風電場測繪中ZY－3衛星影像區域網平差研究

張濟勇，閆建軍

(1.華北電力設計院工程有限公司，北京 100120；2.中國人民解放軍第一二O五工廠，北京 100088)

從20世紀90年代初以來，航天遙感已步入一個能快速提供多種高分辨率對地觀測數據的新階段，特別是近10年，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是國內外的研究熱點之一，同時，各種高分辨率衛星遙感影像正越來越多地應用于攝影測量領域，例如，我國自主研發的資源三號衛星地面分辨率達到全色2.1m級，國外的WorldView衛星地面分辨率全色為0.5m，GEOEYE-1衛星地面分辨率全色為0.41m，因此，現有的衛星影像完全有能力取代航空影像測繪風電場場址地形圖等具有特殊生產用途的大比例尺地形圖。

1 風電場地形圖特點及資源三號衛星簡介

1.1 風電場地形圖特點

目前我國陸域風電場大部分選址在人煙稀少地區，特別是北方區域，風電場大多選址在無人活動的山區或丘陵地區，地物相對較少，而且風電場平面測繪重點是風電場內道路、高等級電力線、通訊線以及風機位附近的地物，對遠離風機位的一般地物精度要求不高。對于風電場內的高程要求，則主要考慮風機位附近的地勢情況，對于遠離風機位的地勢，特別是一些溝底地形地勢情況，僅僅要求滿足1:10000甚至1:50000地形圖的要求即可。可以說，風電場地形圖的重點是風機位周圍的地形地貌，風機道路以及場內影響風機布設的重要地物。

1.2 資源三號衛星簡介

在2012年1月9日，由中國航天科技集團公司第五研究院自主研發，由國家測繪地理信局衛星測繪應用中心負責運行維護的我國首顆高分辨率測繪衛星資源三號成功發射，衛星配備三線陣測繪相機和多光譜相機，其中正視相機分辨率優于2.1m，幅寬52km，前視相機和后視相機分辨率優于3.5m，幅寬52km，多光譜分辨率5.8 m，幅寬52km，可實現地球絕大部分區域內無縫影像覆蓋。同時衛星軌道形式為太陽同步圓軌道，軌道高度505.984km，回歸周期59天，傾角為97.421°重訪周期為5天，降交點地方時10:30AM。目前，資源三號已完成了國內大部分區域內的遙感影像的獲取，可以直接購買存量數據，國外影像資料則需委托國家測繪地理信息局衛星應用中心進行訂購。

2 資源三號衛星影像區域網平差原理

2.1 衛星影像區域網平差模型

目前，根據衛星遙感影像的特點及各運營商提供的公開數據，國內外研究人員提出多種不同成像幾何模型，主要可分為兩類:嚴密幾何成像模型和通用幾何成像模型。

(1)嚴密幾何成像模型也稱嚴格物理傳感器，主要是依據傳感器成像特性，利用衛星成像時的幾何關系建立的數學模型，衛星成像瞬間地面點、傳感器鏡頭透視中心和相應像點均在在一條直線上，通過共線方程或仿射變換等建立數學模型進行求解。嚴格成像模型在建立時，需要考慮一些影響因素，例如：相機投射畸變、地表起伏變化、大氣折射的影響、衛星精確位置等。嚴格成像模型在理論上是嚴密的，能真實地反映成像時空間幾何關系，并且模型的定位精度較高，被認為是最好的影像正射校正方法。

(2)通用幾何成像模型是在不考慮傳感器成像的物理因素的情況下，直接采用多項式、直接線性變換方程以及有理多項式函數等數學函數來描述地面點和相應像點之間的幾何關系，其實質是利用數學函數實現物理模型的精確擬合。這類模型具有數學形式簡單，計算速度快等優點，但由于其模型未考慮傳感器成像的物理因素，及與具體的傳感器無關，因此在理論上不甚嚴密。

嚴格幾何成像模型通過傳感器的特性建立的數學模型，能夠很好的反映影像獲取時的幾何關系。但是嚴格幾何成像模型是與傳感器密切相關的，用戶在使用時需要獲知不同傳感器的參數，對用戶來說，遙感影像應用系統需要根據不同的傳感器進行更新的。而且由于需要保密、衛星安全以及對它國的限制，衛星數據商基本上不會提供傳感器的一些關鍵參數，例如衛星的軌道參數、衛星姿態參數和星歷數據，取而代之的以構建有理函數模型的關鍵參數。即使有部分衛星數據商提供部分參數，但大都經過插值處理，僅僅能夠用于構建虛擬傳感器模型。普通用戶如果需要構建衛星的嚴格幾何成像模型來實現影像的糾正，幾乎是不可能的。為解決構造衛星影像成像模型，國內外研究人員針對通用傳感器模型進行大量的研究，開放GIS組織提出了四種適合實時處理的通用成像幾何模型，即多項式模型(Polynomial Model)、格網內插模型(Grid Interpolation Model)、有理函數模型(Rational Function Model——RFM)和通用實時成像幾何模型(Universal Real-time Image Geometry Model)，目前來說，通過有理函數模型來描述地面點和相應像點之間的幾何關系已成為重要的研究方向。

2.2 基于RFM模型的衛星影像定向及區域網平差

有理函數模型RFM是指將是將像點坐標(r, c)表示為以相應地面點空間坐標(x, y, z)為自變量的多項式的比值，即：

式中：pi(Xn，Yn，Zn)為(i=1，2，3，4)普通多項式，最高不超過3次，形式如下：

式中的多項式系數a0，……，a19稱為有理函數系數RFCs。RFCs一般表示為LINE_NUM_COEF_n，LINE_DEN_COEF_n，SAMP_NUM_COEF_n，SAMP_DEN_COEF_n(n=1，2，……20)的形式。

區域網平差模型可采用RFM模型加其模型變換基礎上的像方平移、仿射變換來實現，但是由于傳感器平臺的內定向和外方位元素中的各種誤差產生RFM模型誤差，因此需要利用一定數量的控制點對RFM模型進行精化處理，即基于RFM成像模型的區域網平差，根據國外一些學者的研究，針對基于RFM成像模型的影像定向可以在像方空間也可以在物方空間進行。采用在像方空間的定向方程式為：

式中：ai,0+ai,1+ai,2和bi,0，bi,1，bi,2是針對影像i的6個定向參數；(rk, ck)和Xk，Yk，Zk是標號為k的點的影像與地面坐標。

根據立體定位數學模型推導后，由左右像片的同名點坐標(rl, cl)、(rr, cr)，可以列出以下四個誤差方程：

利用式(2)和式(3)所構成的平差模型可以應用于高分辨率衛星影像的單像定向，也可以使用多幅衛星影像構成區域網從而對成像地區的多幅影像或多幅不同傳感器平臺的影像數據進行聯合區域網平差。

3 區域網平差試驗地面控制點的選擇及精度分析

通過(2)、(3)式所構成的基于像方的影像定向模型，對于采用一景資源三號衛星影像，理論上1～4個定義較好的地面控制點就可以達到較高的定向精度；對于采用多景資源三號衛星影像，則需要在每幅影像上有4～6個以上的地面控制點。由于風電場測圖面積一般在100平方公里至200平方公里內，因此本文僅對選用一景資源三號衛星影像進行試驗。

試驗區位于張北地區，為高山地勢，相對高差528m，測區內平面地物較少，收集資源三號影像一景，包含正視 2.1m 分辨率全色影像；前、后視立體影像，分辨率為3.5m；分辨率多光譜影像5.8m，多光譜影像包含藍、綠、紅、紅外四個波段。

為驗證是否只采用稀少的地面控制點就能達到風電場需要的地形圖精度，試驗選用36個地面控制點，分布情況見圖1。

采用適普軟件，利用前、后視影像創建立體像對，然后轉刺所有36個像控點。首先選取1個定向點進行定向，定向點位置選擇為像片中心；再選取2個定向點，定向點位置為左上角和右下角；4個定向點，定向點位置分別為四個角；5個定向點，定向點位置在4個定向點的基礎上增加像片中心位置；9個定向點，定向點分別為5個定向點的基礎上增加4條邊的中間位置，16個定向點，定向點的位置在9個定向點的基礎上增加7個在像片上均勻分布點，其余像控點作為檢查點進行平差解算。具體定向情況見表1。

表1 影像定向精度統計

從表 1 可知，在無控制的情況下，影像定位精度較差，加入1個控制點后，影像定位精度提高比較大，隨著控制點的增多，影像定向精度不斷提高，但多于4個像控點后，精度提高不明顯。

根據風電場設計要求，在風電場場址地形圖中，主要是對影響風機位的布置和風機設備運輸的地物測量要求較高，包括測區內主要的道路，重要的高等級電力線、通訊線、以及風機位附近的重要地物，對這些重要的地物，可以采用測量部分碎部點加以糾正；同時風電場場址大部分為山區或丘陵地形，其地形圖等高距要求為2米或5米。因此，綜合表1試驗數據，采用資源三號衛星影像進行風電場測圖，選取4個角點定向是比較合適的。

4 結語

本文根據風電場地形圖的特殊要求，通過研究ZY-3衛星影像區域網平差及對地面控制點的測量設計，在加以少量的常規測量干預后，完全能夠滿足風電場設計的需要：

(1)在對道路和高等級的電力線以及風機附近的重要地物加以人工干預的情況下，采用資源三號衛星影像進行風電場測圖，可以滿足風電場設計要求。

(2)采用資源三號衛星影像具有工期短、成本低以及不受航空管制影響的特點，對于大面積的風電場場址地形圖測量來說，采用資源三號衛星影像進行測圖具有很大的優勢。

(3)由于資源三號衛星影像分辨率為全色相機分辨率 2.1 m，前、后視相機分辨率 3.5 m，，因此，采用資源三號衛星影像進行風電場場址地形圖測量時，對于影響風機位的布置和風機設備的運輸的重要地物，建議適當的進行人工測量，加以校正，同時對于風機位周圍100m區域內，適當加密一些高程點，以保局部區域內的高程精度。

[1]劉軍，張永生，范永弘.基于通用成像模型—有理函數模型的攝影測量定位方法[J].測繪通報，2003，(4).

[2]張永軍，張勇.SPOT5 HRS 立體影像無(稀少)控制絕對定位技術研究[J].武漢大學學報·信息科學版，2006，31(11).

[3]燕 琴.測圖困難區域高分辨率遙感衛星影像定位方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2008.

[4]袁修.基于有理函數模型的高分辨率衛星遙感影像匹配[J].武漢大學學報·信息科學版，2009，34(6).