韓杰， 陶醉， 李慧娜， 苗寶亮， 石宏斌， 劉其悅

(1.許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，許昌 461000； 2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094； 3.許昌學(xué)院電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，許昌 461000； 4.中國人民解放軍96608部隊(duì)，洛陽 471000)

0 引言

我國高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)的建設(shè)，標(biāo)志著我國民用衛(wèi)星遙感技術(shù)真正跨進(jìn)了“高分辨率”時(shí)代，如何從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中高精度提取地理空間信息，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)問題之一[1-2]。作為衡量衛(wèi)星影像幾何質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，衛(wèi)星影像幾何定位精度一直是科研人員和普通用戶所關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)，它對(duì)衛(wèi)星影像制圖、地圖導(dǎo)航和影像分類等應(yīng)用服務(wù)至關(guān)重要。

高分四號(hào)(GF-4)衛(wèi)星是我國高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中的一顆靜止軌道衛(wèi)星，該衛(wèi)星具備多種成像模式(凝視模式、跟蹤模式、巡航模式、簽到模式、夜間模式)，可以向用戶提供極高時(shí)間分辨率(20 s重訪周期)、中等空間分辨率(星下點(diǎn)空間分辨率50 m)和大幅寬(可見光—近紅外通道/中波紅外通道幅寬約500 km/400 km)衛(wèi)星影像。該數(shù)據(jù)已為臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)察和大氣污染治理等研究提供了重要的數(shù)據(jù)輸入[3-5]。針對(duì)靜止衛(wèi)星成像特點(diǎn)，眾多研究學(xué)者已經(jīng)在其影像幾何定位研究領(lǐng)域開展了相關(guān)工作。王密等[6]針對(duì)GF-4衛(wèi)星靜止軌道面陣成像特點(diǎn)，構(gòu)建了其嚴(yán)格成像模型，開展了幾何定標(biāo)工作，并檢驗(yàn)定標(biāo)前后定位精度，分析得出其定位誤差可能與成像時(shí)間和成像角度有關(guān)； 徐文等[7]對(duì)GF-4衛(wèi)星輻射和幾何質(zhì)量進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)價(jià)，其中可見光—近紅外影像內(nèi)部畸變?cè)谘剀壓痛管壏较蚓鶅?yōu)于0.8個(gè)像素，影像平面定位誤差均值約為2 629.11 m，這些參數(shù)均滿足了衛(wèi)星研制總要求； 皮英冬等[8]提出了一種針對(duì)GF-4衛(wèi)星靜止軌道成像基高比較小的區(qū)域網(wǎng)平差方法，實(shí)現(xiàn)了在無控情況下，對(duì)衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差的處理，并分析了平差前后影像定位誤差，評(píng)價(jià)了多種像方補(bǔ)償模型的優(yōu)劣性； 韓杰等[9]采用仿真模擬的方法，基于GF-4衛(wèi)星嚴(yán)格成像模型，利用GF-4衛(wèi)星在軌真實(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合SRTM DEM數(shù)據(jù)，分析了仿真定位誤差特點(diǎn)，探討了仿真控制點(diǎn)對(duì)幾何檢校的影響，最后通過構(gòu)建的幾何檢校模型，實(shí)現(xiàn)了該衛(wèi)星高精度真實(shí)影像定位仿真模擬。

雖然上述研究已經(jīng)針對(duì)靜止軌道面陣成像衛(wèi)星，構(gòu)建了較為成熟的衛(wèi)星影像幾何定位精度評(píng)價(jià)體系，但是大多數(shù)研究?jī)H是對(duì)某一時(shí)刻的衛(wèi)星影像開展定位精度評(píng)價(jià)，而影像定位誤差是否與某些觀測(cè)因素有關(guān)，其幾何檢校參數(shù)是否隨在軌運(yùn)行時(shí)間有所變化，變化規(guī)律如何等問題都需要做進(jìn)一步的研究，這對(duì)于了解該類型衛(wèi)星影像幾何定位誤差來源，進(jìn)一步優(yōu)化成像模型，提高影像定位精度具有重要研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)研究結(jié)果證明Google Earth影像定位精度完全能夠滿足GF-4衛(wèi)星影像定位精度評(píng)價(jià)要求[6,10-11]。因此，本文以GF-4衛(wèi)星可見光—近紅外通道影像為例，基于Google Earth影像，首先對(duì)在軌測(cè)試期間和在軌測(cè)試后影像的幾何定位精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后分析太陽/衛(wèi)星觀測(cè)角及姿態(tài)角與幾何定位誤差之間的關(guān)系，最后探討衛(wèi)星姿態(tài)角/成像時(shí)間對(duì)相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的影響。

1 幾何定位精度評(píng)價(jià)

1.1 在軌測(cè)試期間定位精度評(píng)價(jià)

選取在軌測(cè)試期間(2016年3月21日)的4景GF-4衛(wèi)星影像(產(chǎn)品號(hào)108873，108872，108864和108868)，分別在GF-4和Google Earth影像上人工選取同名點(diǎn)，將其坐標(biāo)換算為UTM投影坐標(biāo)后，比較兩者物方投影坐標(biāo)的差異[12]。從圖1和表1中可以看出，以產(chǎn)品號(hào)108864和108868影像為例，影像內(nèi)部幾何定位誤差較大，但其誤差方向與誤差的大小近似，屬于系統(tǒng)誤差。其中4景影像N方向平均誤差約為4 591 m(約91個(gè)像素)，E方向平均誤差約為20 623 m(約412個(gè)像素)，平面平均誤差約為21 197 m(約423個(gè)像素)。圖1中縱橫坐標(biāo)分別為影像行列號(hào)，箭頭長(zhǎng)度為幾何定位誤差大小，箭頭指向?yàn)檎`差方向，下同。

(a) 產(chǎn)品號(hào)108864 (b) 產(chǎn)品號(hào)108868

圖1 在軌測(cè)試期間影像幾何定位誤差分布Fig.1 Error distribution of the commissioning phase period images表1 在軌測(cè)試期間的影像幾何定位誤差Tab.1 Geo-positional residuals of the commissioning phase period images (m)

1.2 在軌測(cè)試后定位精度評(píng)價(jià)

1.2.1 凝視成像影像定位精度分析

本研究選取了2016年11月12日北京地區(qū)GF-4衛(wèi)星凝視成像影像數(shù)據(jù)(成像時(shí)間為12:05—12：32，共24景),根據(jù)云層遮蓋情況，在GF-4和Google Earth影像上均勻選取6組相同的同名點(diǎn)對(duì)，分析幾何定位精度。圖2和圖3分別為凝視成像影像幾何定位誤差分布及平均平面幾何定位誤差大小。從圖2中可以看出，以產(chǎn)品號(hào)148866和148870影像為例，這2組凝視成像影像單景內(nèi)部幾何定位誤差與在軌測(cè)試期間影像不同，其誤差方向并不是朝向某一具體方向，而是大致以影像中心為原點(diǎn)，順時(shí)針方向出現(xiàn)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因需進(jìn)一步分析。本文取單景影像幾何定位誤差絕對(duì)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)凝視成像狀態(tài)下影像幾何定位精度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析。從圖3中可以看出，除個(gè)別影像外，其他影像平均平面幾何定位誤差大致相同。在此凝視過程中，定位穩(wěn)定性較好，其中平均平面誤差約為3 137 m(約62個(gè)像素)，標(biāo)準(zhǔn)差約為596 m(約11個(gè)像素)。

(a) 產(chǎn)品號(hào)148866 (b) 產(chǎn)品號(hào)148870

圖2 凝視成像影像幾何定位誤差分布

Fig.2Errordistributionofthestaringimagingimages

圖3 凝視成像影像平均平面幾何定位誤差Fig.3 Average geo-positional errors inplane of the staring imaging images

1.2.2 長(zhǎng)時(shí)間序列影像定位精度分析

以北京地區(qū)為研究區(qū)域，收集在軌測(cè)試后該區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列影像(成像時(shí)間為2016年6月18日—2016年11月15日，共32景)，根據(jù)每景影像云層分布特點(diǎn)，在GF-4和Google Earth影像上均勻選取同名點(diǎn)對(duì)，進(jìn)行定位精度分析。從圖4中可以看出，以產(chǎn)品號(hào)124308和124978影像為例，單景影像內(nèi)部幾何定位誤差出現(xiàn)按照順時(shí)針排列和方向一致這2種現(xiàn)象。同樣統(tǒng)計(jì)單景影像內(nèi)部平均平面幾何定位誤差后，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列影像幾何定位精度進(jìn)行分析(圖5)。從圖5中可以看出，影像幾何定位誤差波動(dòng)較為明顯，且部分影像誤差較大，平均平面誤差約為5 335 m(約106個(gè)像素)，標(biāo)準(zhǔn)差約為4 675 m(約93個(gè)像素)。因此，若要利用該衛(wèi)星影像進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列定量遙感研究，則需更加注意影像間的幾何定位問題。

(a) 產(chǎn)品號(hào)124308 (b) 產(chǎn)品號(hào)124978

圖4 長(zhǎng)時(shí)間序列影像幾何定位誤差分布

Fig.4Errordistributionofthelongtimesequenceimages

圖5 長(zhǎng)時(shí)間序列影像平均平面幾何定位誤差Fig.5 Average geo-positional errors in planeof the long time sequence images

2 幾何定位精度影響因素分析

2.1 幾何定位精度與太陽/衛(wèi)星觀測(cè)角度的關(guān)系

以北京地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列影像集為例，分析影像幾何定位誤差與太陽/衛(wèi)星觀測(cè)角度之間的關(guān)系(圖6)，其中太陽/衛(wèi)星觀測(cè)角度可以從影像XML文件中提取。從圖6可以看出，影像平均平面幾何定位誤差與太陽高度角/方位角和衛(wèi)星方位角/天頂角之間并不存在十分明顯的相關(guān)關(guān)系。

(a) 與太陽高度角之間的關(guān)系 (b) 與太陽方位角之間的關(guān)系

(c) 與衛(wèi)星方位角之間的關(guān)系 (d) 與衛(wèi)星天頂角之間的關(guān)系

圖6 幾何定位誤差與太陽/衛(wèi)星觀測(cè)角度的關(guān)系

Fig.6Relationshipsbetweenthegeo-positionalerrorsandtheobservationangleofthesatelliteandsun

2.2 幾何定位精度與衛(wèi)星姿態(tài)角的關(guān)系

由于GF-4衛(wèi)星位于赤道上空，其偏航角變化很小，因此本文僅分析影像定位精度與衛(wèi)星滾動(dòng)角和俯仰角之間的關(guān)系。選取2017年1月25日，青海—云南地區(qū)3景影像(產(chǎn)品號(hào)154607，154608和154621)用于分析衛(wèi)星滾動(dòng)角與幾何定位誤差之間的關(guān)系； 選取2017年7月11日，寧夏—渤海地區(qū)的5景影像(產(chǎn)品號(hào)168000，168001，168002，168003和168004)，用于分析衛(wèi)星俯仰角與幾何定位誤差之間的關(guān)系，其中衛(wèi)星姿態(tài)角信息可從影像XML文件中提取。從圖7中可以看出，隨著衛(wèi)星滾動(dòng)角減小/俯仰角增加，其幾何定位誤差逐步降低。

(a) 與衛(wèi)星滾動(dòng)角之間的關(guān)系 (b) 與衛(wèi)星俯仰角之間的關(guān)系

圖7 影像平均平面幾何定位誤差與衛(wèi)星姿態(tài)角的關(guān)系

Fig.7Relationshipsbetweenthegeo-positionalerrorsandthesatelliteattitudeangles

2.3 衛(wèi)星姿態(tài)角/成像時(shí)間與相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的關(guān)系

以往研究結(jié)果表明，受衛(wèi)星發(fā)射及發(fā)射后外界環(huán)境的影響，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的相機(jī)安裝角度會(huì)發(fā)生變化，使其不能直接用于高精度影像定位[12-13]。因此通常利用地面控制點(diǎn)對(duì)在軌運(yùn)行期間相機(jī)姿態(tài)角進(jìn)行檢校，獲取其補(bǔ)償參數(shù)后，對(duì)嚴(yán)格成像模型進(jìn)行優(yōu)化，提高影像直接定位精度。本文采用仿真模擬的方式，獲取相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)。首先，將利用影像有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)獲得的定位信息作為“真實(shí)值”[14]； 然后，基于GF-4衛(wèi)星多光譜相機(jī)嚴(yán)格幾何模型，結(jié)合在軌真實(shí)影像衛(wèi)星姿態(tài)角參數(shù)(可從XML文件中提取)，將獲得的定位信息作為“測(cè)量值”[15]； 最后，根據(jù)相機(jī)外檢校模型，獲取相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)，進(jìn)而分析衛(wèi)星姿態(tài)角/成像時(shí)間與相機(jī)姿態(tài)角補(bǔ)償參數(shù)之間的關(guān)系[6-7]。選取2017年11月24日中國西部地區(qū)的5景影像(產(chǎn)品號(hào)180416，180425， 180426，180435和180436)分析滾動(dòng)角的影響，選取2017年7月11日寧夏—渤海地區(qū)的5景影像(產(chǎn)品號(hào)168000，168001，168002，168003和168004)分析俯仰角的影響，選取北京地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列影像分析成像時(shí)間(按天和按小時(shí))的影響，結(jié)果如圖8—11所示。

(a) 與相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)的關(guān)系(b) 與相機(jī)姿態(tài)角(滾動(dòng)角)的關(guān)系(c) 與相機(jī)姿態(tài)角(偏航角)的關(guān)系

圖8 衛(wèi)星滾動(dòng)角與相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的關(guān)系

Fig.8Relationshipsbetweenthesatelliterollangleandthecompensationparametersofthecameraattitudeconstantangles

(a) 與相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)的關(guān)系(b) 與相機(jī)姿態(tài)角(滾動(dòng)角)的關(guān)系(c) 與相機(jī)姿態(tài)角(偏航角)的關(guān)系

圖9 衛(wèi)星俯仰角與相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的關(guān)系

Fig.9Relationshipsbetweenthesatellitepitchangleandthecompensationparametersofthecameraattitudeconstantangles

(a) 與相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)的關(guān)系(b) 與相機(jī)姿態(tài)角(滾動(dòng)角)的關(guān)系(c) 與相機(jī)姿態(tài)角(偏航角)的關(guān)系

圖10 衛(wèi)星成像時(shí)間(按天)與相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的關(guān)系

Fig.10Relationshipsbetweentheimagingtimebydayandthecompensationparametersofthecameraattitudeconstantangles

(a) 與相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)的關(guān)系(b) 與相機(jī)姿態(tài)角(滾動(dòng)角)的關(guān)系(c) 與相機(jī)姿態(tài)角(偏航角)的關(guān)系

圖11 衛(wèi)星成像時(shí)間(按小時(shí))與相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的關(guān)系

Fig.11Relationshipsbetweentheimagingtimebyhourandthecompensationparametersofthecameraattitudeconstantangles

從圖8可以看出，隨著衛(wèi)星滾動(dòng)角的增大，相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)的絕對(duì)值逐漸變小。從圖9可以看出，隨著衛(wèi)星俯仰角的增大，相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角和滾動(dòng)角)的絕對(duì)值逐漸變小，而相機(jī)姿態(tài)角(偏航角)逐漸變大。從圖10可以看出，相機(jī)姿態(tài)角(滾動(dòng)角和偏航角)相對(duì)于相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)而言更加穩(wěn)定一些，雖然前兩者在9月份之前有所波動(dòng)，但9月份以后變化幅度很小。另外，通過相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)與成像時(shí)間(按天)的關(guān)系可以看出，6，7，9，11月份，該角度均出現(xiàn)了“波峰”的現(xiàn)象，而在10月份出現(xiàn)了“波谷”的現(xiàn)象。從圖11可以看出，相機(jī)姿態(tài)角(俯仰角)與成像時(shí)間(按小時(shí))之間出現(xiàn)“波谷”現(xiàn)象，即先變小后增大； 對(duì)于相機(jī)姿態(tài)角(滾動(dòng)角)而言，整體上比較穩(wěn)定，但是可以發(fā)現(xiàn)，該補(bǔ)償角在某些時(shí)間點(diǎn)處，出現(xiàn)明顯的增加現(xiàn)象； 對(duì)于相機(jī)姿態(tài)角(偏航角)而言，在10：20—11：40之間非常穩(wěn)定，而在其他時(shí)間有所波動(dòng)。由于缺少零級(jí)數(shù)據(jù)支持，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的具體原因需進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

1)針對(duì)GF-4高軌靜止面陣相機(jī)特點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)了在軌測(cè)試前后及不同成像模式下(凝視成像和長(zhǎng)時(shí)間序列成像)，影像幾何定位誤差。

2)利用在軌真實(shí)數(shù)據(jù)，分析了太陽觀測(cè)角、衛(wèi)星觀測(cè)角/姿態(tài)角與幾何定位誤差之間的關(guān)系，探討了衛(wèi)星姿態(tài)角/成像時(shí)間與相機(jī)姿態(tài)角誤差補(bǔ)償參數(shù)之間的關(guān)系。

3)由于缺乏零級(jí)及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，本文只展示了在對(duì)幾何定位精度分析中出現(xiàn)的現(xiàn)象，而出現(xiàn)該現(xiàn)象的具體原因，則需進(jìn)一步分析。

志謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心為本文研究提供GF-4衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，感謝Google Earth為本文提供參考信息。