王建榮，楊元喜，胡 燕，呂 源，楊秀策，盧學良，曹彬才

1. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054； 2. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054

光學衛(wèi)星攝影測量是獲取全球地理空間數據的有效手段，光學攝影測量衛(wèi)星已經實現了從返回型到傳輸型的跨越[1-2]，正在向集成型和智能型方向發(fā)展[3]。為了實現全球無地面控制測繪，光學衛(wèi)星通常搭載三線陣或兩線陣立體相機采用“全球連續(xù)覆蓋”攝影模式獲取全球范圍的立體影像，從而實現全球范圍內重點地物的精確三維定位以及地理信息產品測制[4]。高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星采用單線陣相機攝影模式進行窄幅間斷掃描成像，采用同軌側擺成像或異軌成像構成立體像對用于大比例尺制圖，受制于影像幅寬和立體成像能力等因素，很難進行全球攝影覆蓋，如IKONOS、QuickBird、WorldView系列、SPOT-6/7及Pleiades衛(wèi)星等[5-8]。以三線陣CCD相機為有效載荷的“全球連續(xù)覆蓋”攝影模式測繪衛(wèi)星，從20世紀的美國的MAPSAT衛(wèi)星方案[9]，到后來德國的MOMS-02、法國的SPOT-5、日本的ALOS-1以及我國的TH-1、ZY-3等，經30年時間取得了長足發(fā)展。國外的衛(wèi)星MOMS-02、SPOT-5、ALOS-1等衛(wèi)星起步較早，經過系統定位精度檢測發(fā)現，無控定位精度均未滿足1∶50 000比例尺測圖要求，即未滿足平面精度12 m(RMS)和高程精度6 m(RMS)的要求[10-12],不過國外測繪衛(wèi)星的進步對我國測繪衛(wèi)星的發(fā)展提供了有益的借鑒和重要參考。我國的TH-1衛(wèi)星采用LMCCD相機和多功能等效框幅相片(EFP)光束法平差理論[13-14]，經過TH-1的01和02星的反復實踐，TH-1 03星無控定位精度達到平面3.70 m(RMS)和高程2.40 m(RMS)[15]，實現了高精度無控定位的工程目標。ZY-3衛(wèi)星借助激光測距儀，經過大區(qū)域空三處理后，影像的平面和高程精度提高到5 m(RMS)，滿足1∶50 000測圖精度要求[16-18]。

印度Cartosat-1衛(wèi)星，以兩線陣相機為有效載荷獲取全球立體影像，其影像分辨率2.5 m，幅寬35 km，用于實現無控1∶50 000測繪目標。但經地面系統測試后無控工程目標并未實現，于是常采用至少6個地面控制點參與后期影像處理，并且指出Cartosat-1不適合全球DSM的生成[19-20]。我國高分七號和高分十四號衛(wèi)星均采用激光測高和兩線陣相機的攝影體制[21]，采用“全球連續(xù)覆蓋”攝影模式獲取全球范圍的立體影像，高分七號01星于2019年11月3日成功發(fā)射，主要用于有地面控制點條件下測制1∶10 000比例尺測繪產品[22-23]。2020年12月6日發(fā)射的高分十四號衛(wèi)星，是我國“高分辨率對地觀測系統”專項“十三五”的收官星，用于實現無控高精度定位和1∶10 000比例尺測繪產品測制。同時，該衛(wèi)星采用了先進的多載荷一體化對地觀測技術，一次攝影可同步獲取兩線陣影像、多光譜影像及高光譜影像等，同時獲取一定采樣頻率的全波形激光測距數據、足印影像以及星相機攝影數據。本文介紹了高分十四號衛(wèi)星的有效載荷及其性能，論述了地面測繪處理流程，重點對衛(wèi)星影像的無控定位精度進行了分析評估。

1 高分十四號衛(wèi)星有效載荷

高分十四號衛(wèi)星采用兩臺推掃式CCD測繪相機對地面景物進行成像，兩臺相機交會角為31°，其中前視相機+26°、后視相機為-5°，全色相機地面分辨率0.6 m，多光譜相機的地面分辨率2.4 m，幅寬均為40 km。高光譜相機可獲取100個波段，其中可見近紅外分辨率5 m，短波紅外分辨率10 m，幅寬均為9.9 km。

為了提高高程精度，衛(wèi)星上還搭載3波束激光測距系統，三束激光成品字形排列，激光測距儀用于在攝影時刻測量地球表面的3個傾斜距離，并記錄未經濾波的回波波形。同時，激光測距儀還具有對激光地面足印區(qū)域的成像功能，將地面足印區(qū)域的圖像與測繪相機獲取的圖像進行匹配，可以精確判斷激光測距儀所測地面點的位置信息。衛(wèi)星平臺上還搭載2臺高精度星相機(測量精度1″)和一套光軸位置測量裝置，其中2臺星相機分別觀測星空的不同區(qū)域恒星圖像，經過星圖識別及姿態(tài)計算等實現單臺星相機姿態(tài)計算，最后通過雙星相機數據聯合定姿在軌實現攝影時刻姿態(tài)角的精確計算。光軸位置測量裝置用于獲取前、后視相機和星相機相對于基準元件相互位置變化(三軸)以及前視、后視相機和星相機焦距變化數據，從而實現對在軌攝影期間相機夾角、焦距的實時變化測量及監(jiān)測。

2 高分十四號衛(wèi)星影像地面處理

2.1 地面處理流程

(1) 根據星上下傳各類原始碼流數據，完成對碼流數據的解密、去壓縮、解格式等實時處理，生成0級影像。

(2) 在0級影像基礎上，進行輻射校正、CCD拼接處理以及光譜恢復等處理，生成1A級影像。

(3) 利用數字化標定場提供的控制點數據、測繪基礎數據以及激光探測器接收數據等，進行激光測距系統及兩線陣相機幾何參數的幾何標定，實現激光測距儀和相機參數的精確在軌標定。

(4) 利用1A級衛(wèi)星影像、星相機數據、激光測距數據、全軌道GNSS數據、光軸位置記錄儀數據、幾何標定數據和輔助測量數據等，完成精密定軌、精密定姿、激光數據輔助空中三角測量平差處理等[24]，精確解算攝影時刻的外方位元素和地面加密點坐標。

(5) 對兩線陣影像進行有理函數建模，利用精確解算出的外方位元素和加密點坐標，進行RPC參數解算、精化等，形成標準格式規(guī)范的1B級衛(wèi)星影像產品。

基本流程如圖1所示。

圖1 高分十四號衛(wèi)星地面處理流程Fig.1 Ground processing flow of GF-14 satellite

2.2 地面測繪成果

基于兩線陣立體影像，不僅可以生成常規(guī)的測繪產品(如DEM、DOM及DLG等)，還利用全色影像和多光譜影像融合生產各類彩色影像。本文給出部分測繪產品樣圖，其中圖2為2021年1月獲取大興機場全色影像與多光譜影像融合生成0.6 m分辨率彩色影像，圖3為2021年4月獲取兩線陣影像自動生成DSM后制作的三維暈渲圖，圖4為生成的0.6 m分辨率全色正射影像，圖5為全色正射影像融合多光譜數據后生成的0.6 m分辨率彩色正射影像。同時利用高光譜影像數據，具備地物要素精細分類、典型區(qū)域地質要素屬性信息解譯等能力，圖6為2021年3月獲取某機場高光譜影像及其對不同要素分類的結果。

圖2 大興機場融合影像Fig.2 Fusion image of Daxing airport

圖3 DSM生成的暈渲圖Fig.3 Shaded map generated by DSM

圖4 全色正射影像Fig.4 Panchromatic orthophoto image

圖5 彩色正射影像Fig.5 Color orthophoto image

圖6 高光譜影像及其分類結果Fig.6 Hyperspectral images and their classification results

3 高分十四號衛(wèi)星無控定位精度檢測

高分十四號衛(wèi)星自2020年12月發(fā)射至2022年2月，已經獲取全球范圍內陸地4368萬平方千米影像數據，約占全球陸地面積的30%。為客觀評估高分十四號衛(wèi)星影像的無控定位精度，開展了相機參數在軌標定和光束法平差處理。首先利用國內定標場數據對相機幾何參數進行在軌標定，定標場基礎控制數據為高精度DOM和DEM數據，均滿足1∶2000比例尺制圖精度要求。選用2021年2月12日獲取的江蘇鹽城定標場影像，對相機參數進行在軌定標。同時，在寧夏區(qū)域布設5000個激光探測器，對激光測距參數進行在軌標定?；趦删€陣相機和激光測距儀參數在軌標定結果，結合星上光軸位置實時記錄數據(在軌相機焦距、夾角變化值)，綜合進行光束法平差處理，從1A級生成1B級影像產品，基于1B級影像進行幾何性能驗證與分析。

3.1 國內區(qū)域精度檢測

試驗區(qū)域位于西藏自治區(qū)南部，面積約4000 km2，海拔為3700～6800 m，地形為丘陵和山地，2022年2月利用高分十四號衛(wèi)星獲取了該地區(qū)單航線和區(qū)域網立體影像，進行了單模型無控定位和區(qū)域網平差無控定位精度檢測。

(1) 單模型無控定位精度檢測?；?B級影像構建立體模型，在1景影像范圍內(40 km×40 km)選擇9個高精度控制點作為檢查點(圖7)，進行無控定位精度統計，統計結果見表1。

表1 單模型無控定位精度統計Tab.1 Statistics of location accuracy without GCPs in single model m

圖7 單模型檢查點分布Fig.7 Distribution of check points in single model

(2) 區(qū)域網平差無控定位精度檢測。利用兩軌影像進行兩景影像的區(qū)域網平差，選擇13個高精度控制點作為檢查點(分布如圖8所示)，進行無控定位精度統計，統計結果見表2。

圖8 區(qū)域網平差檢查點分布Fig.8 Distribution of check points in block adjustment

表2 區(qū)域網平差無控定位精度統計Tab.2 Statistics of location accuracy without GCPs after block adjustment m

由表1、表2可知：高分十四號衛(wèi)星影像單航線無控定位精度達到平面1.80 m(RMS)、高程0.80 m(RMS)，經過區(qū)域網平差后，無控定位精度達到平面2.27 m(RMS)、高程0.43 m(RMS)，高程精度從0.80 m(RMS)提高至0.43 m(RMS)，但平面精度有所下降，為0.47 m，特別是左邊一景中整體平面誤差都在2 m以上，個別點(如010、006等)平面誤差大到3.27 m(RMS)。分析原因，可能與該航線影像攝影時衛(wèi)星技術狀態(tài)有關(如姿態(tài)測量精度、平臺穩(wěn)定度等)，也不排除個別地面控制點本身測量精度，但坐標不符值均小于2倍均方根誤差，仍參與精度統計中。后續(xù)將針對多景影像區(qū)域網平差開展進一步試驗研究。

此外，計算結果表明單航線無控定位精度與區(qū)域網平差后精度相當，表明高分十四號衛(wèi)星在軌性能較為穩(wěn)定，利用單航線影像就可以快速實現高精度定位，無須多次攝影構成區(qū)域網后提高定位精度。

3.2 國外區(qū)域精度檢測

為了系統評估高分十四號衛(wèi)星影像在境外地區(qū)的幾何性能，在國外選擇3個檢測場進行單航線無控定位精度檢測，檢測區(qū)域攝影日期范圍為2021年3月至2021年5月?；?B級影像建立單模型，利用一定數量的控制點作為檢測點，進行無控定位精度檢測，統計結果見表3。

表3 無控定位精度統計Tab.3 Statistics of location accuracy without GCPs

為了進一步分析誤差的特性，選擇2021年3月攝影檢測場數據進行逐個點平面和高程誤差的分析，各點位誤差分布如圖9、圖10所示。

圖9 2021年3月17日攝影檢測場平面誤差分布Fig.9 Distribution horizontal errors of test field photographed on March 17, 2021

圖10 2021年3月17日攝影檢測場高程誤差分布Fig.10 Distribution vertical errors of test field photographed on March 17, 2021

從國外3個檢測場單航線無控定位精度統計結果(表1)看，高分十四號衛(wèi)星國外地區(qū)無控定位精度平面1.76 m(RMS)、高程0.82 m(RMS)，與國內無控定位精度相當。結果表明：即使高分十四號衛(wèi)星相機參數在軌標定時間與平差航線影像獲取時間相差一年多，經過光軸位置記錄器和激光測距數據聯合處理后，無控攝影測量全球定位精度基本一致，無須國外建立標定場即可實現全球高精度測圖。由圖9和圖10可知，所有檢查點的高程誤差都分布在0附近，說明高程誤差中沒有明顯的系統誤差，能夠較可靠地反映高分十四號衛(wèi)星影像的高程精度；平面精度雖然能夠穩(wěn)定在3 m(RMS)以內，但仍有大約1 m左右的系統誤差存在，對于該系統誤差的分析，將在后期工作中開展進一步研究。

4 結 論

高分十四號衛(wèi)星采用全球連續(xù)覆蓋模式實施立體成像攝影，高穩(wěn)定性、低畸變的兩線陣立體相機是獲取高質量影像的前提，高精度激光測距數據是保證高程精度的重要條件，光軸位置記錄器數據可以有效保證平面精度及其全球定位精度的一致性。經過地面測繪處理中各類數據的綜合運用及關鍵技術攻關，實現了所有設計指標。經國內外檢測場定位精度檢測，單航線無控定位精度國內平面1.80 m(RMS)、高程0.80 m(RMS)，國外平面1.76 m(RMS)、高程0.82 m(RMS)；經區(qū)域網平差后，無控定位精度平面2.27 m(RMS)、高程0.43 m(RMS)。結果表明，衛(wèi)星無論有無地面控制點支持，高分十四號攝影測量均能滿足測制1∶10 000比例尺測繪產品的精度要求[26-27]，實現了我國全球連續(xù)覆蓋模式的光學攝影測量衛(wèi)星無控定位技術跨越，無控定位精度較高分七號衛(wèi)星(平面3.57 m(RMS)、高程0.79 m(RMS)[23])和美國WorldView-3衛(wèi)星(平面1.50 m(RMS)、高程1.60 m(RMS)[8])均有明顯優(yōu)勢。同時，無論在國內區(qū)域還是國外區(qū)域，其定位精度基本保持一致，表明基于國內標定場數據，其定標結果適用于全球高精度定位，且有效保證精度的一致性[27]，無須國外建立定標場或通過多條帶區(qū)域網平差，即可實現無控高精度定位。