周欣楊國鵬楊俊峰

（1 中國天繪衛(wèi)星中心，北京 102102）

（2 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079）

“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品質(zhì)量控制方法研究

周欣1楊國鵬2楊俊峰1

（1 中國天繪衛(wèi)星中心，北京 102102）

（2 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079）

“天繪一號”衛(wèi)星提供多種影像產(chǎn)品以滿足不同用戶的需求，其中衛(wèi)星中級產(chǎn)品以有理多項(xiàng)式系數(shù)（Rational Polynomial Coefficient，RPC）形式分發(fā)給用戶，用于各類測繪處理。該形式既能實(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)參數(shù)的隱藏，又能達(dá)到與嚴(yán)格幾何模型相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。為用戶提供高質(zhì)量（quality，下同）、規(guī)范化的各級尤其是中級衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是航天測繪的重要職責(zé)。文章對“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品基于RPC模型立體定位的質(zhì)量控制方法進(jìn)行了研究，文中介紹了“天繪一號”衛(wèi)星基本情況及中級產(chǎn)品處理流程，給出了基于RPC模型的立體定位方法，提出了基于VirtuoZo SAT和RPC立體定位的三線陣影像鄰軌接邊精度檢測質(zhì)量控制方法，并編寫了基于RPC模型立體定位的質(zhì)量控制軟件。通過試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用情況表明，該方法能夠有效檢測中級產(chǎn)品精度，質(zhì)量控制軟件的編寫提高了質(zhì)檢效率，保障了產(chǎn)品質(zhì)量。文章的研究成果不僅可為同類測繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)成果質(zhì)量控制工作提供參考，也將為后續(xù)“天繪”系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)成果質(zhì)量控制自動化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

立體定位 有理多項(xiàng)式系數(shù) 中級產(chǎn)品 “天繪一號”衛(wèi)星應(yīng)用

0 引言

“天繪一號”衛(wèi)星是我國自主研制的第一顆傳輸型立體測繪衛(wèi)星，其主要任務(wù)是快速獲取三維立體影像、多光譜影像和高分辨率影像，通過地面處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速精確三維定位，測制 1:5萬比例尺地形圖，修測和更新1:2.5萬比例尺地形圖，向全球用戶提供基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品服務(wù)[1]?！疤炖L一號”衛(wèi)星是中國航天領(lǐng)域的重大突破，對促進(jìn)中國測繪事業(yè)具有里程碑意義。

“天繪一號”衛(wèi)星相機(jī)系統(tǒng)由測繪相機(jī)分系統(tǒng)和高分辨率相機(jī)分系統(tǒng)組成[2]。測繪相機(jī)分系統(tǒng)包括三線陣LMCCD（Line-matrix CCD Camera，LMCCD）立體測繪相機(jī)和四波段多光譜相機(jī)。立體測繪相機(jī)由前、正、后視相機(jī)組成，其連續(xù)推掃的影像可以構(gòu)建5m分辨率立體測繪模型；其中正視相機(jī)焦面上還裝有4個小面陣相機(jī)，采用等效框幅式光束法（Equivalent Frame Photo，EFP）[3-5]空中三角測量，可以實(shí)現(xiàn)無地面控制條件下的高精度定位。2m分辨率全色相機(jī)構(gòu)成高分辨率相機(jī)分系統(tǒng)。表1給出了衛(wèi)星的基本性能指標(biāo)[6]。

表1 “天繪一號”衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of TH-01 satellite

“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品也稱1B級產(chǎn)品。它是1A級衛(wèi)星影像產(chǎn)品經(jīng)過空三加密、物理分景處理后得到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，由1A級影像數(shù)據(jù)和有理多項(xiàng)式系數(shù)[7-9]（Rational Polynomial Coefficients，RPC）組成。其中 1A級影像數(shù)據(jù)是指在原始影像的基礎(chǔ)上，只進(jìn)行輻射校正處理后得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，RPC參數(shù)采用目前國際通用格式，適用于各類專業(yè)處理軟件。1B級衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品包含了衛(wèi)星影像的定向參數(shù)，可以用于各類測繪處理，生產(chǎn)各類測繪產(chǎn)品，主要提供給具備測繪處理生產(chǎn)能力的部門和單位，是攝影測量處理的基礎(chǔ)產(chǎn)品。

為用戶提供高精度的中級產(chǎn)品，是航天測繪的基本要求。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，空間環(huán)境復(fù)雜，下傳數(shù)據(jù)雖表觀質(zhì)量（quality，下同）正常，卻有較大的測量誤差；生產(chǎn)過程中作業(yè)員操作失誤或錯誤等，均會造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。在有控制點(diǎn)的地區(qū)，可以采用控制點(diǎn)對中級產(chǎn)品進(jìn)行精度檢核[10-13]；但是在無控制點(diǎn)區(qū)域，如何保證產(chǎn)品精度成為亟待解決的問題。“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品作為新型手段獲取的新產(chǎn)品，其產(chǎn)品質(zhì)量控制方法目前國內(nèi)外未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文對中級產(chǎn)品質(zhì)量控制方法進(jìn)行研究，提出了采用計(jì)算鄰軌接邊精度的方法驗(yàn)證產(chǎn)品精度，并使用VirtuoZo SAT+自主研發(fā)軟件進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)。VirtuoZo SAT為全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)衛(wèi)星影像商業(yè)處理軟件，自主研發(fā)的基于RPC模型立體定位質(zhì)量控制軟件在利用VirtuoZo SAT完成鄰軌三線陣影像同名點(diǎn)匹配后，自動計(jì)算鄰軌同名點(diǎn)定位精度，給出產(chǎn)品質(zhì)量檢查結(jié)果。質(zhì)檢方法簡單、高效，在“天繪一號”衛(wèi)星產(chǎn)品生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。

1 中級產(chǎn)品生產(chǎn)流程

“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品生產(chǎn)使用的數(shù)據(jù)源包括1A級影像數(shù)據(jù)，全軌道GPS數(shù)據(jù)，衛(wèi)星下傳輔助數(shù)據(jù)以及攝影測量參數(shù)。圖1為生產(chǎn)流程：①預(yù)處理環(huán)節(jié)完成影像的增強(qiáng)增色處理，以提高后續(xù)影像同名點(diǎn)匹配精度；②利用星載GPS觀測量及GPS衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)確定攝影時刻衛(wèi)星位置；③利用星敏感器、地相機(jī)安裝參數(shù)和陀螺儀等測量數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合定姿方法，精確計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)；④采用自動相關(guān)匹配技術(shù)和人工交互方式，選取與量測三線陣立體影像的像點(diǎn)坐標(biāo)；⑤采用EFP光束法平差的思想，根據(jù)初始外方位元素?cái)?shù)據(jù)、量測的像點(diǎn)坐標(biāo)等，精確計(jì)算攝影區(qū)域的外方位元素列及地面加密點(diǎn)地心坐標(biāo)；⑥根據(jù)計(jì)算所得的外方位元素和地面加密點(diǎn)坐標(biāo)，完成三線陣影像的RPC參數(shù)計(jì)算。

2 RPC模型立體定位

2.1 RPC模型建立

RPC模型是目前高分辨率光學(xué)推掃衛(wèi)星普遍采用的通用幾何模型[14]，能達(dá)到與嚴(yán)密成像幾何模型相同的精度。“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品以RPC模型代替嚴(yán)格成像幾何模型，既保證了產(chǎn)品精度，又實(shí)現(xiàn)了傳感器技術(shù)參數(shù)隱藏。RPC模型將地面點(diǎn)空間坐標(biāo)（X, Y, Z）與其對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)（r, c）用比值多項(xiàng)式關(guān)聯(lián)起來。為了增強(qiáng)參數(shù)求解的穩(wěn)定性，將地面坐標(biāo)和影像坐標(biāo)正則化到–1至1之間[15]：

式中 p1（Xn,Yn, Zn）、p2（Xn,Yn, Zn）、p3（Xn,Yn, Zn）和 p4（Xn,Yn, Zn）均為三次多項(xiàng)式形式，每個多項(xiàng)式表達(dá)如下（省略下標(biāo)n）：

式中 ai（ i=0,1,2,… ,19）為有理多項(xiàng)式系數(shù)，即RPC參數(shù)。式（1）中(rn, cn)和(Xn,Yn, Zn)分別表示像點(diǎn)坐標(biāo)（r,c）和地面點(diǎn)坐標(biāo)（X , Y, Z）經(jīng)過平移和縮放后的標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)，變換關(guān)系為：

式中 (X0,Y0, Z0,r0, c0)為標(biāo)準(zhǔn)化平移參數(shù)，(Xs, Ys, Zs, rs, cs)為標(biāo)準(zhǔn)化比例參數(shù)。

RPC模型中的地面點(diǎn)空間坐標(biāo)（X , Y, Z）可采用任何坐標(biāo)系統(tǒng)，但考慮到衛(wèi)星影像的地面覆蓋范圍很大，一般采用地心坐標(biāo)系，即大地經(jīng)度L、大地緯度P和大地高H，其中經(jīng)緯度以度為單位，大地高以米為單位。

2.2 立體定位算法

立體像對的左右影像分別建立各自RPC模型以后，如何根據(jù)同名像點(diǎn)的像坐標(biāo)計(jì)算出相應(yīng)地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，這就是基于RPC模型的立體定位問題[16-17]。

將式（4）進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，并保留一次項(xiàng)，則求解地面點(diǎn)坐標(biāo)(Xn,Yn, Zn)的誤差方程可以表示為：

式中 vr和vc分別代表式（4）線性化表示后像坐標(biāo)r和c的觀測值誤差；表達(dá)式以此類推。

各偏導(dǎo)數(shù)的形式為（省略下標(biāo)n）：

設(shè)左右像片的同名點(diǎn)坐標(biāo)分別為（rl, cl）、（rr, cr），得到相應(yīng)的誤差方程表達(dá)式：

式中 vrb為左像片的同名點(diǎn)坐標(biāo)rb的觀測誤差；vrd為右像片的同名點(diǎn)坐標(biāo)rd的觀測誤差；vcb為左像片的同名點(diǎn)坐標(biāo)cb的觀測誤差；vcd為右像片的同名點(diǎn)坐標(biāo)cd的觀測誤差。

將誤差方程式（6）以矩陣形式表達(dá)，令：

于是坐標(biāo)改正數(shù)Δ的最小二乘解為：

3 基于鄰軌接邊精度檢測的中級產(chǎn)品質(zhì)量控制

為保證航天測繪產(chǎn)品的精度，“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品需嚴(yán)格落實(shí)多級質(zhì)量檢查制度。中級產(chǎn)品一級質(zhì)量檢查以生產(chǎn)過程檢查為主，確保生產(chǎn)中的每一個環(huán)節(jié)滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求。如檢查精密定軌、定姿結(jié)果是否滿足評估精度，像點(diǎn)匹配精度是否滿足要求等。二級質(zhì)量檢查重點(diǎn)針對產(chǎn)品定位精度開展，采用鄰軌接邊精度檢測的方法，驗(yàn)證相鄰兩軌影像或不同攝影時間的同軌影像同名點(diǎn)精度，當(dāng)同名點(diǎn)在不同影像上的定位精度較差（同一未知量的兩個觀測值之間的差值）小于某值，則認(rèn)為該產(chǎn)品合格，否則為不合格。檢查流程如圖2所示。

3.1 基于VirtuoZo SAT的影像同名點(diǎn)匹配

“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品質(zhì)量控制早期采用的是將鄰軌影像及 RPC參數(shù)導(dǎo)入 LPS（Leica Photogrammetry Suite，LPS）商業(yè)軟件構(gòu)建立體像對，作業(yè)員手動進(jìn)行選點(diǎn)、測量及點(diǎn)位坐標(biāo)較差計(jì)算，這是一項(xiàng)非常乏味和耗時的工作，且質(zhì)檢的效率遠(yuǎn)低于中級產(chǎn)品生產(chǎn)效率。在中級產(chǎn)品質(zhì)量檢查流程中，同名點(diǎn)匹配為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，VirtuoZo SAT的影像配準(zhǔn)算法具有可靠、快速和精確的優(yōu)點(diǎn)[18-19]。作業(yè)人員設(shè)置好待測區(qū)域相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)影像的自動匹配，極大程度的提高了質(zhì)檢效率。圖3給出了VirtuoZo SAT批量影像自動匹配流程。

針對“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品影像，在作業(yè)時需要注意以下問題：①設(shè)置工程參數(shù)時需選擇CGCS2000坐標(biāo)系和高斯投影；②輸入影像類型為：“天繪一號”，輸出影像格式：VZ格式；③設(shè)置影像列表時需要選擇三線陣的前視和后視影像用以構(gòu)建立體像對；④自動轉(zhuǎn)點(diǎn)時需要勾選：“刪除模型內(nèi)的點(diǎn)，只保留模型間的點(diǎn)”。圖4給出了“天繪一號”衛(wèi)星影像在VirtuoZo SAT軟件環(huán)境下某個同名像點(diǎn)的點(diǎn)位匹配情況（以左側(cè)第一幅影像為匹配基準(zhǔn)），可以看出該軟件能夠準(zhǔn)確完成影像前、后視的自動匹配。

3.2 基于RPC模型立體定位的質(zhì)量控制軟件

基于RPC模型立體定位的質(zhì)量控制軟件通過計(jì)算某一景（景是指以衛(wèi)星傳感器為特征、對影像數(shù)據(jù)像元按一定的行、列進(jìn)行定義的影像標(biāo)準(zhǔn)單位）影像與鄰軌影像的接邊誤差實(shí)現(xiàn)。首先采用RPC立體定位計(jì)算方法計(jì)算出同名像點(diǎn)在某景影像上的空間坐標(biāo)，再計(jì)算出像點(diǎn)在鄰軌影像上的空間坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)其較差中誤差，設(shè)置合適的閾值，并判斷影像精度是否合格。計(jì)算方法如下：

設(shè)在CGCS2000高斯坐標(biāo)系下第i個同名像點(diǎn)在某景影像上的空間坐標(biāo)為（xi, yi, hi），在鄰軌影像上的空間坐標(biāo)為（x0i,y0i,h0i），則平面較差中誤差為：

高程較差中誤差為：

式中 i= 1,2,3,… ,n ，n為影像上匹配同名像點(diǎn)的個數(shù)，高斯坐標(biāo)系下（x, y, h）是由RPC模型立體定位解算出的地心坐標(biāo)系下（X , Y, Z ）通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)前，需首先明確“天繪一號”衛(wèi)星的分景方法?！疤炖L一號”影像以景為單位，采用Path-Row進(jìn)行編目（Path為沿衛(wèi)星飛行軌道方向，Row為垂直衛(wèi)星飛行的軌道景中心位置）?！疤炖L一號”衛(wèi)星傳感器的視場寬度是60km，衛(wèi)星相鄰兩個軌道圈在赤道的距離間距為45.5km，因此，將“天繪一號”衛(wèi)星的軌道號作為Path，然后沿“天繪一號”衛(wèi)星軌道方向按照近似均勻的原則，把一軌等分為間距約45km，得到Row。

1）試驗(yàn)一。隨機(jī)選擇“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品相鄰兩軌的某景影像，分別為“天繪一號”01星2013年11月11日攝影，Path-Row為001-121；“天繪一號”02星2014年05月25日攝影，Path-Row為001-121進(jìn)行質(zhì)量控制。采用VirtuoZo SAT匹配同名點(diǎn)坐標(biāo)，使用質(zhì)量控制軟件計(jì)算同名點(diǎn)較差及中誤差，質(zhì)檢結(jié)果如表2所示。

表2 “天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品質(zhì)量控制結(jié)果Tab.2 Intermediate products quality control result of TH-01 satellite

從表2可以看出，兩景影像在高斯坐標(biāo)系下的單點(diǎn)接邊精度平面較差在4.8～7.+m范圍內(nèi)波動，高程較差在 2.0～6.7m范圍內(nèi)波動，單景平面較差中誤差為±6.2m，高程較差中誤差為±4.7m，滿足“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品質(zhì)量控制要求，滿足我國1∶5萬測圖精度要求[20]。

2）試驗(yàn)二。隨機(jī)選擇某批次中級產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)，分別采用早期質(zhì)量控制方法（LPS軟件人工量測）和 VirtuoZo SAT+自主研發(fā)軟件進(jìn)行背靠背質(zhì)量檢查，對比兩種方法質(zhì)量檢查結(jié)果及作業(yè)效率。試驗(yàn)環(huán)境為：微機(jī)中央處理器(CPU)主頻2.67GHz，內(nèi)存4GB，操作系統(tǒng)Windows XP，中級產(chǎn)品景數(shù)為181景，由一名人員在同一機(jī)器上完成全部操作。表3給出了兩種方法的比較情況。

表3 不同質(zhì)量控制方法比較Tab.3 The comparison among different quality control methods

可以看出，兩種方法均能正確完成產(chǎn)品的質(zhì)量控制，所驗(yàn)收的產(chǎn)品合格率一致，均為+5%，但基于VirtuoZo SAT+自主研發(fā)軟件的質(zhì)量控制方法具有更高的效率。當(dāng)質(zhì)檢景數(shù)為181景時，效率提升4倍以上。當(dāng)待檢查的產(chǎn)品數(shù)量越多，效率提升將會越高。

5 結(jié)束語

本文對傳輸型測繪衛(wèi)星中級產(chǎn)品質(zhì)量控制方法進(jìn)行了研究，利用VirtuoZo SAT能夠高效、精確匹配點(diǎn)位的優(yōu)勢，通過構(gòu)建RPC立體定位模型自主研發(fā)質(zhì)量控制軟件，實(shí)現(xiàn)了基于鄰軌接邊精度檢查的“天繪一號”衛(wèi)星中級產(chǎn)品質(zhì)量控制。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠有效保障產(chǎn)品精度，且操作簡單方便，自動化程度高，為滿足用戶快速提供高精度測繪產(chǎn)品的需求提供了技術(shù)支持。但該方法的實(shí)現(xiàn)一定程度上依賴于商業(yè)軟件，這使得在實(shí)際應(yīng)用中仍有許多需求受限，如何完全實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制軟件全自主化，是我們下一步的主要工作和研究內(nèi)容。

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Quality Control Method Research of TH-01 Satellite Intermediate Products

ZHOU Xin1YANG Guopeng2YANG Junfeng1

（1 TH Satellite Center of China, Beijing 102102, China）

（2 State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China）

In order to meet different needs, the TH-01 satellite provides users with a series of various image products. TH-01 satellite intermediate products are sent to users in the form of rational polynomial confficients, mainly used for different surveying and mapping process. This form not only hides the sensor’s technical parameters, but also can get the same precision of rigorous geometrical model. To provide normative various level image products of high quality, especially the intermediate products is the important responsibility of space surveying and mapping. In this paper, the basic information and the intermediate products processing steps of TH-01 satellite are introduced and the stereo positioning method based on RPC models is given. A quality control method of detecting positioning accuracy based on VirtuoZo SAT software and RPC stereo positioning using three-line-array airborne imagery is brought forward, and quality control software is designed based on RPC model stereo position. Through TH-01 satellite’s experiment and practical application, this method can control quality of intermediate products effectively. The quality control software not only raisesquality control efficiency, but also controls product quality. The research result in this paper can provide reference to quality control of similar kinds surveying and mapping satellites, and establishes a technical base for follow-on TH satellite quality control automatization.

stereo positioning；rational polynomial confficients；intermediate products；TH-01 satellite application

P228

: A

: 1009-8518(2017)01-0069-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.010

周欣，女，1983年生，2010年獲信息工程大學(xué)信號處理專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師。研究方向?yàn)閿z影測量與遙感、圖像處理。E-mail: hnswallowfly@163.com。

（編輯：劉穎）

2016-03-16