ALOS衛星PRISM影像嚴格幾何模型的構建與驗證

范大昭,劉楚斌,王 濤,雷 蓉,唐新明

1.北京大學遙感與地理信息系統研究所,北京100871;2.信息工程大學測繪學院,河南鄭州450052;3.中國測繪科學研究院,北京100039

1 引 言

隨著電子技術和遙感技術的發展,特別是高分辨率對地觀測衛星和傳感器平臺上高精度導航、定位、姿態和時間測量系統等關鍵技術的重大突破,為高級測繪產品的生產提供了豐富的數據源,擴大了衛星測繪應用的范圍,目前已能滿足中小比例尺測圖的精度要求。而衛星影像的無控制點或少控制點的目標定位是衡量高分辨率衛星影像測圖能力的關鍵技術指標。近年來,利用高分辨率衛星遙感影像進行高精度目標定位、立體測圖和變化監測已成為國內外的研究熱點。同時,衛星遙感影像正越來越多地應用于攝影測量領域,空間分辨率達到米級的立體遙感圖像,已有能力替代傳統用于1∶50 000和1∶10 000比例尺地形圖測繪或地理信息更新的航空影像[1]。

ALOS(advance land observing satellite)是全球目前唯一在軌運行的三線陣高分辨率立體測繪衛星,其任務使命是完成全球重點地區1∶25 000地形圖測繪。對ALOS嚴格幾何模型的研究不僅可以驗證其真正達到的立體測繪能力,而且對國產三線陣測繪衛星的幾何成像模型的建立與驗證也具有重要參考價值。但目前國內還缺乏對ALOS幾何建模方面的研究,國外的研究也是剛剛起步。文獻[2]介紹了一種通用的推掃式傳感器模型,但定位時需要進行自檢校,且不能實現無控制點下的直接定位;文獻[3]對全色遙感立體測繪儀 (panchromatic remote-sensing instrument for stereo mapping,PRISM)數據進行了立體評價,并構建了嚴格模型,但它需要較多的控制點來估計視線角,而且定位精度相對比較低,部分地區的定位精度近240 m。本文從 PRISM傳感器成像原理出發,利用衛星影像的輔助數據文件構建了無需地面點的嚴格幾何模型。試驗發現,直接利用星上提供的軌道姿態數據和嚴格幾何模型進行無控制定位精度較差,經分析發現ALOS衛星輔助數據文件中提供的CCD側視角可能存在固定的系統誤差,此值在一定的時間跨度內可視作固定值,將其當作常量對嚴格幾何模型進行改進,能使校正后的嚴格幾何模型定位精度得到顯著提高:平面定位精度優于5 m,高程定位精度優于3 m,可真正實現無控制點下的高精度定位。

2 ALOS衛星及其數據介紹

ALOS是由日本航空航天研究中心JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)于 2006年發射的新一代陸地觀測技術衛星。其上攜帶三種遙感傳感器:PRISM、先進可見光和近紅外輻射計AVNIR-2、相控陣型L波段合成孔徑雷達PAL-SAR,其中PRISM是具有2.5 m空間分辨率的全色輻射計。為了獲得包括高程在內的地面數據,PRISM具有三個相機分別用于沿衛星軌道方向的前視、下視和后視觀測,以便快速獲取高精度的地面信息。ALOS的PRISM影像為線陣推掃式影像。在焦平面內,下視相機有六組各自獨立的CCD探測單元(每組有4 992個CCD元器件),前視、后視相機則均有八組獨立的CCD探測單元(每組有4 928個CCD元器件)。對于標準幅面的下視影像以及前、后視影像來說,只有前4個CCD探測單元成像,有效像元的個數為4 864× 3。若是天底70 km幅面的影像,則前6個CCD探測單元成像,提取4 864×6個有效象元。每景影像文件有16 000行,面積約為30 km×70 km。

圖1 PRISM結構圖Fig.1 Overview of PRISM

圖2 PRISM前、后、下視成像圖Fig.2 Observation geometry of triplet mode

ALOS數據不僅提供了高分辨率的影像數據,而且提供了關于衛星運行軌道和姿態等各類參數信息的輔助數據文件。影像數據和輔助數據為CEOS格式,部分數據以ASCII和二進制形式給出。根據處理程度不同,PRISM數據可分為不同類型:不進行任何校正為Level 1A,經輻射校正后為 Level 1B1;經幾何和輻射校正后為Level 1B2。

為了構建嚴格幾何模型,筆者從衛星影像的輔助數據文件中提取出以下數據:精確軌道數據(precision orbit),精 確 姿 態 數 據 (precision attitude),坐標系轉換矩陣 (coordinate conversion matrices)和幾何參數(geometric parameter)等。與一般衛星不同的是,ALOS衛星姿態角數據以四元數的方式給出[3]。

3 嚴格幾何模型的建立

3.1 掃描行的攝影時刻

任一掃描行l的像元所對應的攝影時刻t為

式中,tc為中心掃描行的攝影時刻;lc為中心掃描行號;t0為每行的掃描時間,這些量均可在輔助數據文件中獲得。

3.2 攝影光線的確定

3.2.1 本體坐標系內的攝影光線

對于掃描行為l,列號為 p的CCD像元,該像元在衛星本體坐標系內的攝影光線由ψX和ψY兩個角度確定,其中,ψX為沿軌道方向的側視角, ψY為垂直于軌道方向的側視角。列方向由6個 CCD拼接而成,相鄰兩個CCD之間重疊32個像素。輔助數據文件中給出了每個CCD首尾兩個CCD像元的側視角ψ(p1)、ψ(p2),利用內插便可求得列方向上任一像元的側視角。若考慮到CCD變形,有

式中,p1、p2為某個CCD首尾像元的列號;p為該CCD上任一像元的列號;aX、bX、aY、bY為CCD變形參數。

式中,i={1,2};p1、p2、ψX(pi)、ψY(pi)、δ ψX0(i)、δ ψY0(i)均可從輔助數據文件中獲得。

則任一像元的攝影光線u″1可由下式計算:

3.2.2 攝影光線的修正

與SPOT5不同的是,此處還需要對u′1進行修正,以消除多種系統誤差,其中包括CCD變形誤差、安置角誤差、指向角誤差等。方法如下:

式中,an11—an33代表光學系統相對衛星本體的安置角。第一個矩陣代表安置角長周期變化量,其中φnl、θnl、ψnl可利用式(8)計算

式中,nlx、nly、nlz可在輔助數據文件中獲得;d為起始時刻到成像時刻的天數。

式中,φn=nx0+nx1×s+…+nx30×s30,同樣利用ny和nz可計算θn、ψn。nx、ny、nz等值均可在輔助數據文件中找到。

此矩陣用于消除指向角參數在傳感器坐標系與CCD參考坐標系間的差異。本文中為單位矩陣。

由公式(5a)實現了對ALOS/PRISM衛星影像的內定向參數誤差的校正。

3.2.3 ECI坐標系內的攝影光線

輔助數據文件每隔約0.1 s提供一組衛星姿態四元數。由于衛星姿態變化非常小,任意時刻t的四元數q0、q1、q2、q3可通過簡單的線性內插確定。從本體坐標系到ECI坐標系的旋轉矩陣M(q)為

則攝影光線u2可由下式計算而得

3.2.4 地球坐標系內的攝影光線

攝影光線u3可由下式計算

輔助數據文件中提供了每隔一分鐘的極移矩陣 RXY以及歲差章動矩陣RPN。RGAST為周日自轉矩陣,其實現的是從瞬時地球坐標系到真天球坐標系的轉換,構建方式為

式中,θ0、Δ θ、t0也可從輔助數據文件中獲得。

3.3 PRISM傳感器的直接定位

確定了WGS-84坐標系中經過某一像點(l, p)的攝影光線,設該像點所對應的地面點距離參考橢球面的高度為 h,則由下式可得近似地面點坐標(X,Y,Z)。

式中,(Xs,Ys,Zs)為外方位線元素;m為尺度因子;A和B為參考橢球的長半軸和短半軸;a、b為WGS-84參考橢球的長半軸和短半軸。在本文中分別取a=6 378 137.0 m,b=6 356 752.3 m。

綜上可得

解之得 m1、m2。取其中的較小值 m1代入公式(17)求得近似地面點坐標。

4 模型的驗證及分析

為了對ALOS嚴格幾何模型進行驗證,利用國內某地區編號分別為003、004、005三景連續的同軌下視影像進行試驗。其中,影像003中心為城區,四周為山區,控制點個數為7個;影像004北部較為平坦,南部為山區,控制點數為27個,圖3為GPS控制點在影像004上的分布。005大部分為山區,中心地帶為城區,控制點數為10個。控制點均為野外GPS實測點,精度為分米級。控制點的像點坐標為手工量測,精度為1個像素左右。

4.1 系統誤差分析

首先利用004數據文件對ALOS PRISM影像進行直接定位試驗。根據ALOS嚴格幾何模型,利用控制點在影像004上的像點坐標和高程計算地面坐標,并將其與已知值進行比較。誤差統計見表1,誤差分布見圖4。

圖3 控制點在004影像上的分布Fig.3 Distribution of the ground control points (GCPs)in 004 imagery

表1 004影像直接定位精度Tab.1 Direct location accuracy of 004 imagery m

圖4 004影像的檢查點殘差分布Fig.4 Distribution of residuals of 004 imagery check points

由表1和圖4可知,直接定位計算得到的控制點坐標與其已知值在 X方向上的誤差在-208 m處浮動,Y方向上誤差在3 m處浮動,Z方向上誤差在-222 m處浮動。顯然,計算值與已知值在 X、Y、Z方向上分別存在固定的偏移量,且這個偏移量應屬于固定的系統誤差,可等效于攝影光線的偏差。分析模型構建的過程,系統誤差的主要來源可能來自CCD側視角系統誤差,可將其當做常量進行處理。為了消除其影響,可將u3攝影光線繞Y軸旋轉一個微小角度θy(類似側視成像),此角度可利用1～2個地面控制點計算而得。對嚴格幾何模型中的攝影光線u3修正如下

4.2 模型改進后的直接定位精度

利用改進后的ALOS嚴格幾何模型進行直接定位。對誤差進行統計,結果見表2;控制點上的誤差分布見圖5。

經過改進后,嚴格幾何模型的定位精度提高十分顯著,X方向定位精度優于3 m,Y方向的定位精度約為2 m,Z方向上的定位精度優于3 m。

圖5 模型改進后004影像的檢查點殘差分布Fig.5 Distribution of residuals of 004 imagery check points using improved rigorous sensor model

表2 模型改進后004影像的直接定位精度Tab.2 Direct location accuracy of 004 imagery using improved rigorous sensor model m

為了驗證此模型的正確性,用004相鄰兩景編號分別為003和005的影像作進一步的驗證。其中在影像003量測了7個控制點作為檢查點,影像005量測了10個控制點作為檢查點。側視角誤差θy直接利用影像004計算的結果。使用改進模型后003直接定位精度情況見表3,控制點上的誤差分布見圖6;005直接定位精度情況見表4,控制點上的誤差分布見圖7。

由圖6和表3可知改進的嚴格幾何模型在003地區的定位精度在 X方向上優于3 m,Y方向優于3 m,Z方向優于3 m。

圖6 模型改進后003影像的檢查點殘差分布Fig.6 Distribution of residuals of 003 imagery check points using improved rigorous sensor model

表3 模型改進后003影像的直接定位精度Tab.3 Direct location accuracy of 003 imagery using improved rigorous sensor model m

由表4和圖7可知改進的嚴格幾何模型在005地區的定位精度在 X方向上優于4 m,Y方向上優于5 m,Z方向上優于2 m。

表4 模型改進后005影像的直接定位精度Tab.4 Direct location accuracy of 005 imagery using improved rigorous sensor model m

圖7 模型改進后005影像的檢查點殘差分布Fig.7 Distribution of residuals of 005 imagery check points using improved rigorous sensor model

此模型在三景影像文件,即約105 km×5 km測區內驗證定位精度在 X方向上優于4 m,Y方向上優于5 m,Z方向上優于3 m。試驗結果表明利用本模型進行ALOS PRISM影像的無控制定位精度較高,并且穩定性好。

5 結 語

本文根據ALOS衛星PRISM傳感器的成像原理,利用衛星影像的輔助數據文件構建了ALOS PRISM的嚴格幾何模型,用少量(1～2個)控制點估計CCD側視角的系統誤差,并將其當做常差加以處理,在此基礎上對ALOS PRISM嚴格幾何模型進行改進。利用國內某地區編號分別為003、004、005三景連續的ALOS PRISM同軌下視影像進行試驗,得到了較為滿意的試驗結果:003、004影像直接定位的平面精度優于3 m,高程精度優于3 m;005影像直接定位的平面精度優于5 m,高程精度優于2 m。經改進后的嚴格幾何模型具有較強的穩定性,在無控制點條件下具有較高的定位精度。

本文通過試驗驗證了ALOS嚴格幾何模型的正確性,揭示了基于衛星星歷和傳感器姿態進行航天遙感直接對地目標定位的可行性及精度潛力。同時本模型的構建成功,對國產三線陣測繪衛星的嚴格幾何模型的建立與驗證也具有重要參考價值。

當前試驗中不同地區影像的直接定位精度有著細微的差別,其中的原因筆者分析可能是CCD側視角的細微變化。由于目前ALOS仍在軌運行,模型的進一步優化和分析仍在深入研究之中。

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