樊文鋒，李鴻洲，溫 奇，高小明

(1. 國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應用中心，北京 100048； 2. 中華人民共和國民政部國家減災中心，北京 100124)

高分二號衛(wèi)星影像正射糾正精度分析

樊文鋒1，李鴻洲1，溫 奇2，高小明1

(1. 國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應用中心，北京 100048； 2. 中華人民共和國民政部國家減災中心，北京 100124)

本文利用收集到的外業(yè)像控、加密控制和地圖采集控制資料，對試驗區(qū)高分二號影像進行了基于RMF模型的數(shù)字正射糾正處理，統(tǒng)計分析了高分二號影像數(shù)據(jù)的無控制定位精度和不同控制方案下的糾正精度，驗證了高分二號衛(wèi)星影像在每景不低于一個控制點的情況下其糾正精度能夠滿足全地形1∶1萬比例尺地形圖和山地1∶5000比例尺地形圖更新要求。利用數(shù)字正射糾正后的高分二號全色和多光譜影像進行配準和融合，配準達到亞像素精度，能夠滿足影像融合需要。

高分二號；基于有理函數(shù)模型的數(shù)字正射糾正；影像融合

遙感衛(wèi)星是地理空間信息獲取和基礎地理信息資源調(diào)查的重要手段，具有全球性、周期性、持續(xù)性和現(xiàn)勢性[1]。隨著航天技術、計算機技術、通信技術、信息處理技術的進步，以遙感衛(wèi)星為主要核心的高分辨率航天對地觀測技術得到了前所未有的發(fā)展，已成為地理空間信息獲取的重要手段[2-4]。由于衛(wèi)星線陣相機同軌獲取的遙感影像具有共同的軌道和姿態(tài)參數(shù)，影像重疊度高，因此有利于在稀少控制條件下開展大范圍、高精度影像正射糾正處理[5-7]。高分二號即是我國面向資源調(diào)查和監(jiān)測而啟動的首批高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項項目之一，是目前我國分辨率最高的民用光學對地觀測衛(wèi)星。開展高分二號衛(wèi)星影像的高精度幾何處理和數(shù)據(jù)融合研究，有利于提升影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量，有效發(fā)揮高分二號衛(wèi)星在國土、礦產(chǎn)、林業(yè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃和交通建設等領域資源調(diào)查、評價和監(jiān)測工作中的技術支撐作用。

本試驗主要內(nèi)容包括：①利用高精度的外業(yè)控制點、地圖采集控制點、加密控制點和已有1∶5萬比例尺DEM作為控制源，對高分二號影像進行數(shù)字正射糾正處理，統(tǒng)計高分二號衛(wèi)星影像的無控制定位精度和有控制情況下的糾正精度。②將糾正后的高分二號衛(wèi)星全色和多光譜影像進行配準和融合，檢驗高分二號衛(wèi)星影像配準精度和融合效果。

一、高分二號衛(wèi)星概述

高分二號衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，是我國自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1 m的民用光學遙感衛(wèi)星(主要參數(shù)見表1)，搭載有兩臺高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機，具有亞米級空間分辨率、高定位精度和快速姿態(tài)機動能力等特點[8]，星下點空間分辨率可達0.8 m，標志著我國遙感衛(wèi)星進入了亞米級“高分時代”(http:∥www.cresda.com/CN/Satellite/3128.shtml)。

高分二號衛(wèi)星影像文件的命名規(guī)則為：衛(wèi)星_傳感器_中心經(jīng)度_中心緯度_采集時間_產(chǎn)品級別和產(chǎn)品號。如：GF2_PMS1_E104.3_N28.0_20150414_L1A0000749498，GF2代表高分二號衛(wèi)星，PMS1代表相機1拍攝獲取，E104.3_N28.0代表東經(jīng)104.3°和北緯28.0°，20150414代表攝影日期為2015年4月14日，L1A0000749498代表編號為0000749498的1A級影像產(chǎn)品。

高分二號衛(wèi)星全色與多光譜影像數(shù)據(jù)在同一數(shù)據(jù)包(文件夾)中，全色與多光譜影像數(shù)據(jù)分別通過后綴名PAN和MSS進行區(qū)分，影像體格式為TIFF，對應的RPC模型以RPB形式存在。RPC與RPB通過文本方式可以打開，其內(nèi)容與含義是完全一致的。當前主要的遙感影像處理軟件均支持高分二號衛(wèi)星影像所帶的RPB模型，其中，PCI軟件在處理高分二號影像時直接選用Rational Function選項，ERDAS軟件在處理高分二號影像時選用QuickBird模型。高分二號衛(wèi)星相機2在2014年10月8日獲取的影像數(shù)據(jù)包構成如圖1所示。

表1 高分二號衛(wèi)星主要技術參數(shù)

圖1 高分二號影像數(shù)據(jù)包結構

圖1中，文件名-MSS2.jpg為多光譜影像瀏覽圖文件；文件名-MSS2.rpb為多光譜影像RPB參數(shù)文件；文件名-MSS2.tiff為多光譜影像數(shù)據(jù)文件；文件名-MSS2.xml為多光譜影像輔助說明文件；文件名-MSS2 _thumb.jpg為多光譜影像拇指圖文件；文件名-PAN2.jpg為全色影像瀏覽圖文件；文件名-PAN2.rpb為全色影像RPB參數(shù)文件；文件名-PAN2.tiff為全色影像數(shù)據(jù)文件；文件名-PAN2.xml為全色影像輔助說明文件；文件名-PAN2 _thumb.jpg為全色影像拇指圖文件。

二、技術路線設計

目前，光學遙感衛(wèi)星主要采用嚴密成像幾何模型或有理函數(shù)模型(RFM)等其他通用成像幾何模型對影像進行幾何糾正處理[9]，基于良好的內(nèi)插特性、連續(xù)性并獨立于傳感器平臺之外，有理函數(shù)模型能夠正確擬合嚴密成像幾何模型并對光學線陣衛(wèi)星影像進行幾何糾正處理[10-13]。本試驗通過將收集到的控制點全部作為檢查點，對比檢查點上量測值與真值來統(tǒng)計高分二號影像的無控制定位精度；利用PCI Geomatica2015軟件，采用不同的控制點布點方案，對試驗區(qū)1進行單景數(shù)字正射糾正，對試驗區(qū)2在區(qū)域網(wǎng)平差結果基礎上進行數(shù)字正射糾正，統(tǒng)計不同控制布點方案下的糾正精度；采用Pansharp融合方法對糾正后的高分二號全色與多光譜影像進行配準、融合，統(tǒng)計配準精度。

三、資料準備

數(shù)學基礎：本試驗采用2000國家大地坐標系,1985國家高程基準,高斯-克呂格投影，按6°分帶。

本次試驗共收集到兩個試驗測區(qū)的高分二號衛(wèi)星影像共計17景。其中試驗區(qū)1的兩景為2014年10月8日獲取的同軌相鄰影像，分布于貴州省貴陽市東南部，地形類型為丘陵，平均高程約3000 m，收集外業(yè)像控點11個和覆蓋兩景試驗影像區(qū)域的25 m格網(wǎng)1∶5萬比例尺數(shù)字高程模型。

試驗區(qū)2的15景為2015年4月14日獲取的同軌相鄰影像，構成沿軌向約300 km的長條帶，橫跨我國四川和云南兩省，影像覆蓋區(qū)域地形條件以山地為主，平均高程約1000 m，測區(qū)內(nèi)最高點高程約1500 m。試驗區(qū)2從3種來源共收集控制點73個，其中外業(yè)像控點9個，1∶1萬空三加密點16個，為增加密度并保證控制點在整個測區(qū)內(nèi)均勻分布，本試驗在經(jīng)正射糾正后的資源三號衛(wèi)星影像圖成果上選取了明顯地區(qū)點48個。收集覆蓋整個長條帶試驗區(qū)域的25 m格網(wǎng)1∶5萬比例尺數(shù)字高程模型。

四、糾正過程及結果分析

在PCI Geomatica2015軟件OrthoEngine模塊中，分兩步完成控制點與連接點采集：一是對試驗區(qū)2的15景長條帶影像重疊區(qū)內(nèi)匹配連接點，并人工進行點位確認與檢查；二是分別完成兩個試驗區(qū)控制點刺點與點位確認檢查。

在完成控制點采集后，通過將全部控制點設置為檢查點來檢查兩個試驗區(qū)的無控精度見表2。

從表2來看，兩個試驗區(qū)的高分二號影像在X和Y方向存在不同的系統(tǒng)誤差，其中Y方向系統(tǒng)誤差明顯比X方向較大，綜合兩個方向計算得到的平面中誤差在20 m左右，不大于25 m。根據(jù)《基礎地理信息數(shù)字成果1∶5000 1∶10 000 1∶25 000 1∶50 000 1∶100 000數(shù)字正射影像圖》(CHT 9009.2—2010)規(guī)定，高分二號衛(wèi)星影像在無控制條件下的定位精度滿足1∶5萬比例尺地物采集和更新要求。

表2 無控精度統(tǒng)計 m

以下對兩個試驗區(qū)分別用不同數(shù)量的控制點和不同的布點方案對影像進行數(shù)字正射糾正，利用檢查點來評價糾正后的平面精度。在試驗區(qū)1影像范圍內(nèi)選取12個均勻分布的控制點。為檢查控制點精度和正射糾正方案考慮，分別采用1個控制點、3個控制點和5個控制點等作業(yè)流程進行精度統(tǒng)計，已研究適合高分二號影像的正射糾正控制布設方案，不同方案下精度統(tǒng)計結果見表3。

表3 試驗區(qū)1控制點/檢查點平面精度統(tǒng)計 m

從表3可以看出，試驗區(qū)1高分二號影像在采用1個控制點進行糾正時，平面中誤差為2.38 m，隨著控制點個數(shù)的增加，平面中誤差呈明顯減小趨勢，最小達到1.008 m，根據(jù)《基礎地理信息數(shù)字成果1∶5000 1∶10 000 1∶25 000 1∶50 000 1∶100 000數(shù)字正射影像圖》(CHT 9009.2—2010)規(guī)定，丘陵地區(qū)1∶5000和1∶2000比例尺測圖平面中誤差標準分別為2.5 m和1.2 m，因此，在像控點不低于1個時，高分二號影像糾正后的精度可以滿足1∶5000比例尺測圖和更新要求。

試驗區(qū)2共收集到布滿整個條帶數(shù)據(jù)影像范圍且均勻分布的控制點73個(如圖2所示)。分別采用整個條帶影像布設1個控制點、布設5個(平均每3景布設1個)控制點、布設9個(平均每3景布設兩個)控制點、布設18個(平均每景布設1個)控制點、布設30個(平均每景布設兩個)控制點、布設45個(平均每景布設3個)控制點、布設60個(平均每景布設4個)控制點、布設73個控制點(控制點全部參與糾正)的布點方案對條帶試驗數(shù)據(jù)進行正射糾正，剩余控制點作為檢查點，分別統(tǒng)計糾正后控制點和檢查點上的誤差，結果見表4。

圖2 試驗區(qū)2條帶數(shù)據(jù)影像范圍控制點分布

表4 高分二號長條帶平面精度統(tǒng)計 m

從表4可以看出，高分二號長條帶影像在用1個控制點進行糾正時，由于條帶數(shù)據(jù)跨度達到300 km，糾正后檢查點平面中誤差較大，達到7.819 m，隨著控制點個數(shù)的增加，尤其是當達到每景影像平均不低于1個控制點時，糾正后平面中誤差明顯減小到3.5 m以內(nèi)，根據(jù)《基礎地理信息數(shù)字成果1∶5000 1∶10 000 1∶25 000 1∶50 000 1∶100 000數(shù)字正射影像圖》(CHT 9009.2—2010)規(guī)定，滿足全地形1∶10 000比例尺測圖和山地1∶5000比例尺測圖要求。

五、多光譜影像配準糾正

影像配準方法主要有自動配準方法和糾正后配準方法，自動配準方法采用區(qū)域灰度相關或空間特征匹配同名點自動提取，并采用薄板樣條插值技術實現(xiàn)影像間自動配準；糾正后配準方法主要對經(jīng)過幾何糾正后的影像進行配準[14-16]。本試驗通過自動匹配與人工交互編輯相結合的方式，兩個試驗區(qū)各匹配控制點150個，通過人工檢查刪除誤差超限控制點，分別保留了141和144個，試驗區(qū)1配準中誤差為0.69像素，約合0.55 m，試驗區(qū)2配準中誤差0.66像素，約合0.53 m，配準最大誤差為1.3像素，約合1 m，滿足影像融合所需的配準精度要求，結果見表5。

表5 多光譜配準精度統(tǒng)計 像素

利用Pansharp融合方法將配準后的多光譜與全色影像融合，效果如圖3所示。

圖3 高分二號影像配準和融合效果圖

六、結束語

試驗利用已有的外業(yè)像控、加密控制和地圖采集控制資料對高分二號影像進行糾正精度評價。結果表明，高分二號影像在無控制點條件下，存在明顯系統(tǒng)偏差，平面誤差約20 m；采用不同數(shù)量的控制點和控制點布點方案進行數(shù)字正射糾正，在平均每景不少于1個控制點時，影像糾正精度滿足全地形1∶1萬比例尺地形圖和山地1∶5000比例尺地形圖更新要求。利用數(shù)字正射糾正后的高分二號全色和多光譜影像進行配準和融合，配準達到亞像素精度，能夠滿足影像融合需要。

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ResearchonAccuracyofDigitalOrthoRectificationofGF-2Image

FAN Wenfeng，LI Hongzhou，WEN Qi，GAO Xiaoming

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P237

B

0494-0911(2016)09-0063-04

2016-05-26；

2016-08-01

2016年基礎測繪科技計劃項目(2016KJ0304)

樊文鋒(1970—)，男，碩士生，高級工程師，研究方向為測繪衛(wèi)星影像處理、信息提取與應用關鍵技術。E-mail: fanwf@sasmac.cn