風(fēng)電場(chǎng)測(cè)繪中ZY－3衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差研究

張濟(jì)勇，閆建軍

(1.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120；2.中國(guó)人民解放軍第一二O五工廠，北京 100088)

從20世紀(jì)90年代初以來，航天遙感已步入一個(gè)能快速提供多種高分辨率對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的新階段，特別是近10年，利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行高精度目標(biāo)定位、立體測(cè)圖和變化監(jiān)測(cè)是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一，同時(shí)，各種高分辨率衛(wèi)星遙感影像正越來越多地應(yīng)用于攝影測(cè)量領(lǐng)域，例如，我國(guó)自主研發(fā)的資源三號(hào)衛(wèi)星地面分辨率達(dá)到全色2.1m級(jí)，國(guó)外的WorldView衛(wèi)星地面分辨率全色為0.5m，GEOEYE-1衛(wèi)星地面分辨率全色為0.41m，因此，現(xiàn)有的衛(wèi)星影像完全有能力取代航空影像測(cè)繪風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址地形圖等具有特殊生產(chǎn)用途的大比例尺地形圖。

1 風(fēng)電場(chǎng)地形圖特點(diǎn)及資源三號(hào)衛(wèi)星簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)電場(chǎng)地形圖特點(diǎn)

目前我國(guó)陸域風(fēng)電場(chǎng)大部分選址在人煙稀少地區(qū)，特別是北方區(qū)域，風(fēng)電場(chǎng)大多選址在無人活動(dòng)的山區(qū)或丘陵地區(qū)，地物相對(duì)較少，而且風(fēng)電場(chǎng)平面測(cè)繪重點(diǎn)是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)道路、高等級(jí)電力線、通訊線以及風(fēng)機(jī)位附近的地物，對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)位的一般地物精度要求不高。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的高程要求，則主要考慮風(fēng)機(jī)位附近的地勢(shì)情況，對(duì)于遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)位的地勢(shì)，特別是一些溝底地形地勢(shì)情況，僅僅要求滿足1:10000甚至1:50000地形圖的要求即可?？梢哉f，風(fēng)電場(chǎng)地形圖的重點(diǎn)是風(fēng)機(jī)位周圍的地形地貌，風(fēng)機(jī)道路以及場(chǎng)內(nèi)影響風(fēng)機(jī)布設(shè)的重要地物。

1.2 資源三號(hào)衛(wèi)星簡(jiǎn)介

在2012年1月9日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院自主研發(fā)，由國(guó)家測(cè)繪地理信局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)的我國(guó)首顆高分辨率測(cè)繪衛(wèi)星資源三號(hào)成功發(fā)射，衛(wèi)星配備三線陣測(cè)繪相機(jī)和多光譜相機(jī)，其中正視相機(jī)分辨率優(yōu)于2.1m，幅寬52km，前視相機(jī)和后視相機(jī)分辨率優(yōu)于3.5m，幅寬52km，多光譜分辨率5.8 m，幅寬52km，可實(shí)現(xiàn)地球絕大部分區(qū)域內(nèi)無縫影像覆蓋。同時(shí)衛(wèi)星軌道形式為太陽同步圓軌道，軌道高度505.984km，回歸周期59天，傾角為97.421°重訪周期為5天，降交點(diǎn)地方時(shí)10:30AM。目前，資源三號(hào)已完成了國(guó)內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi)的遙感影像的獲取，可以直接購買存量數(shù)據(jù)，國(guó)外影像資料則需委托國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星應(yīng)用中心進(jìn)行訂購。

2 資源三號(hào)衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差原理

2.1 衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差模型

目前，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像的特點(diǎn)及各運(yùn)營(yíng)商提供的公開數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外研究人員提出多種不同成像幾何模型，主要可分為兩類:嚴(yán)密幾何成像模型和通用幾何成像模型。

(1)嚴(yán)密幾何成像模型也稱嚴(yán)格物理傳感器，主要是依據(jù)傳感器成像特性，利用衛(wèi)星成像時(shí)的幾何關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型，衛(wèi)星成像瞬間地面點(diǎn)、傳感器鏡頭透視中心和相應(yīng)像點(diǎn)均在在一條直線上，通過共線方程或仿射變換等建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。嚴(yán)格成像模型在建立時(shí)，需要考慮一些影響因素，例如：相機(jī)投射畸變、地表起伏變化、大氣折射的影響、衛(wèi)星精確位置等。嚴(yán)格成像模型在理論上是嚴(yán)密的，能真實(shí)地反映成像時(shí)空間幾何關(guān)系，并且模型的定位精度較高，被認(rèn)為是最好的影像正射校正方法。

(2)通用幾何成像模型是在不考慮傳感器成像的物理因素的情況下，直接采用多項(xiàng)式、直接線性變換方程以及有理多項(xiàng)式函數(shù)等數(shù)學(xué)函數(shù)來描述地面點(diǎn)和相應(yīng)像點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，其實(shí)質(zhì)是利用數(shù)學(xué)函數(shù)實(shí)現(xiàn)物理模型的精確擬合。這類模型具有數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于其模型未考慮傳感器成像的物理因素，及與具體的傳感器無關(guān)，因此在理論上不甚嚴(yán)密。

嚴(yán)格幾何成像模型通過傳感器的特性建立的數(shù)學(xué)模型，能夠很好的反映影像獲取時(shí)的幾何關(guān)系。但是嚴(yán)格幾何成像模型是與傳感器密切相關(guān)的，用戶在使用時(shí)需要獲知不同傳感器的參數(shù)，對(duì)用戶來說，遙感影像應(yīng)用系統(tǒng)需要根據(jù)不同的傳感器進(jìn)行更新的。而且由于需要保密、衛(wèi)星安全以及對(duì)它國(guó)的限制，衛(wèi)星數(shù)據(jù)商基本上不會(huì)提供傳感器的一些關(guān)鍵參數(shù)，例如衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)，取而代之的以構(gòu)建有理函數(shù)模型的關(guān)鍵參數(shù)。即使有部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)商提供部分參數(shù)，但大都經(jīng)過插值處理，僅僅能夠用于構(gòu)建虛擬傳感器模型。普通用戶如果需要構(gòu)建衛(wèi)星的嚴(yán)格幾何成像模型來實(shí)現(xiàn)影像的糾正，幾乎是不可能的。為解決構(gòu)造衛(wèi)星影像成像模型，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)通用傳感器模型進(jìn)行大量的研究，開放GIS組織提出了四種適合實(shí)時(shí)處理的通用成像幾何模型，即多項(xiàng)式模型(Polynomial Model)、格網(wǎng)內(nèi)插模型(Grid Interpolation Model)、有理函數(shù)模型(Rational Function Model——RFM)和通用實(shí)時(shí)成像幾何模型(Universal Real-time Image Geometry Model)，目前來說，通過有理函數(shù)模型來描述地面點(diǎn)和相應(yīng)像點(diǎn)之間的幾何關(guān)系已成為重要的研究方向。

2.2 基于RFM模型的衛(wèi)星影像定向及區(qū)域網(wǎng)平差

有理函數(shù)模型RFM是指將是將像點(diǎn)坐標(biāo)(r, c)表示為以相應(yīng)地面點(diǎn)空間坐標(biāo)(x, y, z)為自變量的多項(xiàng)式的比值，即：

式中：pi(Xn，Yn，Zn)為(i=1，2，3，4)普通多項(xiàng)式，最高不超過3次，形式如下：

式中的多項(xiàng)式系數(shù)a0，……，a19稱為有理函數(shù)系數(shù)RFCs。RFCs一般表示為L(zhǎng)INE_NUM_COEF_n，LINE_DEN_COEF_n，SAMP_NUM_COEF_n，SAMP_DEN_COEF_n(n=1，2，……20)的形式。

區(qū)域網(wǎng)平差模型可采用RFM模型加其模型變換基礎(chǔ)上的像方平移、仿射變換來實(shí)現(xiàn)，但是由于傳感器平臺(tái)的內(nèi)定向和外方位元素中的各種誤差產(chǎn)生RFM模型誤差，因此需要利用一定數(shù)量的控制點(diǎn)對(duì)RFM模型進(jìn)行精化處理，即基于RFM成像模型的區(qū)域網(wǎng)平差，根據(jù)國(guó)外一些學(xué)者的研究，針對(duì)基于RFM成像模型的影像定向可以在像方空間也可以在物方空間進(jìn)行。采用在像方空間的定向方程式為：

式中：ai,0+ai,1+ai,2和bi,0，bi,1，bi,2是針對(duì)影像i的6個(gè)定向參數(shù)；(rk, ck)和Xk，Yk，Zk是標(biāo)號(hào)為k的點(diǎn)的影像與地面坐標(biāo)。

根據(jù)立體定位數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)后，由左右像片的同名點(diǎn)坐標(biāo)(rl, cl)、(rr, cr)，可以列出以下四個(gè)誤差方程：

利用式(2)和式(3)所構(gòu)成的平差模型可以應(yīng)用于高分辨率衛(wèi)星影像的單像定向，也可以使用多幅衛(wèi)星影像構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)從而對(duì)成像地區(qū)的多幅影像或多幅不同傳感器平臺(tái)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差。

3 區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)地面控制點(diǎn)的選擇及精度分析

通過(2)、(3)式所構(gòu)成的基于像方的影像定向模型，對(duì)于采用一景資源三號(hào)衛(wèi)星影像，理論上1～4個(gè)定義較好的地面控制點(diǎn)就可以達(dá)到較高的定向精度；對(duì)于采用多景資源三號(hào)衛(wèi)星影像，則需要在每幅影像上有4～6個(gè)以上的地面控制點(diǎn)。由于風(fēng)電場(chǎng)測(cè)圖面積一般在100平方公里至200平方公里內(nèi)，因此本文僅對(duì)選用一景資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)區(qū)位于張北地區(qū)，為高山地勢(shì)，相對(duì)高差528m，測(cè)區(qū)內(nèi)平面地物較少，收集資源三號(hào)影像一景，包含正視 2.1m 分辨率全色影像；前、后視立體影像，分辨率為3.5m；分辨率多光譜影像5.8m，多光譜影像包含藍(lán)、綠、紅、紅外四個(gè)波段。

為驗(yàn)證是否只采用稀少的地面控制點(diǎn)就能達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)需要的地形圖精度，試驗(yàn)選用36個(gè)地面控制點(diǎn)，分布情況見圖1。

采用適普軟件，利用前、后視影像創(chuàng)建立體像對(duì)，然后轉(zhuǎn)刺所有36個(gè)像控點(diǎn)。首先選取1個(gè)定向點(diǎn)進(jìn)行定向，定向點(diǎn)位置選擇為像片中心；再選取2個(gè)定向點(diǎn)，定向點(diǎn)位置為左上角和右下角；4個(gè)定向點(diǎn)，定向點(diǎn)位置分別為四個(gè)角；5個(gè)定向點(diǎn)，定向點(diǎn)位置在4個(gè)定向點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加像片中心位置；9個(gè)定向點(diǎn)，定向點(diǎn)分別為5個(gè)定向點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加4條邊的中間位置，16個(gè)定向點(diǎn)，定向點(diǎn)的位置在9個(gè)定向點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加7個(gè)在像片上均勻分布點(diǎn)，其余像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)進(jìn)行平差解算。具體定向情況見表1。

表1 影像定向精度統(tǒng)計(jì)

從表 1 可知，在無控制的情況下，影像定位精度較差，加入1個(gè)控制點(diǎn)后，影像定位精度提高比較大，隨著控制點(diǎn)的增多，影像定向精度不斷提高，但多于4個(gè)像控點(diǎn)后，精度提高不明顯。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)要求，在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址地形圖中，主要是對(duì)影響風(fēng)機(jī)位的布置和風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸?shù)牡匚餃y(cè)量要求較高，包括測(cè)區(qū)內(nèi)主要的道路，重要的高等級(jí)電力線、通訊線、以及風(fēng)機(jī)位附近的重要地物，對(duì)這些重要的地物，可以采用測(cè)量部分碎部點(diǎn)加以糾正；同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址大部分為山區(qū)或丘陵地形，其地形圖等高距要求為2米或5米。因此，綜合表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)測(cè)圖，選取4個(gè)角點(diǎn)定向是比較合適的。

4 結(jié)語

本文根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)地形圖的特殊要求，通過研究ZY-3衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差及對(duì)地面控制點(diǎn)的測(cè)量設(shè)計(jì)，在加以少量的常規(guī)測(cè)量干預(yù)后，完全能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的需要：

(1)在對(duì)道路和高等級(jí)的電力線以及風(fēng)機(jī)附近的重要地物加以人工干預(yù)的情況下，采用資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)測(cè)圖，可以滿足風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)要求。

(2)采用資源三號(hào)衛(wèi)星影像具有工期短、成本低以及不受航空管制影響的特點(diǎn)，對(duì)于大面積的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址地形圖測(cè)量來說，采用資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行測(cè)圖具有很大的優(yōu)勢(shì)。

(3)由于資源三號(hào)衛(wèi)星影像分辨率為全色相機(jī)分辨率 2.1 m，前、后視相機(jī)分辨率 3.5 m，，因此，采用資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址地形圖測(cè)量時(shí)，對(duì)于影響風(fēng)機(jī)位的布置和風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)輸?shù)闹匾匚?，建議適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行人工測(cè)量，加以校正，同時(shí)對(duì)于風(fēng)機(jī)位周圍100m區(qū)域內(nèi)，適當(dāng)加密一些高程點(diǎn)，以保局部區(qū)域內(nèi)的高程精度。

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