劉 斌，孫喜亮，2，邸凱昌，劉召芹

(1.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101;2.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

資源三號衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品定位精度驗證與分析

劉 斌1，孫喜亮1，2，邸凱昌1，劉召芹1

(1.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，北京 100101;2.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

在已有對資源三號(ZY－3)衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量初步驗證工作的基礎(chǔ)上，選擇同時具有平地和山地的典型實驗區(qū)影像，進(jìn)一步深入研究并驗證ZY－3衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品的定位精度。以在實驗區(qū)外業(yè)測量的高精度GPS點作為控制點及檢查點，通過區(qū)域網(wǎng)平差算法對傳感器校正產(chǎn)品自帶的有理多項式系數(shù)進(jìn)行精化，消除系統(tǒng)誤差;通過自動生成數(shù)字表面模型(DSM)和正射影像(DOM)，驗證其平面測圖和立體定位精度，分析地形、控制點數(shù)量與分布對精度的影響。實驗結(jié)果表明:在地形平坦地區(qū)，ZY－3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的平面定位精度可達(dá)1.476 m，高程定位精度可達(dá)2.213 m;在地形起伏較大的山區(qū)，平面定位精度可達(dá)1.506 m，高程定位精度可達(dá)2.895 m。該精度能滿足1∶5萬比例尺DEM及DOM制作要求，并可用于1∶2.5萬比例尺地形圖的修測。

資源三號衛(wèi)星(ZY－3);三線陣;定位精度;傳感器校正產(chǎn)品;有理函數(shù)模型;區(qū)域網(wǎng)平差

0 引言

資源三號(ZY－3)測繪衛(wèi)星是中國首顆民用高分辨率光學(xué)立體測圖衛(wèi)星，主要搭載有1臺地面分辨率為2.1 m的高分辨率正視全色延時積分成像(TDI CCD)相機(jī)、2臺地面分辨率優(yōu)于3.6 m的前后視全色TDI CCD相機(jī)和1臺地面分辨率優(yōu)于6.0 m的正視多光譜相機(jī)［1］。該衛(wèi)星集測繪和資源調(diào)查功能于一體，可用于長期、連續(xù)、穩(wěn)定及快速地獲取覆蓋全國的高分辨率立體影像、多光譜影像以及輔助數(shù)據(jù)，用于生產(chǎn)全國基礎(chǔ)地理信息1∶5萬比例尺測繪產(chǎn)品，開展1∶2.5萬以及更大比例尺地圖的修測和更新，開展國土資源調(diào)查和監(jiān)測等［1］。

ZY－3衛(wèi)星2012年1月9日發(fā)射升空，已獲取了大量的遙感數(shù)據(jù)，其幾何糾正產(chǎn)品的質(zhì)量評價和精度驗證工作已經(jīng)初步開展:唐新明等［2］以ZY－3衛(wèi)星第一景圖像為實驗數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)覆蓋大連城區(qū)，圖像東南角大片區(qū)域為海域)，通過基于有理函數(shù)模型區(qū)域網(wǎng)平差的方式對圖像做了初步的幾何精度驗證，得出數(shù)字表面模型(DSM)高程精度優(yōu)于2 m，正射影像(DOM)平面精度優(yōu)于3 m的驗證結(jié)果;李德仁［3］院士以覆蓋遼寧大連和河南洛陽的圖像為實驗數(shù)據(jù)，認(rèn)為ZY－3衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，無控制點的定位精度優(yōu)于15 m，帶控制點的高程定位精度優(yōu)于3 m，平面定位精度優(yōu)于4 m。

衛(wèi)星影像的精度驗證是支撐衛(wèi)星業(yè)務(wù)化運行和應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作，需要用大量不同地區(qū)、不同地形特點的影像進(jìn)行更充分的驗證，從而為用戶選用和處理ZY－3衛(wèi)星影像提供參考。但在已有的實驗驗證中，所選取的實驗區(qū)域地形起伏均不大，地形特征不夠典型。因此，本文選擇與以往數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證，通過獨立的外業(yè)GPS測量，分析地形、控制點數(shù)量與分布對驗證精度的影響，評估ZY－3衛(wèi)星的測圖能力，其結(jié)果可作為對已有驗證工作的補(bǔ)充。

1 幾何定位精度驗證方案

本文精度驗證的設(shè)計方案主要從數(shù)據(jù)的選擇和驗證方法及流程2個方面展開。

1.1 數(shù)據(jù)的選擇

目前，ZY－3衛(wèi)星已獲取了大量的數(shù)據(jù)，因此用于驗證定位精度的數(shù)據(jù)選擇范圍較大。為了能夠?qū)σ延械尿炞C結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充，本文實驗數(shù)據(jù)選取的是北京房山區(qū)1景覆蓋約2500 km2的ZY－3衛(wèi)星三線陣傳感器校正產(chǎn)品(指經(jīng)過分景、分條帶數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正和傳感器校正處理，未作系統(tǒng)幾何糾正的影像產(chǎn)品)。根據(jù)地形圖分幅標(biāo)準(zhǔn)，1景數(shù)據(jù)可以生產(chǎn)至少2幅1∶5萬或4幅1∶2.5萬比例尺的地形圖。實驗區(qū)西北部為山區(qū)，地形高差起伏較大(從10多m～1500 m左右);東南部為城區(qū)。因此，實驗區(qū)域具有代表性，適合用于幾何精度驗證。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取日期為2012年2月23日，數(shù)據(jù)處理日期為2012年7月4日，為衛(wèi)星穩(wěn)定運行及幾何檢校后的影像產(chǎn)品，其驗證結(jié)果參考性較強(qiáng)。

為了驗證ZY－3測繪衛(wèi)星的定位精度，通過外業(yè)差分GPS測量的方式，實地測量了25個GPS點，測量精度優(yōu)于0.01 m，而像方量刺點精度能達(dá)子像素級。GPS點分布如圖1所示(選擇這些點時同時考慮了控制點在平面上和高程上的均勻分布)。

圖1 GPS點分布圖Fig.1 GPS points distribution

盡管ZY－3衛(wèi)星圖像幅寬較寬，但是影像內(nèi)部關(guān)系較為穩(wěn)定，一景圖像上僅需要少量控制點即可滿足定向精度要求［4］。在綜合考慮驗證的可靠性和成本的基礎(chǔ)上，本文定制并獲取了以上的實驗數(shù)據(jù)用于精度驗證。

1.2 精度驗證方法及流程

由于ZY－3衛(wèi)星為三線陣立體測繪衛(wèi)星，不僅可以利用衛(wèi)星的下視影像生產(chǎn)高質(zhì)量的DOM，還能利用衛(wèi)星的前后視影像進(jìn)行立體測圖。因此，本文的精度驗證包括平面精度驗證和高程精度驗證2個部分。

利用獲取的GPS控制點對影像產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差處理，從而精化產(chǎn)品的有理函數(shù)模型，用于后續(xù)的幾何產(chǎn)品生產(chǎn)。一般來說，利用地面控制點的有理多項式系數(shù)(RPC)精化有基于物方的精化和基于像方的精化2類，而基于像方的精化模型精度和穩(wěn)定性均優(yōu)于基于物方的［5］。因此，本文采取基于像方的精化模型，對比平移、線性和仿射變換3種模型，其誤差方程式分別為

式中:(x，y)是控制點在圖像上的量測坐標(biāo);a0，b0是偏移參數(shù);a1，b1是行向系數(shù);a2，b2是列向系數(shù);line，sample分別為控制點物方坐標(biāo)反投在圖像上的行列坐標(biāo)?；赗PC的區(qū)域網(wǎng)平差［6］流程如圖2所示。

圖2 基于RPC的區(qū)域網(wǎng)平差流程圖Fig.2 Block adjustment workflow based on RPC

利用區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)進(jìn)行模型精化后，通過前后視影像匹配生產(chǎn)DSM，然后以GPS點作為檢查點，評估生產(chǎn)的DSM高程精度，最后利用生產(chǎn)的DSM、通過正射校正處理制作下視DOM。同樣，以控制點作為檢查點，評估DOM的平面精度。立體及平面定位精度評估流程如圖3所示。

圖3 幾何定位精度評估流程圖Fig.3 Flow chart of geopositioning accuracy assessment

2 實驗驗證及結(jié)果分析

2.1 有理函數(shù)模型精化實驗

充分考慮各種精化模型及控制點分布對有理函數(shù)模型精化精度的影響，本文實驗主要考察分別利用平移、線性及仿射3種精化模型時的控制點精度和檢查點精度，并且驗證不同控制點數(shù)目下的模型精化精度，同時將三線陣影像同時平差結(jié)果與前后視平差結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 三線陣影像平差結(jié)果Tab.1 Adjustment result with three－line array images

表2 前后視影像平差結(jié)果Tab.2 Adjustment result with forward －looking and backward－looking images

通過表1、表2可知，三視平差較前后兩視平差結(jié)果平面精度略有提升，高程精度大致相當(dāng)，符合三線陣測繪衛(wèi)星的設(shè)計思路。高程精度決定于前后視的交會角，增加一個正視影像，相當(dāng)于增加了觀測值，提高了平面定位精度。在無控制點的情況下，ZY－3衛(wèi)星的平面定位精度為28.121 m，高程定位精度為2.496 m;而利用1個控制點即可大幅度消除其系統(tǒng)誤差，平面精度可達(dá)到4.337 m，高程精度達(dá)到2.134 m。該結(jié)果說明了ZY－3衛(wèi)星平臺運行的穩(wěn)定性。隨著控制點個數(shù)的增加，平面和高程的定位精度均有所提升。當(dāng)使用4個角點作為控制點時，平面精度為3.144 m，高程精度為2.063 m，而所有點參與三視平差，平面精度為2.575 m，高程精度為1.964 m。由此可以看出，當(dāng)控制點超過4個時，精度沒有明顯提升。因此，在實際生產(chǎn)中，只需要在圖像4個角點布設(shè)控制點即可。

用4個角點作為控制點進(jìn)行三視影像平差時，平差殘差分布圖如圖4所示。

圖4 平差殘差分布圖(4個控制點)Fig.4 Adjustment residuals maps(four control points)

從圖4可以看出，影像區(qū)域中心位置的高程殘差小，越靠近邊緣，高程的殘差越大，因此像控點布設(shè)應(yīng)盡可能靠近立體重疊影像的邊緣，從而充分控制感興趣區(qū)域。

2.2 幾何產(chǎn)品精度驗證

利用2.1節(jié)中精化后的模型進(jìn)行幾何產(chǎn)品生產(chǎn)。首先采用密集匹配技術(shù)，生產(chǎn)出該區(qū)域2.5 m分辨率的數(shù)字表面模型(DSM，圖5)，并利用自動生產(chǎn)出的DEM進(jìn)行正射校正，生產(chǎn)出下視影像的DOM(圖6)。利用余下的21個GPS點作檢查點，檢查幾何產(chǎn)品的精度。其中DSM的高程中誤差為2.257 m，最大誤差為5.827 m;DOM的平面中誤差為1.496 m，最大誤差為3.316 m。

圖5 ZY－3衛(wèi)星DSM產(chǎn)品縮略圖Fig.5 DSM product thumbnail of ZY －3

分別利用平地和山地的檢查點(圖7)統(tǒng)計幾何

圖7 平地、山地檢查點分布圖Fig.7 Check points distribution in flat area and mountainous area

產(chǎn)品的精度，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 幾何產(chǎn)品精度表Tab.3 Geometric production accuracy tables

鑒于以上分析驗證可知:平地區(qū)域的平面及高程精度較山地的高，但是平地與山地數(shù)據(jù)均能滿足1∶5萬比例尺 DEM一級精度要求;平面精度優(yōu)于1∶5萬比例尺 DOM所規(guī)定的平面、丘陵(25 m)、山地(37.5 m)的精度要求［7］;這一定位精度還能滿足1∶2.5萬比例尺地形圖的修測精度要求。

3 結(jié)論

參考已有ZY－3衛(wèi)星幾何定位精度驗證工作，本文選取ZY－3衛(wèi)星穩(wěn)定運行后的1景地形豐富區(qū)域的傳感器校正產(chǎn)品進(jìn)行幾何精度驗證，結(jié)果表明:在應(yīng)用少量控制點的條件下，ZY－3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的平面定位精度優(yōu)于1.506 m，高程定位精度優(yōu)于2.895 m;平地區(qū)域的定位精度高于山地區(qū)域;各區(qū)域的定位精度均能達(dá)到1∶5萬比例尺DEM及DOM產(chǎn)品的精度要求。

由于本文所選數(shù)據(jù)為ZY－3衛(wèi)星穩(wěn)定業(yè)務(wù)化運行后的數(shù)據(jù)，且覆蓋區(qū)域地形比較豐富，因此本文驗證工作可作為ZY－3衛(wèi)星初步幾何精度驗證工作的補(bǔ)充和深化，其結(jié)論可以供用戶選取和應(yīng)用ZY－3影像時參考。

圖6 ZY－3衛(wèi)星DOM產(chǎn)品縮略圖Fig.6 DOM product thumbnail of ZY －3

志謝:感謝國家測繪局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心為本文研究提供了ZY－3影像數(shù)據(jù)。

［1］國家測繪局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心.航天五院ZY－3衛(wèi)星介紹［EB/OL］.(2009－12－01)［2009 －12－17］.http://sasmac.sbsm.gov.cn/article/wxzh/200912/20091200059259.shtml.Satellite Surveying and Mapping Application Center.NASG，ZY －3 Satellite Introduction by China Academy of Space Technology［EB/OL］.(2009－12－01)［2009 －12 －17］.http://sasmac.sbsm.gov.cn/article/wxzh/200912/20091200059259.shtml.

［2］唐新明，張 過，祝小勇，等.資源三號測繪衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構(gòu)建與精度初步驗證［J］.測繪學(xué)報，2012，41(2)，191 －198.Tang X M，Zhang G，Zhu X Y，et al.Triple Linear－ array Imaging Geometry Model of Ziyuan－3 Surveying Satellite and Its Validation［J］.Cehui Xuebao/Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2012，41(2):191 －198(in Chinese with English Abstract).

［3］李德仁.我國第一顆民用三線陣立體測圖衛(wèi)星——資源三號衛(wèi)星［J］.測繪學(xué)報，2012，41(3)，317 －322.Li D R.China’s First Civilian Three－line－array Stereo Mapping Satellite:ZY －3［J］.Cehui Xuebao/Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2012，41(3):317 －322(in Chinese with English Abstract).

［4］張 過.缺少控制點的高分辨率衛(wèi)星遙感影像幾何糾正［D］.武漢:武漢大學(xué)，2005.Zhang G.Rectification for High Resolution Remote Sensing Image Under Lack of Ground Control Points［D］.Wuhan:Wuhan University，2005(in Chinese with English Abstract).

［5］Xiong Z，Zhang Y.A Generic Method for RPC Refinement Using Ground Control Information［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2009，75(9):1083－92.

［6］Grodecki J，Dial G.Block Adjustment of High － resolution Satellite Images Described by Rational Polynomials［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2003，69(59 －68).

［7］GB 12340－2008－T 1∶250001∶500001∶100000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.GB 12340－2008－T 1∶250001∶500001∶100000 Topographic Maps Aero － photogrammetry Inner Industry Norms［S］.Beijing:China Standard Press，2008(in Chinese).

Accuracy Analysis and Validation of ZY －3’s Sensor Corrected Products

LIU Bin1，SUN Xi－ liang1，2，DI Kai－ chang1，LIU Zhao － qin1
(1.Institue of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2.Geometric College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

On the basis of the existing preliminary accuracy validations of ZY －3 satellite imagery，a further indepth analysis and verification of the geopositioning accuracy were performed at a typical site with both flat and mountainous terrains.The rational polynomial coefficients(RPC)were refined through block adjustment with high accuracy GPS points as ground control points(GCP)and check points.Digital surface model(DSM)and digital ortho map(DOM)were automatically generated with the refined RPC，the planimetric and stereo geopositioning accuracies were evaluated，and the influences of terrain，number and distribution of GCPs were analyzed.The results show that the horizontal and vertical geopositioning accuracies of ZY －3 imagery of the test site are 1.476 m and 2.213 m respectively in the flat area，and 1.506 m and 2.895 m respectively in the mountainous area，all meeting the requirements of 1 ∶50000 DEM and DOM production both in the flat area and mountainous area.The ZY －3 imagery can also be used for revision of the 1 ∶25000 topographic maps.

ZY－3;three－line array;geopositioning accuracy;sensor corrected image product;rational function model;block adjustment

TP 75

A

1001－070X(2012)04－0036－05

2012－09－05;

2012－09－12

國家基礎(chǔ)研究計劃(973計劃)項目(編號:2012CB719902，2013CB733202)和國家自然科學(xué)基金項目(編號:41171355)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.07

劉 斌(1984－)，男，助理研究員，主要從事衛(wèi)星影像高精度定姿定位與幾何處理研究。E－mail:liub@irsa.ac.cn。

邸凱昌(1967－)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事行星遙感制圖與導(dǎo)航定位、高分辨率衛(wèi)星影像幾何處理研究。E － mail:kcdi@irsa.ac.cn。

(責(zé)任編輯:刁淑娟)