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(lái),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(guò)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(guò)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(lái)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)。
1.1.1 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(guò)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(guò)兩種方式獲取。其一是利用幾何參數(shù)測(cè)量?jī)x器通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集的方式來(lái)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(guò)從試驗(yàn)區(qū)已有地形圖中通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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
1.2.1 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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)服力?;趨⒖加跋駭?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。
“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(guò)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。
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(méi)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(guò)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(guò)10個(gè)。
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(shuō)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(guò)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?、箭頭的長(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(méi)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)。
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(lái)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。