京津冀地區(qū)高分一號(hào)寬覆蓋正射影像生成

秦緒文，汪韜陽，杜錦華，張 過

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局, 北京 100037；2.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430079；3.中國人民解放軍75711部隊(duì)，廣東 廣州 510515；4.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079）

京津冀地區(qū)高分一號(hào)寬覆蓋正射影像生成

秦緒文1，汪韜陽2，杜錦華3，張 過4

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局, 北京 100037；2.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430079；3.中國人民解放軍75711部隊(duì)，廣東 廣州 510515；4.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079）

針對(duì)高分一號(hào)寬覆蓋1A級(jí)影像的大區(qū)域正射影像生成后，相鄰影像接邊精度不高的問題，提出利用數(shù)字高程模型（DEM）作為高程約束的平面區(qū)域網(wǎng)平差方法提高其對(duì)地目標(biāo)定位精度。通過京津冀地區(qū)的高分一號(hào)寬覆蓋影像的平面區(qū)域網(wǎng)平差并進(jìn)行正射糾正試驗(yàn)，在GOTOPO30 DEM的支持下，采用的區(qū)域正射糾正方法和處理流程取得了較好的效果。

高分一號(hào)衛(wèi)星影像； 寬覆蓋； 平面區(qū)域網(wǎng)平差； 正射糾正； 接邊精度

高分一號(hào)是我國高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，也是我國第一顆設(shè)計(jì)、考核壽命要求大于5 a的低軌遙感衛(wèi)星（GF-1姿軌控制參數(shù)和載荷指標(biāo)如表1所示），它所搭載的寬覆蓋成像系統(tǒng)由4臺(tái)相機(jī)組成，總幅寬達(dá)到了800 km[1-3]。同時(shí)，高分一號(hào)具有較高的時(shí)間分辨率，重訪周期為4 d。如何針對(duì)大區(qū)域衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行高精度且快速的正射糾正，是首先解決的問題。單景遙感影像的正射糾正已經(jīng)是一門比較成熟的工藝[4]，但針對(duì)大區(qū)域影像如果采用這種單景糾正的處理模式，效率極低，而且無法保證糾正后相鄰影像的接邊精度，常常需要在影像接邊處再次進(jìn)行相對(duì)糾正。

表1 GF-1衛(wèi)星姿軌控制參數(shù)和載荷指標(biāo)

針對(duì)以上問題，本文基于RFM（rational function model）的衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差方法[5-8]，通過分析弱交會(huì)條件下經(jīng)典衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差求解不穩(wěn)定的情況，給出DEM作為高程約束的衛(wèi)星影像平面區(qū)域網(wǎng)平差算法原理[9]，并通過平差后的定向參數(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)影像進(jìn)行正射糾正[10]，以期提升GF-1大范圍寬覆蓋影像正射糾正效果，為航天攝影測量及遙感技術(shù)提供技術(shù)支撐，并直接服務(wù)于測繪工程、地理國情監(jiān)測以及國土資源調(diào)查等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

1 大區(qū)域衛(wèi)星影像的平面區(qū)域網(wǎng)平差

1.1 通用傳感器模型RFM

由于RFM具有優(yōu)良的內(nèi)插特性，使得誤差在RFM估計(jì)點(diǎn)之間過度平滑。此外，RFM獨(dú)立于傳感器平臺(tái)和衛(wèi)星軌道參數(shù)，因此可以建立任意地面坐標(biāo)系統(tǒng)與影像空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如大地坐標(biāo)、地理坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系等。

RFM能獲得和傳統(tǒng)方法近似相同的精度，但形式更簡單。它將地面點(diǎn)空間坐標(biāo)（X，Y，Z）與對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來，基本方程如下：

作為一種廣義模型，當(dāng)RFM分母為1時(shí)，其退化為一般的多項(xiàng)式模型。高階的多項(xiàng)式模型常常被用于擬合曲線的內(nèi)插模型[11]。對(duì)于三維通用成像幾何模型RFM，其三階多項(xiàng)式函數(shù)可以表示成：

在RFM中，光學(xué)投影系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差用有理多項(xiàng)式中的一次項(xiàng)來表示，地球曲率、大氣折射和鏡頭畸變等產(chǎn)生的誤差能很好地用有理多項(xiàng)式中的二次項(xiàng)來模型化，其他一些未知的具有高階分量的誤差如相機(jī)震動(dòng)等，用有理多項(xiàng)式中的三次項(xiàng)來表示。

1.2 基于RFM的衛(wèi)星影像平面區(qū)域網(wǎng)平差

在弱交會(huì)條件下采用傳統(tǒng)的衛(wèi)星影像平差方式會(huì)造成平差求解異常，本文提出一種衛(wèi)星影像的平面平差方法，在區(qū)域網(wǎng)平差過程中不求解連接點(diǎn)地面坐標(biāo)的高程值，僅計(jì)算衛(wèi)星影像的定向參數(shù)和連接點(diǎn)物方平面坐標(biāo)，高程值采用已有的DEM內(nèi)插獲取。這種平差方式可以保證平差解算的穩(wěn)定以及平差后物方點(diǎn)平面坐標(biāo)的精度，平面區(qū)域網(wǎng)平差并不改正RPC參數(shù)（rational polynomial coefficients，RPCs），而僅僅改正RPC模型的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償參數(shù)。研究表明，基于像方補(bǔ)償方案[5]能夠很好地消除影像的系統(tǒng)誤差，從而提高基于RFM的影像幾何處理精度。

基于像方的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償模型中最為常用的是仿射變換模型：

式中，line和sample為由RFM計(jì)算得到的影像坐標(biāo)；（e0，e1，e2）和（f0，f1，f2）為仿射變換系數(shù)；?x、?y為像方改正值[6]。

在式（1）和式（3）的基礎(chǔ)上，將像方補(bǔ)償?shù)姆律漤?xiàng)參數(shù)（e0，e1，e2）和（f0，f1，f2）作為未知數(shù)與地面點(diǎn)平面坐標(biāo)（X, Y）等未知數(shù)一并求解，即得到基于RFM模型的區(qū)域網(wǎng)平差誤差方程式。

2 幾何無損的正射糾正產(chǎn)品

衛(wèi)星軌道和姿態(tài)在衛(wèi)星成像過程中會(huì)引起一些變形。正射糾正避免了除地形起伏之外其他因素引起的誤差，得到符合某種地球投影表達(dá)要求、具有地理編碼的新影像。正射糾正產(chǎn)品是在傳感器校正產(chǎn)品的基礎(chǔ)上按照一定的地球投影，以一定的地面分辨率投影在地球橢球面上的幾何產(chǎn)品。因此，正射糾正產(chǎn)品與傳感器校正產(chǎn)品之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過該對(duì)應(yīng)關(guān)系和傳感器校正產(chǎn)品的RFM，可以建立起正射糾正產(chǎn)品上像素點(diǎn)與地面點(diǎn)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

正射糾正產(chǎn)品通常采用WGS84坐標(biāo)系下的UTM投影和影像覆蓋區(qū)域的平均高程。根據(jù)影像四角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)（由RFM計(jì)算得到）可以計(jì)算出影像在行、列方向的分辨率，分別用dx，dy表示；并可以得到影像左上角點(diǎn)的大地坐標(biāo)（lefttopx，lefttopy）。利用dx，dy和（lefttopx，lefttopy）可以建立起正射糾正產(chǎn)品像點(diǎn)與對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于根據(jù)傳感器校正產(chǎn)品的RFM已經(jīng)得到地面點(diǎn)與傳感器校正產(chǎn)品像點(diǎn)坐標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，最終可以建立起正射糾正產(chǎn)品和傳感器校正產(chǎn)品間的像點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3 大區(qū)域衛(wèi)星影像正射糾正試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采用高分一號(hào)寬覆蓋WFV相機(jī)1A級(jí)影像產(chǎn)品作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅僅包含影像和RPC參數(shù)。數(shù)據(jù)包含WFV相機(jī)1影像2景，WFV相機(jī)3影像5景，WFV相機(jī)4影像6景。試驗(yàn)區(qū)域范圍為京津冀試驗(yàn)區(qū)。檢查點(diǎn)采用目視判別高分一號(hào)寬覆蓋影像與該地區(qū)GoogleEarth影像上同名點(diǎn)位，并通過人工轉(zhuǎn)刺的方式獲取。檢查點(diǎn)分布如圖1所示。

3.2 試驗(yàn)方案

首先對(duì)全區(qū)域13景高分一號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行平面區(qū)域網(wǎng)平差，DEM采用全球1 km格網(wǎng)的GOTOPO30 DEM。求解每景影像的定向參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)無控制條件下連接點(diǎn)的像方誤差。然后，幾何無損的正射糾正方法通過相關(guān)參數(shù)配置分別對(duì)每一景影像進(jìn)行正射糾正，并對(duì)區(qū)域內(nèi)糾正后相鄰正射影像接邊情況進(jìn)行目視檢查。

圖1 檢查點(diǎn)分布略圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)13景影像進(jìn)行無控制的平面區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)區(qū)域網(wǎng)平差連接點(diǎn)精度如表2所示。

表2 高分一號(hào)WFV影像的無控制平面平差連接點(diǎn)像方結(jié)果

從表2可以看出，平面區(qū)域網(wǎng)平差的連接點(diǎn)像方中誤差為0．5個(gè)像元，最大誤差不超過2個(gè)像元，從數(shù)值上看像方連接精度達(dá)到了無縫連接的水平。

根據(jù)平差后得到每景影像的定向參數(shù)，將高分一號(hào)WFV影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正，在圖中任意選取了10個(gè)位置，通過ERDAS疊加顯示并截取接邊示意圖，如圖2所示。

圖2 影像接邊處正射糾正效果

從圖中可以看出，無論在鄰軌還是同軌方向上，糾正后影像的接邊精度達(dá)到了幾何無縫拼接的水平。通過導(dǎo)入檢查點(diǎn)，驗(yàn)證最終高分一號(hào)WFV影像的無控平差精度如表3所示。由于控制點(diǎn)的獲取源是Google Earth，盡管控制點(diǎn)之間的幾何精度并不一致，但是檢查點(diǎn)物方平面中誤差達(dá)到88．388 m，最大誤差為148．617 m，取得了較好的效果。

表3 高分一號(hào)WFV影像的無控平差獨(dú)立檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語

在GOTOPO30 DEM的支持下，利用本文所采用的區(qū)域正射糾正方法和處理流程得出正射產(chǎn)品。通過目視判讀可以看出，無論在鄰軌還是同軌方向上，糾正后影像的接邊精度達(dá)到了幾何無縫拼接的水平；定量評(píng)價(jià)結(jié)果表明，平面區(qū)域網(wǎng)平差的連接點(diǎn)像方中誤差為0．5個(gè)像元，最大誤差不超過2個(gè)像元，從數(shù)值上看像方連接精度達(dá)到了無縫連接的水平，取得了較好的效果。

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P237.3

B

1672-4623（2014）05-0119-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.043

秦緒文，博士，副研究員，主要從事遙感地質(zhì)項(xiàng)目的管理及科研工作。

2014-04-02。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41201361）；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目 （2012BAH28B04）；測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201412007）。