WorldView-3衛星成像模式介紹及數據質量初步評價

李國元，胡 芬，張重陽，3，高小明，陳 晨

(1．武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢430079;2．國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，

北京100048;3．北京國測星繪信息技術有限公司，北京100048)

近年來，國際上亞米級分辨率的商業光學遙感測繪衛星發展迅猛，影像分辨率、定位精度和數據獲取能力不斷增強。2007年，國外新一代優于0．5 m幾何分辨率的遙感衛星WordView-1發射成功后，GeoEye-1、WorldView-2、Pleiades 1A/1B也相繼發射，其無控定位精度基本達到了優于5．0 m的水平［1］。而2014年8月13日，美國Digital Global公司更是成功發射了目前幾何分辨率最高的WorldView-3衛星［2］，其星下點最高分辨率達0．31 m，預示高分辨率遙感衛星正逐步進入到可與機載航空攝影測量相抗衡的新時代，也給世界遙感市場帶來了全新的機遇和挑戰。如果將0．5～1．0 m分辨率稱為亞米級高分辨率遙感衛星，則優于0．5 m分辨率可稱為分米級高分辨率遙感衛星。

隨著我國經濟的高速發展，地理信息產業已經成為國民經濟新的增長點，對高分辨率遙感影像的需求異常迫切。近年來，地理國情監測、智慧城市構建、不動產登記、“一帶一路”、大比例尺基礎測繪對高分辨率遙感影像的應用需求更是呈現出規?；l展態勢。航空攝影技術手段由于存在作業成本高、周期長、受制于地域條件和天氣條件等因素，無法滿足全球范圍內大面積覆蓋、高分辨率光學遙感影像快速實時獲取的需要。而亞米級、分米級遙感衛星的出現正好可以彌補航空攝影測量這方面的不足。雖然資源三號衛星(ZY-3)實現了我國高分辨率遙感衛星高精度測圖的突破［3-5］，但與國際先進水平相比，我國民用光學測繪衛星仍有較大差距。在這種背景下，探討以WorldView-3衛星為代表的高分辨率光學遙感衛星成像模式，開展初步的數據處理及質量評價，可為后續國產分米級超高分辨率測繪衛星設計與指標論證提供借鑒和參考［6］。

一、WorldView-3衛星測繪體制

1．衛星基本參數信息

WorldView-3除了分辨率有很大提升外，在波段方面除采用WorldView-2的8個多光譜譜段外，還額外增加了8個短波紅外(short wave infrared，SWIR)波段和用于大氣校正的12個云、氣溶膠、水汽和冰雪(cloud，aerosol，water vapour，ice and snow，CAVIS)波段，總的光譜數量達到28個，基本可與高光譜遙感衛星媲美。而且WorldView-3具有高度的機動敏捷性，可以在12 s內實現衛星指向位置變化200 km，其數據采集能力更是達到每天680 000 km2，其與WorldView-1、2的基本參數對比見表1。

2．主要成像模式

WorldView-3衛星除有高精度成像性能，還通過配置大力矩執行部件，使衛星平臺具備大范圍快速姿態機動且迅速穩定的能力，利用單臺相機快速重定向，即可實現包括同軌多個熱點目標定制成像、同軌大區域目標多條帶拼接成像和同軌同一目標多視角立體成像等多種成像模式［8］。高敏捷性使衛星觀測范圍增大、重訪周期縮短，豐富了衛星工作模式，提高了衛星應用效能。

表1 WorldView系列衛星參數對比［2，7］

WorldView-3衛星能連續推掃獲取360 km的長條帶影像，也可通過姿態機動連續不重復地推掃地面區域，獲得大幅寬的同軌拼接條帶影像。如圖1所示，盡管相機幅寬只有13．1 km，但在沿軌方向WorldView-3衛星可實現連續5次前后擺掃，且每次擺掃在垂軌方向可以實現無縫拼接，最終獲取66．5 km×112 km連續覆蓋區域的影像，66．5 km的幅寬甚至優于目前2 m左右分辨率量級的SPOT-5、ZY-3等中等比例尺測圖衛星的幅寬。

圖1 同軌大幅寬拼接成像

靈活的立體成像方式也是WorldView-3衛星的特點之一。單線陣敏捷立體成像方式主要包括同軌多角度立體成像和同軌兩立體拼接成像兩種，如圖2和圖3所示。前者是利用衛星俯仰軸的姿態機動來實現同軌2次或2次以上對同一地物(成像區域)不同角度觀測。后者是指衛星完成一個立體條帶推掃后，在衛星繼續飛行過程中立即進行俯仰方向的反向機動，同時通過一定角度的側擺將衛星指向平移約一個幅寬的距離，使得后一次推掃的立體條帶與前一次推掃的立體條帶相鄰，從而達到增大立體幅寬的目的。WorldView-3衛星具備同軌兩立體拼接成像模式，能有效提高立體影像獲取效率，緩解了分米級超高分辨率立體影像幅寬受限的技術難題。

圖2 同軌多角度立體成像(四角度立體)

圖3 同軌立體拼接成像(兩立體拼接)

3．幾何定位模型與數據產品分級

WorldView-3繼續沿用目前高分辨率衛星影像通用的有理函數模型(rational function model，RFM)［9-11］，隨影像產品一起分發的是標準的RPC(rational polynomial coefficients)文件(后綴為“RPB”)，包含80個有理多項式系數。單幅World-View-3衛星影像的Basic級產品資料包含TIFF格式的影像文件和RPB格式的空間定位文件。RFM模型是將像方影像坐標c，( )r表示為以相應物方地面三維空間坐標(φ，λ，H)(其中φ為緯度，λ為經度，H為高程)為自變量的多項式的比值

WorldView-3的數據產品分為3種:Basic級、Ortho Ready Standard級和Standard級［2］。其中，Basic級為經過輻射校正和傳感器畸變改正后的產品，同時提供標準的RPB文件;Basic級類似于ZY-3的SC(Sensor Correction)產品和SPOT-5的Level-1A產品;Ortho Ready Standard級是Basic級影像采用RPC進行平均高程面重投影后的帶地理坐標的產品，該產品也提供了標準的RPB文件，用戶可以在此基礎上繼續采用控制點和DEM數據進行正射影像糾正。Standard級產品與Ortho Ready Standard級產品不同之處在于，Standard級影像采用GTOPO30 DEM進行地圖投影處理，用戶將無法采用控制點及DEM數據進行高精度的正射糾正處理，該產品主要提供給無需高精度影像幾何定位的用戶。

二、全色多光譜影像融合及其質量評價

1．試驗數據

為了評價WorldView-3衛星全色多光譜影像融合效果，本文選取了北京攬宇方圓公司免費提供的一組試用示例數據，影像覆蓋北京通州某地區，基本信息見表2。

表2 試驗數據基本情況

2．影像融合效果初步分析

首先選擇多光譜影像8波段中的第5、3、2波段對應的紅、綠、藍通道，與全色影像采用Pan-Sharpen融合算法進行影像融合［11-12］，然后選取了道路、建筑物、水系、植被、運動場等典型區域進行了融合效果分析。圖4(a)—(d)每一幅圖的左側為0．31 m全色影像，中間為1．24 m的多光譜影像(5、3、2波段組合)，右側為采用Pan-Sharpen算法融合后分辨率為0．31 m的多光譜影像。從圖4(a)中可以明顯看出，融合后車道上的箭頭、分隔線都清晰可見，道路上小汽車的顏色、大小都可很直觀地辨認;圖4(b)融合后的圖清晰顯示了建筑物屋頂的顏色，甚至細小紋理;圖4(c)融合后的單木樹的大小，顏色清晰可辨;圖4(d)融合后的籃球場投籃區、籃球架位置，甚至籃筐、路邊的電線桿都可以直觀辨認出來。

圖4 影像融合效果

三、立體影像幾何定位精度評價

1．試驗數據

為評價WorldView-3立體影像的幾何定位精度，訂購獲取了山東濰坊試驗區的立體影像數據，數據基本參數見表3。由于在購買數據時，美國政府尚未允許商業公司出售分辨率優于0．5 m的遙感影像數據，因此該數據是由原始分辨率為0．31 m的影像重采樣之后得到的0．5 m分辨率影像。該地區為丘陵地形，海拔高度范圍為200～450 m，面積約為324 km2。整個試驗區由8幅影像構成4個立體模型。根據每幅影像對應的RPB文件可以計算得到地面投影范圍，如圖5所示，對于單個立體模型，影像重疊度接近100%，相鄰立體模型在沿軌和垂軌方向上有一定重疊，不僅保證了對試驗區的無縫立體覆蓋，還有利于實現基于RFM模型的試驗區影像整體區域網平差定向［13-14］，進而展開對影像幾何定位精度分析及后續測圖產品的生產。

表3 試驗數據基本情況

在該試驗區內采集了19個GPS外業控制點，控制點精度優于0．1 m，并在高分辨率航空DOM影像圖上標注了位置，以便于在WorldView-3影像上選取控制點，如圖5所示。

圖5 同一區域控制點與WorldView-3影像對照示意圖

2．幾何定位精度評價

針對山東濰坊地區的WorldView-3全色立體影像，分別采用完全無控、1個平高控制點、4個平高控制點、5個平高控制點4種平差模式進行對比分析。平差模型采用經典的有理函數模型加像方改正，完全無控時采用的是自由網平差，1個平高點時采用的是像方平移改正模型，4個或5個平高控制點時采用的是像方仿射變換改正模型。控制點與檢查點的分布如圖6所示，GCP為地面控制點，CP為檢查點。

對無控、1個控制、4個控制、5個控制的平差結果均采用剩下的檢查點(即分別為19個、18個、15個、14個)的殘差進行統計，檢查點殘差的統計結果見表4。從表4中可以明顯看出，WorldView-3的立體影像在山東濰坊地區的無控定位精度優于設計指標3．5 m，其無控平面定位精度達到1．8 m，高程精度達0．9 m。在分別加入1個、4個和5個平高控制點后，其精度有所提高，其中加入1個平高控制點后平面精度可提高到1．23 m，高程精度可到0．67 m，繼續加入控制點后精度有所提高，但不是特別明顯。綜合考慮試驗區地面控制點本身的誤差、影像點測量誤差以及試驗影像被重采樣為0．5 m等因素，可以推斷0．31 m原始分辨率的WorldView-3的幾何精度在有控情況下平面優于1 m，高程優于0．5 m。

圖6 山東濰坊地區控制點與檢查點分布

四、總結與展望

WorldView-3是目前幾何分辨率最高的商業遙感衛星，本文對其全色和多光譜融合后的影像質量及立體影像幾何定位精度進行了初步評價。從北京某區域的WorldView-3融合影像可以清晰地分辨出道路上的指示箭頭、單棵樹木、建筑物上的紋理等信息，而且第5、3、2波段組合后的真彩色影像色彩鮮艷，總體質量與目前的航空影像相差不遠。此外，選取山東濰坊地區經重采樣為0．5 m的全色立體影像進行幾何精度評價，統計結果表明，World-View-3的無控定位精度優于其設計指標3．5 m，在少量控制點情況下，其平面精度優于1．0 m、高程優于0．5 m，完全可以用于1∶5000甚至更大比例尺的立體測圖。

與WorldView-2相比，WorldView-3還多了8個SWIR波段和12個CAVIS波段，SWIR可用于森林火災監測、農作物估產、礦產調查、影像分類等，而CAVIS的使用則可顯著提高大氣校正質量，這些應用效果還有待后續深入研究和挖掘。目前，國產高分辨率遙感衛星的發展突飛猛進，已經取得了很大的成就，但離WorldView-3的水平還有一定差距，如何瞄準WorldView-3等超高分辨率衛星進行趕超，是廣大測繪遙感科技工作者需要迫切考慮的問題。

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