基于高分七號衛星影像的空三加密優化方案探索

程小河，段文華

（1.自然資源部重慶測繪院，重慶 401120）

近年來，各省市1∶10 000 基礎地理信息資源建設大多基于航攝影像開展，但航空攝影受限于地形、氣象、空域申請等影響，周期往往較長且成本高昂，后續空三加密處理工作量大，在地形復雜區域尤其突顯，在西藏等邊境地區甚至還存在嚴格的禁飛區域。我國于2019-11-03 成功發射高分七號衛星，搭載了雙線陣立體相機、激光測高儀等有效載荷，突破了亞米級立體測繪相機技術，能夠獲取高空間分辨率光學立體觀測數據和高精度激光測高數據，2020-08-20正式投入使用。高分七號衛星影像包括0.8 m 分辨率前視影像、0.65 m 分辨率后視影像和3.2 m 分辨率多光譜，前視影像和后視影像可以構成同軌立體，能夠為我國乃至全球地形地貌繪制出誤差在1 m 以內的立體地圖，將為各省市基礎地理信息資源建設的推進提供影像基礎，能夠大大的提高地理信息數據的更新效率[1]。

高分七號衛星具有高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高定位精度的對地觀測能力，其影像紋理特征清晰，光譜信息豐富，實現了我國民用1∶10 000比例尺衛星立體測圖，能在國土測繪、城鄉建設、統計調查等方面發揮重要作用。高分七號衛星影像的內符合精度，以及高分七號衛星部分區域獲取的影像景內存在像素級拼換錯位，對空三加密及后續應用具有重要影響。本文通過開展不同控制條件下的加密實驗和影像拼痕處理前后的加密精度對比，檢測高分七號立體衛星影像的內符合精度，探索優化高分七號衛星影像空三加密的控制點布設方案，并嘗試了影像拼痕的解決方法，為高分七號衛星影像在地理信息資源建設中的推廣應用提供參考。

1 數據準備

收集到傳感器校正后的多景高分七號立體衛星影像[2]和部分精度檢測資料，并實地布測了足夠的像控點和檢測點。

1）影像數據。限于國內高分七號立體衛星影像還未大批量推送，本次選用了重慶地區和西藏地區的多景高分七號衛星影像開展實驗。其中重慶實驗區選用了相鄰軌道的8 景連片影像，橫跨渝北、渝中、巴南和綦江等多個區縣，以丘陵地和山地為主。軌道間影像重疊度約79.4%，同軌衛片重疊度約12.4%。影像質量較好，無大面積云影和明顯影像拼痕。

西藏實驗區選用了定日縣城所在的一景影像，東面包含定日縣城及周邊村莊，多河流溝谷，主要為山地地形，西北和西南面多冰川雪山，為高山地地形。影像存在多處明顯的拼換錯位，拼痕沿軌道方向貫穿整景影像。經立體檢測，拼痕處平面錯位平均約2 m，高程斷層平均約3 m。

2）控制和檢測數據。重慶實驗區按區域網均勻分布24 個平高像控點，利用重慶市CORS 站進行網絡RTK 測量，平面和高程測量精度均優于±5 cm。采用已有1∶2 000 數字地形圖作為精度檢測資料。

西藏實驗區采用GPS 精密單點定位方式布測了11 個平高像控點，并聯測周邊已知二等水準進行高程異常改正，經聯測已有B 級GNSS 點進行精度檢測，平面測量精度達±10 cm，高程測量精度達±20 cm[3]。另外實測了80 余處平面檢測點，主要為城區和村莊內房角、田角和通信桿處，以及30 余高程檢測點，分布于田地、院壩、路口和山坡上。

2 加密實驗

1）實驗方案。采用中國測繪科學研究院研發的高分辨率遙感影像數據一體化測圖系統PixelGrid 開展加密實驗。

重慶實驗區基于高分七號立體衛星影像構建的區域網，開展無控、2 控制、4 控制、6 控制、8 控制、10 控制和15 控制的區域網加密實驗，像控選取方案見圖1。另選用其中1 景開展無控和4 控制的單模型定向加密實驗。

西藏實驗區針對原始影像和拼痕處理后影像進行無控和6 控制單模型定向加密實驗。實驗前先對前、后視衛星影像進行人工修復，將明顯拼痕分割的各影像分塊，以左上角影像分塊為基礎進行逐塊拼換，確保像素級拼換正確。

2）加密流程。先對原始衛星影像進行預處理，得到立體衛星影像及對應的RPC 軌道參數。通過區域網構建、連換點測量、控制點測量、反復平差與粗差剔除等步驟完成空三加密，重新計算和輸出影像RPC 軌道參數，得到加密成果[4]。

重慶實驗區自由網加密時，每景立體像對匹配連換點約5 000 個，相鄰模型之間的連換點數量大于25 個，像點殘差均小于0.3 個像素。所有像控點的量測點位均在立體環境下進行了嚴格檢查，不同控制條件下平差后定向點平面和高程誤差均符合空中三角測量規范[5]中丘陵地限差要求。單景單模型定向時，連換點為2 849 個，像點殘差均優于0.3 個像素，平差后基本定向點平面位置誤差優于0.6 m，高程誤差優于0.3 m。

西藏實驗區模型內連換點均在1 000 個以上，像點殘差均優于0.3 個像素。影像拼痕修復前基本定向點平面誤差優于1.5 m，高程誤差最大達3.6 m，高程誤差超出規范要求；影像拼痕修復后基本定向平面誤差優于1.0 m，高程誤差優于1.2 m。加密工藝流程見圖2。

圖1 區域網加密像控選取方案

圖2 空三加密工藝流程圖

3）精度檢測。無控加密成果，利用實測像控點與同名加密點計算偏差值，并以偏差值的平均值作為系統誤差，統計偏差值的平面和高程偶然中誤差作為無控加密成果內符合精度，如表1 和表3 中無控條件下平面中誤差和高程中誤差。

有控加密成果，采用恢復立體模型后利用檢測資料進行同名點精度檢測。重慶實驗區利用1∶2 000 數字地形圖作為檢測數據，西藏實驗區利用實地實測檢測點進行檢測[6]。

經檢測，重慶實驗區采用無控和稀少控制加密方式的成果精度見表1，不同控制條件加密的成果精度見表2，西藏單模型加密成果精度見表3。

表1 重慶無控和稀少控制加密成果精度檢測/m

表2 重慶不同布控方案加密成果精度檢測/m

表3 西藏單模型加密成果精度檢測/m

3 分析結論

通過對不同控制條件下加密成果的檢測精度進行比對分析，能較為明確的得出如下結論：

1）正常高分七號立體衛星影像的內符合精度良好，平面和高程相對位置精度均優于1 m。不同景的系統偏移值都不相同，利用稀少控制參與加密可消除絕大部分系統誤差，加密結果滿足1∶1 萬山地和高山地的測圖精度。分析數據詳見表1。

2）存在明顯拼痕的高分七號立體衛星影像內符合精度受損嚴重，通過足夠的像控點加密后平面精度可優于1 m，但高程精度大幅降低，檢測精度在3 m 左右。通過人工對原始影像重新拼換消除裂痕后重新加密，高程精度得到顯著提升，滿足1∶1 萬丘陵、山地和高山地地形類別的測圖精度。分析數據詳見表3。

3）同等控制密度條件下，區域網加密精度要優于單模型加密精度，尤其是高程精度提升明顯。區域網加密采用四角布控方案，可滿足1∶1 萬丘陵、山地和高山地的測圖精度，采用15 個像控點布設方案時達到平地測圖精度，增加像控點對區域網加密平面精度影響不顯著，對高程精度提升效果顯著。單模型4 個像控點定向可滿足1∶1 萬丘陵、山地和高山地地形類別的測圖精度。分析數據詳見表2。

4 結 語

高分七號衛星影像是我國首個民用亞米級光學立體影像，對我國各省市大中比例尺地理信息資源建設具有意義重大，在中國實景三維建設、西藏自治區1∶10 000基礎地理信息資源建設與更新工程等多個國家和地方基礎測繪項目中得到了應用，并隨著“十四五”規劃的開展，其應用范圍會越來越廣，將逐步取代測繪中很多應用[7]。本文提出的實驗結論將有助于優化高分七號立體衛星影像開展空三加密時的像控點布設，尤其為像控測量困難區域提供了指導方案，同時也提供了針對少量高分七號衛星影像存在拼換錯位現象的可行處理辦法。