京津冀地區高分一號寬覆蓋正射影像生成

秦緒文，汪韜陽，杜錦華，張 過

（1.中國地質調查局, 北京 100037；2.武漢大學 遙感信息工程學院, 湖北 武漢 430079；3.中國人民解放軍75711部隊，廣東 廣州 510515；4.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079）

京津冀地區高分一號寬覆蓋正射影像生成

秦緒文1，汪韜陽2，杜錦華3，張 過4

（1.中國地質調查局, 北京 100037；2.武漢大學 遙感信息工程學院, 湖北 武漢 430079；3.中國人民解放軍75711部隊，廣東 廣州 510515；4.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079）

針對高分一號寬覆蓋1A級影像的大區域正射影像生成后，相鄰影像接邊精度不高的問題，提出利用數字高程模型（DEM）作為高程約束的平面區域網平差方法提高其對地目標定位精度。通過京津冀地區的高分一號寬覆蓋影像的平面區域網平差并進行正射糾正試驗，在GOTOPO30 DEM的支持下，采用的區域正射糾正方法和處理流程取得了較好的效果。

高分一號衛星影像； 寬覆蓋； 平面區域網平差； 正射糾正； 接邊精度

高分一號是我國高分辨率對地觀測系統的第一顆衛星，也是我國第一顆設計、考核壽命要求大于5 a的低軌遙感衛星（GF-1姿軌控制參數和載荷指標如表1所示），它所搭載的寬覆蓋成像系統由4臺相機組成，總幅寬達到了800 km[1-3]。同時，高分一號具有較高的時間分辨率，重訪周期為4 d。如何針對大區域衛星遙感影像進行高精度且快速的正射糾正，是首先解決的問題。單景遙感影像的正射糾正已經是一門比較成熟的工藝[4]，但針對大區域影像如果采用這種單景糾正的處理模式，效率極低，而且無法保證糾正后相鄰影像的接邊精度，常常需要在影像接邊處再次進行相對糾正。

表1 GF-1衛星姿軌控制參數和載荷指標

針對以上問題，本文基于RFM（rational function model）的衛星影像區域網平差方法[5-8]，通過分析弱交會條件下經典衛星影像區域網平差求解不穩定的情況，給出DEM作為高程約束的衛星影像平面區域網平差算法原理[9]，并通過平差后的定向參數對區域內影像進行正射糾正[10]，以期提升GF-1大范圍寬覆蓋影像正射糾正效果，為航天攝影測量及遙感技術提供技術支撐，并直接服務于測繪工程、地理國情監測以及國土資源調查等國民經濟領域。

1 大區域衛星影像的平面區域網平差

1.1 通用傳感器模型RFM

由于RFM具有優良的內插特性，使得誤差在RFM估計點之間過度平滑。此外，RFM獨立于傳感器平臺和衛星軌道參數，因此可以建立任意地面坐標系統與影像空間的對應關系，如大地坐標、地理坐標系、投影坐標系等。

RFM能獲得和傳統方法近似相同的精度，但形式更簡單。它將地面點空間坐標（X，Y，Z）與對應的像點坐標（x，y）用比值多項式關聯起來，基本方程如下：

作為一種廣義模型，當RFM分母為1時，其退化為一般的多項式模型。高階的多項式模型常常被用于擬合曲線的內插模型[11]。對于三維通用成像幾何模型RFM，其三階多項式函數可以表示成：

在RFM中，光學投影系統產生的誤差用有理多項式中的一次項來表示，地球曲率、大氣折射和鏡頭畸變等產生的誤差能很好地用有理多項式中的二次項來模型化，其他一些未知的具有高階分量的誤差如相機震動等，用有理多項式中的三次項來表示。

1.2 基于RFM的衛星影像平面區域網平差

在弱交會條件下采用傳統的衛星影像平差方式會造成平差求解異常，本文提出一種衛星影像的平面平差方法，在區域網平差過程中不求解連接點地面坐標的高程值，僅計算衛星影像的定向參數和連接點物方平面坐標，高程值采用已有的DEM內插獲取。這種平差方式可以保證平差解算的穩定以及平差后物方點平面坐標的精度，平面區域網平差并不改正RPC參數（rational polynomial coefficients，RPCs），而僅僅改正RPC模型的系統誤差補償參數。研究表明，基于像方補償方案[5]能夠很好地消除影像的系統誤差，從而提高基于RFM的影像幾何處理精度。

基于像方的系統誤差補償模型中最為常用的是仿射變換模型：

式中，line和sample為由RFM計算得到的影像坐標；（e0，e1，e2）和（f0，f1，f2）為仿射變換系數；?x、?y為像方改正值[6]。

在式（1）和式（3）的基礎上，將像方補償的仿射項參數（e0，e1，e2）和（f0，f1，f2）作為未知數與地面點平面坐標（X, Y）等未知數一并求解，即得到基于RFM模型的區域網平差誤差方程式。

2 幾何無損的正射糾正產品

衛星軌道和姿態在衛星成像過程中會引起一些變形。正射糾正避免了除地形起伏之外其他因素引起的誤差，得到符合某種地球投影表達要求、具有地理編碼的新影像。正射糾正產品是在傳感器校正產品的基礎上按照一定的地球投影，以一定的地面分辨率投影在地球橢球面上的幾何產品。因此，正射糾正產品與傳感器校正產品之間存在一一對應關系。通過該對應關系和傳感器校正產品的RFM，可以建立起正射糾正產品上像素點與地面點坐標之間的轉換關系。

正射糾正產品通常采用WGS84坐標系下的UTM投影和影像覆蓋區域的平均高程。根據影像四角點對應的地面坐標（由RFM計算得到）可以計算出影像在行、列方向的分辨率，分別用dx，dy表示；并可以得到影像左上角點的大地坐標（lefttopx，lefttopy）。利用dx，dy和（lefttopx，lefttopy）可以建立起正射糾正產品像點與對應地面點坐標間的轉換關系。由于根據傳感器校正產品的RFM已經得到地面點與傳感器校正產品像點坐標間的對應關系，因此，最終可以建立起正射糾正產品和傳感器校正產品間的像點坐標轉換關系。

3 大區域衛星影像正射糾正試驗結果

3.1 試驗數據

本文采用高分一號寬覆蓋WFV相機1A級影像產品作為試驗數據，僅僅包含影像和RPC參數。數據包含WFV相機1影像2景，WFV相機3影像5景，WFV相機4影像6景。試驗區域范圍為京津冀試驗區。檢查點采用目視判別高分一號寬覆蓋影像與該地區GoogleEarth影像上同名點位，并通過人工轉刺的方式獲取。檢查點分布如圖1所示。

3.2 試驗方案

首先對全區域13景高分一號衛星影像進行平面區域網平差，DEM采用全球1 km格網的GOTOPO30 DEM。求解每景影像的定向參數，并統計無控制條件下連接點的像方誤差。然后，幾何無損的正射糾正方法通過相關參數配置分別對每一景影像進行正射糾正，并對區域內糾正后相鄰正射影像接邊情況進行目視檢查。

圖1 檢查點分布略圖

3.3 試驗結果與分析

通過對13景影像進行無控制的平面區域網平差試驗，統計區域網平差連接點精度如表2所示。

表2 高分一號WFV影像的無控制平面平差連接點像方結果

從表2可以看出，平面區域網平差的連接點像方中誤差為0．5個像元，最大誤差不超過2個像元，從數值上看像方連接精度達到了無縫連接的水平。

根據平差后得到每景影像的定向參數，將高分一號WFV影像數據進行正射糾正，在圖中任意選取了10個位置，通過ERDAS疊加顯示并截取接邊示意圖，如圖2所示。

圖2 影像接邊處正射糾正效果

從圖中可以看出，無論在鄰軌還是同軌方向上，糾正后影像的接邊精度達到了幾何無縫拼接的水平。通過導入檢查點，驗證最終高分一號WFV影像的無控平差精度如表3所示。由于控制點的獲取源是Google Earth，盡管控制點之間的幾何精度并不一致，但是檢查點物方平面中誤差達到88．388 m，最大誤差為148．617 m，取得了較好的效果。

表3 高分一號WFV影像的無控平差獨立檢查點精度統計結果

4 結 語

在GOTOPO30 DEM的支持下，利用本文所采用的區域正射糾正方法和處理流程得出正射產品。通過目視判讀可以看出，無論在鄰軌還是同軌方向上，糾正后影像的接邊精度達到了幾何無縫拼接的水平；定量評價結果表明，平面區域網平差的連接點像方中誤差為0．5個像元，最大誤差不超過2個像元，從數值上看像方連接精度達到了無縫連接的水平，取得了較好的效果。

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P237.3

B

1672-4623（2014）05-0119-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.043

秦緒文，博士，副研究員，主要從事遙感地質項目的管理及科研工作。

2014-04-02。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41201361）；國家科技支撐計劃資助項目 （2012BAH28B04）；測繪地理信息公益性行業科研專項（201412007）。