CBERS-04星PAN/MUX圖像幾何定位精度評價

魏丹丹，甘甫平，尚　坤，梁樹能，何　嬌

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083)

0　引言

近年來由于遙感技術的不斷成熟和發展，通過遙感圖像可以獲得越來越多的信息[1]。例如，通過遙感圖像，可以測制地形圖[2]，為國土資源、農業和林業等領域提供服務[3]。但由于各種因素，如平臺位置、運動狀態變化和地球的曲率等因素造成的誤差影響圖像的幾何定位精度[4]，造成圖像幾何質量下降[5]。因此，對遙感圖像幾何定位精度的評價成為遙感領域的重要研究課題之一[6]。

地面接收單位接收遙感數據后首先對遙感平臺、地球傳感器的各種參數進行處理和校正，但仍不能滿足用戶的需求，對于處理過的圖像還要進行進一步的幾何校正和輻射校正；即使對接收到的遙感圖像進行了一系列校正，但在定位和定量精度方面仍存在一定的誤差，這就需要對該誤差進行衡量、計算，這就使得定位精度成為衡量遙感圖像應用價值的重要指標之一。因此，為能夠給用戶提供更優質的遙感圖像，必須研究圖像的定位精度[7]和變形情況[8]。本文從用戶應用角度出發結合在軌測試工作，對圖像幾何定位精度開展評價。

圖像外部幾何定位精度是指圖像在地理參考坐標系中的絕對位置精度[9]，也指經過系統幾何校正后的圖像上的地理位置和真實地理位置之間的差異[10]。圖像的內部幾何變形包括長度、角度及放射變形等，圖像內部幾何定位精度的評價包括圖像變形的絕對量評價[11]和整幅圖像變形的一致性評價[12]。

CEBRS-04星是中巴資源04號陸地觀測衛星，其上搭載有5 m全色(簡稱P5)、10 m空間分辨率多光譜相機(P10)、20 m多光譜相機和紅外多光譜相機，寬視場成像儀5個載荷，本文主要針對5 m全色相機和10 m多光譜相機。

1　圖像定位精度評價

根據行業應用要求，本文主要以遙感影像平面制作規范(GB/T 15968—2008)、數字地形圖系列和基本要求(GB/T 18315—2001)和基礎地理信息數字產品1∶10 000、1∶50 000數字影像圖(CH/T 1009—2001)行業標準或規范為參考。

圖像基本幾何質量評價包括全色多光譜相對配準精度[13]和圖像定位精度方面的評價[14]。具體來看主要包括：P5與P10影像范圍一致性、P5和P10影像間波段匹配精度評價以及無控制點的RPC處理圖像定位精度評價[15]。

根據遙感圖像像點位移規律[16-17]，通過比較控制點坐標值(基準圖幅匹配)和圖像上量算值的偏差，分別評價X方向和Y方向平均誤差，研究不同遙感圖像、不同地形地物類別的幾何精度。地形地物類別選取平地、丘陵和山地3種地區[18]。

采用5 m全色影像、已有的實測高精度幾何控制點以及Worldview-2正射校正影像為基礎，選取待校正影像和基礎底圖上均有的同名明顯特征地物點為控制點。對10 m多光譜影像進行幾何校正。校正單元選取整個單相機影像，控制點均勻分布，根據地形需要，適當確定控制點數量。

將波段匹配像元錯位數、影像圖X、Y方向平均誤差、區域定位平均誤差等作為評價圖像定位精度優劣的指標。

2　測試評價分析

本文選取新疆哈密與云南東川區域作為評價示范區，選取該區域CEBRS-04星5 m全色和10 m多光譜影像數據作為評價所用數據，此外還有實測大比例尺幾何控制點、0.5 m分辨率Worldview-2正射影像和Google earth影像數據作為輔助數據。

2.1　P5與P10影像范圍一致性

選取新疆哈密、云南東川PMS數據，以P5影像為基準對P10影像進行配準并套合，檢查配準后P5與P10影像的范圍一致性。經檢查，P5與P10影像的范圍基本一致，如圖1所示。

(a)　新疆哈密P5與P10影像范圍

(b)　云南測試區一P5與P10影像范圍

(c)　云南測試區二P5與P10影像范圍圖1　測試區影像范圍

2.2　P5和P10影像間波段匹配精度評價

從各測試區的影像來看，單相機多光譜數據各波段間匹配精度非常高，不存在波段不匹配情況，進行彩色合成之后不存在錯位、重影等現象。

為定量描述P5與P10影像各波段間配準情況，對測試區部分數據進行了定量分析。針對尾號為8004的P10多光譜數據，以P5數據為基準，對P5和P10手工選擇了11個檢查點，計算結果表明：所有檢查點X方向殘差平均值為0.000 623像元，Y方向殘差平均值為0.003 387像元，平面方向殘差平均值為0.007 707像元。在采用一次多項式計算模型下，P5和P10檢查點RMS為0.766 816像元，在二次多項式計算模型下，P5和P10檢查點RMS為0.015 735像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目視檢查如圖2所示。

圖2　新疆哈密測試區P5、P10波段匹配精度檢查結果

云南測試區一的P10多光譜數據中，以P5和P10為例，對P5和P10手工選擇了9個檢查點，計算結果表明：所有檢查點X方向殘差平均值為0.005 005像元，Y方向殘差平均值為0.000 03像元，平面方向殘差平均值為0.005像元。P5和P10檢查點RMS為0.378像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目視檢查如圖3所示。

圖3　云南測試區一P5與P10波段匹配精度目視結果

云南測試區二的P10多光譜數據中，以P5和P10為例，對P5和P10手工選擇了8個檢查點，計算結果表明：所有檢查點X方向殘差平均值為0.000 24像元，Y方向殘差平均值為0.004 58像元，平面方向殘差平均值為0.004 507像元，P5和P10檢查點RMS為0.288像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目視檢查如圖4所示。

圖4　云南測試區二P5與P10波段匹配精度目視結果

新疆哈密測試區P5與P10波段匹配精度檢查表如圖5所示，云南測試區一P5與P10波段匹配精度檢查表如圖6所示，云南測試區二P5與P10波段匹配精度檢查表如圖7所示。

圖5　新疆哈密測試區P5與P10波段匹配精度檢查表

圖6　云南測試區一P5與P10波段匹配精度檢查表

圖7　云南測試區二P5與P10波段匹配精度檢查表

2.3　無控制點的RPC處理圖像定位分析評價

主要是利用新疆哈密試驗場示范區黑山口幅系統幾何校正后的2級產品P5全色和P10多光譜影像數據，并以野外實測的42個控制點和利用實測控制點生產的Worldview-2正射影像為基礎底圖，進行CBERS-04衛星P5全色和P10多光譜影像數據的幾何精度初步評價。具體的幾何比對如表1所示。

表1　影像坐標與實測幾何標志點坐標對比　(s)

經查詢相關資料，在新疆哈密試驗場示范區范圍內(42°10′～42°20′ N、94°45′～95°00″ E)，緯度1″≈30.8 m，經度1″≈23.05 m，把表1中的單位轉換為m并取絕對值后，如表2所示。

由表1和表2可看出，CBERS-04星同名點影像坐標與野外實測坐標相比較：

表2　影像坐標與實測幾何標志點坐標對比　(m)

① P5全色影像在緯度方向上相差0.038"～0.74"，約11.7～22.79 m，平均約17.56 m；在經度方向上相差3.24"～4.44"，約74.68～102.34 m，平均約93.05 m；點位誤差77.01～104.59 m，平均為94.82 m，如圖8所示。

② P10多光譜影像在緯度方向上相差1.12"～1.68"，約34.5～54.74 m，平均約28.13 m；在經度方向上相差在0.91"～1.79"，約20.98～41.26 m，平均約33.85 m；點位誤差在50.17～63.57 m，平均為57.55 m，如圖9所示。

圖8　P5全色影像幾何精度評價

圖9　P10多波段影像幾何精度評價

從圖8和圖9可以看出，對P5全色影像，其經度方向上的誤差對整體的點位誤差影響較大；對P10多光譜影像，其緯度方向上的誤差對整體的點位誤差影響較大。

2.4　結果分析

在對CBERS-04星5 m全色和10 m多光譜影像進行無控制點的RPC校正之后，結合已有的野外實測控制點位置和由其校正后得到的Worldview-2正射影像，進行全色和多光譜影像數據幾何定位精度評價，得到以下結論：① P5與P10影像范圍一致；② 從各測試區的影像來看，單相機多光譜數據各波段間匹配精度非常高，不存在波段不匹配情況，進行彩色合成之后不存在錯位、重影等現象；③ 無控制點的RPC處理影像坐標與實測幾何標志點坐標對比發現P5影像經度方向上的誤差對整體點位誤差影響較大，P10影像緯度方向上的誤差對整體的點位誤差影響較大。

3　結束語

遙感圖像在基礎測繪、土地資源調查等應用方面對地面定位、定量精度有較高的要求。本文從全色多光譜相對配準精度、圖像定位精度方面展開評價，將波段匹配像元錯位數、影像圖X、Y方向平均誤差、區域定位平均誤差等作為評價圖像定位精度優劣的指標，開展了CBERS-04星5 m全色與10 m多光譜影像范圍一致性、影像間波段匹配精度和無控制點的RPC處理圖像定位精度評價。5 m全色與10 m多光譜影像范圍一致性較好，10 m多光譜數據的波段之間匹配精度高；在圖像定位精度上，5 m全色影像經度方向的誤差對整體點位誤差影響較大，10 m多光譜影像的整體點位誤差主要來源于緯度方向上的偏移。

隨著遙感衛星的廣泛應用，對衛星的幾何定位精度將是更大的挑戰。這意味著不僅對衛星平臺、飛行姿態、成像模式的控制程度和穩定性提出了更高的要求，而且需要更加精確的影像像元與地面點位的轉換模型和地面參考點測量。

[1]張增祥，汪瀟，溫慶可，等.土地資源遙感應用研究進展[J].遙感學報，2016，20(5)：1243-1258.

[2]夏朝旭，何政偉，于歡，等.面向對象的土地覆被變化檢測研究[J].遙感技術與應用，2014，29(1)：106-113.

[3]潘德爐，何賢強.海洋水色水溫遙感應用科學與技術[M].北京：海洋出版社，2014.

[4]陳藝蝦.遙感圖像幾何定位精度評價方法研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[5]宋偉，朱岱寅，李勇.機載聚束SAR圖像定位精度研究[J].數據采集與處理，2014，29(4)：555-561.

[6]明洋，陳楚江，余紹淮，等.多條帶WorldView衛星圖像幾何定位精度分析[J].測繪科學，2013，38(1)：160-162.

[7]李宗華，王新洲，彭明軍，等.高分辨率衛星遙感影像在土地利用變更調查中的應用[J].測繪信息與工程，2005，30(4)：13-16.

[8]白煥成.高分辨率衛星遙感影像在基礎測繪中的應用探討[J].測繪科學與工程，2008，28(2)：15-18.

[9]陳正超.中國DMC小衛星在軌測試技術研究[D].北京：中國科學院遙感應用研究所，2005.

[10] 王春媛.遙感圖像幾何校正及目標識別技術研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[11] 章學靜.像素級圖像增強及配準算法研究 [D].北京：北京理工大學，2014.

[12] 李暉，肖鵬峰，馮學智，等.結合光譜和尺度特征的高分辨率圖像邊緣檢測算法[J].紅外與毫米波學報，2012，31(5)：469-474.

[13] 朱琳.地理國情普查中遙感影像處理方法的研究[D].西安：西安科技大學，2015.

[14] 陳亞妮.遙感圖像質量評價方法研究與軟件設計[D].杭州：浙江大學，2017.

[15] 薛萬勛.基于邊緣特征的遙感圖像質量評價方法研究[D].北京：中國科學院大學，2016.

[16] 張繼賢，張永紅，林宗堅.SPOT影像像點位移的研究[J].測繪科學，2000，25(1)：19-22.

[17] 舒嘉，張林海.航攝像片像點位移的精度分析[J].測繪與空間地理信息，2008，31(3)：155-156.

[18] 戰鷹，史良樹，王金強，等.衛星側視成像引起的像點位移誤差計算方法[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2015，34(3)：370-373.