張濟勇，閆建軍

(1.華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120；2.中國人民解放軍第一二O五工廠，北京 100088)

從20世紀90年代初以來，航天遙感已步入一個能快速提供多種高分辨率對地觀測數(shù)據(jù)的新階段，特別是近10年，利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像進行高精度目標(biāo)定位、立體測圖和變化監(jiān)測是國內(nèi)外的研究熱點之一，同時，各種高分辨率衛(wèi)星遙感影像正越來越多地應(yīng)用于攝影測量領(lǐng)域，例如，我國自主研發(fā)的資源三號衛(wèi)星地面分辨率達到全色2.1m級，國外的WorldView衛(wèi)星地面分辨率全色為0.5m，GEOEYE-1衛(wèi)星地面分辨率全色為0.41m，因此，現(xiàn)有的衛(wèi)星影像完全有能力取代航空影像測繪風(fēng)電場場址地形圖等具有特殊生產(chǎn)用途的大比例尺地形圖。

1 風(fēng)電場地形圖特點及資源三號衛(wèi)星簡介

1.1 風(fēng)電場地形圖特點

目前我國陸域風(fēng)電場大部分選址在人煙稀少地區(qū)，特別是北方區(qū)域，風(fēng)電場大多選址在無人活動的山區(qū)或丘陵地區(qū)，地物相對較少，而且風(fēng)電場平面測繪重點是風(fēng)電場內(nèi)道路、高等級電力線、通訊線以及風(fēng)機位附近的地物，對遠離風(fēng)機位的一般地物精度要求不高。對于風(fēng)電場內(nèi)的高程要求，則主要考慮風(fēng)機位附近的地勢情況，對于遠離風(fēng)機位的地勢，特別是一些溝底地形地勢情況，僅僅要求滿足1:10000甚至1:50000地形圖的要求即可?？梢哉f，風(fēng)電場地形圖的重點是風(fēng)機位周圍的地形地貌，風(fēng)機道路以及場內(nèi)影響風(fēng)機布設(shè)的重要地物。

1.2 資源三號衛(wèi)星簡介

在2012年1月9日，由中國航天科技集團公司第五研究院自主研發(fā)，由國家測繪地理信局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心負責(zé)運行維護的我國首顆高分辨率測繪衛(wèi)星資源三號成功發(fā)射，衛(wèi)星配備三線陣測繪相機和多光譜相機，其中正視相機分辨率優(yōu)于2.1m，幅寬52km，前視相機和后視相機分辨率優(yōu)于3.5m，幅寬52km，多光譜分辨率5.8 m，幅寬52km，可實現(xiàn)地球絕大部分區(qū)域內(nèi)無縫影像覆蓋。同時衛(wèi)星軌道形式為太陽同步圓軌道，軌道高度505.984km，回歸周期59天，傾角為97.421°重訪周期為5天，降交點地方時10:30AM。目前，資源三號已完成了國內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi)的遙感影像的獲取，可以直接購買存量數(shù)據(jù)，國外影像資料則需委托國家測繪地理信息局衛(wèi)星應(yīng)用中心進行訂購。

2 資源三號衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差原理

2.1 衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差模型

目前，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像的特點及各運營商提供的公開數(shù)據(jù)，國內(nèi)外研究人員提出多種不同成像幾何模型，主要可分為兩類:嚴密幾何成像模型和通用幾何成像模型。

(1)嚴密幾何成像模型也稱嚴格物理傳感器，主要是依據(jù)傳感器成像特性，利用衛(wèi)星成像時的幾何關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型，衛(wèi)星成像瞬間地面點、傳感器鏡頭透視中心和相應(yīng)像點均在在一條直線上，通過共線方程或仿射變換等建立數(shù)學(xué)模型進行求解。嚴格成像模型在建立時，需要考慮一些影響因素，例如：相機投射畸變、地表起伏變化、大氣折射的影響、衛(wèi)星精確位置等。嚴格成像模型在理論上是嚴密的，能真實地反映成像時空間幾何關(guān)系，并且模型的定位精度較高，被認為是最好的影像正射校正方法。

(2)通用幾何成像模型是在不考慮傳感器成像的物理因素的情況下，直接采用多項式、直接線性變換方程以及有理多項式函數(shù)等數(shù)學(xué)函數(shù)來描述地面點和相應(yīng)像點之間的幾何關(guān)系，其實質(zhì)是利用數(shù)學(xué)函數(shù)實現(xiàn)物理模型的精確擬合。這類模型具有數(shù)學(xué)形式簡單，計算速度快等優(yōu)點，但由于其模型未考慮傳感器成像的物理因素，及與具體的傳感器無關(guān)，因此在理論上不甚嚴密。

嚴格幾何成像模型通過傳感器的特性建立的數(shù)學(xué)模型，能夠很好的反映影像獲取時的幾何關(guān)系。但是嚴格幾何成像模型是與傳感器密切相關(guān)的，用戶在使用時需要獲知不同傳感器的參數(shù)，對用戶來說，遙感影像應(yīng)用系統(tǒng)需要根據(jù)不同的傳感器進行更新的。而且由于需要保密、衛(wèi)星安全以及對它國的限制，衛(wèi)星數(shù)據(jù)商基本上不會提供傳感器的一些關(guān)鍵參數(shù)，例如衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)，取而代之的以構(gòu)建有理函數(shù)模型的關(guān)鍵參數(shù)。即使有部分衛(wèi)星數(shù)據(jù)商提供部分參數(shù)，但大都經(jīng)過插值處理，僅僅能夠用于構(gòu)建虛擬傳感器模型。普通用戶如果需要構(gòu)建衛(wèi)星的嚴格幾何成像模型來實現(xiàn)影像的糾正，幾乎是不可能的。為解決構(gòu)造衛(wèi)星影像成像模型，國內(nèi)外研究人員針對通用傳感器模型進行大量的研究，開放GIS組織提出了四種適合實時處理的通用成像幾何模型，即多項式模型(Polynomial Model)、格網(wǎng)內(nèi)插模型(Grid Interpolation Model)、有理函數(shù)模型(Rational Function Model——RFM)和通用實時成像幾何模型(Universal Real-time Image Geometry Model)，目前來說，通過有理函數(shù)模型來描述地面點和相應(yīng)像點之間的幾何關(guān)系已成為重要的研究方向。

2.2 基于RFM模型的衛(wèi)星影像定向及區(qū)域網(wǎng)平差

有理函數(shù)模型RFM是指將是將像點坐標(biāo)(r, c)表示為以相應(yīng)地面點空間坐標(biāo)(x, y, z)為自變量的多項式的比值，即：

式中：pi(Xn，Yn，Zn)為(i=1，2，3，4)普通多項式，最高不超過3次，形式如下：

式中的多項式系數(shù)a0，……，a19稱為有理函數(shù)系數(shù)RFCs。RFCs一般表示為LINE_NUM_COEF_n，LINE_DEN_COEF_n，SAMP_NUM_COEF_n，SAMP_DEN_COEF_n(n=1，2，……20)的形式。

區(qū)域網(wǎng)平差模型可采用RFM模型加其模型變換基礎(chǔ)上的像方平移、仿射變換來實現(xiàn)，但是由于傳感器平臺的內(nèi)定向和外方位元素中的各種誤差產(chǎn)生RFM模型誤差，因此需要利用一定數(shù)量的控制點對RFM模型進行精化處理，即基于RFM成像模型的區(qū)域網(wǎng)平差，根據(jù)國外一些學(xué)者的研究，針對基于RFM成像模型的影像定向可以在像方空間也可以在物方空間進行。采用在像方空間的定向方程式為：

式中：ai,0+ai,1+ai,2和bi,0，bi,1，bi,2是針對影像i的6個定向參數(shù)；(rk, ck)和Xk，Yk，Zk是標(biāo)號為k的點的影像與地面坐標(biāo)。

根據(jù)立體定位數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)后，由左右像片的同名點坐標(biāo)(rl, cl)、(rr, cr)，可以列出以下四個誤差方程：

利用式(2)和式(3)所構(gòu)成的平差模型可以應(yīng)用于高分辨率衛(wèi)星影像的單像定向，也可以使用多幅衛(wèi)星影像構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)從而對成像地區(qū)的多幅影像或多幅不同傳感器平臺的影像數(shù)據(jù)進行聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差。

3 區(qū)域網(wǎng)平差試驗地面控制點的選擇及精度分析

通過(2)、(3)式所構(gòu)成的基于像方的影像定向模型，對于采用一景資源三號衛(wèi)星影像，理論上1～4個定義較好的地面控制點就可以達到較高的定向精度；對于采用多景資源三號衛(wèi)星影像，則需要在每幅影像上有4～6個以上的地面控制點。由于風(fēng)電場測圖面積一般在100平方公里至200平方公里內(nèi)，因此本文僅對選用一景資源三號衛(wèi)星影像進行試驗。

試驗區(qū)位于張北地區(qū)，為高山地勢，相對高差528m，測區(qū)內(nèi)平面地物較少，收集資源三號影像一景，包含正視 2.1m 分辨率全色影像；前、后視立體影像，分辨率為3.5m；分辨率多光譜影像5.8m，多光譜影像包含藍、綠、紅、紅外四個波段。

為驗證是否只采用稀少的地面控制點就能達到風(fēng)電場需要的地形圖精度，試驗選用36個地面控制點，分布情況見圖1。

采用適普軟件，利用前、后視影像創(chuàng)建立體像對，然后轉(zhuǎn)刺所有36個像控點。首先選取1個定向點進行定向，定向點位置選擇為像片中心；再選取2個定向點，定向點位置為左上角和右下角；4個定向點，定向點位置分別為四個角；5個定向點，定向點位置在4個定向點的基礎(chǔ)上增加像片中心位置；9個定向點，定向點分別為5個定向點的基礎(chǔ)上增加4條邊的中間位置，16個定向點，定向點的位置在9個定向點的基礎(chǔ)上增加7個在像片上均勻分布點，其余像控點作為檢查點進行平差解算。具體定向情況見表1。

表1 影像定向精度統(tǒng)計

從表 1 可知，在無控制的情況下，影像定位精度較差，加入1個控制點后，影像定位精度提高比較大，隨著控制點的增多，影像定向精度不斷提高，但多于4個像控點后，精度提高不明顯。

根據(jù)風(fēng)電場設(shè)計要求，在風(fēng)電場場址地形圖中，主要是對影響風(fēng)機位的布置和風(fēng)機設(shè)備運輸?shù)牡匚餃y量要求較高，包括測區(qū)內(nèi)主要的道路，重要的高等級電力線、通訊線、以及風(fēng)機位附近的重要地物，對這些重要的地物，可以采用測量部分碎部點加以糾正；同時風(fēng)電場場址大部分為山區(qū)或丘陵地形，其地形圖等高距要求為2米或5米。因此，綜合表1試驗數(shù)據(jù)，采用資源三號衛(wèi)星影像進行風(fēng)電場測圖，選取4個角點定向是比較合適的。

4 結(jié)語

本文根據(jù)風(fēng)電場地形圖的特殊要求，通過研究ZY-3衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差及對地面控制點的測量設(shè)計，在加以少量的常規(guī)測量干預(yù)后，完全能夠滿足風(fēng)電場設(shè)計的需要：

(1)在對道路和高等級的電力線以及風(fēng)機附近的重要地物加以人工干預(yù)的情況下，采用資源三號衛(wèi)星影像進行風(fēng)電場測圖，可以滿足風(fēng)電場設(shè)計要求。

(2)采用資源三號衛(wèi)星影像具有工期短、成本低以及不受航空管制影響的特點，對于大面積的風(fēng)電場場址地形圖測量來說，采用資源三號衛(wèi)星影像進行測圖具有很大的優(yōu)勢。

(3)由于資源三號衛(wèi)星影像分辨率為全色相機分辨率 2.1 m，前、后視相機分辨率 3.5 m，，因此，采用資源三號衛(wèi)星影像進行風(fēng)電場場址地形圖測量時，對于影響風(fēng)機位的布置和風(fēng)機設(shè)備的運輸?shù)闹匾匚?，建議適當(dāng)?shù)倪M行人工測量，加以校正，同時對于風(fēng)機位周圍100m區(qū)域內(nèi)，適當(dāng)加密一些高程點，以保局部區(qū)域內(nèi)的高程精度。

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