高分一號多光譜高分相機全色圖像正射精度驗證與分析

黃世存，吳海平，馮登超

（1.中國資源衛星應用中心，北京100094；2.中國土地勘測規劃院，北京100035；3.北華航天工業學院，河北廊坊065000）

高分一號多光譜高分相機全色圖像正射精度驗證與分析

黃世存1，吳海平2，馮登超3

（1.中國資源衛星應用中心，北京100094；2.中國土地勘測規劃院，北京100035；3.北華航天工業學院，河北廊坊065000）

采用有理函數模型對高分一號衛星多光譜高分辨率相機（PMS）傳感器全色圖像進行正射校正，采集檢查點檢驗正射后全色圖像幾何精度，獲取全色圖像的正射精度，為用戶了解高分一號衛星全色圖像正射精度提供參考依據。試驗結果表明，高分一號衛星2m分辨率的全色圖像正射精度為1.6m，折合成像素精度為0.8個像素，能滿足1∶1萬比例尺地形圖更新要求。經過初步分析，高精度高程數據能進一步提高高分一號衛星全色圖像的正射精度。

高分一號衛星；PMS；全色圖像；正射校正；精度；高分相機；多光譜

1 引 言

中國國家科技重大專項高分辨率對地觀測系統首顆衛星“高分一號”（GF－1）于2013年4月26日中午在酒泉衛星發射中心成功發射，高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項的實施，將全面提升中國自主獲取高分辨率觀測數據能力，推動衛星及應用技術的跨越發展。

GF－1衛星是我國首顆設計和考核壽命大于5年的低軌遙感衛星，星上共配置兩型光學觀測相機，分別是兩臺2m全色／8m多光譜高分辨率相機（PMS）和4臺16m多光譜中分辨率寬幅相機（WFV）。每臺PMS相機觀測幅寬優于60km，4臺WFV相機拼接后觀測幅寬優于800km。

圖像幾何正射精度是評價遙感圖像幾何質量的重要指標之一［1］，本文的目的在于測試GF－1衛星分辨率為2m的全色圖像的幾何正射精度。本文對GF－1衛星幾何正射精度的驗證與分析，有利于客觀反映GF－1衛星全色圖像的幾何正射精度，為用戶了解和使用該數據提供參考，也為進一步提高GF－1衛星全色圖像幾何精度提供依據。

2 測試數據

為了盡可能消除衛星側擺過大、參考數據不準確等因素對圖像內部幾何精度的影響，本文對測試數據進行了篩選，篩選條件如下：

表1 測試數據篩選條件與參考數據情況

根據上述篩選條件，選取如下數據進行測試：

表2 正射精度測試數據表

3 測試方法

3.1 評價標準

以1∶1萬DOM、1∶5萬DEM數據為參考數據，對GF－1衛星全色圖像進行正射校正，并進行幾何精度測試。

3.2 選取地面控制點的基本原則

地面控制點要求選取不隨時間、季節等因素改變的地物。

3.3 測試方法

每景數據測試流程如下：

①選取清晰、成像質量良好的1A級圖像作為測試圖像；

②導入1A級圖像以及RPC文件；

③導入相應參考圖像、DEM文件；

④均勻分布采集25個控制點；

⑤進行正射運算，生產正射產品；

⑥打開正射產品數據與對應參考數據；

⑦均勻分布采集12個檢查點，檢查點盡量遠離步驟4選取的25個控制點；

⑧計算檢查點在校正圖像和參考圖像的實際地理坐標差值D以及檢查點坐標值的中誤差S，中誤差S即為圖像的正射精度［2－3］；

其中，ΔX＝X圖像－X真實，ΔY＝Y圖像－Y真實，n為檢查點個數。

4 正射圖像處理

高分辨率衛星遙感影像正射處理模型可以分為嚴格幾何處理模型與通用處理模型兩大類。嚴格幾何處理模型與通用處理模型最具代表性的分別為擴展共線方程模型與有理函數模型［4］。

擴展共線方程模型是以攝影測量學中最基本的共線條件方程為基礎，在假設衛星運行軌跡滿足軌道攝動方程的條件下，用軌道參數的函數來表示影像外方位線元素，用多項式來擬合影像外方位角元素。由于擴展共線方程模型是經典攝影測量理論在新型遙感傳感器上的拓展應用，對各項誤差源可分別建模并納入幾何處理模型中，能有效地顧及各項誤差引起的影像變形，理論上最為嚴密。但是，擴展共線方程模型與傳感器物理和幾何特性密切相關，涉及傳感器的物理構造、成像方式以及其他核心參數。高分辨率CCD傳感器所具有的長焦距和窄視場角特性導致定向參數之間具有很強的相關性，從而影響定向精度和穩定性。但由于技術保密的要求，一般用戶很難獲取衛星數據核心參數，從而無法使用擴展共線方程模型進行正射校正。

有理函數模型（Rational Function Model，RFM）利用有理函數來描述傳感器模型，將像點坐標和物點坐標的關系描述為兩個多項式的比值。其實質是用純數學來對嚴格幾何處理模型進行擬合，或者是對成像地區實際地形的一種數學逼近［5－6］。有理函數模型相對于擴展共線方程模型具有保密性、簡便性和穩定性的優點，在業內得到廣泛的應用，有理函數模型已成為事實上高分辨率衛星遙感影像通用處理模型標準。

中國資源衛星應用中心為方便用戶使用有理函數模型進行正射處理，分發的1A級GF－1衛星圖像自帶有RPC參數文件，但其精度只能到達相當于影像直接對地目標定位的精度（約為20m），需要增加地面控制點對RPC參數進行精化以滿足測圖應用實際需要［7－8］。本文針對1A級測試數據采用有理函數模型進行正射處理，在測試數據和參考數據上均勻分布采集25個同名控制點，導入對應RPC、1∶5萬DEM文件，生成正射影像。圖1是1A級測試數據正射前后對比圖。

圖1 全色1A級待正射圖像和正射圖像

5 正射精度評價

在每景全色正射圖像上采集12個檢查點，驗證全色正射圖像的幾何精度，為了保證檢查點的客觀性，檢查點的選取遵循兩個原則：①在圖像內均勻分布；②檢查點遠離控制點。通過統計各檢查點的誤差值（如表3、表4所示）即可獲得全色正射圖像的精度。

圖2 全色正射數據和參考圖像檢查點示意圖（紅色點為控制點，藍色點為檢查點）

表3 GF－1衛星全色圖像（景號：15401）正射精度測試結果表

表4 GF－1衛星全色圖像正射精度測試結果統計表

圖3 GF－1衛星全色正射圖像幾何精度示意圖

6 測試結果與分析

測繪部門采用航片或者衛片更新地形圖，平面精度要求一般是平原、丘陵地區地形圖上誤差不超過0.5mm，山區不超過0.75mm［9－11］。比如更新1∶1萬地形圖，平原地區精度應小于5m，山區小于7.5m。更新1∶2.5萬地形圖，平原地區精度應小于12.5m，山區小于18.75m。

在以上測試數據中，最低正射精度為2.1m，符合更新1∶1萬地形圖要求。平均正射精度1.6m，折合成像素精度為0.8個像素。5景全色正射圖像所有檢查點最大誤差均小于中誤差的2倍，說明GF－1全色正射圖像幾何畸變小而且穩定。

在正射處理中引入DEM文件，其目的是，消除地形起伏引起的變形，提高影像的定位精度，所以，DEM文件作為物方坐標的一部分，其本身精度會影響計算后像方坐標的準確性，從而影響正射精度。為了規范遙感影像幾何精度測試，國家相關標準建議DEM數據的格網間距不應大于被測圖像地面像元尺寸的5倍。因此，2m分辨率GF－1衛星全色圖像應使用10m以下格網間距DEM數據，但由于DEM數據獲取受限，試驗采用一般用戶所能獲取的1∶5萬DEM數據，該數據格網間距為25m，如采用更高精度DEM，GF－1衛星全色正射圖像精度還有提高空間。

［1］ 黃世存.資源一號02B衛星CCD和HR影像的糾正精度分析［J］.航天器工程，2008，17（72）：53.

［2］ 劉斌，孫喜亮，邸凱昌，等.資源三號衛星傳感器校正定位精度驗證與分析［J］.國土資源遙感，2012，7（4）：36－40.

［3］ 黃世存，章文毅，何國金，等.幾種不同矩陣算法的遙感圖像幾何精糾正效果比較［J］.國土資源遙感，2005（3）：18－22，43.

［4］ 孫家抦，舒寧，關澤群.遙感原理、方法和應用［M］.北京：測繪出版社，1999.

［5］ XIONG Z，ZHANG Y.A Generic method for RPC refinement using ground control information［J］.Phothogramm Eng Rem Sen，2009，75（9）：1083－1092.

［6］ GRODECKI J，DIAL G.Block adjustment of high－resolution satellite images described by rational polynomials［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2003，（69）：59－68.

［7］ 張過.缺少控制點的高分辨率衛星遙感影像幾何糾正［D］.武漢：武漢大學，2005.

［8］ 唐新明，張過，祝小勇，等.資源三號測繪衛星三線陣成像幾何模型構建與精度初步驗證［J］.測繪學報，2012，41（2）：191－198.

［9］ 國家測繪局.GB 12340－2008－T 1∶25000 1∶50000 1∶100000地形圖航空攝影測量內業規范［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［10］ 國家測繪局.GJB 4407－2002，航天遙感圖像定位精度檢測方法［S］.北京：中國標準出版社，2002.

［11］ 國家測繪局.國家1∶50000數據庫更新工程—數字正射影像數據規定（第二版）［S］.北京：國家標準出版社，2007.

Ortho Accuracy Analysis of GF－1PAN Imagery

HUANG Shi－cun1，WU Hai－ping2，FENG Deng－chao3
（1.China Center for Resources Satellite Data and Application，Beijing100094；2.China Land Surveying and Planning Institute，Beijing100035；3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang065000）

After the successful launch of GF－1satellite，to understand the accuracy of its pan ortho－image has extensive demands.This paper used the rational function model to rectify the pan image of GF－1PMS sensor，then collected check points to test the geometric accuracy.The purpose of the test is easy for users to understand the precision of GF－1pan orthoimage.The test results show that the average accuracy of panchromatic otho－image in GF－1satellite is 1.62meters，converted into pixel precision is 0.81pixel，can meet the requirements of 1∶10000scale topographic map updating.After a preliminary analysis，high precision digital elevation data can further improve the ortho－rectification accuracy of GF－1panchromatic orthoimage.

GF－1satellite；PMS；PAN；ortho－rectification；accuracy；high－resolution camera；multi－spectral

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.015

TP79

A

1000－3177（2015）138－0085－04

2014－03－03

2014－05－04

黃世存（1977～），男，碩士，高級工程師，研究方向為遙感衛星圖像處理與應用。

E－mail：hscwhp＠126.com