基于DEIMOS-2衛星影像平差精度分析研究

趙娜

(福建省測繪院，福建 福州 350003)

1 引 言

近年來，全國開展地理國情監測項目，對全國陸地國土以及海域范圍地表覆蓋、重要地理要素變化情況監測，從而形成現勢性強、精度高的全國地理信息數據庫。因此提供優質可靠的影像數據源已經成為測繪行業必不可少的一項工作。隨著航天事業的迅速發展，各種類型的高分辨率衛星影像層出不窮，國內衛星無法全覆蓋作業區域時，會采用國外衛星進行糾正處理。

DEIMOS-2(以下簡稱DE-2)衛星是西班牙研發的DEIMOS-1衛星后續型號，它是一顆高分辨率光學遙感衛星，影像全色分辨率為 0.75 m，多光譜分辨率為 3 m，幅寬為 12 km。影像具有1個全色波段和4個多光譜波段，軌道高度 620 km，平均回訪周期2天。

目前接收到的DE-2衛星數據質量相對其他衛星會偏差，通過分析發現此衛星的側視角都比較大，而且內部存在畸變，若采用常規平差的方式進行生產，正射糾正的精度不太理想，會給項目生產帶來極大的阻礙和影響。本文針對這一現象，著重分析了DE-2原始數據，并提出了幾種不同的平差方法，作為以后生產此衛星數據的一個重要依據。

2 試驗案例

2.1 試驗數據

(1)原始衛星數據

本次試驗重點在于探討適合DE-2此類衛星影像的平差方法，故采用了3景原始衛星數據，包括全色影像及其原始RPC定向文件。

(2)參考正射數據

本次使用的參考正射影像是傳統航空攝影影像，分辨率約 1 m，地表多為植被覆蓋，無明顯云霧遮擋。

(3)參考地形數據

采用5 m格網的數字高程模型數據進行正射糾正處理，數字高程模型數據是由機載激光雷達數據處理項目 1∶10 000點云數據拼接而成，由于原始衛星側視角偏大或者其他原因造成的高速公路、橋梁、房屋等地物扭曲變形的區域，會根據需求對數字高程模型數據進行編輯。

2.2 數據分析

(1)側視角的檢查

為了避免正射糾正精度的降低，原則上要求原始衛星影像資料的山地、高山地影像側視角不大于20°，平地、丘陵地影像側視角不大于25°。國家在下發衛星影像資料前已經對資料進行了適當的過濾，即便如此，為了能夠減少影像覆蓋漏洞，需要在影像覆蓋漏洞和側視角超限之間尋求適當的平衡；因此，可能最終接收的影像資料中仍然會有部分存在側視角超限問題。本次試驗中的DE-2衛星坐落于福建省三明市尤溪縣，屬于丘陵地形。這3景衛星影像側視角可在原始數據文件夾下的HTML文件中找到，側視角均是21.2°。

(2)原始RPC的檢查

每景衛星遙感影像進行正射糾正的外參數一般利用以下幾種方式解算：

①RPC模型方式。根據衛星影像提供的精確RPC參數，結合地面控制點，解算外參數。

②嚴格物理模型方式。利用衛星影像提供的精確軌道參數，結合地面控制點，解算外參數。

③其他模型方式。如果衛星影像無法提供精確軌道參數或者RPC參數，一般用其他模型進行糾正，但要確保符合精度要求。

本文進行的試驗方法都是基于RPC模型方式進行的。

原始RPC的檢查主要是對原始衛星數據之間的相對位置偏差檢查，即初始RPC檢查。目的是為了有效排除客觀數據條件對匹配或者平差等處理環節的影響，盡可能對試驗數據的初始精度進行定性評價，便于后續的分析。

為了有對比效果，本節試驗同時對DE-2和BJ2衛星數據進行檢查，使用的檢查點數據是相位匹配的控制點結果，經過平差解算處理后的成果數據。為了保證檢查的可靠性，確保檢查點分布數量，檢查點的像方最大殘差是10個像素，經過人工隨機挑選檢查，基本為同名點，初始RPC精度檢查結果如圖1所示，左邊是試驗數據DE-2效果圖，右邊是試驗數據BJ2效果圖，可以看出BJ2衛星影像各檢查點位置上的偏移量和偏移方向比較一致，這種類型的衛星數據正射糾正精度相對來說比較理想。而DE-2衛星影像存在明顯差異，若按照常規衛片平差處理流程進行改正，部分區域的改正效果可能無法與其他位置達成一致，改正后無法與參考底圖套合等。試驗采用的三景衛星影像是同軌衛星，初始RPC精度情況基本一致，故本文展示的實驗數據是基于其中一景影像。

圖1 初始RPC精度檢查結果

2.3 正射糾正

采用相位匹配的方法，完成原始衛星影像和參考控制影像之間的同名點自動提取，并以控制點格式存放，采用自動平差解算的模式，本次試驗設置的閾值為10個像素。控制點匹配結果具體如表1所示，成果分布圖如圖2所示。

控制點匹配結果 表1

圖2 成果分布圖

2.4 誤差補償

與常規糾正方法不同的是，本次試驗提出了誤差補償的方法，誤差補償是基于2.3節的成果，利用上一步平差解算的控制點，對正射糾正結果進行二次糾正，糾正方法采用了小面元糾正。

2.5 自動地理配準

自動地理配準是針對經過幾何改正后正射影像，通過將正射影像和參考控制資料之間進行匹配大量同名點，再經過仿射變換等方式將正射影像和參考資料進行套合糾正。本次試驗分別對剔點前和剔點后生成的正射影像進行了配準，匹配方法采用了相關匹配，匹配搜索半徑設置為 50 m，若待配準數據和參考影像數據之間的偏差很大，可調整搜索間距再嘗試匹配，不同類型的數據設置的參數不一樣，應多次嘗試后選取最優的參數。根據幾何糾正模型類型同樣采用了小面元方式，采樣方法是雙線性插值法。本次試驗分別在不剔點和剔點的前提下，進行了配準點匹配和幾何糾正處理。

3 改正精度檢查分析

因本次試驗選取了一景DE-2數據，故采用了“單片控制改正”的方式進行改正處理，控制點最大殘差控制在10像素，通過均勻布設檢查點的方式，檢查糾正影像和參考控制影像套合精度，糾正影像分別是常規正射糾正、誤差補償、自動地理配準(不剔點)、自動地理配準(剔點)這四種方式的結果，以此來對比分析精度情況。每種方案檢查點分別布設了9個，單片控制改正成果精度檢查情況如表2所示。

單片控制改正成果精度檢查 表2

根據檢查對比結果來看，針對DE-2試驗數據，常規正射糾正得出的正射影像和參考影像間的套合精度較差，無法滿足生產需求。誤差補償方案和自動地理配準方案精度都會優于常規正射糾正的精度。

利用“自動地理配準+不剔點”方案所獲得的效果，首先優于誤差補償方案，經分析研究，誤差補償所使用的配準點，是由平差剔點結果經過轉點所得，并在此基礎上進行小面元糾正，因此，剔點后的控制點分布，會直接影響誤差補償的糾正效果，在試驗過程中發現，誤差補償的結果會明顯降低正射糾正的平面精度。

其次利用“自動地理配準+不剔點”的方案所獲得的效果，也優于“自動地理配準+剔點”方案。為了進一步驗證這種差異是否是由于該區域缺少有效點位導致的，直接針對自動地理配準的兩種場景：剔點和不剔點，進行對比分析研究，即對比剔點前后對自動地理配準糾正結果的精度影響。表3為自動地理配準剔點前后對比圖。

自動地理配準剔點前后對比圖 表3

通過對比可以看出，被剔除的點位，多集中在影像右下角，因此，為了進一步驗證剔點前后對幾何糾正效果的影響，著重在此區域采集檢查點，并與參考控制影像進行套合檢查，依次對比剔點前后的幾何糾正效果及其變化，檢查點位置分布如圖3所示。自動剔點對幾何糾正精度的影響效果是以3個檢查點位置的套合情況展示出來，并分別從X和Y方向進行了分析，自動剔點對幾何糾正效果的影響具體情況如表4～表6所示。

圖3 檢查點位置分布圖(紅色十字)

自動剔點對幾何糾正效果的影響(檢查點1) 表4

自動剔點對幾何糾正效果的影響(檢查點2) 表5

自動剔點對幾何糾正效果的影響(檢查點3) 表6

4 結 論

根據本次試驗情況，現得到以下結論：

(1)DE-2衛星影像側視角偏大，從而影響衛星的正射糾正精度，進行生產之前應先分析衛星影像的側視角大小。

(2)DE-2衛星內部存在畸變現象，各檢查點位置上的偏移量和偏移方向都存在明顯差異，導致在常規控制點匹配情況下，正射糾正影像的精度無法滿足生產的需求。

(3)“自動地理配準+不剔點”的方案所獲得的效果最佳，和參考影像的套合精度可達到 2 m左右，可以滿足生產需求。由此可見，剔點有時候會導致局部區域配準點稀少，會直接影響糾正精度，但也不能一味地追求配準點的數量，有可能會存在一些錯誤的點位，應根據實際情況分析。本文只是提供了基于DE-2衛星的一種單片控制糾正的試驗方法，不同的數據可能適合的方法不一樣，而且由于試驗數據是有限的，結論只是初步的，下一步的研究方向是選擇更多具有代表性的衛星數據進行試驗分析，以提高衛星影像的正射糾正精度，以此適應各種生產項目的需求。