北京一號小衛星全色影像正射糾正技術研究

王鵬生賀少帥

（石家莊鐵路職業技術學院1）河北石家莊 050041 二十一世紀空間技術應用股份有限公司2）北京 100096）

北京一號小衛星全色影像正射糾正技術研究

王鵬生1）賀少帥2）

（石家莊鐵路職業技術學院1）河北石家莊 050041 二十一世紀空間技術應用股份有限公司2）北京 100096）

北京一號小衛星 4米全色高分辨率影像在全國土地利用變更調查、北京市按季動態變化監測等遙感應用中得到了廣泛應用，但其正射影像生產技術方法國內外研究較少，為此，本文以覆蓋北京山區的3景不同側視角北京一號小衛星全色輻射校正影像為數據源，參考不同數量的地面控制點和不同分辨率的數字高程模型，對比分析有理多項式、通用推掃成像和直接線性變換模型的正射糾正精度，總結出了北京一號小衛星4米全色影像的正射糾正技術方法，其正射糾正影像滿足1︰2.5萬制圖比例尺平面位置精度的要求。

北京一號小衛星 正射糾正 精度評價

1 引言

北京一號小衛星自2005年10月27日在俄羅斯普列謝斯克（Plesetsk）成功發射以來，在軌運行狀態良好，獲取了近1000萬km2覆蓋我國及周邊地區的4米全色高分辨率遙感影像，在國內首次實現了自主民用高分辨衛星遙感影像在全國土地利用變更調查與核查和面向區域政府在土地、農業、林業、水務、城市管理等領域的遙感監測應用。數字正射影像（DOM）作為遙感監測的基礎性底圖，國內外遙感工作者對高分辨遙感影像的正射糾正進行了廣泛而深入的研究，總結出了針對SPOT-5、IRS-P5、IKONOS、QUICKBIRD、WORLDVIEW-I/II、GEOEYE-I等高分辨率影像采用嚴格物理模型、有理函數模型（RFM）、直接線性變換（DLT）的正射糾正方法[1]。北京一號小衛星作為商業化自主運營的高分辨率遙感小衛星，還沒有遙感工作者對北京一號小衛星高分辨率遙感影像的正射糾正進行系統分析和精度評價。

本文以多時相、不同側視角、覆蓋北京山區的北京一號小衛星 4米全色輻射校正影像為數據源，以高分辨率航空正射影像為參考影像，參考不同數量的地面控制點（GCPs）和不同精度的數字高程模型（DEM），以商業遙感圖像處理軟件（如 PCI、ERDAS）為生產平臺，對比分析通用推掃成像、有理函數和直接線性變換模型下的正射糾正精度，總結北京一號小衛星 4米全色影像正射糾正方法，為北京一號小衛星4米全色DOM生產提供技術參考。

2 BJ1全色相機介紹

北京一號小衛星全色相機由英國SIRA光電有限公司制造，采用線陣CCD推掃成像，在686公里的太陽同步軌道高度上獲取24公里幅寬的4米高分辨率全色影像，并具備繞衛星飛行方向±30°的側擺成像能力[2]。全色相機技術指標如表1所示：

表1 BJ1全色相機技術指標

由于北京一號小衛星側擺為整星側擺，雖然設計側擺能力為±30°，但為了確保小衛星在軌穩定運行和不因為側擺過大而降低影像地面分辨率，在實際運行中常采用不大于15°的衛星側擺來獲取影像。15°側擺成像時影像邊緣地面分辨率約為4.3米[3]。

3 正射糾正方法

目前，常用的高分辨率衛星影像正射糾正模型有嚴格物理成像模型、有理函數模型和直接線性變換模型等。理論研究和應用分析表明，嚴格物理模型具有最高的定位精度，但前提是需要已知傳感器技術參數和精確的衛星平臺軌道位置和姿態參數[4]。由于遙感衛星系統核心技術參數的復雜性及保密等原因，高分辨率遙感衛星幾乎不向用戶提供傳感器和衛星平臺的技術參數，多使用定位精度近似的數學模型來代替嚴格物理成像模型，或者是借助于GCPs和DEM來模擬衛星成像時的軌道和姿態參數，如有理函數模型和直接線性變換模型。在北京一號小衛星4米全色影像正射糾正中，由于無法獲取成像時高精度的衛星星歷和姿態參數，只能通過配置傳感器參數建立通用的推掃成像模型，參考 GCPs 和DEM來完成北京一號小衛星全色影像的正射糾正。

因此，可使用通用推掃式成像、有理函數和直接線性變換模型，參考GCPs和DEM完成北京一號小衛星4米全色影像正射糾正處理。此時，不同的糾正模型、不同數量GCPs和不同精度DEM決定了DOM平面位置精度。本文以PCI 9.1的通用推掃成像模型和有理函數模型以及ERDAS 9.1的直接線性變換模型作為正射糾正模型，參考高分辨率正射航空影像和不同格網大小的DEM，完成北京一號小衛星4米全色影像的正射糾正，并進行DOM平面位置精度評價。

4 試驗與精度評價

4.1 數據源選擇

選擇3景覆蓋北京密云山區的北京一號小衛星全色輻射校正影像作為試驗數據源，每景影像大小為6056行×6056列。該3景影像成像時間與側擺角如表2所示：

表2 試驗數據列表

影像覆蓋示意圖如圖1所示：

圖1 試驗全色影像覆蓋示意圖

本試驗分別采用PCI 9.1的通用推掃成像模型和有理函數模型，以及ERDAS 9.1的直接線性變換模型作為北京一號小衛星全色影像的正射糾正模型，影像數學基礎定義為TM投影和Krassovsky橢球體，參考2米分辨率航空正射影像和1︰1萬DEM、30米ASTER GDEM和90米SRTM DEM，進行北京一號小衛星全色影像的正射糾正處理。

4.2 正射糾正與精度分析

（1）不同GCP數量下平面精度分析

分別使用有理函數、通用推掃成像和直接線性變換模型，參考2米航空正射影像和1︰1萬DEM，分別以均勻分布的20、30、40、50、60個GCP點來正射糾正北京一號小衛星全色輻射校正影像，并參考2米航空正射影像使用20個檢查點來評價DOM平面位置精度。該航空正射影像滿足1︰1萬DOM制圖精度要求。不同糾正模型及不同GCP分布的均方根誤差如下表3。

表3 控制點數目及均方根誤差統計表

40 　1.8 50 　1.91 60 　1.98 20 　1.53 30 　1.51 4.77 40 　1.68 50 　1.8 60 　1.98 20 　1.41 30 　1.41 11.27 40 　1.46 50 　1.5 60 　1.46 20 　4.86 30 　4.93 -5.46 40 　4.72 50 　4.96 60 　5.12 20 　5.07 30 　4.92直接線性變換模型4.77 40 　4.83 50 　4.46 60 　4.21 20 　4.16 30 　4.23 11.27 40 　4.07 50 　4.16 60 　4.07

DOM平面位置精度檢查點位于山區高程變化相對平緩的村莊、道路、大壩等不變點，檢查點分布如圖2。

圖2 DOM平面位置精度檢查點分布示意圖

使用檢查點的平面位置中誤差來評價不同糾正模型和不同控制點分布下的 DOM平面位置精度。有理函數模型下的DOM平面位置精度檢查結果為：見表4、圖3所示。

表4 有理函數模型下的DOM平面位置精度檢查結果（單位：米）

圖3 不同數量GCPs分布的有理函數模型下的DOM平面位置精度

通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結果為：見表5、圖4所示。

表5 通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結果（單位：米）

圖4 不同數量GCPs分布的通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度

直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結果為：見表6、圖5所示。

表6 直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結果（單位：米）

圖5 不同數量GCPs分布的直接線性變換模型下的DOM平面位置精度

從DOM平面位置精度檢查來看，使用通用推掃模型生產的北京一號小衛星全色DOM精度最高，有理函數模型次之，直接線性變換模型的校正精度最差。從某個單一糾正模型來看，平面位置精度隨GCP的增多而提高。但為了兼顧生產效率和DOM平面位置精度，建議使用有理函數模型時，GCP數量宜為40～50個每景；使用通用推掃模型時，GCP數量宜為30～40個每景；使用直接線性變換模型時，GCP數量宜為50～60個每景。為了使得北京一號小衛星4米全色DOM滿足1︰2.5萬比例尺制圖精度的要求，建議優先使用通用推掃成像模型和有理函數模型進行正射糾正處理，且要求GCP均方根誤差控制在2個像元以內。

表7 有理函數模型下的DOM平面位置精度檢查結果（單位：米）

圖6 不同精度DEM的有理函數模型下的DOM平面位置精度

（2）不同格網DEM下的平面精度分析

參考2米航空正射影像采集均勻分布的40個控制點，分別使用有理函數模型和通用推掃成像模型，參考1︰1萬DEM、30米格網ASTER GDEM和90米SRTM進行正射糾正，并參考2米航空正射影像使用20個檢查點來評價DOM平面位置精度，分析不同精度DEM對正射糾正精度的影響。

有理函數模型下的DOM平面位置精度檢查結果為：見表7、圖6所示。

通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結果為：見表8、圖7所示。

表8 通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度檢查結果（單位：米）

圖7 不同格網DEM的通用推掃成像模型下的DOM平面位置精度

直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結果為：見表9、圖8所示。

表9 直接線性變換模型下的DOM平面位置精度檢查結果（單位：米）

圖8 不同精度DEM的直接線性變換模型下的DOM平面位置精度

從DOM平面位置精度檢查結果來看，DEM的高程精度對北京一號小衛星4米全色影像的正射糾正精度影響要以選擇合適的校正模型為前提，在選擇通用推掃模型和有理函數模型的情況下，提高DEM的高程精度可以明顯提高DOM平面位置精度。根據不同精度DEM的正射糾正精度來看，兼顧DOM平面位置精度和DEM數據的易獲取性，建議參考30米格網ASTER GDEM來完成北京一號小衛星4米全色影像的正射糾正處理。

5 結語

（1）山區影像的校正有其特殊性，除了要選擇合理的校正模型外，控制點是決定校正精度的最重要因素。山區影像，尤其是衛星側擺獲取的山區影像，較之平坦地區的影像以及垂直拍攝的山區影像相比，幾何畸變更加嚴重，有效的控制點難以選取，且很難做到控制點在影像范圍內均勻分布。因此，控制點要選擇影像中高程變化相對平緩的地區，如村莊、道路、大壩等不會因為拍攝角度以及高程變化而發生明顯變形的地物，避免將山脊、山谷等高程變化劇烈且受側擺影響嚴重的地物作為控制點。盡量多地選擇有效的控制點是保證北京一號小衛星4米全色DOM平面位置精度的有效途徑。

（2）對于北京一號小衛星來說，通用推掃式模型能有效的校正山區影像的變形。由于北京一號小衛星能以較大的側擺角進行拍攝，影像中的地物變形嚴重，直接線性變換模型無法體現側擺角的影響，因此校正精度較低。

（3）在選擇了合理的校正模型的情況下，使用較高分辨率的DEM可以大幅度提高糾正精度。宜采用30米格網ASTER GDEM作為正射糾正參考DEM。

（4）采用通用推掃式模型時，單景影像宜采集30～40個GCPs，采用有理函數模型時，單景影像宜采集40～50個GCPs，參考高精度正射影像和30米格網ASTER GDEM，進行北京一號小衛星4米全色影像正射糾正處理，其DOM平面位置精度滿足1︰2.5萬比例尺制圖平面精度要求。

[1]柴登峰,張登榮.高分辨率衛星影像幾何處理方法[M].杭州:浙江大學出版者,2007.8

[2]Surrey Satellite Technology LTD. China DMC+4 Satellite User Manual[R].2005

[3]陳正超.中國DMC小衛星在軌道測試技術研究[D].博士論文,中國科學院遙感應用研究所,2005

[4]張鵬強.線陣CCD遙感衛星影像目標精確定位技術研究與實踐[D].解放軍信息工程大學,2003

[5]TD/T 1014—2007.第二次全國土地調查技術規程[S].國土資源部,2007

Study on the Orthorectification Technology of BJ1 Small Satellite 4-metre Panchromatic Image

WANG Peng-sheng1)HE Shao-shuai2)
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)Shijiazhuang Hebei 050041 Twenty First Century Aerospace Technology Co.Ltd2)Beijing 10096 China)

The BJ1 small satellite 4-metre panchromatic image has been used in various remote sensing applications, such as the national land-use changes survey and the change detection in every quarter of Beijing city. But there is hardly any study on how to orthorectify BJ1 small satellite 4-metre panchromatic image. In this paper, taking three radiometric corrected images acquired in different off-track degree as example, the geometry rectification precision under the general push-broom, rational function and direct linear transform orthorectification model by using different number of GCPs and grid DEM is discussed. It is summarized that the geometry precision of the orthorectification method of BJ1 4-metre panchromatic image can meet the plane position accuracy requirement of 1:25000 scale mapping.

BJ1 small satellite orthorectification geometry precision assessment

中國分類號：P236A

1673-1816(2016)02-0081-08

2015-10-24

王鵬生（1985-），男，河北威縣人，碩士，研究方向攝影測量與遙感。