不變性(Rotate 以特徵點為中
受到雜訊 Sigman Threshold dian Thresho 亮度差異範圍 正規值 R 與熵 計其紋理參數
俊霖及陳彥良 用Scale Inva
變數 aves
els
d
eshold
tialBins
entbins
可降低因定位 ariant Feature
意義 Transform (SI
表1 SI feature point 用以評估找出 找出feature 特徵點以2x
出feature poi 越多。 配合RANSAC 特徵點對，最後
4x4x8=128 維
180，215，
Adaboost 漢哲(2009)
張國楨、陳俊愷：影像特徵點萃取與匹配應用於福衛二號影像幾何糾正 305
3. 研究設計
3.1 研究流程
根據研究目的，研擬研究架構如圖7。本文中 對不同尺度衛星影像於影像匹配適用性加以評估，
並以修改SIFT 演算法對多尺度、多平台影像進行 影像匹配，藉影像匹配成果做為影像控制點使用，
並評估其效益。多時序、多平台遙測影像，常因感 測器、太陽輻射、天候、大氣環境、拍攝角度而影 響所獲取資訊，亦需研究分析不同衛星載具，其各 波段間較佳匹配情形與適用性。研究成果與分析中 包括說明研究所採用衛星影像、影像類型及所在區 位，並針對實驗成果進行驗證與整理，說明研究成 果與研究限制。最後結論與建議中，就修正演算法 適用性、正確性與精度進行整理，並對此議題未來 相關與後續研究，提出建議。
3.2 不同匹配法測試
遙測影像幾何糾正所採用影像匹配方式主要 區分為區域匹配與特徵匹配兩種。區域匹配(ABM, Area-Based Matching) 為直接針對區域內所有的 灰度值作為觀測值進行相似性評，亦稱之為灰度值 式匹配(Intensity Matching)，以相同影像進行比較，
此類方式困難度較低，但成功率也偏低，尤其以衛 星影像大範圍、地表地物複雜度高前提下，匹配錯 誤情形大為增加，須給予初始參數以獲得較佳結果。
而特徵匹配(FBM, Feature-Based Matching)是利用 影像處理技術萃取出特徵物，再對特徵物間共軛關 係進行匹配求解。
以原始福衛二號全色態與多光譜影像，包括相 同尺度與不同尺度進行區域匹配與特徵匹配比較，
分析將結果以整體RMSE、殘差與匹配正確性分析 探討。
圖7 研究架構
特徵匹配 區域匹配
影像匹配
關係匹配
同尺度影像 不同尺度影像
匹配法適用性評估
modified SIFT
影像幾何糾正 影像特徵萃取
特徵匹配
影像特徵萃取
QA/QC
正射融合影像
未糾正影像 具地理座標
參考影像
數值地型 模型 影像控制點
PCI Geomatica
3.3 SIFT 演算法修正
原始SIFT 演算法計算影像中各尺度空間中特 徵點，其大量特徵點的128 維特徵描述需大量記憶 體儲存。以 Lowe(1999) 所採用驗證影像大小為 500pixel x 500 pixel，計算可得約 2000 特徵點。原 演算法應用於光學遙測影像時，在電腦運算資源限 制 下 ， 僅 能 針 對 較 小 維 度 影 像(約 1400pixel x 1400pixel)進行運算，超過則易發生計算資源不足 並無法完成匹配。原始SIFT 進行影像匹配時，因 應不同影像且保留較多彈性情況下，計算出大量匹 配結果，容易產生錯誤匹配情形並降低資料處理正 確性，且需更多資源與時間進行檢核。因此原始演 算法需加以評估並修改，以適合福衛二號或其它遙 測影像匹配使用，針對衛星影像改進原始演算法增 進其效益。除藉修改原始演算法以增加影像計算量 外，本研究針對衛星影像解析度與尺度空間關係，
加上對於搜尋範圍進行修改。前者可避免在差異過 大的尺度空間產生錯誤匹配，而後者可以縮短在匹 配時搜尋範圍，將可以提高匹配精度與減少所需計 算量。
3.4 成功率與正確性評估
測試結果以特徵點匹配(Matches)數量估算成 功率，以人工逐一檢視配對特徵點篩除匹配錯誤者 (Mis-Matches)後，計算其影像幾何糾正之均方根誤 差(Root Mean Square Error, RMSE)做為正確性評 估，若某特徵點RMSE 超過 0.5 像素，則將其歸類 為超出門檻(over-threshold)而不納入採用並重新計 算。
3.5 半自動化機制建立
建立一影像處理流程，包含影像匹配、坐標轉 換與幾何糾正三部分(如圖 8)。影像匹配步驟中利 用修改後的SIFT 演算法進行影像匹配，產生大量 影像控制點；在坐標轉換階段中，藉匹配所得到參 考影像上的控制點由平面坐標系轉換為地理坐標 系統(如 TWD67、TW97 或經緯度等)；於最後幾何 糾正步驟中利用影像匹配所得未糾正影像上的控
制點，與坐標轉換後的參考坐標於遙測軟體中進行 影像幾何糾正。
影 像 匹 配 、 坐 標 轉 換 與 幾 何 糾 正 ， 由 MathWorks MATLAB 進行影像匹配處理，將影像 匹配結果(影像特徵位置、匹配對應關係)輸出成文 字檔。後續由ESRI ArcGIS Desktop 將影像特徵位 置 由 影 像 直 角 坐 標 轉 為 具 地 理 意 義 坐 標( 如 TWD67、TW97 或經緯度等)，依指定格式輸出供 後續幾何糾正使用。幾何糾正由PCI Geomatica 利 用匹配結果為影像控制點及其參考坐標，進行平差 計算誤差量與重新取樣。
圖8 半自動化機制流程圖
4. 研究資料
福衛二號為國人首顆自主性、多光譜遙測衛星，
具地表遙測實用任務及高空大氣閃電觀測科學用 途之衛星，如表2。主要任務是獲得臺灣陸地及附 近海域近實時(near real-time)的衛星影像資料，以 作為土地利用、農林規劃、環境監控、災害評估、
科學研究、科學教育等相關之民生與科學用途。
4.1 都市地區
原始影像資料為挑選不同季節所拍攝、且雲覆 量低(<5%)之福衛二號全色態、Level 1A 產品等級
Image 1 Image 2
Features 1
Descriptor 1
Image Matching Features 2
Descriptor 2
Matched Points 1
Matched Points 2
Image Coordinate system
GeoCoding Coordinate system
Geo‐Rectification
Quality Check
單幅影像 共 挑 選 2008/09/
2009/02/
張
像，影像大小 2008/03/05 18、2008/11/2 12 與 2009/03
軌道 全色
多光
遙測 像幅
2008/03/05
2008/09/18
2008/12/2
張國楨、陳俊愷
為12000 像素
、2008/04/06 22、2008/12/1 3/18 等 (表 3
道及運轉週期 色態(PAN)
光譜(MS)
測對地解析度 幅寬
5
8
1
愷：影像特徵點
素x12000 像素 6 、 2008/08/2
11、2008/12/2 )。測試區涵蓋
表2 福
表3 子
點萃取與匹配應
素，
20 、 21、
蓋台
北市 影、
均質 市區 福衛二號相關規 888 公里高，
每日通過台灣 0.45~0.90μm 0.45~0.52μm 0.52~0.60μm 0.63~0.69μm 0.76~0.90μm 全色態(黑白 多光譜(彩色 24 公里 子測試區影像
2008/04/06
2008/11/22
2009/02/12
應用於福衛二號
市大同區與三
、高程差異於 質區域(大漢溪 區域，用以評 規格說明
，太陽同步軌 灣海峽上空二 m
m(藍) m(綠) m(紅) m(近紅外線)
)影像 2 公尺 色)影像 8 公尺
像列表
號影像幾何糾正
三重市區域，主 影像匹配影響 溪河面)與影 評估演算法適用
軌道 二次
尺 尺
2
2
2
正
主要針對不同 響。此區域中 影像組成較為複
用性。
2008/08/20
2008/12/11
2009/03/18
307
同日期、陰 含括較為 複雜的都