GF-1衛星WFV影像幾何定位穩定性研究

韓 杰，謝 勇

(1. 許昌學院城鄉規劃與園林學院，河南 許昌 461000； 2. 南京信息工程大學地理與遙感學院，江蘇 南京 210044)

近年來，我國加大了對高分辨率衛星遙感事業的資金和人才投入，突破了一系列的關鍵技術，成功發射了多顆我國自主研發的高空間分辨率衛星(CBERS-02B、TH-1、ZY1-02C、ZY-3、GF-1、GF-2等)[1]。衛星影像幾何定位精度是衡量影像幾何質量的一個重要參考指標，眾多學者從多方面對國產高分辨率衛星影像幾何特性進行了分析。如祝小勇等建立了CBERS-02B衛星影像嚴格成像幾何模型，并利用實測數據對其影像幾何定位精度進行評價，分析其幾何誤差來源[2]。王任享等通過對TH-1衛星影像進行評價后，證明其在無地面控制點輔助的情況下定位精度達到了美國SRTM水平[3]。楊博等在對ZY-02C衛星全色影像的無控定位精度進行分析后，利用嵩山定標場高精度參考數據對ZY-02C衛星全色相機進行在軌幾何定標[4]。李德仁利用地面控制點數據對ZY-3衛星前期影像幾何定位精度進行評價，發現在無控制點的情況下，其影像直接定位精度優于15 m[5]。黃世存等對GF-1衛星PMS相機的全色和多光譜二級產品幾何定位精度進行評價，結果表明其二級產品定位精度滿足1∶10萬比例尺地形圖更新要求[6]。

我國高分對地觀測系統的首發星——GF-1衛星搭載的寬覆蓋WFV多光譜傳感器，采用4臺相機拼接成像的方式，能夠獲取空間分辨率為16 m，幅寬優于800 km的衛星影像，實現了高分辨率與大視場相結合的研制總目標[7]。同樣，為了提高該影像定量化應用水平，需要對其影像幾何定位精度進行綜合評價。雖然相關學者也對此進行了相應探討，但是上述大多數研究僅僅針對某一時刻獲取的影像進行了絕對定位精度的評價。然而GF-1衛星在軌運行已超過4年時間，在此過程中已經獲取了大量影像數據，這些數據之間的相對幾何定位精度如何，需要作進一步的評價和研究，這對分析影像幾何定位穩定性及利用該數據進行遙感定量化時序分析具有重要意義。

本文以北京為例，將ZY-3衛星傳感器校正產品作為參考依據，首先分析其單景影像相對幾何定位特點；然后對該區域影像相對幾何定位精度進行長時間序列評價，分析其定位誤差隨在軌運行時間變化情況；最后從理論上證明在無嚴格成像模型的情況下，用戶無法利用某一時相影像的有理函數模型(rational function model，RFM)的補償參數對其他時相影像系統誤差進行有效消除。

1 數據介紹

1.1 參考數據的選擇

參考數據的選擇對評價影像相對幾何定位精度具有至關重要的意義。由于本文研究的主要目的是為了評價長時間序列影像的幾何相對定位穩定性，因此對參考數據的選擇要求有所不同，該數據無需具有非常高的絕對定位精度，只需要保證數據內部幾何畸變較小即可。

針對上述對參考數據所需特性分析，結合目前常用的衛星影像數據特點，本文選擇ZY-3衛星傳感器校正產品作為參考數據。因為該產品實現了CCD片間的無縫拼接，且其自帶的有理多項式參數(rational polynomial coefficients，RPCs)具有很高的擬合精度，同時該產品消除了內外畸變參數，并且生產過程中引入的定位誤差可以忽略[8]。因此本文選取了2014年1月21日北京地區同一軌道相鄰兩幅正視傳感器校正產品作為參考影像，如圖1所示。在對同軌拼接條件檢查后發現，所選數據滿足影像重疊區域同名點偏差約為一個像素的限制條件，因此可忽略兩景影像的相對定位差異[9]。

圖1 北京ZY-3衛星參考影像覆蓋范圍

1.2 WFV長時間序列影像收集

本文以北京市區為研究區域，該區域地形以平原為主，其海拔約為50 m。通過數據檢索，在去除云層遮蓋的影響后，自2013年5月1日至2015年1月23日期間，獲取北京地區WFV影像共計53景，其中WFV1影像17景、WFV2影像15景、WFV3影像19景、WFV4影像12景。

2 WFV影像長時間序列相對幾何定位精度評價方法

出于對衛星參數信息的保密，普通用戶是無法獲取嚴格成像模型參數的，僅能基于影像自帶的RPCs參數，采用有理函數模型，實現地物幾何信息的提取[10-11]。因此本文以ZY-3衛星影像幾何信息為參考，利用RPCs參數及SRTM DEM數據將ZY-3全色影像和WFV影像的同名點坐標投影到物方坐標系中，獲取像點經緯度信息，然后將其轉換為UTM投影坐標，進而比較物方投影坐標差異，并對WFV影像長時間序列相對幾何定位精度進行綜合分析。

3 試驗結果與分析

長時間序列影像相對幾何定位精度分析是通過將待評價的WFV影像集與ZY-3衛星參考影像的同名點進行坐標比對，分析其相對幾何定位誤差方向及誤差大小。因此首先需要利用影像配準方法獲取同名點對，但是由于WFV影像與ZY-3影像空間分辨率相差較大，且部分WFV影像與參考影像的成像時間間隔較大，導致部分同名點配準誤差較大，因此本文采用人工刺點的方式在每景WFV影像上選取5個同名點進行坐標比較，精度約為1個像素。

3.1 單景影像內部幾何定位誤差特性

從圖2可以看出，與參考影像相比，對于單景WFV影像而言，在小范圍區域內(北京城區)，影像內部幾何定位誤差大小及誤差方向表現出了較為明顯的一致性。圖中箭頭長度為誤差大小，箭頭指向為誤差方向。

3.2 WFV影像長時間序列相對幾何定位誤差分析

通過對大量WFV影像進行試驗發現，單景影像內部相對幾何定位誤差大小及方向均近似，因此本文取每景影像同名點誤差大小及方向的均值，對WFV影像幾何定位穩定性進行評價。

3.2.1 WFV影像長時間序列相對幾何定位誤差大小分析

從圖3可以看出，對于WFV1和WFV2相機而言，隨著衛星在軌運行時間增加，其影像相對定位誤差先是逐漸增加，然后趨于穩定的狀態，其影像相對定位誤差分別穩定在200 m和100 m左右。對于WFV3相機而言，雖然其影像相對定位誤差有所波動，但最終穩定在100 m左右。對于WFV4影像而言，出現了個別影像相對定位誤差過大的情況，這可能是由于在地面數據處理時，對RPCs參數的生產出現了錯誤導致的。但是由于影像僅提供了RPCs參數而無嚴格成像模型參數，因此無法分析產生該誤差的具體原因。WFV4影像相對定位誤差穩定在100 m左右。

圖2 單景影像內部幾何定位誤差

圖3 WFV影像相對幾何定位誤差趨勢

3.2.2 WFV影像長時間序列相對幾何定位誤差方向分析

從圖4可以看出，對于不同時相的WFV影像誤差方向并無明顯的一致性，因此若采用基于像面/物面補償模型的RFM對影像系統誤差進行消除時，利用某一時相的補償參數是無法有效消除其他時相影像的系統誤差的[12]。但是基于嚴格成像模型對相機進行檢校后，可以利用某一時相的檢校參數提高其他時相影像定位精度[13-14]。由此可見，雖然RFM對嚴格成像模型具有極高的擬合精度，但是其通用成像模型的屬性還是無法“徹底”取代嚴格成像模型的優勢。其中由于第237天的WFV4影像誤差較大，若將其與其他時相誤差一同顯示，則無法提供較好的目視效果，因此圖4(d)中不包括第237天的數據。

為了進一步從理論上證明利用嚴格成像模型對相機進行檢校后，其檢校參數可以用來補償其他時相影像系統誤差，而通用成像模型則無法實現的問題。本文從影像成像過程出發對該問題進行分析。眾所周知，影響影像直接定位精度的因素主要是衛星定軌/測姿精度和相機安裝精度。其中國產衛星定軌精度已經達到厘米級，其對影像直接定位精度的影響可以忽略不計。但是受我國制造工藝及國外禁運的限制，國產衛星平臺只能裝備精度不甚高的星敏感器進行衛星測姿。相關研究表明，利用測姿設備獲取的傳感器姿態角通常含有系統誤差[13-14]。另外由于衛星在運輸及發射過程中，受到外界環境的影響， 相機相對于衛星平臺之間的安裝參數會發生一定的變化[15]。這種姿態角常差和相機安裝誤差在直接定位中表現為系統誤差，而姿態指向誤差和姿態穩定度等誤差則表現為隨機誤差。

如圖5所示，H為衛星高度，M為星下點，O為像點理論真值點，OP代表由姿態角常差和相機安裝誤差引起的系統性定位誤差，PQ1、PQ2、PQ3代表姿態角隨機誤差引起的定位誤差，OQ1、OQ2、OQ3則為前兩者疊加后的幾何綜合定位誤差。因此，通過圖5即可解釋WFV相機影像平面定位誤差大多位于某半個平面內的原因。這主要是由于系統誤差的大小和方向較為固定，而且比隨機誤差要大得多，因此兩者疊加后所表現出來的方向與系統誤差方向較為一致。

圖5 測姿誤差對影像直接定位影響

當用戶獲取嚴格成像模型時，可以利用地面控制點對衛星姿態角常差和相機安裝誤差進行檢校，即可消除引起系統誤差OP的姿態角常差和相機安裝誤差，而僅殘存幾何定位隨機誤差。利用該檢校參數時可以對其他時相影像數據進行誤差補償，提高影像直接定位精度。但是當用戶僅能通過RPCs參數對影像進行幾何定位時，其只能獲取綜合的幾何定位誤差，而無法從中剝離出由姿態角常差和相機安裝誤差引起的系統誤差。因此，利用某一時相的RFM補償參數無法有效消除其他不同時相影像系統誤差。

4 結論與展望

(1) 本文以ZY-3衛星傳感器產品為參考，對北京GF-1衛星WFV長時間序列影像進行了相對幾何定位穩定性分析與評價，結果表明單景影像內部幾何定位誤差較為一致，不同時相影像相對幾何定位誤差并無明顯規律。針對該現象，本文從理論上證明了在沒有嚴格成像模型參數時，用戶無法利用某一時相影像的RFM補償參數對其他時相影像系統誤差進行有效消除。

(2) 由于本文試驗中同名點對的選取是采用人工刺點的方法得到的，這可能會對結果的評價精度產生一定的影響，今后可考慮采用更高精度的影像自動匹配方法，獲取大量同名點對信息，從而降低人為的干擾，進一步提高評價結果的準確度。

(3) 由于試驗數據有限，本文只在地形較為平坦的地區進行試驗，對于地形起伏較大的丘陵或山地區域，其影像幾何定位穩定性如何需進一步研究。

致謝：感謝中國資源衛星應用中心為本文研究提供GF-1和ZY-3衛星影像數據。

[1] 韓杰. GF-1衛星影像高精度幾何處理方法研究[D]. 北京:中國科學院遙感與數字地球研究所,2015.

[2] 祝小勇，張過，唐新明，等.資源一號 02B 衛星影像幾何外檢校研究及應用[J]. 地理與地理信息科學,2009,25(3)：16-18.

[3] 王任享，胡莘，王建榮．天繪一號無地面控制點攝影測量[J].測繪學報,2013,42(1)：1-5.

[4] 楊博，王密.資源一號02C衛星全色相機在軌幾何定標方法[J].遙感學報,2013,17(5)：1175-1190.

[5] 李德仁.我國第一顆民用三線陣立體測圖衛星:資源三號測繪衛星[J].測繪學報,2012,41(3)：317-322.

[6] 黃世存，吳海平，王奇，等. “高分一號”衛星 PMS 圖像幾何定位精度驗證[J].航天返回與遙感,2014,35(5)：81-87.

[7] 陸春玲，王瑞，尹歡.“高分一號”衛星遙感成像特點[J].航天返回與遙感,2014,35(4)：67-73.

[8] 潘紅播，張過，唐新明，等. 資源三號測繪衛星傳感器校正產品幾何模型[J]. 測繪學報,2014,42(4)：516-522.

[9] 張過，汪韜陽，李德仁，等.軌道約束的資源三號標準景影像區域網平差[J].測繪學報,2014,43(11)：1158-1164.

[10] 李國元，胡芬，張重陽，等.WordView-3衛星成像模式介紹及數據質量初步評價[J].測繪通報,2015(S1)：11-16.

[11] GRODECKI J, DIAL G. Block Adjustment of High-resolution Satellite Images Described by Rational Polynomials[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2003, 69(1)：59-68.

[12] TONG X H, LIU S J, WENG Q H. Bias-corrected Rational Polynomial Coefficients for High Accuracy Geo-positioning of QuickBird Stereo Imagery[J].Photogrammetry and Remote Sensing, 2010, 65(2)：218-226.

[13] 袁修孝，余俊鵬. 高分辨率衛星遙感影像的姿態角常差檢校[J].測繪學報,2008,37(1)：36-41.

[14] 袁修孝，余翔.高分辨率衛星遙感影像姿態角系統誤差檢校[J].測繪學報,2012,41(3)：385-392.

[15] 賈博，姜挺，江剛武，等.基于偏移矩陣檢校的SPOT-5遙感影像高精度直接定位[J].測繪科學技術學報,2012,29(5)：368-372.