GF-6衛(wèi)星WFV影像幾何定位誤差特性分析

李慧娜，吉笑笑，韓 杰，關(guān)小果

(1.許昌學院電氣與機械工程學院，461000，河南，許昌；2.許昌學院城市與環(huán)境學院，461000，河南，許昌)

0 引言

衛(wèi)星影像幾何定位精度是決定基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展高精度反演信息提取的重要因素，只有在準確掌握其幾何定位特性后，才能有針對性的建立相關(guān)校正模型，消除其定位誤差，進而提高空間信息提取精度。目前，眾多學者針對國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星傳感器特點，開展了衛(wèi)星影像幾何定位精度評價研究。如劉其悅等人建立了基于地基數(shù)據(jù)和參考影像數(shù)據(jù)的衛(wèi)星影像幾何產(chǎn)品真實性檢驗流程[1]。韓杰和謝勇以ZY-3衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品為參考，對GF-1衛(wèi)星WFV傳感器四相機影像幾何定位精度進行長時間序列評價，并開展了相關(guān)的定位誤差補償理論探討[2]。黃世存等人以1:5萬比例尺數(shù)字正射影像為參考，對GF-1衛(wèi)星PMS影像在平原和山區(qū)的幾何定位精度進行評價[3]。樊文鋒等人在對正射糾正后的GF-2衛(wèi)星影像幾何定位精度進行評價后，驗證了在少量控制點的輔助下，GF-2衛(wèi)星影像可以滿足全地形1:1萬和山地1:5萬比例尺地形圖的更新要求[4]。徐文等人針對靜止軌道GF-4衛(wèi)星面陣成像特點，在構(gòu)建其幾何成像模型后，評價了該衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的幾何定位精度[5]。同時，徐文等人通過對ZY-3衛(wèi)星三線陣TLC影像進行幾何精度評價，證明其在無控的狀態(tài)下，定位精度優(yōu)于6個像素[6]。

高分六號(GF-6)衛(wèi)星自2018年6月2日于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射后，其搭載的寬幅蓋WFV傳感器憑借單相機超大幅寬成像(優(yōu)于800 km)和新增特征波段(紅邊波段1：0.69～0.73 μm，紅邊波段2：0.73～0.77 μm，紫波段：0.40～0.45 μm和黃波段：0.59～0.63 μm)的特點，已經(jīng)成為環(huán)境保護、作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、森林火災監(jiān)測等領(lǐng)域研究的重要數(shù)據(jù)源[7-9]。由于WFV傳感器采用單相機超大幅寬成像，其單景影像大小超過13 GB，這會對數(shù)據(jù)傳輸及處理帶來不便。因此，WFV單景影像采用分塊存儲方式，即分為左、中、右3塊子影像，其中中間子影像覆蓋范圍及影像大小約為兩側(cè)子影像的2倍[10]。同樣在利用該數(shù)據(jù)進行上述研究和應用前，需要對該數(shù)據(jù)幾何定位特性進行綜合分析。雖然相關(guān)學者已經(jīng)對GF-1、GF-2、GF-4、ZY-3等國產(chǎn)衛(wèi)星影像進行幾何定位精度評價，但是GF-6衛(wèi)星WFV影像超大幅寬成像及分塊分發(fā)的特點是否對其幾何定位精度有影響，長時間序列影像幾何定位特性如何，仍需要開展進一步的分析與研究。

本文將華北地區(qū)作為實驗區(qū)，以谷歌地球影像為參考，通過比對谷歌地球影像和WFV影像中同名點坐標，對WFV單景分塊影像及長時間序列影像幾何定位精度進行評價。本文研究結(jié)果將為后續(xù)幾何定位誤差源分析和幾何校正模型構(gòu)建提供重要參考信息。

1 數(shù)據(jù)介紹

以華北地區(qū)為研究區(qū)，通過中國資源衛(wèi)星應用中心陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務平臺，檢索自衛(wèi)星發(fā)射至2021年4月間云量較少的GF-6衛(wèi)星WFV影像，共檢索得到可用WFV影像47景。因為前期有關(guān)谷歌地球影像幾何定位精度的研究結(jié)果表明，其影像定位精度能夠滿足WFV影像(空間分辨率16 m)幾何定位精度評價要求[11-12]。因此，本文將谷歌地球影像作為WFV影像幾何定位精度評價的參考數(shù)據(jù)。在谷歌地球影像中，選取能夠在WFV影像中可識別的幾何檢查點，共計79個，如圖1所示。雖然可用WFV影像集中影像覆蓋范圍有所差異，但是本文在進行幾何定位精度檢驗時，保證了每景影像至少均勻覆蓋25個以上的檢查點。

圖1 檢查點分布位置

2 研究方法

本研究將谷歌地球影像作為幾何參考，將GF-6衛(wèi)星WFV傳感器所獲得的研究區(qū)影像作為研究對象，對其單景影像以及長時間序列影像的定位精度進行分析。本文所采取的研究方法主要包括以下4個部分：1)利用ENVI軟件分別打開左、中、右3塊子影像，編輯影像頭文件信息，使其關(guān)聯(lián)各自有理多項式參數(shù)(Rational Polynomial Coefficients, RPCs)；2)基于SRTM DEM數(shù)據(jù)和WFV影像RPCs參數(shù)，對WFV影像進行正射校正[13-14]，其中SRTM DEM高程精度引起的平面最大誤差約為9 m，相當于WFV影像的0.56個像素，不會對正射校正精度產(chǎn)生影響[15]；3)將谷歌地球影像和WFV影像中同名點坐標轉(zhuǎn)換成通用墨卡托投影坐標[16]；4)比對同名點通用墨卡托投影坐標差異，統(tǒng)計誤差平均值和標準差，繪制誤差分布圖，評價影像幾何定位精度。本文技術(shù)流程圖如圖2所示。

圖2 本文技術(shù)流程圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 單景影像幾何定位誤差分析

根據(jù)上述幾何定位精度評價方法，對單景WFV影像幾何定位精度分析。以景號為312708、338701、382955和406694的影像為例，對評價結(jié)果進行展示，其成像時間分別為2020年3月17日、6月3日、11月10日和2021年1月31日。由于單景影像覆蓋范圍會涉及到跨帶現(xiàn)象，本文以左側(cè)子影像帶號為基準，對中間和右側(cè)子影像坐標進行換算。

從圖3所展示的定位誤差分布圖(箭頭指向表示誤差方向，箭頭長度表示誤差大小，下同)可以看出，單景影像均出現(xiàn)了明顯的系統(tǒng)誤差，其幾何定位誤差方向大致均朝向西側(cè)，即跨軌方向的誤差明顯大于沿軌方向的誤差。從表1可看出，4景WFV影像平均平面定位誤差約為659.87 m，左、中、右3塊子影像平均平面誤差約為244.96 m、570.61 m和1 318.92 m，即定位誤差大小逐漸增加。與此同時，從圖3和表1還可以看出，沿軌方向的誤差在左側(cè)子影像中呈現(xiàn)負值，而在中間和右側(cè)子影像中呈現(xiàn)正值，且該值逐漸增加。上述單景影像幾何定位誤差分布特性，將為后續(xù)該影像幾何定位誤差源分析及校正模型構(gòu)建提供重要的參考依據(jù)。

表1 單景影像定位誤差統(tǒng)計結(jié)果

(a)景號312708 (b)景號338701

3.2 長時間序列影像幾何定位誤差分析

由于本文對其它成像時刻的WFV影像進行幾何定位精度評價后，發(fā)現(xiàn)這些影像也具有相似的幾何定位特性。因此，在開展長時間序列影像幾何定位誤差分析時，選取每景影像平面平均誤差作為評價指標進行分析。

從圖4和表2中可以得出以下結(jié)論：1)無論是左、中、右子影像還是整景影像，跨軌方向的誤差均比沿軌方向的誤差大，且波動更為劇烈，即跨軌方向的平均誤差和標準差更大；2)左、中、右側(cè)子影像中沿軌方向的誤差平均值分別為-40.75 m、40.49 m和326.88 m，即沿軌方向的誤差由負值變?yōu)檎?，且右?cè)子影像的沿軌方向誤差明顯大于其它2塊子影像；3)左、中、右側(cè)子影像平均平面誤差分別為307.89 m、563.81 m和1 188.21 m，即平均平面誤差逐漸增加；4)中間子影像無論在沿軌、跨軌還是平面方向的定位誤差波動性最小，左側(cè)子影像次之，右側(cè)子影像波動最大，中間子影像的沿軌、跨軌和平面方向定位誤差的標準差分別為29.91 m、80.95 m和83.15 m。

(a)左側(cè)子影像 (b)中間子影像

表2 長時間序列影像平均定位誤差統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)束語

1)本文針對GF-6衛(wèi)星WFV傳感器超大幅寬成像和分塊分發(fā)的特點，以谷歌地球影像為參考，對華北地區(qū)該衛(wèi)星單景影像和長時間序列影像的幾何定位誤差進行分析評價。研究結(jié)果表明，GF-6衛(wèi)星單景WFV影像呈現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)誤差，其誤差方向均朝向西側(cè)，且左、中、右側(cè)子影像平均平面誤差逐漸增加。同時，長時間序列影像幾何定位誤差研究結(jié)果還表明對于整景WFV影像而言，具有較好的定位穩(wěn)定性，其平面幾何定位誤差標準差82.74 m(約5個像素)。

2)由于本文采用的是人工刺點的方式完成同名點信息提取，這可能會對評價精度產(chǎn)生一定的影響，后續(xù)將考慮選取與WFV影像空間分辨率相近的Landsat8衛(wèi)星OLI傳感器全色影像(空間分辨率15 m)為參考，采用高精度影像匹配方法實現(xiàn)同名點信息提取，降低人為因素的影響。

3)由于本文僅對WFV影像幾何定位誤差特性進行了系統(tǒng)分析，并未進一步探討是何種因素導致了該誤差特性。因此，后續(xù)將在分析誤差源的基礎上，構(gòu)建適用于WFV影像幾何精校正模型。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應用中心為本文研究提供GF-6衛(wèi)星WFV影像數(shù)據(jù)，谷歌地球提供參考影像！