垂直方向上的均方差σx和σy,并剔除水平垂直方向上的位置偏差大于阈值Tx和Ty的连接点(本文取Tx=3σx、Ty=3σy)。值得注意的是,随着不断迭代剔除误匹配点,连接点数量也会逐渐下降,当连接点的个数不足以解算多项式模型时,则连接点点位追踪算法判定为失败。此时,可通过扩大搜索窗口和增大阈值设定来重新执行点位追踪算法,直至产生足够数量且满足亚像素级精度要求的连接点。
1.3 基于SRTM的连接点大地坐标获取
影像连接点都是成对存在的,且主、从影像上的同一对连接点应具有相同的大地坐标。主影像定标完成后,从影像需要借助连接点实现其自身的几何定标,因此影像连接点还需带有地理坐标和高程信息。而通过点位追踪算法获取的连接点只含有影像坐标系下的行列号信息,因此本文借助SRTM数据迭代获取连接点的大地坐标,实现流程如图 2所示。首先,获取测区平均高程值并将该值作为所有连接点的高程初始值,基于主影像连接点的影像坐标和高程值H1,利用直接几何定位算法,得到主影像连接点对应的地理坐标;然后,在SRTM数据中获取该地理坐标处的高程值H2,判断前后两次高程差是否小于设定的阈值(本文取ε=10-6),若不满足条件则对高程值进行修正并执行下一次迭代;最后,综合主影像连接点的大地坐标和从影像连接点的影像坐标,得到从影像连接点的完整坐标信息。
图 2 基于SRTM获取连接点大地坐标流程Fig. 2 Flowchart of obtaining TP's geodetic coordinate based on SRTM DEM
图选项
2 试验与结果分析2.1 试验数据
试验数据中心区域位于北京市,中心经纬度为116°28′E、39°55′N,南北向分布达235 km,区域内兼有平原和山区,海拔为16~1588 m,其地理位置如图 3所示。首先,结合光学影像在SAR影像上选取196个备选点,主要分布于宽度适宜、在SAR影像上易于辨认的道路交叉口;然后,实地调整、确认备选点位置,并根据实际情况舍弃部分测量困难(如道路车流量较大、附近有高大建筑遮挡等)的备选点,对筛选后的87个备选点进行GPS测量;最后,内业整理野外实测的所有GPS点,并将GPS点转刺到SAR影像上。在测得的GPS点中选定控制点5个、检查点82个。此外,使用点位追踪算法提取的影像连接点34个,详细点位分布如图 3所示。
图 3 试验区域地理位置及点位分布Fig. 3 Geographical position and point's distribution of study region
图选项
试验数据包括3景TSX、3景TDX和5景GF-3数据,获取时间为2013年11月20日—2016年08月16日。选择90 m分辨率SRTM作为外部DEM数据。试验影像基本参数见表 1。
表 1 试验影像基本参数Tab. 1 Basic parameters of study images
影像编号 | 平台 | 成像时间 | 升降轨 | 平均高程/m | 方位向分辨率/m | 距离向分辨率/m | 方位向起始时间/ms | 近地点斜距/m |
630_4 | TSX | 20140316 | 降 | 221.598 | 2.00 | 1.36 | 80 266 935.211 | 690 732.087 |
756_1 | TSX | 20140316 | 降 | 9.464 | 2.00 | 1.36 | 80 280 935.395 | 691 168.601 |
986_1 | TSX | 20151119 | 升 | 31.420 | 1.85 | 0.91 | 36 266 414.462 | 595 457.579 |
756_3 | TDX | 20140316 | 降 | 488.793 | 2.00 | 1.36 | 80 259 935.119 | 690 208.271 |
756_2 | TDX | 20140316 | 降 | 32.110 | 2.00 | 1.36 | 80 273 935.299 | 691 243.627 |
370_2 | TDX | 20131120 | 降 | 282.103 | 1.97 | 1.36 | 80 787 910.594 | 597 318.189 |
785_0 | GF-3 | 20160908 | 升 | 21.529 | 5.29 | 2.25 | 36 515 935.223 | 903 671.719 |
570_0 | GF-3 | 20160816 | 降 | 489.643 | 3.14 | 2.25 | 83 209 554.134 | 919 669.644 |
048_0 | GF-3 | 20160816 | 降 | 38.271 | 3.14 | 2.25 | 83 217 764.984 | 920 101.346 |
371_0 | GF-3 | 20160816 | 降 | 32.089 | 3.14 | 2.25 | 83 225 975.835 | 919 977.681 |
498_0 | GF-3 | 20160816 | 降 | 14.751 | 3.14 | 2.25 | 83 234 186.686 | 919 869.756 |
表选项
2.2 结果与分析
采用间接几何定位算法对试验影像进行定标前的几何精度评价。首先,进行人工刺点,将GPS点转刺到影像上,获取GPS点对应的像点坐标P1;然后,利用GPS点的大地坐标,采用间接几何定位算法解算GPS点对应的像点坐标P2;最后,将P2与P1相减得到该点的几何定位误差Δ,并分别统计所有点在方位向和距离向的像点中误差(RMS,式(17)),以此评价影像的几何定位精度。使用82个检查点对11景试验影像进行定标前的几何精度评价见表 2。