陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)無(wú)控定位方法

岳春宇 周楠 楊舒琪 何紅艷

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)無(wú)控定位方法

岳春宇 周楠 楊舒琪 何紅艷

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)包含多波束激光雷達(dá)和0°相機(jī)。同時(shí)開(kāi)機(jī)對(duì)地觀測(cè)時(shí)，多波束激光雷達(dá)可提供高精度測(cè)距值轉(zhuǎn)化的廣義高程控制點(diǎn)，參與0°相機(jī)平差定位，實(shí)現(xiàn)在軌無(wú)控測(cè)圖。文章基于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)探測(cè)體制，建立圖像與激光對(duì)地觀測(cè)模型及其幾何關(guān)系模型，引入公開(kāi)粗格網(wǎng)數(shù)字高程模型（DEM）約束，實(shí)現(xiàn)激光輔助圖像攝影測(cè)量平差計(jì)算。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)無(wú)控測(cè)圖方法可提升0°相機(jī)圖像平面定位精度，仿真數(shù)據(jù)最優(yōu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果從613.05m提高到15.35m。對(duì)參與平差計(jì)算的激光控制點(diǎn)數(shù)量和布設(shè)位置開(kāi)展了討論，仿真數(shù)據(jù)一景圖像當(dāng)采用上中下三行均勻布設(shè)激光控制點(diǎn)時(shí)，精度最高。

植被測(cè)量子系統(tǒng) 無(wú)控定位 聯(lián)合平差 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星

0 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星主要用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)、生態(tài)資源調(diào)查、國(guó)家重大生態(tài)工程監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域，并為環(huán)保、測(cè)繪、氣象、農(nóng)業(yè)、減災(zāi)等領(lǐng)域提供業(yè)務(wù)支撐和研究服務(wù)，提高中國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的話語(yǔ)權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)由多波束激光雷達(dá)、光軸監(jiān)視相機(jī)和0°相機(jī)組成。當(dāng)衛(wèi)星處于光照區(qū)且側(cè)擺角小于5°的情況下，可同時(shí)進(jìn)行多波束激光雷達(dá)和0°相機(jī)高分辨率對(duì)地觀測(cè)。激光雷達(dá)采用全波形探測(cè)體制接收地表激光回波，0°相機(jī)采用星下點(diǎn)對(duì)地成像模式獲取高分辨率多光譜圖像數(shù)據(jù)，而光軸監(jiān)視相機(jī)同時(shí)獲取激光雷達(dá)各波束及0°相機(jī)的指向信息。通過(guò)光軸監(jiān)視中繼匹配，可以得到多波束激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)腳點(diǎn)在0°相機(jī)中的位置，達(dá)到同時(shí)獲取觀測(cè)區(qū)域平面高程三維信息的目的。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星對(duì)地測(cè)繪采用立體相機(jī)空中三角測(cè)量，實(shí)現(xiàn)地表三維模型重構(gòu)，即數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）+數(shù)字正攝影像（Digital Orthophoto Map，DOM）[1-3]。“資源三號(hào)”02星搭載了我國(guó)首臺(tái)星載對(duì)地觀測(cè)激光雷達(dá)，文獻(xiàn)[4]使用激光輔助立體測(cè)量，在陜西渭南試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，可以將“資源三號(hào)”02星立體測(cè)圖無(wú)控高程精度從11.54m提高到1.90m，并建議后續(xù)立體測(cè)繪衛(wèi)星可搭載激光雷達(dá)業(yè)務(wù)化應(yīng)用。“高分七號(hào)”衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)1:10 000衛(wèi)星立體測(cè)圖時(shí)，依靠攝影測(cè)量外方位元素觀測(cè)精度，無(wú)法滿足高程1.5m和平面5m的精度設(shè)計(jì)指標(biāo)。增加激光雷達(dá)，觀測(cè)數(shù)據(jù)作為廣義高程控制點(diǎn)，利用光學(xué)立體測(cè)繪定位高程與激光測(cè)高的差異建立高程約束，進(jìn)行聯(lián)合空中三角平差測(cè)量，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)控平面定位精度7.2m，高程精度1.2m，達(dá)到了1:10 000的測(cè)繪指標(biāo)[5-6]。當(dāng)前激光輔助立體測(cè)繪機(jī)制下，采用激光測(cè)高數(shù)據(jù)作為高程控制點(diǎn)的方法對(duì)光斑大小要求較高，當(dāng)光斑較大時(shí)，只能選擇平坦地區(qū)的光斑，且控制點(diǎn)分布的均勻性比較難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于非測(cè)繪衛(wèi)星弱交會(huì)條件下的立體測(cè)繪，一般利用地面已有數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）內(nèi)插連接點(diǎn)高程方法，避免交會(huì)角度太小、平差計(jì)算不收斂的問(wèn)題[7-8]。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)多波束激光雷達(dá)與0°相機(jī)同時(shí)對(duì)地探測(cè)成像，多波束激光雷達(dá)以40Hz工作頻率提供地面高密度測(cè)距格網(wǎng)，可以作為控制點(diǎn)與0°相機(jī)圖像聯(lián)合平差定位，實(shí)現(xiàn)無(wú)控測(cè)圖。本文基于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)探測(cè)方法，通過(guò)建立圖像幾何成像模型和激光對(duì)地觀測(cè)模型之間的關(guān)系，構(gòu)建激光輔助面陣攝影測(cè)量平差模型。最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)仿真計(jì)算，對(duì)無(wú)地面控制情況下的測(cè)圖精度開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 植被測(cè)量子系統(tǒng)定位平差模型

1.1 遙感圖像的幾何定位平差模型

衛(wèi)星遙感圖像的成像幾何模型用式（1）表示[9-11]

通過(guò)少數(shù)地面控制點(diǎn)，根據(jù)式（1），構(gòu)建光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型，如式（2）所示[12-14]

根據(jù)光束法區(qū)域網(wǎng)平差原理，通過(guò)構(gòu)建上述誤差方程，可以實(shí)現(xiàn)遙感圖像檢校和幾何校正以及DOM制作[15-16]。

1.2 激光雷達(dá)對(duì)地定位模型

激光雷達(dá)對(duì)地定位幾何模型如式（3）所示[17-21]

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星光軸監(jiān)視相機(jī)能夠記錄激光出光時(shí)的光斑圖像，從而獲得激光出射時(shí)的指向角。光軸監(jiān)視相機(jī)中激光出光指向與衛(wèi)星坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 光軸監(jiān)視相機(jī)坐標(biāo)系示意圖

式（3）與式（4）聯(lián)立，即構(gòu)建了激光雷達(dá)與光軸監(jiān)視相機(jī)的對(duì)地定位三維關(guān)聯(lián)模型。

1.3 植被測(cè)量子系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)平差模型

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)5波束激光雷達(dá)與0°相機(jī)同時(shí)工作。0°相機(jī)地面分辨率2m，幅寬20km，5波束激光雷達(dá)每波束每秒發(fā)射40個(gè)脈沖，獲取與0°相機(jī)同視場(chǎng)下均勻分布的測(cè)距值，并由光軸監(jiān)視相機(jī)記錄光斑的地面位置。配準(zhǔn)光軸監(jiān)視相機(jī)圖像與0°相機(jī)圖像，將激光光斑位置轉(zhuǎn)刺到0°相機(jī)圖像上，作為控制點(diǎn)。聯(lián)立式（1）、（3），建立連接點(diǎn)的激光輔助面陣相機(jī)定位方程

在式（2）基礎(chǔ)上，建立激光輔助面陣相機(jī)無(wú)控制圖，針對(duì)上述誤差改正數(shù)的聯(lián)合平差模型

由于激光雷達(dá)與0°相機(jī)姿軌精度一致且均由衛(wèi)星平臺(tái)確定，直接聯(lián)合平差對(duì)平面定位精度提升有限，一般需要先對(duì)激光雷達(dá)幾何檢校后使用[23]。本文為了實(shí)現(xiàn)無(wú)控測(cè)圖，可先將5波束激光雷達(dá)生成的激光控制點(diǎn)格網(wǎng)與粗格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)匹配，修正激光控制點(diǎn)平面定位精度。經(jīng)過(guò)修正后的激光控制點(diǎn)，可以作為平高控制點(diǎn)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)定位精度。

2 植被測(cè)量子系統(tǒng)無(wú)控平差實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

本文方法算法流程如圖2所示。由多波束激光雷達(dá)對(duì)地探測(cè)幾何模型獲取激光地面三維坐標(biāo)，與公開(kāi)粗格網(wǎng)DEM匹配提升平面定位精度，作為激光控制點(diǎn)，與0°相機(jī)圖像構(gòu)建激光輔助自檢校聯(lián)合平差模型，平差計(jì)算0°相機(jī)及多波束激光雷達(dá)幾何模型的內(nèi)外方位元素改正數(shù)，同時(shí)獲取地面點(diǎn)三維坐標(biāo)。

圖2 激光輔助0°相機(jī)無(wú)控定位方法

具體流程為：

1）分別對(duì)0°相機(jī)和多波束激光雷達(dá)構(gòu)建幾何定位模型；

2）根據(jù)多波束激光雷達(dá)幾何定位模型計(jì)算激光控制點(diǎn)坐標(biāo)；

3）激光控制點(diǎn)構(gòu)成DEM與公開(kāi)粗格網(wǎng)DEM匹配，精化激光控制點(diǎn)平面坐標(biāo)；

4）分別根據(jù)0°相機(jī)和多波束激光雷達(dá)幾何定位模型構(gòu)建其定位誤差方程；

5）以激光控制點(diǎn)為控制點(diǎn)，構(gòu)建0°相機(jī)和多波束激光雷達(dá)自檢校聯(lián)合平差模型，解算0°相機(jī)和多波束激光雷達(dá)定位誤差方程改正數(shù)及地面加密點(diǎn)三維坐標(biāo)；

6）使用檢查點(diǎn)驗(yàn)證自檢校平差后的圖像幾何定位精度。

2.2 實(shí)驗(yàn)及分析

采用某區(qū)域“資源三號(hào)”03星下視2.1m分辨率圖像和仿真多波束激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)控平差實(shí)驗(yàn)。為了仿真0°相機(jī)圖像大小，將“資源三號(hào)”03星下視圖像裁剪為20km×20km范圍，激光雷達(dá)控制點(diǎn)布設(shè)方案采用中間布設(shè)、上中下布設(shè)和5×5均勻布設(shè)三種模式，圖3中三角形代表選用的激光控制點(diǎn)。

圖3 試驗(yàn)區(qū)及激光控制點(diǎn)布設(shè)方案

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

不實(shí)際平差計(jì)算，使用該仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)，由共線條件方程誤差傳播公式預(yù)估得到的定位精度結(jié)果為方向529.61m，方向265.39m，平面592.39m。

采用試驗(yàn)區(qū)50個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)平差結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

（1）實(shí)驗(yàn)1

圖像直接無(wú)控平差結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 0°相機(jī)圖像直接定位精度

從表2可以看出，仿真圖像直接在沒(méi)有任何控制點(diǎn)約束的情況下，平面定位精度為613.05m，與根據(jù)仿真參數(shù)精度預(yù)估的定位精度結(jié)果相仿，證明平差仿真計(jì)算結(jié)果正確。

（2）實(shí)驗(yàn)2

采用圖3（b）方案平差結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 0°相機(jī)圖像與中間5波束激光聯(lián)合定位平差精度

加入5波束激光雷達(dá)獲取的激光控制點(diǎn)后，平面定位精度有了顯著提升。仿真誤差定軌精度方向優(yōu)于方向，所以在沒(méi)有控制約束的情況下，定位精度方向應(yīng)優(yōu)于方向，與表3中計(jì)算結(jié)果一致。由于激光控制點(diǎn)與粗格網(wǎng)DEM匹配后，修正了激光控制點(diǎn)的平面定位精度方向到相同水平，所以在表3中平差精度與方向已沒(méi)有明顯差異，且得到了整體提升，平面總體定位精度與無(wú)控制點(diǎn)相比提升近10倍。

（3）實(shí)驗(yàn)3

采用圖3（c）方案平差結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 0°相機(jī)圖像與上中下15波束激光聯(lián)合定位平差精度

加入少量均勻分布的激光控制點(diǎn)后，平差結(jié)果平面精度有了大幅提升，得益于控制點(diǎn)位分布對(duì)圖像邊緣和中心都能夠有效控制，且平面定位精度已達(dá)到公開(kāi)粗格網(wǎng)DEM平面精度，基本達(dá)到了修正后激光控制點(diǎn)的平面絕對(duì)定位精度。

（4）實(shí)驗(yàn)4

采用圖3（c）方案平差結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 0°相機(jī)圖像與5×5均勻分布25波束激光聯(lián)合定位平差精度

在上中下均勻分布的基礎(chǔ)上再加密到5×5共25個(gè)激光控制點(diǎn)后，平面定位精度比實(shí)驗(yàn)（3）下降了一倍，但是方向沒(méi)有明顯下降。這是由于多波束激光雷達(dá)外方位元素一致，獲取的激光控制點(diǎn)手段具有強(qiáng)相關(guān)性，超過(guò)一定數(shù)量造成過(guò)度參數(shù)化[24]。而方向的定位精度主要由激光測(cè)距值來(lái)控制，激光控制點(diǎn)的激光測(cè)距值相對(duì)于平面定位精度受到外方位元素的影響小，更加可靠穩(wěn)定，這也是“資源三號(hào)”系列衛(wèi)星采用激光測(cè)距值作為廣義高程控制點(diǎn)的原因。

由上述實(shí)驗(yàn)分析可知，本文方法使用激光控制點(diǎn)可有效提升0°相機(jī)圖像平面定位精度，僅在圖像中央布設(shè)激光控制點(diǎn)不如采用少量激光控制點(diǎn)均勻布設(shè)在圖像邊緣，每景圖像采用5×3均勻分布的激光控制點(diǎn)，參與激光與圖像聯(lián)合平差，可實(shí)現(xiàn)與參考公開(kāi)粗格網(wǎng)DEM一致的平面定位精度。采用5×5密集分布激光控制點(diǎn)時(shí)，則精度有所下降。對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)高重頻激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，可間隔采樣，避免參數(shù)強(qiáng)相關(guān)性影響定位精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)無(wú)控測(cè)圖方法是利用激光測(cè)高數(shù)據(jù)和公開(kāi)粗格網(wǎng)修正后獲取的激光控制點(diǎn)，提供給0°相機(jī)圖像和多波束激光雷達(dá)定位聯(lián)合平差，實(shí)現(xiàn)無(wú)控定位測(cè)圖。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析，以公開(kāi)粗格網(wǎng)DEM為參考，測(cè)圖平面定位精度可達(dá)到15.35m。另外根據(jù)多波束激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)設(shè)計(jì)，對(duì)激光控制點(diǎn)選取不同分布方案，根據(jù)平差結(jié)果分析可知，應(yīng)采用少量均勻分布在圖像邊緣的激光控制點(diǎn)，才能獲取最優(yōu)定位精度。對(duì)于激光控制點(diǎn)的分布及數(shù)量對(duì)平差結(jié)果的影響后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步討論分析。

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Positioning without Ground Control Points of Vegetation Measurement System on Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite

YUE Chunyu ZHOU Nan YANG Shuqi HE Hongyan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The Vegetation Measurement System on Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite includes a multi-beam LiDAR and a 0° camera, the high accuracy distance obtained by multi-beam LiDAR can be used as generalized elevation control point for the 0°camera image positioning adjustment without control points, when they are working at the same time in-orbit. In this paper, the positioning combined adjustment model is based on the geometric model of multi-beam LiDAR and the 0° camera, with the LiDAR control points corrected by public coarse grid DEM. The location accuracy of 0° camera is improved in the simulation experiment from 613.05m to 15.35m in the best case. And the number and the distribution of LiDAR control points are also analysed, when the LiDAR control points are evenly set in the upper, middle, and lower three lines of one scene image, the location accuracy is the highest.

vegetation measurement system; positioning without ground control points; combined adjustment; Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite

TP751

A

1009-8518(2022)06-0050-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.005

2022-10-17

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

岳春宇, 周楠, 楊舒琪, 等. 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星植被測(cè)量子系統(tǒng)無(wú)控定位方法[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 50-58.

YUE Chunyu, ZHOU Nan, YANG Shuqi, et al. Positioning without Ground Control Points of Vegetation Measurement System on Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 50-58. (in Chinese)

岳春宇，男，1983年生，2012年獲武漢大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。主要研究方向航天攝影測(cè)量與遙感。E-mail：ycy1893@163.com。

（編輯：龐冰）