資源三號衛(wèi)星境外高精度定位方法研究

劉楚斌，張永生，范大昭，雷　蓉

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001)

LIU Chubin,ZHANG Yongsheng,FAN Dazhao,LEI Rong

資源三號衛(wèi)星境外高精度定位方法研究

劉楚斌，張永生，范大昭，雷蓉

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001)

Research on the Geometrical Positioning Evaluation of ZY-3 Satellite at Abroad

LIU Chubin,ZHANG Yongsheng,FAN Dazhao,LEI Rong

摘要：針對資源三號衛(wèi)星境外高精度定位的實際需求，在缺乏境外地面控制點數(shù)據(jù)的情況下，采用美國華盛頓地區(qū)幾何定位精度較高的商業(yè)衛(wèi)星WorldView影像作為控制數(shù)據(jù)對其進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢校和精度評價。試驗表明，資源三號衛(wèi)星在美國華盛頓地區(qū)的平面精度約為16.702 m，高程精度約為2.435 m。在中心布設(shè)一個控制點剔除系統(tǒng)誤差后，可以顯著提高衛(wèi)星的平面定位精度。

引文格式： 劉楚斌，張永生，范大昭，等. 資源三號衛(wèi)星境外高精度定位方法研究[J].測繪通報，2015(9)：6-8.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0266

關(guān)鍵詞：資源三號；RPC模型；立體定位；區(qū)域網(wǎng)平差；精度；境外

中圖分類號：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0006-03

收稿日期：2014-08-05

基金項目：國家自然科學(xué)基金(40901230)；對地觀測光學(xué)載荷高精度幾何定標(biāo)技術(shù)研究子課題(2012AA12A302)

作者簡介：劉楚斌(1987—)，男，博士生，主要從事航空航天遙感高精度對地目標(biāo)定位研究。E-mail:lcbwn@163.com

一、引言

高分辨率對地觀測衛(wèi)星是對地遙感體系的重要組成部分，具有重要的商業(yè)價值和軍事價值。近年來，利用高分辨率遙感衛(wèi)星影像進(jìn)行高精度幾何定位、立體測圖和變化監(jiān)測已成為國內(nèi)外的研究熱點。同時，遙感衛(wèi)星影像正越來越多地應(yīng)用于攝影測量領(lǐng)域，空間分辨率達(dá)到亞米級的遙感立體影像已有能力替代傳統(tǒng)用于1∶50 000甚至更大比例尺地形圖測繪或地理信息更新的航空影像。在軍事上，為實現(xiàn)境外目標(biāo)的檢測和高精度快速打擊，保障國土安全，更離不開高分辨率遙感衛(wèi)星影像和高精度幾何定位能力的支持。從20世紀(jì)70年代至今約40年間，國外采用“軍、民、商”結(jié)合的模式發(fā)展高分辨率對地觀測衛(wèi)星，實現(xiàn)了衛(wèi)星影像分辨率和幾何定位精度的顯著提升。在無地面控制點條件下，國外部分商業(yè)衛(wèi)星在2008年已可達(dá)到平面2.2 m、高程3.6 m的幾何定位精度。與國外相比，我國在影像分辨率和幾何定位能力方面均存在較大的差距。為此，2010年5月我國將高分辨率對地觀測系統(tǒng)科技重大專項作為國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要部署的16個科技重大專項之一，經(jīng)國家批準(zhǔn)后正式啟動實施，為我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展提供了歷史性機(jī)遇。

目前我國已經(jīng)發(fā)射了天繪一號[1]和資源三號測繪衛(wèi)星[2]。資源三號測繪衛(wèi)星為我國民用三線陣高分辨率立體測繪衛(wèi)星，主要搭載有一臺地面分辨率約為2.1 m的高分辨率正視全色延時積分成像相機(jī)，兩臺地面分辨率約為3.6 m的前視、后視全色延時積分成像相機(jī)[3]。資源三號測繪衛(wèi)星集測繪和資源調(diào)查功能于一體，用于長期、連續(xù)、穩(wěn)定和快速地獲取覆蓋全國的高分辨率立體影像、多光譜影像及相應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)1∶5萬全國基礎(chǔ)地理信息測繪產(chǎn)品和開展1∶2.5萬及更大比例尺地圖的修測和更新[4]。

相比于航空攝影測量，衛(wèi)星攝影測量的最大優(yōu)勢是能實現(xiàn)對境外目標(biāo)和全球范圍的測繪。為保證測繪產(chǎn)品的精度，一般需在全球范圍內(nèi)建設(shè)不同的衛(wèi)星幾何檢校場對測繪衛(wèi)星進(jìn)行幾何標(biāo)定，并選取不同地區(qū)的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行定位精度驗證。但由于境外衛(wèi)星幾何檢校場的建設(shè)相對困難且較為昂貴，地面控制點數(shù)據(jù)的獲取也較為困難，因而難以有效地提高和全面地反映衛(wèi)星的幾何定位能力[5]。因此，在缺乏地面控制點數(shù)據(jù)的情況下，尋求其他控制數(shù)據(jù)以提高衛(wèi)星影像的境外定位精度具有十分重要的意義。據(jù)此，本文提出一種采用國外幾何定位精度較高的商業(yè)衛(wèi)星影像作為控制數(shù)據(jù)的方法，利用實際數(shù)據(jù)對衛(wèi)星定位誤差進(jìn)行標(biāo)定。

二、成像幾何模型

衛(wèi)星成像幾何模型的研究是遙感影像處理的核心內(nèi)容，是遙感影像高精度幾何定位和幾何糾正的基礎(chǔ)[6]。只有建立衛(wèi)星的成像幾何模型，才能夠反映地面點的三維空間坐標(biāo)與相應(yīng)像點影像坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系。一般的，衛(wèi)星成像幾何模型可分為嚴(yán)格幾何模型和RPC模型。嚴(yán)格幾何模型能精確地恢復(fù)成像光線，實現(xiàn)精確幾何定位[7]。傳統(tǒng)上，一般采用嚴(yán)格幾何模型對衛(wèi)星幾何精度進(jìn)行處理，但由于嚴(yán)格幾何模型的構(gòu)建需要傳感器成像時的信息，因而處理起來較為復(fù)雜。而RPC模型并不要求了解傳感器的實際特性和成像過程，處理起來較為方便，并可達(dá)到與嚴(yán)格幾何模型相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。因此，為方便用戶使用，現(xiàn)一般提供給用戶使用的為RPC模型。

1. RPC模型

RPC模型的實質(zhì)是有理函數(shù)模型[8-9]，其定義為

(1)

(2)

式中，(φ0,λ0,h0)為地面點坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化平移參數(shù);(φs,λs,hs)為地面點坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化尺度參數(shù)。

2.RPC模型的立體定位

聯(lián)立式(1)、式(2)，可將像點坐標(biāo)(l,s)表示為

(3)

式中

將式(3)按泰勒級數(shù)展開，求解地面點坐標(biāo)(φ,λ,h)的誤差方程構(gòu)建如下[15]

(4)

三、有理函數(shù)模型區(qū)域網(wǎng)平差

1. 考慮像方偏差的有理函數(shù)模型

考慮像方偏差的有理函數(shù)模型表達(dá)如下

(5)

式中，δl和δs表示像點坐標(biāo)的偏差，可以表示為[16]

(6)

2. 有理函數(shù)模型區(qū)域網(wǎng)平差

將影像的像方偏差模型系數(shù)和連接點的地面坐標(biāo)改正數(shù)作為未知數(shù)，利用區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行解算[17-18]。誤差方程式為

(7)

式中，X為連接點改正參數(shù)向量，A為相應(yīng)的系數(shù)矩陣；T為像方偏差模型參數(shù)向量，B為相應(yīng)的系數(shù)矩陣；V為改正數(shù)向量；L為觀測值向量。

四、試驗與分析

1. 試驗數(shù)據(jù)

在不同攝影模式下的WorldView衛(wèi)星美國華盛頓地區(qū)影像上量測了24個點，利用RPC模型立體定位獲得其地面點坐標(biāo)。根據(jù)WorldView影像上量測的24個點，在資源三號衛(wèi)星美國華盛頓地區(qū)影像上相應(yīng)地量測24個點，并將其作為控制點(如圖1所示)。

圖1　資源三號衛(wèi)星華盛頓地區(qū)影像控制點分布圖

2. RPC系統(tǒng)誤差檢校

首先，在WorldView衛(wèi)星和資源三號衛(wèi)星華盛頓地區(qū)影像上選取24個同名點。然后利用WorldView衛(wèi)星華盛頓地區(qū)影像的RPC文件進(jìn)行前方交會，得出其影像上24個同名點的地面點坐標(biāo)。在資源三號衛(wèi)星華盛頓地區(qū)影像上相應(yīng)地量取24個同名點作為控制點，其地面點坐標(biāo)為對應(yīng)的WorldView衛(wèi)星影像同名點交會的地面點坐標(biāo)。利用華盛頓地區(qū)的資源三號影像進(jìn)行RPC模型區(qū)域網(wǎng)平差，求得RPC模型的系統(tǒng)誤差。結(jié)果統(tǒng)計見表1—表3。

表1　資源三號影像華盛頓地區(qū)直接定位精度　m

在境外控制點數(shù)據(jù)較難獲取的情況下，利用國際上的商業(yè)衛(wèi)星影像(WorldView影像)作為控制數(shù)據(jù)，對資源三號境外幾何定位精度進(jìn)行驗證。試驗結(jié)果表明，直接利用資源三號前視和后視影像進(jìn)行前方交會的平面精度約為16.702 m，高程精度約為2.435 m。

表2　不同控制點數(shù)量平差后的直接定位精度　m

像方偏差模型為平移模型時，選取不同分布下的控制點，對資源三號影像進(jìn)行RPC模型區(qū)域網(wǎng)平差。試驗結(jié)果表明，在中心布設(shè)一個控制點，可以顯著提高平面定位精度，平面精度約為3.368 m，高程精度基本無改善。隨著控制點個數(shù)的增加，精度提高不明顯。

表3　不同像方偏差模型下的定位精度統(tǒng)計(9GCP)　m

五、結(jié)束語

在境外控制點數(shù)據(jù)較為缺乏的情況下，為了對資源三號衛(wèi)星的境外幾何定位誤差進(jìn)行檢校和提高，采用了一種利用國外幾何定位精度較高的WorldView商業(yè)衛(wèi)星影像作為控制數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評價的方法。試驗表明，與WorldView衛(wèi)星定位精度相比較，資源三號衛(wèi)星在美國華盛頓地區(qū)的平面相對精度約為16.702 m，高程相對精度約為2.435 m。選擇合理的平差數(shù)學(xué)模型和控制點分布進(jìn)行平差后可以顯著地提高定位精度。

本試驗采用的是國外商業(yè)衛(wèi)星WorldView衛(wèi)星，其全色影像的地面分辨率為0.45 m，無控定位精度平面為12 m，高程為3 m(2007年)。為了進(jìn)一步提高衛(wèi)星的境外定位精度，下一步可采用無控制點條件下的幾何定位精度更高的商業(yè)衛(wèi)星進(jìn)行試驗。如GeoEye-1衛(wèi)星無控定位精度平面為2.2 m，高程為3.6 m(2008年)。

同時，為了驗證本文方法的有效性，需進(jìn)行更多地區(qū)的試驗，這也是下一步研究的重點。此外，本文的相關(guān)方法和結(jié)論也可為其他衛(wèi)星境外幾何定位精度的驗證和提高提供一定的參考。

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