高分一號(hào)多光譜高分相機(jī)全色圖像正射精度驗(yàn)證與分析

黃世存，吳海平，馮登超

（1.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京100094；2.中國土地勘測規(guī)劃院，北京100035；3.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊065000）

高分一號(hào)多光譜高分相機(jī)全色圖像正射精度驗(yàn)證與分析

黃世存1，吳海平2，馮登超3

（1.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京100094；2.中國土地勘測規(guī)劃院，北京100035；3.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊065000）

采用有理函數(shù)模型對(duì)高分一號(hào)衛(wèi)星多光譜高分辨率相機(jī)（PMS）傳感器全色圖像進(jìn)行正射校正，采集檢查點(diǎn)檢驗(yàn)正射后全色圖像幾何精度，獲取全色圖像的正射精度，為用戶了解高分一號(hào)衛(wèi)星全色圖像正射精度提供參考依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，高分一號(hào)衛(wèi)星2m分辨率的全色圖像正射精度為1.6m，折合成像素精度為0.8個(gè)像素，能滿足1∶1萬比例尺地形圖更新要求。經(jīng)過初步分析，高精度高程數(shù)據(jù)能進(jìn)一步提高高分一號(hào)衛(wèi)星全色圖像的正射精度。

高分一號(hào)衛(wèi)星；PMS；全色圖像；正射校正；精度；高分相機(jī)；多光譜

1 引 言

中國國家科技重大專項(xiàng)高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)首顆衛(wèi)星“高分一號(hào)”（GF－1）于2013年4月26日中午在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)國家科技重大專項(xiàng)的實(shí)施，將全面提升中國自主獲取高分辨率觀測數(shù)據(jù)能力，推動(dòng)衛(wèi)星及應(yīng)用技術(shù)的跨越發(fā)展。

GF－1衛(wèi)星是我國首顆設(shè)計(jì)和考核壽命大于5年的低軌遙感衛(wèi)星，星上共配置兩型光學(xué)觀測相機(jī)，分別是兩臺(tái)2m全色／8m多光譜高分辨率相機(jī)（PMS）和4臺(tái)16m多光譜中分辨率寬幅相機(jī)（WFV）。每臺(tái)PMS相機(jī)觀測幅寬優(yōu)于60km，4臺(tái)WFV相機(jī)拼接后觀測幅寬優(yōu)于800km。

圖像幾何正射精度是評(píng)價(jià)遙感圖像幾何質(zhì)量的重要指標(biāo)之一［1］，本文的目的在于測試GF－1衛(wèi)星分辨率為2m的全色圖像的幾何正射精度。本文對(duì)GF－1衛(wèi)星幾何正射精度的驗(yàn)證與分析，有利于客觀反映GF－1衛(wèi)星全色圖像的幾何正射精度，為用戶了解和使用該數(shù)據(jù)提供參考，也為進(jìn)一步提高GF－1衛(wèi)星全色圖像幾何精度提供依據(jù)。

2 測試數(shù)據(jù)

為了盡可能消除衛(wèi)星側(cè)擺過大、參考數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等因素對(duì)圖像內(nèi)部幾何精度的影響，本文對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，篩選條件如下：

表1 測試數(shù)據(jù)篩選條件與參考數(shù)據(jù)情況

根據(jù)上述篩選條件，選取如下數(shù)據(jù)進(jìn)行測試：

表2 正射精度測試數(shù)據(jù)表

3 測試方法

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以1∶1萬DOM、1∶5萬DEM數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，對(duì)GF－1衛(wèi)星全色圖像進(jìn)行正射校正，并進(jìn)行幾何精度測試。

3.2 選取地面控制點(diǎn)的基本原則

地面控制點(diǎn)要求選取不隨時(shí)間、季節(jié)等因素改變的地物。

3.3 測試方法

每景數(shù)據(jù)測試流程如下：

①選取清晰、成像質(zhì)量良好的1A級(jí)圖像作為測試圖像；

②導(dǎo)入1A級(jí)圖像以及RPC文件；

③導(dǎo)入相應(yīng)參考圖像、DEM文件；

④均勻分布采集25個(gè)控制點(diǎn)；

⑤進(jìn)行正射運(yùn)算，生產(chǎn)正射產(chǎn)品；

⑥打開正射產(chǎn)品數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)參考數(shù)據(jù)；

⑦均勻分布采集12個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離步驟4選取的25個(gè)控制點(diǎn)；

⑧計(jì)算檢查點(diǎn)在校正圖像和參考圖像的實(shí)際地理坐標(biāo)差值D以及檢查點(diǎn)坐標(biāo)值的中誤差S，中誤差S即為圖像的正射精度［2－3］；

其中，ΔX＝X圖像－X真實(shí)，ΔY＝Y(jié)圖像－Y真實(shí)，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4 正射圖像處理

高分辨率衛(wèi)星遙感影像正射處理模型可以分為嚴(yán)格幾何處理模型與通用處理模型兩大類。嚴(yán)格幾何處理模型與通用處理模型最具代表性的分別為擴(kuò)展共線方程模型與有理函數(shù)模型［4］。

擴(kuò)展共線方程模型是以攝影測量學(xué)中最基本的共線條件方程為基礎(chǔ)，在假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)行軌跡滿足軌道攝動(dòng)方程的條件下，用軌道參數(shù)的函數(shù)來表示影像外方位線元素，用多項(xiàng)式來擬合影像外方位角元素。由于擴(kuò)展共線方程模型是經(jīng)典攝影測量理論在新型遙感傳感器上的拓展應(yīng)用，對(duì)各項(xiàng)誤差源可分別建模并納入幾何處理模型中，能有效地顧及各項(xiàng)誤差引起的影像變形，理論上最為嚴(yán)密。但是，擴(kuò)展共線方程模型與傳感器物理和幾何特性密切相關(guān)，涉及傳感器的物理構(gòu)造、成像方式以及其他核心參數(shù)。高分辨率CCD傳感器所具有的長焦距和窄視場角特性導(dǎo)致定向參數(shù)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，從而影響定向精度和穩(wěn)定性。但由于技術(shù)保密的要求，一般用戶很難獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)核心參數(shù)，從而無法使用擴(kuò)展共線方程模型進(jìn)行正射校正。

有理函數(shù)模型（Rational Function Model，RFM）利用有理函數(shù)來描述傳感器模型，將像點(diǎn)坐標(biāo)和物點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系描述為兩個(gè)多項(xiàng)式的比值。其實(shí)質(zhì)是用純數(shù)學(xué)來對(duì)嚴(yán)格幾何處理模型進(jìn)行擬合，或者是對(duì)成像地區(qū)實(shí)際地形的一種數(shù)學(xué)逼近［5－6］。有理函數(shù)模型相對(duì)于擴(kuò)展共線方程模型具有保密性、簡便性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，在業(yè)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，有理函數(shù)模型已成為事實(shí)上高分辨率衛(wèi)星遙感影像通用處理模型標(biāo)準(zhǔn)。

中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心為方便用戶使用有理函數(shù)模型進(jìn)行正射處理，分發(fā)的1A級(jí)GF－1衛(wèi)星圖像自帶有RPC參數(shù)文件，但其精度只能到達(dá)相當(dāng)于影像直接對(duì)地目標(biāo)定位的精度（約為20m），需要增加地面控制點(diǎn)對(duì)RPC參數(shù)進(jìn)行精化以滿足測圖應(yīng)用實(shí)際需要［7－8］。本文針對(duì)1A級(jí)測試數(shù)據(jù)采用有理函數(shù)模型進(jìn)行正射處理，在測試數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)上均勻分布采集25個(gè)同名控制點(diǎn)，導(dǎo)入對(duì)應(yīng)RPC、1∶5萬DEM文件，生成正射影像。圖1是1A級(jí)測試數(shù)據(jù)正射前后對(duì)比圖。

圖1 全色1A級(jí)待正射圖像和正射圖像

5 正射精度評(píng)價(jià)

在每景全色正射圖像上采集12個(gè)檢查點(diǎn)，驗(yàn)證全色正射圖像的幾何精度，為了保證檢查點(diǎn)的客觀性，檢查點(diǎn)的選取遵循兩個(gè)原則：①在圖像內(nèi)均勻分布；②檢查點(diǎn)遠(yuǎn)離控制點(diǎn)。通過統(tǒng)計(jì)各檢查點(diǎn)的誤差值（如表3、表4所示）即可獲得全色正射圖像的精度。

圖2 全色正射數(shù)據(jù)和參考圖像檢查點(diǎn)示意圖（紅色點(diǎn)為控制點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)為檢查點(diǎn)）

表3 GF－1衛(wèi)星全色圖像（景號(hào)：15401）正射精度測試結(jié)果表

表4 GF－1衛(wèi)星全色圖像正射精度測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖3 GF－1衛(wèi)星全色正射圖像幾何精度示意圖

6 測試結(jié)果與分析

測繪部門采用航片或者衛(wèi)片更新地形圖，平面精度要求一般是平原、丘陵地區(qū)地形圖上誤差不超過0.5mm，山區(qū)不超過0.75mm［9－11］。比如更新1∶1萬地形圖，平原地區(qū)精度應(yīng)小于5m，山區(qū)小于7.5m。更新1∶2.5萬地形圖，平原地區(qū)精度應(yīng)小于12.5m，山區(qū)小于18.75m。

在以上測試數(shù)據(jù)中，最低正射精度為2.1m，符合更新1∶1萬地形圖要求。平均正射精度1.6m，折合成像素精度為0.8個(gè)像素。5景全色正射圖像所有檢查點(diǎn)最大誤差均小于中誤差的2倍，說明GF－1全色正射圖像幾何畸變小而且穩(wěn)定。

在正射處理中引入DEM文件，其目的是，消除地形起伏引起的變形，提高影像的定位精度，所以，DEM文件作為物方坐標(biāo)的一部分，其本身精度會(huì)影響計(jì)算后像方坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，從而影響正射精度。為了規(guī)范遙感影像幾何精度測試，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議DEM數(shù)據(jù)的格網(wǎng)間距不應(yīng)大于被測圖像地面像元尺寸的5倍。因此，2m分辨率GF－1衛(wèi)星全色圖像應(yīng)使用10m以下格網(wǎng)間距DEM數(shù)據(jù)，但由于DEM數(shù)據(jù)獲取受限，試驗(yàn)采用一般用戶所能獲取的1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)格網(wǎng)間距為25m，如采用更高精度DEM，GF－1衛(wèi)星全色正射圖像精度還有提高空間。

［1］ 黃世存.資源一號(hào)02B衛(wèi)星CCD和HR影像的糾正精度分析［J］.航天器工程，2008，17（72）：53.

［2］ 劉斌，孫喜亮，邸凱昌，等.資源三號(hào)衛(wèi)星傳感器校正定位精度驗(yàn)證與分析［J］.國土資源遙感，2012，7（4）：36－40.

［3］ 黃世存，章文毅，何國金，等.幾種不同矩陣算法的遙感圖像幾何精糾正效果比較［J］.國土資源遙感，2005（3）：18－22，43.

［4］ 孫家抦，舒寧，關(guān)澤群.遙感原理、方法和應(yīng)用［M］.北京：測繪出版社，1999.

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［6］ GRODECKI J，DIAL G.Block adjustment of high－resolution satellite images described by rational polynomials［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2003，（69）：59－68.

［7］ 張過.缺少控制點(diǎn)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像幾何糾正［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005.

［8］ 唐新明，張過，祝小勇，等.資源三號(hào)測繪衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構(gòu)建與精度初步驗(yàn)證［J］.測繪學(xué)報(bào)，2012，41（2）：191－198.

［9］ 國家測繪局.GB 12340－2008－T 1∶25000 1∶50000 1∶100000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［10］ 國家測繪局.GJB 4407－2002，航天遙感圖像定位精度檢測方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［11］ 國家測繪局.國家1∶50000數(shù)據(jù)庫更新工程—數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)規(guī)定（第二版）［S］.北京：國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Ortho Accuracy Analysis of GF－1PAN Imagery

HUANG Shi－cun1，WU Hai－ping2，F(xiàn)ENG Deng－chao3
（1.China Center for Resources Satellite Data and Application，Beijing100094；2.China Land Surveying and Planning Institute，Beijing100035；3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang065000）

After the successful launch of GF－1satellite，to understand the accuracy of its pan ortho－image has extensive demands.This paper used the rational function model to rectify the pan image of GF－1PMS sensor，then collected check points to test the geometric accuracy.The purpose of the test is easy for users to understand the precision of GF－1pan orthoimage.The test results show that the average accuracy of panchromatic otho－image in GF－1satellite is 1.62meters，converted into pixel precision is 0.81pixel，can meet the requirements of 1∶10000scale topographic map updating.After a preliminary analysis，high precision digital elevation data can further improve the ortho－rectification accuracy of GF－1panchromatic orthoimage.

GF－1satellite；PMS；PAN；ortho－rectification；accuracy；high－resolution camera；multi－spectral

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.015

TP79

A

1000－3177（2015）138－0085－04

2014－03－03

2014－05－04

黃世存（1977～），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檫b感衛(wèi)星圖像處理與應(yīng)用。

E－mail：hscwhp＠126.com