Georeferencing on Geometric Correction of Airborne Pushbroom Hyperspectral Images

航空攝影製圖已進入全數值化的時代，傳統程序中需要大量地面佈標及耗時的飛航計畫，現今大都已被直接地理對位（Direct Georeferencing; DG）技術所取代，大幅節省了人力及物資成本。傳統空中三角測量計算，受限於解算模式，須由經驗豐富的作業人員進行解算，當遭遇地形等因素，無法有效佈設航測標的區域或成本與時效有限的情況下，直接地理對位技術提供可靠的初始航空攝影投影中心位置及姿態等外方位參數，大幅提升航測製圖的製圖效率與適用性，也使直接地理對位技術成為現今航測製圖之必要程序之一。空載線掃瞄系統因取像時載具位置與姿態不穩定性，產生較劇烈影像畸變，且線掃瞄影像之量測條件不如面列式影像具豐富二維幾何資訊可供量測；應用直接地理對位技術，須依據提供的載具位置與姿態參數，將影像之幾何畸變作合理改正處理。 直接地理對位及感測系統各項組件裝設於載具上時，感測器投影中心、GPS天線相位中心與IMU量測系統之基準坐標軸間無法安置於同一點上；而產生感測器投影中心與GPS天線相位中心安置差、IMU參考坐標軸與影像化算坐標軸之安置角差，加上感測器內方位參數與透鏡畸變差及坐標系統等因素，造成影像系統誤差。本研究採用ISIS空載高光譜掃描儀，可獲得精細光譜帶寬及高空間解像力的光譜影像；並由國研院儀科中心提供感測器內方位參數，經由GPS-RTK量測理想分布之地面控制點(GCPs)及檢核點(CkPs)坐標，發展以最小二乘法迭代求解感測器內方位參數、GPS天線相位中心安置差及IMU安置角差等19項附加系統參數；本研究為驗證儀科中心所提供內方位參數之正確性，故採用DG-19模式進行改正，經計算得內方位參數與儀科中心所提供參數一致後，再於忽略內方位參數之DG-10模式下進行改正，驗證於不同附加參數條件下，本研究所發展理論與方法於改正精度提升程度。 一般而言，感測系統校驗率定須由合理配置的校驗場配合嚴謹之數學模式求得，然於資訊受限情況下，如何由後處理程序得到合理可靠的影像成果為一重要的課題。本研究選取兩幅不同時期台中市外埔區大甲溪北岸影像進行測試，樣區內由GPS-RTK實測分布良好的40個觀測點作為控制點（GCPs）及30個檢核點（CkPs），進行參數計算及改正成效評估；並為驗證參數正確性，於同一感測任務下，利用本研究所推求參數直接改正不同區域影像；並由農航所1/5000像片基本圖中量測10個影像控制點（ICPs）進行測區外影像成果檢核。 於影像正射化幾何改正程序上，本研究利用檢核點CkPs探討於不同精度水準之高程資料下，影像幾何改正及正射化成果精度影響。經改正後，影像改正成效均可由十像元等級提升至單像元等級，而ICPs之檢核精度亦可約制於單像元等級內。於不同精度水準產製之正射化幾何改正成果點位位置誤差皆合予單像元精度，足供後續幾何改正處理應用。 經求得之附加系統參數，帶入共線方程式建立各像點物-像空間幾何轉換關係；然像點轉換至物空間分布為非均勻的，必須經由空間轉換及內插模式重建影像；本研究中由各像元幾何轉換後物空間坐標建立索引矩陣，並利用各種幾何轉換及空間內插技術改正影像方位及坐標系統與物空間一致，並比較各種方法之運算效能及適用性。本研究發展直接區域指定法作為影像預處理或預覽時取用，而成果影像產製則利用間接轉換雙線性內插法輸出影像。 本研究所發展之自率改正方法及幾何改正影像處理系統發皆利用Mathwork MATLAB?進行程式設計及系統開發，實驗成果經改正後精度皆提升至單像元水準，可提供後續農業產量推估、地質調查、災害調查及都市監測等層面使用。Aerial photogrammetry has emerged a new generation with the direct georeferencing (DG) technology which employs integrated GPS/IMU devices for reliable and efficient measurements of exterior orientation parameters for each photograph. In traditional processes, photogrammetric operations demand sufficient well-distributed ground control information, comprehensive flight plan, as well as well-trained technicians with professional skill. Traditional photogrammetric process requires lots of manpower and always cost much in time and resources. On the contrary, DG eliminates the limitations in photography flights and control surveying. DG has become essential in photogrammetry nowadays with the promotion in efficiency, precision, and suitability for topographic imaging. DG makes the orthorectification of airborne pushbroom scanning images possible which depends on the reliable and efficient exterior parameters captured by the integrated GPS/IMU system. Note that, the aircraft's unstable position and attitude on flight produce unacceptable image distortions, especially on line scanned images on which every scan line is independent with specific exterior orientation parameters. Compared to the frame images, line scanned images don't have equal dimensional geometric information that could only depend on the time sequence and neighbor relationship of adjacent scan lines. In this paper, the basic idea of direct georeferencing is realized and refined with 19 self-calibrated parameters for retifying airborne pushbroom hyperspectral images collected by using the Intelligent Spectral Imaging System (ISIS) scanner. Two experimental ISIS images along with in-flight GPS/IMU data and 40 ground control points (GCPs) were used solve these parameters by iterative least squares method. By applying the proposed self-calibrated DG approach, the positional error of the GCPs is dramatically reduced to pixel level form ten-pixel level of the in-flight DG-based rectification without self-calibration. Similar results are also found for the 30check points (CkPs), whose coordinates were either meatured by GPS-RTK, or interpolated from 5-m or 20-m DEM data, even when the 6 lens distortion parameters were omitted. It is demonatrated that the proposed self-claibrated DG approach promisingly improve the quality of the georeferencing results in reducing the geometric distortions caused by instability of the platform, including misalignments in GPS/IMU, stabilizer's effects on aircraft vibration and rotation, interior orientation parameters of the sensor's optical system, and variations in topography. In the image reconstruction procedure, the geometric transformation and image interpolation techniques must be adopted to resample the images. First, the relation among image points and GCPs was constructed to indicate the geometric transformations between image space and object space. Then, various image resampling method were tested to obtain the best image results. The experimental results shows the nearest neighborhood region assignment method in a direct geometric transform efficiently produces complete images with un-smoothing edges while the bilinear interpolation method in an indeirect geometric transform yields well-quality images that cost time though. Therefore, the nearest neighborhood region assignment method was proposed to be used for producing preview images, and indirectly bilinear interpolation method for image production on common procedure.誌謝 I 摘要 III ABSTRACT V 目錄 VII 圖目錄 X 表目錄 XIII 第一章 緒論 1 壹、 前言 1 貳、 研究動機與目的 2 參、 文獻回顧 3 肆、 研究流程 6 伍、 論文架構 10 第二章 空載線掃式高光譜感測系統 11 壹、 感測器特性 11 貳、 感測系統之組成 13 一、 載具 13 二、 高光譜感測系統 14 三、 直接地理對位外方位參數量測系統 15 參、 高光譜感測系統之成像原理 17 肆、 ISIS高光譜影像輻射改正 18 一、 系統輻射改正原理 18 二、 系統輻射改正 19 三、 輻射改正程序 22 第三章 整合式空載高光譜感測系統特性 24 壹、 推掃式感測系統影像特性 24 貳、 坐標系統 26 一、 影像坐標系統 26 二、 投影成像平面坐標系統 26 三、 物空間坐標系統 27 參、 方位參數及投影幾何轉換 31 一、 內方位參數 31 二、 外方位參數 32 肆、 影像幾何變異 32 一、 影像姿態旋轉變異量計算 32 二、 影像空間位置變異量計算 35 伍、 正射化處理 36 第四章 自率直接地理對位線掃感測系統誤差改正 40 壹、 直接地理對位系統之系統誤差 40 一、 直接地理對位外方位量測系統誤差 40 二、 全球定位系統GPS 41 三、 慣性量測單元IMU 43 貳、 空載整合式線掃式高光譜感測系統之幾何特性 45 參、 系統改正參數 46 肆、 自率法平差求取系統參數 51 一、 建立觀測方程式 51 二、 最小二乘法求解 53 三、 迭代求取最佳解 54 四、 評估成果精度 54 第五章 幾何改正處理 56 壹、 影像重建及重新取樣 56 一、 影像重建 56 二、 輻射內插技術 57 三、 幾何轉換及輻射內插方法比較 61 貳、 幾何改正誤差來源 63 一、 感測器內方位條件 63 二、 外方位參數系統及量測誤差 64 三、 資料處理及幾何改正方法 64 參、 ISIS高光譜影像資料組成 67 一、 原始資料 67 二、 改正後輸出影像格式 68 第六章 研究成果與探討 72 壹、 影像基本資訊 72 貳、 數值高程模型 78 參、 研究成果 78 一、 地面控制點及檢核點資訊 79 二、 DG-19模式 88 三、 DG-10模式 97 肆、 成果分析與討論 99 第七章 結論與建議 102 壹、 結論 102 貳、 建議 105 參考文獻 106 附錄一、 矩陣元素線性化過程 112 附錄二、 地面控制點、檢核點及影像檢核點坐標剩餘誤差比較表 121 壹、 DG-19模式 121 貳、 DG-10模式 127 圖目錄 圖1. 研究流程圖 7 圖2. 空載線掃高光譜影像地理對位作業流程圖 9 圖3. 空載高光譜感測器光譜範圍示意圖 11 圖4. 空載高光譜感測系統組成示意圖 13 圖5. 常見之空拍航空載具BN2空照機 14 圖6. ISIS感測器實體裝置 14 圖7. 推掃式高光譜感測器組成示意圖 17 圖8. ISIS系統輻射量改正參數示意圖 20 圖9. 系統輻射補償測試色彩組合影像 21 圖10. 系統輻射補償改正前後影像斷面圖 21 圖11. 系統輻射補償參數 22 圖12. 推掃式感測系統掃描方式示意圖 24 圖13. 影像坐標系統示意圖 26 圖14. 投影成像平面坐標系統示意圖 27 圖15. 地圖投影坐標系統 28 圖16. 旋轉投影變異示意圖 33 圖17. 推掃式影像旋轉畸變示意圖 34 圖18. 透視投影與正射化示意圖 37 圖19. 推掃式成像一維高差移位示意圖 38 圖20. 由數值高程模型（DEM）內插計算像點高程示意圖 38 圖21. ISIS感測器裝設於載具之整合系統裝置示意圖 41 圖22. 直接地理對位系統示意圖 45 圖23. 影像重新取樣產生空洞影像 56 圖24. 最近鄰法示意圖 58 圖25. 雙線性內插法示意圖 59 圖26. 輻射內插方法權值比較 60 圖27. 幾何轉換輻射內插原始影像 61 圖28. 幾何轉換輻射內插成果影像 62 圖29. 影像數值資料排列範例影像 71 圖30. 測區套疊台中市地形圖 72 圖31. ISIS原始色彩組合影像 73 圖32. 07051501影像平面軌跡、航高及姿態角軌跡圖 75 圖33. 092901-1影像平面軌跡、航高及姿態角軌跡圖 76 圖34. 092901-2影像平面軌跡、航高及姿態角軌跡圖 77 圖35. 農航所全台20 m解析大小DEM 78 圖36. 原始ISIS近紅外光彩色組合影像（Red: λ182=869.9nm, Green: λ94=654.6nm, Blue: λ52=551.9nm）套疊控制點GCPs及檢核點CkPs成果圖 79 圖37. 原始ISIS 08092901-2影像套疊影像檢核點ICPs成果圖 80 圖38. 控制點及檢核點圖例 80 圖39. 正射影像檢核點ICPs套疊1/5000像片基本圖成果 87 圖40. 07051501經DG-19地理對位模式正射化幾何改正成果影像 88 圖41. 08092901-1由DG-19地理對位模式正射化幾何改正成果影像 89 圖42. 08092901-2影像經DG-19地理對位模式正射化幾何改正成果影像 90 圖43. 08092901及07051501由DG-19地理對位模式幾何改正成果套疊5-m DEM 2.5D視景示意圖 91 圖44. 影像08092901及07051501地面控制點GCPs由DG-19自率改正後差異向量套疊於幾何改正後影像 92 圖45. 08092901-1及07051501地面檢核點CkPs經DG-19附加參數改正（帶入RTK高程）後差異向量套疊於08092901正射化幾何改正成果影像 94 圖46. GCPs及CkPs利用不同精度高程資訊經DG-19自率改正後差異向量套疊於07051501影像正射化改正影像成果 95 圖47. ICPs差異向量圖套疊08092901-2正射化幾何改正成果 96 圖48. 影像08092901-1及07051501地面控制點GCPs由DG-10模式自率改正後差異向量套疊於幾何改正後影像 97 表目錄 表1. ISIS感測器之光學及光譜性質 15 表2. 台灣地區常見坐標系統比較表 30 表3. GPS、IMU各別系統及整合系統比較表 43 表4. ISIS測試影像色彩成分資訊 61 表5. 幾何轉換輻射內插方法成效比較表 63 表6. 直接地理對位外方位量測資料系統資訊 67 表7. ENVI Standard影像檔頭資訊說明 69 表8. 影像記錄形式說明表 70 表9. ISIS測試影像基本資料 74 表10. 地面控制點GCPs物空間坐標表 81 表11. GCPs影像量測坐標 83 表12. 08092901影像CkPs像及物空間量測坐標 84 表13. CKPs影像量測坐標 86 表14. 正射影像檢核點ICPs坐標量測資訊 87 表15. DG-19自率改正系統參數成果 93 表16. DG-10自率改正系統參數成果 98 表17. ISIS測試影像由DG-19自率改正成果精度對照表 99 表18. ISIS測試影像由DG-10自率改正成果精度對照表 100 附表1. 08092901影像In-flight DG改正GCPs坐標剩餘誤差比較表 121 附表2. 07051501影像In-flight DG改正GCPs坐標剩餘誤差比較表 122 附表3. 08092901-1影像CkPs於不同高程精度DG-19坐標剩餘誤差比較表 124 附表4. 07051501影像CkPs於不同高程精度改正坐標剩餘誤差比較表 125 附表5. 正射影像檢核點ICPs DG-19自率改正坐標剩餘誤差成果（單位：m） 126 附表6. 08092901-1影像GCPs於In-flight DG及DG-10坐標剩餘誤差比較表 127 附表7. 07051501影像GCPs於In-flight DG及DG-10坐標剩餘誤差比較表 128 附表8. 08092901影像CkPs於DG-10附加參數改正不同高程精度坐標剩餘誤差比較表 130 附表9. 07051501影像於DG-10附加參數改正CkPs於不同高程精度改正坐標剩餘誤差比較表 131 附表10. 08092901影像於DG-10附加參數改正ICPs於不同高程精度改正成果剩餘誤差比較表 13