北京一號(hào)小衛(wèi)星全色影像正射糾正技術(shù)研究

王鵬生賀少帥

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）河北石家莊 050041 二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司2）北京 100096）

北京一號(hào)小衛(wèi)星全色影像正射糾正技術(shù)研究

王鵬生1）賀少帥2）

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1）河北石家莊 050041 二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司2）北京 100096）

北京一號(hào)小衛(wèi)星 4米全色高分辨率影像在全國(guó)土地利用變更調(diào)查、北京市按季動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)等遙感應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，但其正射影像生產(chǎn)技術(shù)方法國(guó)內(nèi)外研究較少，為此，本文以覆蓋北京山區(qū)的3景不同側(cè)視角北京一號(hào)小衛(wèi)星全色輻射校正影像為數(shù)據(jù)源，參考不同數(shù)量的地面控制點(diǎn)和不同分辨率的數(shù)字高程模型，對(duì)比分析有理多項(xiàng)式、通用推掃成像和直接線性變換模型的正射糾正精度，總結(jié)出了北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像的正射糾正技術(shù)方法，其正射糾正影像滿足1︰2.5萬(wàn)制圖比例尺平面位置精度的要求。

北京一號(hào)小衛(wèi)星 正射糾正 精度評(píng)價(jià)

1 引言

北京一號(hào)小衛(wèi)星自2005年10月27日在俄羅斯普列謝斯克（Plesetsk）成功發(fā)射以來(lái)，在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，獲取了近1000萬(wàn)km2覆蓋我國(guó)及周邊地區(qū)的4米全色高分辨率遙感影像，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了自主民用高分辨衛(wèi)星遙感影像在全國(guó)土地利用變更調(diào)查與核查和面向區(qū)域政府在土地、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務(wù)、城市管理等領(lǐng)域的遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用。數(shù)字正射影像（DOM）作為遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)性底圖，國(guó)內(nèi)外遙感工作者對(duì)高分辨遙感影像的正射糾正進(jìn)行了廣泛而深入的研究，總結(jié)出了針對(duì)SPOT-5、IRS-P5、IKONOS、QUICKBIRD、WORLDVIEW-I/II、GEOEYE-I等高分辨率影像采用嚴(yán)格物理模型、有理函數(shù)模型（RFM）、直接線性變換（DLT）的正射糾正方法[1]。北京一號(hào)小衛(wèi)星作為商業(yè)化自主運(yùn)營(yíng)的高分辨率遙感小衛(wèi)星，還沒有遙感工作者對(duì)北京一號(hào)小衛(wèi)星高分辨率遙感影像的正射糾正進(jìn)行系統(tǒng)分析和精度評(píng)價(jià)。

本文以多時(shí)相、不同側(cè)視角、覆蓋北京山區(qū)的北京一號(hào)小衛(wèi)星 4米全色輻射校正影像為數(shù)據(jù)源，以高分辨率航空正射影像為參考影像，參考不同數(shù)量的地面控制點(diǎn)（GCPs）和不同精度的數(shù)字高程模型（DEM），以商業(yè)遙感圖像處理軟件（如 PCI、ERDAS）為生產(chǎn)平臺(tái)，對(duì)比分析通用推掃成像、有理函數(shù)和直接線性變換模型下的正射糾正精度，總結(jié)北京一號(hào)小衛(wèi)星 4米全色影像正射糾正方法，為北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色DOM生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

2 BJ1全色相機(jī)介紹

北京一號(hào)小衛(wèi)星全色相機(jī)由英國(guó)SIRA光電有限公司制造，采用線陣CCD推掃成像，在686公里的太陽(yáng)同步軌道高度上獲取24公里幅寬的4米高分辨率全色影像，并具備繞衛(wèi)星飛行方向±30°的側(cè)擺成像能力[2]。全色相機(jī)技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 BJ1全色相機(jī)技術(shù)指標(biāo)

由于北京一號(hào)小衛(wèi)星側(cè)擺為整星側(cè)擺，雖然設(shè)計(jì)側(cè)擺能力為±30°，但為了確保小衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行和不因?yàn)閭?cè)擺過(guò)大而降低影像地面分辨率，在實(shí)際運(yùn)行中常采用不大于15°的衛(wèi)星側(cè)擺來(lái)獲取影像。15°側(cè)擺成像時(shí)影像邊緣地面分辨率約為4.3米[3]。

3 正射糾正方法

目前，常用的高分辨率衛(wèi)星影像正射糾正模型有嚴(yán)格物理成像模型、有理函數(shù)模型和直接線性變換模型等。理論研究和應(yīng)用分析表明，嚴(yán)格物理模型具有最高的定位精度，但前提是需要已知傳感器技術(shù)參數(shù)和精確的衛(wèi)星平臺(tái)軌道位置和姿態(tài)參數(shù)[4]。由于遙感衛(wèi)星系統(tǒng)核心技術(shù)參數(shù)的復(fù)雜性及保密等原因，高分辨率遙感衛(wèi)星幾乎不向用戶提供傳感器和衛(wèi)星平臺(tái)的技術(shù)參數(shù)，多使用定位精度近似的數(shù)學(xué)模型來(lái)代替嚴(yán)格物理成像模型，或者是借助于GCPs和DEM來(lái)模擬衛(wèi)星成像時(shí)的軌道和姿態(tài)參數(shù)，如有理函數(shù)模型和直接線性變換模型。在北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像正射糾正中，由于無(wú)法獲取成像時(shí)高精度的衛(wèi)星星歷和姿態(tài)參數(shù)，只能通過(guò)配置傳感器參數(shù)建立通用的推掃成像模型，參考 GCPs 和DEM來(lái)完成北京一號(hào)小衛(wèi)星全色影像的正射糾正。

因此，可使用通用推掃式成像、有理函數(shù)和直接線性變換模型，參考GCPs和DEM完成北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像正射糾正處理。此時(shí)，不同的糾正模型、不同數(shù)量GCPs和不同精度DEM決定了DOM平面位置精度。本文以PCI 9.1的通用推掃成像模型和有理函數(shù)模型以及ERDAS 9.1的直接線性變換模型作為正射糾正模型，參考高分辨率正射航空影像和不同格網(wǎng)大小的DEM，完成北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像的正射糾正，并進(jìn)行DOM平面位置精度評(píng)價(jià)。

4 試驗(yàn)與精度評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)據(jù)源選擇

選擇3景覆蓋北京密云山區(qū)的北京一號(hào)小衛(wèi)星全色輻射校正影像作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)源，每景影像大小為6056行×6056列。該3景影像成像時(shí)間與側(cè)擺角如表2所示：

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表

影像覆蓋示意圖如圖1所示：

圖1 試驗(yàn)全色影像覆蓋示意圖

本試驗(yàn)分別采用PCI 9.1的通用推掃成像模型和有理函數(shù)模型，以及ERDAS 9.1的直接線性變換模型作為北京一號(hào)小衛(wèi)星全色影像的正射糾正模型，影像數(shù)學(xué)基礎(chǔ)定義為TM投影和Krassovsky橢球體，參考2米分辨率航空正射影像和1︰1萬(wàn)DEM、30米ASTER GDEM和90米SRTM DEM，進(jìn)行北京一號(hào)小衛(wèi)星全色影像的正射糾正處理。

4.2 正射糾正與精度分析

（1）不同GCP數(shù)量下平面精度分析

分別使用有理函數(shù)、通用推掃成像和直接線性變換模型，參考2米航空正射影像和1︰1萬(wàn)DEM，分別以均勻分布的20、30、40、50、60個(gè)GCP點(diǎn)來(lái)正射糾正北京一號(hào)小衛(wèi)星全色輻射校正影像，并參考2米航空正射影像使用20個(gè)檢查點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)DOM平面位置精度。該航空正射影像滿足1︰1萬(wàn)DOM制圖精度要求。不同糾正模型及不同GCP分布的均方根誤差如下表3。

表3 控制點(diǎn)數(shù)目及均方根誤差統(tǒng)計(jì)表

40 　1.8 50 　1.91 60 　1.98 20 　1.53 30 　1.51 4.77 40 　1.68 50 　1.8 60 　1.98 20 　1.41 30 　1.41 11.27 40 　1.46 50 　1.5 60 　1.46 20 　4.86 30 　4.93 -5.46 40 　4.72 50 　4.96 60 　5.12 20 　5.07 30 　4.92直接線性變換模型4.77 40 　4.83 50 　4.46 60 　4.21 20 　4.16 30 　4.23 11.27 40 　4.07 50 　4.16 60 　4.07

DOM平面位置精度檢查點(diǎn)位于山區(qū)高程變化相對(duì)平緩的村莊、道路、大壩等不變點(diǎn)，檢查點(diǎn)分布如圖2。

圖2 DOM平面位置精度檢查點(diǎn)分布示意圖

使用檢查點(diǎn)的平面位置中誤差來(lái)評(píng)價(jià)不同糾正模型和不同控制點(diǎn)分布下的 DOM平面位置精度。有理函數(shù)模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果為：見表4、圖3所示。

表4 有理函數(shù)模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果（單位：米）

圖3 不同數(shù)量GCPs分布的有理函數(shù)模型下的DOM平面位置精度

通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果為：見表5、圖4所示。

表5 通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果（單位：米）

圖4 不同數(shù)量GCPs分布的通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度

直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果為：見表6、圖5所示。

表6 直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果（單位：米）

圖5 不同數(shù)量GCPs分布的直接線性變換模型下的DOM平面位置精度

從DOM平面位置精度檢查來(lái)看，使用通用推掃模型生產(chǎn)的北京一號(hào)小衛(wèi)星全色DOM精度最高，有理函數(shù)模型次之，直接線性變換模型的校正精度最差。從某個(gè)單一糾正模型來(lái)看，平面位置精度隨GCP的增多而提高。但為了兼顧生產(chǎn)效率和DOM平面位置精度，建議使用有理函數(shù)模型時(shí)，GCP數(shù)量宜為40～50個(gè)每景；使用通用推掃模型時(shí)，GCP數(shù)量宜為30～40個(gè)每景；使用直接線性變換模型時(shí)，GCP數(shù)量宜為50～60個(gè)每景。為了使得北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色DOM滿足1︰2.5萬(wàn)比例尺制圖精度的要求，建議優(yōu)先使用通用推掃成像模型和有理函數(shù)模型進(jìn)行正射糾正處理，且要求GCP均方根誤差控制在2個(gè)像元以內(nèi)。

表7 有理函數(shù)模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果（單位：米）

圖6 不同精度DEM的有理函數(shù)模型下的DOM平面位置精度

（2）不同格網(wǎng)DEM下的平面精度分析

參考2米航空正射影像采集均勻分布的40個(gè)控制點(diǎn)，分別使用有理函數(shù)模型和通用推掃成像模型，參考1︰1萬(wàn)DEM、30米格網(wǎng)ASTER GDEM和90米SRTM進(jìn)行正射糾正，并參考2米航空正射影像使用20個(gè)檢查點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)DOM平面位置精度，分析不同精度DEM對(duì)正射糾正精度的影響。

有理函數(shù)模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果為：見表7、圖6所示。

通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果為：見表8、圖7所示。

表8 通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果（單位：米）

圖7 不同格網(wǎng)DEM的通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度

直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果為：見表9、圖8所示。

表9 直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結(jié)果（單位：米）

圖8 不同精度DEM的直接線性變換模型下的DOM平面位置精度

從DOM平面位置精度檢查結(jié)果來(lái)看，DEM的高程精度對(duì)北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像的正射糾正精度影響要以選擇合適的校正模型為前提，在選擇通用推掃模型和有理函數(shù)模型的情況下，提高DEM的高程精度可以明顯提高DOM平面位置精度。根據(jù)不同精度DEM的正射糾正精度來(lái)看，兼顧DOM平面位置精度和DEM數(shù)據(jù)的易獲取性，建議參考30米格網(wǎng)ASTER GDEM來(lái)完成北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像的正射糾正處理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）山區(qū)影像的校正有其特殊性，除了要選擇合理的校正模型外，控制點(diǎn)是決定校正精度的最重要因素。山區(qū)影像，尤其是衛(wèi)星側(cè)擺獲取的山區(qū)影像，較之平坦地區(qū)的影像以及垂直拍攝的山區(qū)影像相比，幾何畸變更加嚴(yán)重，有效的控制點(diǎn)難以選取，且很難做到控制點(diǎn)在影像范圍內(nèi)均勻分布。因此，控制點(diǎn)要選擇影像中高程變化相對(duì)平緩的地區(qū)，如村莊、道路、大壩等不會(huì)因?yàn)榕臄z角度以及高程變化而發(fā)生明顯變形的地物，避免將山脊、山谷等高程變化劇烈且受側(cè)擺影響嚴(yán)重的地物作為控制點(diǎn)。盡量多地選擇有效的控制點(diǎn)是保證北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色DOM平面位置精度的有效途徑。

（2）對(duì)于北京一號(hào)小衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，通用推掃式模型能有效的校正山區(qū)影像的變形。由于北京一號(hào)小衛(wèi)星能以較大的側(cè)擺角進(jìn)行拍攝，影像中的地物變形嚴(yán)重，直接線性變換模型無(wú)法體現(xiàn)側(cè)擺角的影響，因此校正精度較低。

（3）在選擇了合理的校正模型的情況下，使用較高分辨率的DEM可以大幅度提高糾正精度。宜采用30米格網(wǎng)ASTER GDEM作為正射糾正參考DEM。

（4）采用通用推掃式模型時(shí)，單景影像宜采集30～40個(gè)GCPs，采用有理函數(shù)模型時(shí)，單景影像宜采集40～50個(gè)GCPs，參考高精度正射影像和30米格網(wǎng)ASTER GDEM，進(jìn)行北京一號(hào)小衛(wèi)星4米全色影像正射糾正處理，其DOM平面位置精度滿足1︰2.5萬(wàn)比例尺制圖平面精度要求。

[1]柴登峰,張登榮.高分辨率衛(wèi)星影像幾何處理方法[M].杭州:浙江大學(xué)出版者,2007.8

[2]Surrey Satellite Technology LTD. China DMC+4 Satellite User Manual[R].2005

[3]陳正超.中國(guó)DMC小衛(wèi)星在軌道測(cè)試技術(shù)研究[D].博士論文,中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,2005

[4]張鵬強(qiáng).線陣CCD遙感衛(wèi)星影像目標(biāo)精確定位技術(shù)研究與實(shí)踐[D].解放軍信息工程大學(xué),2003

[5]TD/T 1014—2007.第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程[S].國(guó)土資源部,2007

Study on the Orthorectification Technology of BJ1 Small Satellite 4-metre Panchromatic Image

WANG Peng-sheng1)HE Shao-shuai2)
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)Shijiazhuang Hebei 050041 Twenty First Century Aerospace Technology Co.Ltd2)Beijing 10096 China)

The BJ1 small satellite 4-metre panchromatic image has been used in various remote sensing applications, such as the national land-use changes survey and the change detection in every quarter of Beijing city. But there is hardly any study on how to orthorectify BJ1 small satellite 4-metre panchromatic image. In this paper, taking three radiometric corrected images acquired in different off-track degree as example, the geometry rectification precision under the general push-broom, rational function and direct linear transform orthorectification model by using different number of GCPs and grid DEM is discussed. It is summarized that the geometry precision of the orthorectification method of BJ1 4-metre panchromatic image can meet the plane position accuracy requirement of 1:25000 scale mapping.

BJ1 small satellite orthorectification geometry precision assessment

中國(guó)分類號(hào)：P236A

1673-1816(2016)02-0081-08

2015-10-24

王鵬生（1985-），男，河北威縣人，碩士，研究方向攝影測(cè)量與遙感。