CBERS-04星PAN/MUX圖像幾何定位精度評(píng)價(jià)

魏丹丹，甘甫平，尚　坤，梁樹(shù)能，何　嬌

(1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0　引言

近年來(lái)由于遙感技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，通過(guò)遙感圖像可以獲得越來(lái)越多的信息[1]。例如，通過(guò)遙感圖像，可以測(cè)制地形圖[2]，為國(guó)土資源、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等領(lǐng)域提供服務(wù)[3]。但由于各種因素，如平臺(tái)位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化和地球的曲率等因素造成的誤差影響圖像的幾何定位精度[4]，造成圖像幾何質(zhì)量下降[5]。因此，對(duì)遙感圖像幾何定位精度的評(píng)價(jià)成為遙感領(lǐng)域的重要研究課題之一[6]。

地面接收單位接收遙感數(shù)據(jù)后首先對(duì)遙感平臺(tái)、地球傳感器的各種參數(shù)進(jìn)行處理和校正，但仍不能滿足用戶的需求，對(duì)于處理過(guò)的圖像還要進(jìn)行進(jìn)一步的幾何校正和輻射校正；即使對(duì)接收到的遙感圖像進(jìn)行了一系列校正，但在定位和定量精度方面仍存在一定的誤差，這就需要對(duì)該誤差進(jìn)行衡量、計(jì)算，這就使得定位精度成為衡量遙感圖像應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)之一。因此，為能夠給用戶提供更優(yōu)質(zhì)的遙感圖像，必須研究圖像的定位精度[7]和變形情況[8]。本文從用戶應(yīng)用角度出發(fā)結(jié)合在軌測(cè)試工作，對(duì)圖像幾何定位精度開(kāi)展評(píng)價(jià)。

圖像外部幾何定位精度是指圖像在地理參考坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置精度[9]，也指經(jīng)過(guò)系統(tǒng)幾何校正后的圖像上的地理位置和真實(shí)地理位置之間的差異[10]。圖像的內(nèi)部幾何變形包括長(zhǎng)度、角度及放射變形等，圖像內(nèi)部幾何定位精度的評(píng)價(jià)包括圖像變形的絕對(duì)量評(píng)價(jià)[11]和整幅圖像變形的一致性評(píng)價(jià)[12]。

CEBRS-04星是中巴資源04號(hào)陸地觀測(cè)衛(wèi)星，其上搭載有5 m全色(簡(jiǎn)稱P5)、10 m空間分辨率多光譜相機(jī)(P10)、20 m多光譜相機(jī)和紅外多光譜相機(jī)，寬視場(chǎng)成像儀5個(gè)載荷，本文主要針對(duì)5 m全色相機(jī)和10 m多光譜相機(jī)。

1　圖像定位精度評(píng)價(jià)

根據(jù)行業(yè)應(yīng)用要求，本文主要以遙感影像平面制作規(guī)范(GB/T 15968—2008)、數(shù)字地形圖系列和基本要求(GB/T 18315—2001)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10 000、1∶50 000數(shù)字影像圖(CH/T 1009—2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范為參考。

圖像基本幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)包括全色多光譜相對(duì)配準(zhǔn)精度[13]和圖像定位精度方面的評(píng)價(jià)[14]。具體來(lái)看主要包括：P5與P10影像范圍一致性、P5和P10影像間波段匹配精度評(píng)價(jià)以及無(wú)控制點(diǎn)的RPC處理圖像定位精度評(píng)價(jià)[15]。

根據(jù)遙感圖像像點(diǎn)位移規(guī)律[16-17]，通過(guò)比較控制點(diǎn)坐標(biāo)值(基準(zhǔn)圖幅匹配)和圖像上量算值的偏差，分別評(píng)價(jià)X方向和Y方向平均誤差，研究不同遙感圖像、不同地形地物類別的幾何精度。地形地物類別選取平地、丘陵和山地3種地區(qū)[18]。

采用5 m全色影像、已有的實(shí)測(cè)高精度幾何控制點(diǎn)以及Worldview-2正射校正影像為基礎(chǔ)，選取待校正影像和基礎(chǔ)底圖上均有的同名明顯特征地物點(diǎn)為控制點(diǎn)。對(duì)10 m多光譜影像進(jìn)行幾何校正。校正單元選取整個(gè)單相機(jī)影像，控制點(diǎn)均勻分布，根據(jù)地形需要，適當(dāng)確定控制點(diǎn)數(shù)量。

將波段匹配像元錯(cuò)位數(shù)、影像圖X、Y方向平均誤差、區(qū)域定位平均誤差等作為評(píng)價(jià)圖像定位精度優(yōu)劣的指標(biāo)。

2　測(cè)試評(píng)價(jià)分析

本文選取新疆哈密與云南東川區(qū)域作為評(píng)價(jià)示范區(qū)，選取該區(qū)域CEBRS-04星5 m全色和10 m多光譜影像數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)所用數(shù)據(jù)，此外還有實(shí)測(cè)大比例尺幾何控制點(diǎn)、0.5 m分辨率Worldview-2正射影像和Google earth影像數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)。

2.1　P5與P10影像范圍一致性

選取新疆哈密、云南東川PMS數(shù)據(jù)，以P5影像為基準(zhǔn)對(duì)P10影像進(jìn)行配準(zhǔn)并套合，檢查配準(zhǔn)后P5與P10影像的范圍一致性。經(jīng)檢查，P5與P10影像的范圍基本一致，如圖1所示。

(a)　新疆哈密P5與P10影像范圍

(b)　云南測(cè)試區(qū)一P5與P10影像范圍

(c)　云南測(cè)試區(qū)二P5與P10影像范圍圖1　測(cè)試區(qū)影像范圍

2.2　P5和P10影像間波段匹配精度評(píng)價(jià)

從各測(cè)試區(qū)的影像來(lái)看，單相機(jī)多光譜數(shù)據(jù)各波段間匹配精度非常高，不存在波段不匹配情況，進(jìn)行彩色合成之后不存在錯(cuò)位、重影等現(xiàn)象。

為定量描述P5與P10影像各波段間配準(zhǔn)情況，對(duì)測(cè)試區(qū)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析。針對(duì)尾號(hào)為8004的P10多光譜數(shù)據(jù)，以P5數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)P5和P10手工選擇了11個(gè)檢查點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果表明：所有檢查點(diǎn)X方向殘差平均值為0.000 623像元，Y方向殘差平均值為0.003 387像元，平面方向殘差平均值為0.007 707像元。在采用一次多項(xiàng)式計(jì)算模型下，P5和P10檢查點(diǎn)RMS為0.766 816像元，在二次多項(xiàng)式計(jì)算模型下，P5和P10檢查點(diǎn)RMS為0.015 735像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目視檢查如圖2所示。

圖2　新疆哈密測(cè)試區(qū)P5、P10波段匹配精度檢查結(jié)果

云南測(cè)試區(qū)一的P10多光譜數(shù)據(jù)中，以P5和P10為例，對(duì)P5和P10手工選擇了9個(gè)檢查點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果表明：所有檢查點(diǎn)X方向殘差平均值為0.005 005像元，Y方向殘差平均值為0.000 03像元，平面方向殘差平均值為0.005像元。P5和P10檢查點(diǎn)RMS為0.378像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目視檢查如圖3所示。

圖3　云南測(cè)試區(qū)一P5與P10波段匹配精度目視結(jié)果

云南測(cè)試區(qū)二的P10多光譜數(shù)據(jù)中，以P5和P10為例，對(duì)P5和P10手工選擇了8個(gè)檢查點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果表明：所有檢查點(diǎn)X方向殘差平均值為0.000 24像元，Y方向殘差平均值為0.004 58像元，平面方向殘差平均值為0.004 507像元，P5和P10檢查點(diǎn)RMS為0.288像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目視檢查如圖4所示。

圖4　云南測(cè)試區(qū)二P5與P10波段匹配精度目視結(jié)果

新疆哈密測(cè)試區(qū)P5與P10波段匹配精度檢查表如圖5所示，云南測(cè)試區(qū)一P5與P10波段匹配精度檢查表如圖6所示，云南測(cè)試區(qū)二P5與P10波段匹配精度檢查表如圖7所示。

圖5　新疆哈密測(cè)試區(qū)P5與P10波段匹配精度檢查表

圖6　云南測(cè)試區(qū)一P5與P10波段匹配精度檢查表

圖7　云南測(cè)試區(qū)二P5與P10波段匹配精度檢查表

2.3　無(wú)控制點(diǎn)的RPC處理圖像定位分析評(píng)價(jià)

主要是利用新疆哈密試驗(yàn)場(chǎng)示范區(qū)黑山口幅系統(tǒng)幾何校正后的2級(jí)產(chǎn)品P5全色和P10多光譜影像數(shù)據(jù)，并以野外實(shí)測(cè)的42個(gè)控制點(diǎn)和利用實(shí)測(cè)控制點(diǎn)生產(chǎn)的Worldview-2正射影像為基礎(chǔ)底圖，進(jìn)行CBERS-04衛(wèi)星P5全色和P10多光譜影像數(shù)據(jù)的幾何精度初步評(píng)價(jià)。具體的幾何比對(duì)如表1所示。

表1　影像坐標(biāo)與實(shí)測(cè)幾何標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比　(s)

經(jīng)查詢相關(guān)資料，在新疆哈密試驗(yàn)場(chǎng)示范區(qū)范圍內(nèi)(42°10′～42°20′ N、94°45′～95°00″ E)，緯度1″≈30.8 m，經(jīng)度1″≈23.05 m，把表1中的單位轉(zhuǎn)換為m并取絕對(duì)值后，如表2所示。

由表1和表2可看出，CBERS-04星同名點(diǎn)影像坐標(biāo)與野外實(shí)測(cè)坐標(biāo)相比較：

表2　影像坐標(biāo)與實(shí)測(cè)幾何標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比　(m)

① P5全色影像在緯度方向上相差0.038"～0.74"，約11.7～22.79 m，平均約17.56 m；在經(jīng)度方向上相差3.24"～4.44"，約74.68～102.34 m，平均約93.05 m；點(diǎn)位誤差77.01～104.59 m，平均為94.82 m，如圖8所示。

② P10多光譜影像在緯度方向上相差1.12"～1.68"，約34.5～54.74 m，平均約28.13 m；在經(jīng)度方向上相差在0.91"～1.79"，約20.98～41.26 m，平均約33.85 m；點(diǎn)位誤差在50.17～63.57 m，平均為57.55 m，如圖9所示。

圖8　P5全色影像幾何精度評(píng)價(jià)

圖9　P10多波段影像幾何精度評(píng)價(jià)

從圖8和圖9可以看出，對(duì)P5全色影像，其經(jīng)度方向上的誤差對(duì)整體的點(diǎn)位誤差影響較大；對(duì)P10多光譜影像，其緯度方向上的誤差對(duì)整體的點(diǎn)位誤差影響較大。

2.4　結(jié)果分析

在對(duì)CBERS-04星5 m全色和10 m多光譜影像進(jìn)行無(wú)控制點(diǎn)的RPC校正之后，結(jié)合已有的野外實(shí)測(cè)控制點(diǎn)位置和由其校正后得到的Worldview-2正射影像，進(jìn)行全色和多光譜影像數(shù)據(jù)幾何定位精度評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：① P5與P10影像范圍一致；② 從各測(cè)試區(qū)的影像來(lái)看，單相機(jī)多光譜數(shù)據(jù)各波段間匹配精度非常高，不存在波段不匹配情況，進(jìn)行彩色合成之后不存在錯(cuò)位、重影等現(xiàn)象；③ 無(wú)控制點(diǎn)的RPC處理影像坐標(biāo)與實(shí)測(cè)幾何標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)P5影像經(jīng)度方向上的誤差對(duì)整體點(diǎn)位誤差影響較大，P10影像緯度方向上的誤差對(duì)整體的點(diǎn)位誤差影響較大。

3　結(jié)束語(yǔ)

遙感圖像在基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查等應(yīng)用方面對(duì)地面定位、定量精度有較高的要求。本文從全色多光譜相對(duì)配準(zhǔn)精度、圖像定位精度方面展開(kāi)評(píng)價(jià)，將波段匹配像元錯(cuò)位數(shù)、影像圖X、Y方向平均誤差、區(qū)域定位平均誤差等作為評(píng)價(jià)圖像定位精度優(yōu)劣的指標(biāo)，開(kāi)展了CBERS-04星5 m全色與10 m多光譜影像范圍一致性、影像間波段匹配精度和無(wú)控制點(diǎn)的RPC處理圖像定位精度評(píng)價(jià)。5 m全色與10 m多光譜影像范圍一致性較好，10 m多光譜數(shù)據(jù)的波段之間匹配精度高；在圖像定位精度上，5 m全色影像經(jīng)度方向的誤差對(duì)整體點(diǎn)位誤差影響較大，10 m多光譜影像的整體點(diǎn)位誤差主要來(lái)源于緯度方向上的偏移。

隨著遙感衛(wèi)星的廣泛應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)星的幾何定位精度將是更大的挑戰(zhàn)。這意味著不僅對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)、飛行姿態(tài)、成像模式的控制程度和穩(wěn)定性提出了更高的要求，而且需要更加精確的影像像元與地面點(diǎn)位的轉(zhuǎn)換模型和地面參考點(diǎn)測(cè)量。

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