劉其悅,余 濤，高海亮，方 莉，董 文，孫 源

(中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

航天遙感技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)已廣泛、深入地應(yīng)用到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。近年來，隨著技術(shù)的快速進(jìn)步，不同類型、不同成像方式、不同空間分辨率的衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射上天，遙感數(shù)據(jù)源得到了進(jìn)一步豐富、用戶對(duì)遙感數(shù)據(jù)量的需求基本得到滿足。與此同時(shí)用戶對(duì)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。遙感影像產(chǎn)品的幾何質(zhì)量直接影響用戶的使用效果，甚至決定了遙感的應(yīng)用。然而，由于在衛(wèi)星發(fā)射過程中以及衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，受重力、大氣、機(jī)械磨損、地形等多方面因素的影響，衛(wèi)星傳感器的內(nèi)外方位元素不可避免隨時(shí)間而發(fā)生變化，導(dǎo)致衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)幾何質(zhì)量下降，難以滿足高精度應(yīng)用的需要。因此，對(duì)遙感衛(wèi)星幾何產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)，并及時(shí)修正衛(wèi)星傳感器參數(shù)成為一項(xiàng)十分重要的工作。尤其是標(biāo)準(zhǔn)化、流程化的遙感衛(wèi)星幾何產(chǎn)品的檢驗(yàn)，對(duì)提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)幾何產(chǎn)品質(zhì)量、進(jìn)一步促進(jìn)遙感數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用具有重要意義。

遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)是指通過將遙感產(chǎn)品的“計(jì)算值”與能夠代表地面目標(biāo)相對(duì)“真值”的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估遙感產(chǎn)品的精度[1-2]。國(guó)內(nèi)外在遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)方面已有諸多研究成果[3-5]，然而現(xiàn)有的遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)研究主要集中在植被參數(shù)、水體參數(shù)和陸表參數(shù)等遙感產(chǎn)品，針對(duì)遙感幾何產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)研究較少，尤其缺乏遙感幾何產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)相應(yīng)系統(tǒng)性理論、方法手段和標(biāo)準(zhǔn)流程等研究。本文以國(guó)家發(fā)改委 “國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施陸地觀測(cè)衛(wèi)星共性應(yīng)用支撐平臺(tái)”項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容——“遙感幾何產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化與流程化真實(shí)性檢驗(yàn)”為依托，參考其他遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)方法理論，在現(xiàn)有遙感衛(wèi)星幾何產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)研究相關(guān)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)，根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的來源，將遙感衛(wèi)星幾何產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)方法分為基于地基數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法和基于參考影像數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法；闡述了兩種方法的基本原理、操作步驟和流程、優(yōu)缺點(diǎn)以及研究現(xiàn)狀；并應(yīng)用基于參考影像數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法對(duì)國(guó)產(chǎn)GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)影像的幾何定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 遙感衛(wèi)星幾何產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)方法

1.1 基于地基數(shù)據(jù)的定位精度檢驗(yàn)方法

1.1.1 方法概述

基于地基數(shù)據(jù)的幾何產(chǎn)品定位精度檢驗(yàn)是指通過在地面采集獲取地面同名點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星影像幾何產(chǎn)品定位精度的檢驗(yàn)。地基數(shù)據(jù)主要可以通過兩種方式獲取。其一是利用幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x器通過人工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集的方式來獲取試驗(yàn)區(qū)目標(biāo)地物(同名點(diǎn))的幾何位置參數(shù)數(shù)據(jù)。其二是通過從試驗(yàn)區(qū)已有地形圖中通過人工刺點(diǎn)的方式獲取數(shù)據(jù)。

基于地基數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、獲取的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)精度高；缺點(diǎn)是如果采用人工測(cè)量的方式獲取檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，投入的人力、經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本較高，只適合在小區(qū)域范圍內(nèi)開展。

基于地基數(shù)據(jù)的幾何產(chǎn)品定位精度檢驗(yàn)方法是最常用的方法，相關(guān)研究人員采用地基數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星影像幾何定位精度進(jìn)行試驗(yàn)。如劉斌等通過外業(yè)差分GPS測(cè)量的方式，實(shí)地測(cè)量25個(gè)GPS點(diǎn)，在對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星幾何產(chǎn)品自帶的有理多項(xiàng)式系數(shù)(RPC)進(jìn)行精化、消除系統(tǒng)誤差的基礎(chǔ)上，開展了資源三號(hào)衛(wèi)星幾何產(chǎn)品定位精度驗(yàn)證與分析，實(shí)現(xiàn)了平面精度驗(yàn)證和高程精度驗(yàn)證[9]。王崇倡等通過在待檢驗(yàn)影像與地形圖中分別選擇15個(gè)檢查點(diǎn)(同名點(diǎn))，對(duì)QUICKBIRD全色影像的內(nèi)部平面精度和點(diǎn)位精度進(jìn)行了測(cè)定[10]。陳俊等通過獲取地面分布均勻的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)16景LANDSAT-5 TM數(shù)據(jù)的定位精度進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估[11]。石迎春等首先對(duì)QUICKBIRD影像進(jìn)行幾何精糾正，然后利用12幅1∶10 000地形圖數(shù)據(jù)和34個(gè)實(shí)測(cè)GCP點(diǎn)位數(shù)據(jù)，對(duì)幾何精糾正前后的QUICKBIRD影像定位精度進(jìn)行分析[12]。

1.1.2 操作步驟與流程

基于地基數(shù)據(jù)的幾何產(chǎn)品定位精度檢驗(yàn)操作步驟與流程如下：

1)收集數(shù)據(jù)。包括待檢驗(yàn)的幾何產(chǎn)品影像數(shù)據(jù)與地基數(shù)據(jù)：①待檢驗(yàn)幾何產(chǎn)品影像，要求試驗(yàn)區(qū)圖像清晰、質(zhì)量良好；②地基數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)采集地面控制點(diǎn)的GPS幾何參數(shù)或從地形圖中讀取。

2)選取同名點(diǎn)。從待檢驗(yàn)幾何產(chǎn)品影像中選擇同名點(diǎn)，并從剔除異常點(diǎn)后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)，或在地形圖上選擇對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)。同名點(diǎn)的選取原則是按從左到右、從上到下的順序均勻分布采集，并選取不隨時(shí)間、季節(jié)等因素改變的地物作為同名點(diǎn)，比如道路交叉點(diǎn)或建筑物拐角等。

3)計(jì)算待測(cè)試影像同名點(diǎn)的誤差D。

(1)

式中，ΔX=Xi-Xt，ΔY=Yi-Yt，其中Xi、Xt、Yi、Yt分別指待檢驗(yàn)幾何產(chǎn)品影像與地基數(shù)據(jù)中同名點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。

4)計(jì)算所有點(diǎn)誤差值的中誤差k，用其表示遙感衛(wèi)星影像的幾何定位精度。

(2)

式中，Di為第i個(gè)同名點(diǎn)的誤差值；n為同名點(diǎn)的數(shù)量。

基于地基數(shù)據(jù)的幾何產(chǎn)品定位精度檢驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 基于地基數(shù)據(jù)的幾何產(chǎn)品定位精度檢驗(yàn)流程

1.2 基于參考影像數(shù)據(jù)的定位精度檢驗(yàn)方法

1.2.1 方法概述

基于參考影像數(shù)據(jù)的定位精度檢驗(yàn)方法，是指在利用定位精度較高的參考影像數(shù)據(jù)作為替代數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢驗(yàn)衛(wèi)星影像幾何產(chǎn)品進(jìn)行定位精度的檢驗(yàn)。參考影像包括衛(wèi)星影像和航空影像。

在利用基于參考影像數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法進(jìn)行幾何產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)時(shí)，同名點(diǎn)的選擇可以通過兩種方式進(jìn)行，其一是可以直接在參考影像中選擇同名點(diǎn)，但要求參考影像自身具有較高的定位精度；其二是通過技術(shù)手段如幾何精校正對(duì)參考影像進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高其定位精度，從而提高同名點(diǎn)的精度。在對(duì)衛(wèi)星遙感定量產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)過程中，“真值”數(shù)據(jù)的精度十分重要，對(duì)檢驗(yàn)的結(jié)果起到至關(guān)重要的作用。因此，第2種方式對(duì)參考影像進(jìn)行技術(shù)處理可以進(jìn)一步提高“真值”的精度，從而使檢驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確、更具有說服力。基于參考影像數(shù)據(jù)的真實(shí)檢驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施成本低、投入少、操作簡(jiǎn)便、不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，可以進(jìn)行大范圍、多區(qū)域的檢驗(yàn)；不足之處在于真實(shí)性檢驗(yàn)結(jié)果受參考影像數(shù)據(jù)自身精度的影響較大。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用參考影像的幾何定位精度檢驗(yàn)方法開展了多方面工作。如劉楚斌等選擇國(guó)外幾何定位精度較高的WORLDVIEW影像作為控制數(shù)據(jù)對(duì)天繪一號(hào)衛(wèi)星RPC模型的定位精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)[13]。黃世存等使用基礎(chǔ)測(cè)繪1∶5萬(wàn)比例尺的數(shù)字正射影像(DOM)作為參考，測(cè)試了我國(guó)高分系列GF-1衛(wèi)星PMS相機(jī)PAN與MSS二級(jí)產(chǎn)品的幾何定位精度[14]。王文文等利用SOPT5精糾正數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)源，對(duì)我國(guó)和巴西合作的第3顆資源衛(wèi)星資源一號(hào)02B衛(wèi)星的影像開展了幾何評(píng)價(jià)[15]。

1.2.2 操作步驟與流程

基于參考影像數(shù)據(jù)的定位精度檢驗(yàn)方法與基于地基數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法相比，只是獲取同名點(diǎn)數(shù)據(jù)的途徑不同，其他的檢驗(yàn)步驟基本一致。

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：包括待檢驗(yàn)的幾何產(chǎn)品影像數(shù)據(jù)與參考影像數(shù)據(jù)。①待檢驗(yàn)幾何產(chǎn)品影像：要求試驗(yàn)區(qū)圖像清晰、質(zhì)量良好；②參考影像數(shù)據(jù)：要求定位精度高、目視清晰且成像質(zhì)量高。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理：主要包括參考影像數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換，使待檢驗(yàn)影像與參考影像的投影方式一致。此外，航空影像數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接、勻色、幾何校正等處理。

3)選取同名點(diǎn)：按照同名點(diǎn)選擇原則，分別在待檢驗(yàn)幾何產(chǎn)品影像與參考影像中選擇同名點(diǎn)。

4)此步驟與基于地基數(shù)據(jù)的定位精度檢驗(yàn)方法的步驟3)、步驟4)一致，不再詳述。

2 GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)影像幾何定位精度真實(shí)性檢驗(yàn)

“高分一號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)國(guó)家科技重大專項(xiàng)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)首顆衛(wèi)星，于2013-04-26中午在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，同時(shí)搭載了4臺(tái)WFV相機(jī)和2臺(tái)PMS相機(jī)。自發(fā)射至今在軌運(yùn)行已超過4年，對(duì)其影像的定位精度開展長(zhǎng)時(shí)間真實(shí)性檢驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

以北京地區(qū)為研究區(qū)域，分別收集了GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)影像數(shù)據(jù)與參考影像數(shù)據(jù)。

1)GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)影像數(shù)據(jù)。在剔除云遮蓋影響以及異常數(shù)據(jù)后，共收集了自2013年發(fā)射至2016年底北京地區(qū)GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)影像共33景。

2)參考影像數(shù)據(jù)。本文選擇中國(guó)資源三號(hào)(ZY-3)測(cè)繪衛(wèi)星影像作為參考數(shù)據(jù)。ZY-3衛(wèi)星影像具有較高的定位精度[6][16]，用途廣泛[15]。本文選取2014-01-21北京地區(qū)同一軌道相鄰的兩幅正視傳感器校正產(chǎn)品作為參考影像。

3)預(yù)處理。由于獲取的WFV1相機(jī)數(shù)據(jù)是1級(jí)產(chǎn)品(相對(duì)輻射校正產(chǎn)品)，并沒有進(jìn)行系統(tǒng)幾何校正。因此，在選擇同名點(diǎn)之前，利用WFV1數(shù)據(jù)包中附帶的RPB文件中的RPC參數(shù)，基于有理函數(shù)模型(RFM)對(duì)WFV1數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)幾何校正。

4)同名點(diǎn)選擇。通過目視解譯的方式，在ZY-3影像數(shù)據(jù)與WFV1影像中選擇同名點(diǎn)。同名點(diǎn)的選取原則是按從左到右、從上到下的順序均勻分布采集。并且要求選取不隨時(shí)間、季節(jié)等因素改變的地物，如道路交叉點(diǎn)或建筑物拐角等。為了保持一致性，要求每景影像中同名點(diǎn)數(shù)量不少于8個(gè)，最多不超過10個(gè)。

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

取每景影像同名點(diǎn)定位的相對(duì)偏移量均值進(jìn)行時(shí)間序列的分析。從圖2中可以看出，GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)的幾何定位相對(duì)偏移量隨在軌時(shí)間而不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)出先升高后下降、最后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。表1列出了WFV1相機(jī)4年中的幾何定位相對(duì)偏移量年度均值，分別為35.77 m、123.57 m、53.12 m、47.29 m。2014年相對(duì)偏移量最高，2015年、2016年比較接近。在2013年，WFV1相機(jī)的相對(duì)偏移量先升高后降低，原因是在2013年底，衛(wèi)星完成了在軌調(diào)試之后，優(yōu)化調(diào)整了衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)，降低了相機(jī)系統(tǒng)誤差；在2014年，相機(jī)的相對(duì)偏移量逐漸升高，并達(dá)到4年中最大值168.96 m，說明相機(jī)受多重因素影響，幾何性能出現(xiàn)衰減，且衰減幅度較大，導(dǎo)致衛(wèi)星幾何相對(duì)偏移量較大；在2015年，相機(jī)的相對(duì)偏移量逐漸下降，一直到2016年，WFV相機(jī)的幾何定位相對(duì)偏移量雖然有起伏，但整體上變化不大，穩(wěn)定在80 m以內(nèi)，通過初步分析，原因是衛(wèi)星運(yùn)行部門對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行了在軌幾何檢校，重新優(yōu)化調(diào)整了衛(wèi)星的系統(tǒng)參數(shù)，降低了衛(wèi)星系統(tǒng)誤差，從而降低了幾何相對(duì)偏移量。

圖2 北京地區(qū)GF-1 WFV1相機(jī)幾何定位精度真實(shí)性檢驗(yàn)結(jié)果

表1 GF-1 WFV1相機(jī)定位精度年度變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3顯示了每景WFV1相機(jī)影像的幾何定位偏移特性，圖中箭頭的指向?yàn)槠品较颉⒓^的長(zhǎng)度為偏移量大小。從圖3中可以看出，WFV1相機(jī)幾何定位偏移方向都不是固定的，并沒有明顯的規(guī)律；但偏向東北與東南的影像數(shù)量明顯較多。可能是受相機(jī)安裝角、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化等影響導(dǎo)致，具體原因有待進(jìn)一步研究核實(shí)。

3 總結(jié)與展望

介紹了兩種遙感衛(wèi)星幾何產(chǎn)品定位精度真實(shí)性檢驗(yàn)方法。并應(yīng)用基于參考影像數(shù)據(jù)的方法對(duì)我國(guó)GF-1 WFV1相機(jī)影像幾何定位精度進(jìn)行了檢驗(yàn)?？偨Y(jié)如下：

1)針對(duì)目前遙感幾何產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)研究理論、方法和流程較少的現(xiàn)狀，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，首次從檢驗(yàn)數(shù)據(jù)源的角度將遙感幾何產(chǎn)品的檢驗(yàn)方法分為基于地基數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法和基于參考影像數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法，對(duì)將來相關(guān)的研究具有參考意義。

圖3 北京地區(qū)GF-1 WFV1相機(jī)幾何定位偏移方向統(tǒng)計(jì)圖

2)本文以ZY-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)北京地區(qū)GF-1衛(wèi)星WFV1相機(jī)系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的定位精度進(jìn)行了檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，WFV1相機(jī)相對(duì)偏移量以及偏移方向隨衛(wèi)星在軌時(shí)間而不斷發(fā)生變化， 相對(duì)偏移量呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)，最大值為168.96 m；偏移方向主要偏向東北與東南方向。

3)由于試驗(yàn)區(qū)域覆蓋面積較小、數(shù)據(jù)量少，檢驗(yàn)結(jié)果只能代表GF-1衛(wèi)星該試驗(yàn)區(qū)的定位精度，難以全面代表GF-1 WFV1相機(jī)的定位水平。今后將加強(qiáng)高、低緯度區(qū)域、覆蓋多地形的定位精度檢驗(yàn)研究。