機(jī)載高光譜CASI/SASI數(shù)據(jù)幾何校正及精度評(píng)定

翟偉林，劉建霞，李金富，安娜，李浩，王乾

(中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071000)

0 引言

20世紀(jì)70年代誕生的高光譜遙感技術(shù)把成像與光譜融合起來，在取得地表特征的過程中，將傳感器對(duì)應(yīng)的每一個(gè)像元的連續(xù)光譜的信息同時(shí)采集。高光譜遙感技術(shù)采用一系列較窄的波段成像，把捕獲的各類地物以完整的光譜曲線記錄下來，使得在常規(guī)遙感測量中難以識(shí)別的地物在高光譜遙感中得到有效識(shí)別。因此，高光譜遙感技術(shù)在軍事、礦物資源探測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域都具有重要作用[1]。

機(jī)載高光譜遙感圖像的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到后續(xù)影像信息提取工作的成功與否。但是，由于在數(shù)據(jù)采集過程中，飛機(jī)受到氣流的影響，無法保持飛行的平直姿態(tài)。因此，航空遙感的原始圖像會(huì)產(chǎn)生一些扭曲和變形。傳統(tǒng)的遙感圖像幾何校正主要是通過大量的地面控制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，這種辦法耗時(shí)耗力，且在沒有地面控制點(diǎn)的區(qū)域無法使用。21世紀(jì)初問世的機(jī)載POS系統(tǒng)集差分GPS定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航INS技術(shù)于一體，可以直接獲取航攝影像的6個(gè)外方位元素，該方法大大提高了航空影像幾何校正的精度與效率，目前已成為攝影測量最受歡迎的技術(shù)方法[2]。

中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院于2015年從加拿大ITRES公司引入了CASI 1500H和SASI 600機(jī)載高光譜傳感器，同時(shí)搭配德國SOMAG公司的陀螺穩(wěn)定云臺(tái)GSM4000和加拿大Applanix公司的POS AV系統(tǒng)。這套傳感裝置可以集成在一起進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，并已在雄安新區(qū)、保定市周邊等區(qū)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集工作，飛行平臺(tái)為塞斯納208。

1 高光譜傳感器簡介

CASI 1500H機(jī)載寬陣列近紅外可見光高光譜成像系統(tǒng)(Compact Airborne Spectrographic Imager)，SASI 600機(jī)載短波紅外高光譜成像系統(tǒng)(Shortwave Airborne Spectrographic Imager)。CASI/SASI系統(tǒng)為當(dāng)前國際先進(jìn)的機(jī)載寬陣列高光譜成像系統(tǒng)(圖1)。通過遙感飛行，能夠獲取高光譜分辨率和高信噪比的遙感影像數(shù)據(jù)。

圖1 CASI/SASI傳感器示意圖Fig.1 Sketch of sensors of CAIS/SASI systema.CASI傳感器；b.SASI傳感器

CASI/SASI傳感器見圖1，CASI/SASI傳感器主要參數(shù)見表1。

表1 CASI/SASI傳感器主要參數(shù)表Table 1 Parameters of the sensors of CAIS/SASI system

2 檢校飛行

2.1 幾何檢校模型

將設(shè)備組裝于飛機(jī)中，GNSS天線相位中心、IMU幾何中心和傳感器成像中心的空間關(guān)系會(huì)直接影響外方位元素的測量精度。在實(shí)際工作中，GNSS偏心分量和IMU視軸偏心角無法避免[3](圖2)。在裝機(jī)完成后，IMU和傳感器相對(duì)位置關(guān)系為已知，而GNSS偏心分量可以在地面通過測量GNSS天線相位中心與IMU之間的空間位置關(guān)系得知，實(shí)際測量時(shí)以IMU頂部圓心為原點(diǎn)，機(jī)頭方向?yàn)閤軸正方向，右側(cè)機(jī)翼方向?yàn)閥軸正方向，垂直向下方向?yàn)閦軸正方向，由于GNSS安裝在飛機(jī)頂部，因此z值一般為負(fù)值。

圖2 GPS/IMU系統(tǒng)空間位置關(guān)系示意圖Fig.2 Sketch showing spatial position of GPS/IMU system

IMU視軸偏心角無法直接獲得，只能通過檢校飛行進(jìn)行標(biāo)定。其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是共線方程，即傳感器成像中心Si(Xs，Ys，Zs)、像點(diǎn)i(xi，yi)和相應(yīng)的地物點(diǎn)gi(Xi，Yi，Zi)3點(diǎn)位于同一條直線[4](圖3)。

圖3 推掃式傳感器成像共線方程示意圖Fig.3 Sketch showing colinear equation of push-sweep sensor

通過共線方程，得到CASI/SASI高光譜系統(tǒng)的IMU視軸偏心角的檢校數(shù)學(xué)模型為

式中，R(ω，φ，κ)為姿態(tài)校正參數(shù)；R(r，p，h)為傳感器中心成像姿態(tài)；[δXs，δYs，δZs]T為平面位置校正參數(shù)；λ為圖像光線的比例因子；xp和yp分別為傳感器x軸和y軸光學(xué)中心；ky為y軸比例因子；f為焦距。傳感器成像中心的位置值[Xs，Ys，Zs]T和姿態(tài)R(r，p，h)角度值可由經(jīng)GPS偏心分量改正后的GPS/IMU導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供。IMU與傳感器兩者間的空間校正參數(shù)[δXs，δYs，δZs]T和R(ω，φ，κ)可通過光束法平差計(jì)算得到。

2.2 檢校飛行方案

針對(duì)CASI/SASI推掃式機(jī)載高光譜傳感器的幾何檢校原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢校飛行方案。其中檢校場的選擇很重要，要求檢校場內(nèi)要有一定數(shù)量的控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)要求均勻分布且能在影像上準(zhǔn)確識(shí)別[5]。本次飛行選擇保定市軍校廣場處作為檢校場。設(shè)計(jì)了南北向和東西向各5條航線，每條航線長2 km，航帶間距180 m，旁向重疊度為60%，飛行相對(duì)高度為600 m，CASI選擇波段數(shù)為8個(gè)，SASI為100個(gè)。圖4為檢校場航線布設(shè)示意圖。

圖4 檢校場飛行航線布設(shè)示意圖Fig.4 Sketch showing layout of flight route of calibration field

2.3 幾何檢校參數(shù)計(jì)算

(1)地面控制點(diǎn)采集。控制點(diǎn)采集采用CORS RTK的方法，在飛行范圍內(nèi)共計(jì)采集地面控制點(diǎn)78個(gè)，采用WGS 84坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2)制作連接點(diǎn)文件。首先利用RCX軟件將原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正處理，然后在ENVI軟件中利用Point Collection工具，將地面控制點(diǎn)位置和影像上的同名點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)連接，并備注該點(diǎn)所在的航線號(hào)和控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)信息，將10條影像依次進(jìn)行刺點(diǎn)，最終得到連接點(diǎn)文件。

(3)剔除超限點(diǎn)。在批處理命令中使用genbund命令對(duì)連接點(diǎn)文件進(jìn)行處理，在生成的.in文件里面，加載地面控制點(diǎn)文件，跨軌道改正矩陣文件(CASI)或沿軌道改正矩陣文件(SASI)，將航線號(hào)修改為對(duì)應(yīng)的經(jīng)輻射校正的影像名稱。然后使用pbsbund命令進(jìn)行迭代處理，在生成文件中查看是否有超限的控制點(diǎn)/連接點(diǎn)，并將超限的對(duì)應(yīng)點(diǎn)刪除掉；重復(fù)pbsbund迭代命令，直到所有的控制點(diǎn)/連接點(diǎn)都滿足精度要求為止。

(4)光束法平差計(jì)算。對(duì)上一步無超限點(diǎn)的.in文件進(jìn)行pbsbund多步處理，依次生成3個(gè).out文件和3個(gè).prs文件，幾何檢校的結(jié)果保存在第3個(gè).prs文件中。與CASI不同的是，SASI需要分別對(duì)左右2個(gè)分割單元進(jìn)行計(jì)算。

2.4 平差結(jié)果與精度

利用光束法平差對(duì)CASI/SASI機(jī)載高光譜系統(tǒng)進(jìn)行檢校飛行，結(jié)合POS數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最終得到了成像傳感器的平面位置、姿態(tài)、焦距和x軸光學(xué)中心位置的幾何校正參數(shù)。

控制點(diǎn)的整體平差精度見表2，CASI/SASI幾何檢校結(jié)果見表3。全部控制點(diǎn)均方根值優(yōu)于0.5 m，刺點(diǎn)均方根優(yōu)于1個(gè)像元。

表2 控制點(diǎn)整體平差精度Table 2 Overall adjustment accuracy of control point

表3 CASI/SASI幾何檢校結(jié)果Table 3 Geometric calibration results of CASI/SASI system

2.5 POS數(shù)據(jù)處理

POS/AV系統(tǒng)主要由4部分組成，分別為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(PCS)和數(shù)據(jù)后處理軟件包(POSPac)。在機(jī)載飛行中，GPS系統(tǒng)獲得平臺(tái)位置的坐標(biāo)，INS系統(tǒng)則獲得飛機(jī)平臺(tái)實(shí)時(shí)的加速度和角速度，POSPac軟件包會(huì)通過導(dǎo)航算法融合得到實(shí)時(shí)平臺(tái)的位置坐標(biāo)、加速度、角速度、姿態(tài)方位角和若干固定基站坐標(biāo)等信息，通過“數(shù)學(xué)平臺(tái)”解算得到組合數(shù)據(jù)集合，即最優(yōu)組合導(dǎo)航解。軟件最終生成的為最優(yōu)平滑估計(jì)(SBET)文件。

使用上述檢校參數(shù)及POS解算結(jié)果對(duì)原始影像進(jìn)行幾何校正，將校正后的結(jié)果與原始影像進(jìn)行對(duì)比的情況如圖5所示。由于航線飛行方向?yàn)橛赡舷虮?，因此校正前、后的方向相反，?jīng)過幾何校正后的影像已被賦予了地理坐標(biāo)信息，而且地物錯(cuò)位得到了糾正。

圖5 CASI/SASI幾何校正前后對(duì)比Fig.5 Comparison of the raw data and the calibrated of the CASI/SASI systema.CASI幾何校正前；b.CASI幾何校正后；c.SASI幾何校正前；d.SASI幾何校正后

3 測區(qū)飛行及數(shù)據(jù)幾何精度

利用上述檢校飛行的結(jié)果，對(duì)后續(xù)測區(qū)飛行的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正。測區(qū)飛行相對(duì)高度為2 km，獲取的CASI/SASI數(shù)據(jù)空間分辨率分別為1 m/2.4 m。CASI波段數(shù)為96個(gè)，SASI波段數(shù)為100個(gè)。為了檢驗(yàn)測區(qū)影像的幾何精度，我們?cè)跍y區(qū)范圍內(nèi)采集了143個(gè)特征明顯的地面控制點(diǎn)，和經(jīng)過幾何校正的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比對(duì)，對(duì)各點(diǎn)的坐標(biāo)差計(jì)算出的均方根誤差見表4。

表4 CASI/SASI幾何精度Table 4 Geometric accuracy of CASI/SASI data

4 結(jié)論

(1)CASI/SASI傳感器集成到同一飛行平臺(tái)上，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。通過檢校飛行，可以利用少量的地面控制點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)來求解幾何校正參數(shù)，從而對(duì)測區(qū)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，并且?guī)缀尉容^高，得到符合要求的2級(jí)系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品[6]。

(2)由于測區(qū)為平原，地形起伏較小，因此在幾何校正過程中未使用DEM。在地形起伏較大的地區(qū)，需要使用精度高的DEM來消除因地形起伏而引起的誤差。

(3)由于飛行平臺(tái)的限制，相鄰條帶數(shù)據(jù)獲取時(shí)的飛行條件不一致，如飛行速度和高度等，因此相鄰條帶的幾何精度有所差異，在條帶拼接時(shí)會(huì)有地物錯(cuò)位的情況出現(xiàn)。