遙感衛星幾何產品真實性檢驗方法與應用

劉其悅,余 濤，高海亮，方 莉，董 文，孫 源

(中國科學院 遙感與數字地球研究所，北京 100101)

航天遙感技術與遙感數據已廣泛、深入地應用到社會經濟的各個領域。近年來，隨著技術的快速進步，不同類型、不同成像方式、不同空間分辨率的衛星陸續發射上天，遙感數據源得到了進一步豐富、用戶對遙感數據量的需求基本得到滿足。與此同時用戶對遙感數據產品的質量提出了更高的要求。遙感影像產品的幾何質量直接影響用戶的使用效果，甚至決定了遙感的應用。然而，由于在衛星發射過程中以及衛星在軌運行期間，受重力、大氣、機械磨損、地形等多方面因素的影響，衛星傳感器的內外方位元素不可避免隨時間而發生變化，導致衛星影像數據幾何質量下降，難以滿足高精度應用的需要。因此，對遙感衛星幾何產品進行真實性檢驗，并及時修正衛星傳感器參數成為一項十分重要的工作。尤其是標準化、流程化的遙感衛星幾何產品的檢驗，對提高遙感衛星數據幾何產品質量、進一步促進遙感數據的深度應用具有重要意義。

遙感產品真實性檢驗是指通過將遙感產品的“計算值”與能夠代表地面目標相對“真值”的參考數據進行對比分析，評估遙感產品的精度[1-2]。國內外在遙感產品真實性檢驗方面已有諸多研究成果[3-5]，然而現有的遙感產品的真實性檢驗研究主要集中在植被參數、水體參數和陸表參數等遙感產品，針對遙感幾何產品的真實性檢驗研究較少，尤其缺乏遙感幾何產品真實性檢驗相應系統性理論、方法手段和標準流程等研究。本文以國家發改委 “國家民用空間基礎設施陸地觀測衛星共性應用支撐平臺”項目研究內容——“遙感幾何產品的標準化與流程化真實性檢驗”為依托，參考其他遙感產品的真實性檢驗方法理論，在現有遙感衛星幾何產品真實性檢驗研究相關成果的基礎上進行歸納總結，根據檢驗數據的來源，將遙感衛星幾何產品真實性檢驗方法分為基于地基數據的檢驗方法和基于參考影像數據的檢驗方法；闡述了兩種方法的基本原理、操作步驟和流程、優缺點以及研究現狀；并應用基于參考影像數據的檢驗方法對國產GF-1衛星WFV1相機影像的幾何定位精度進行檢驗。

1 遙感衛星幾何產品真實性檢驗方法

1.1 基于地基數據的定位精度檢驗方法

1.1.1 方法概述

基于地基數據的幾何產品定位精度檢驗是指通過在地面采集獲取地面同名點的位置信息，實現遙感衛星影像幾何產品定位精度的檢驗。地基數據主要可以通過兩種方式獲取。其一是利用幾何參數測量儀器通過人工現場實地采集的方式來獲取試驗區目標地物(同名點)的幾何位置參數數據。其二是通過從試驗區已有地形圖中通過人工刺點的方式獲取數據。

基于地基數據的檢驗方法的優點是操作簡單、獲取的檢驗數據精度高；缺點是如果采用人工測量的方式獲取檢驗數據，需要工作人員進行現場實地測量，投入的人力、經濟、時間成本較高，只適合在小區域范圍內開展。

基于地基數據的幾何產品定位精度檢驗方法是最常用的方法，相關研究人員采用地基數據對衛星影像幾何定位精度進行試驗。如劉斌等通過外業差分GPS測量的方式，實地測量25個GPS點，在對資源三號衛星幾何產品自帶的有理多項式系數(RPC)進行精化、消除系統誤差的基礎上，開展了資源三號衛星幾何產品定位精度驗證與分析，實現了平面精度驗證和高程精度驗證[9]。王崇倡等通過在待檢驗影像與地形圖中分別選擇15個檢查點(同名點)，對QUICKBIRD全色影像的內部平面精度和點位精度進行了測定[10]。陳俊等通過獲取地面分布均勻的控制點數據，對16景LANDSAT-5 TM數據的定位精度進行了檢驗評估[11]。石迎春等首先對QUICKBIRD影像進行幾何精糾正，然后利用12幅1∶10 000地形圖數據和34個實測GCP點位數據，對幾何精糾正前后的QUICKBIRD影像定位精度進行分析[12]。

1.1.2 操作步驟與流程

基于地基數據的幾何產品定位精度檢驗操作步驟與流程如下：

1)收集數據。包括待檢驗的幾何產品影像數據與地基數據：①待檢驗幾何產品影像，要求試驗區圖像清晰、質量良好；②地基數據，現場采集地面控制點的GPS幾何參數或從地形圖中讀取。

2)選取同名點。從待檢驗幾何產品影像中選擇同名點，并從剔除異常點后的實測數據中選取對應的同名點，或在地形圖上選擇對應的同名點。同名點的選取原則是按從左到右、從上到下的順序均勻分布采集，并選取不隨時間、季節等因素改變的地物作為同名點，比如道路交叉點或建筑物拐角等。

3)計算待測試影像同名點的誤差D。

(1)

式中，ΔX=Xi-Xt，ΔY=Yi-Yt，其中Xi、Xt、Yi、Yt分別指待檢驗幾何產品影像與地基數據中同名點的橫坐標與縱坐標。

4)計算所有點誤差值的中誤差k，用其表示遙感衛星影像的幾何定位精度。

(2)

式中，Di為第i個同名點的誤差值；n為同名點的數量。

基于地基數據的幾何產品定位精度檢驗流程如圖1所示。

圖1 基于地基數據的幾何產品定位精度檢驗流程

1.2 基于參考影像數據的定位精度檢驗方法

1.2.1 方法概述

基于參考影像數據的定位精度檢驗方法，是指在利用定位精度較高的參考影像數據作為替代數據源，實現對待檢驗衛星影像幾何產品進行定位精度的檢驗。參考影像包括衛星影像和航空影像。

在利用基于參考影像數據的檢驗方法進行幾何產品真實性檢驗時，同名點的選擇可以通過兩種方式進行，其一是可以直接在參考影像中選擇同名點，但要求參考影像自身具有較高的定位精度；其二是通過技術手段如幾何精校正對參考影像進行處理，進一步提高其定位精度，從而提高同名點的精度。在對衛星遙感定量產品進行真實性檢驗過程中，“真值”數據的精度十分重要，對檢驗的結果起到至關重要的作用。因此，第2種方式對參考影像進行技術處理可以進一步提高“真值”的精度，從而使檢驗結果更準確、更具有說服力。基于參考影像數據的真實檢驗方法的優點是實施成本低、投入少、操作簡便、不受時間、地點的限制，可以進行大范圍、多區域的檢驗；不足之處在于真實性檢驗結果受參考影像數據自身精度的影響較大。

國內許多學者利用參考影像的幾何定位精度檢驗方法開展了多方面工作。如劉楚斌等選擇國外幾何定位精度較高的WORLDVIEW影像作為控制數據對天繪一號衛星RPC模型的定位精度進行了評價[13]。黃世存等使用基礎測繪1∶5萬比例尺的數字正射影像(DOM)作為參考，測試了我國高分系列GF-1衛星PMS相機PAN與MSS二級產品的幾何定位精度[14]。王文文等利用SOPT5精糾正數據作為參考數據源，對我國和巴西合作的第3顆資源衛星資源一號02B衛星的影像開展了幾何評價[15]。

1.2.2 操作步驟與流程

基于參考影像數據的定位精度檢驗方法與基于地基數據的檢驗方法相比，只是獲取同名點數據的途徑不同，其他的檢驗步驟基本一致。

1)數據準備：包括待檢驗的幾何產品影像數據與參考影像數據。①待檢驗幾何產品影像：要求試驗區圖像清晰、質量良好；②參考影像數據：要求定位精度高、目視清晰且成像質量高。

2)數據預處理：主要包括參考影像數據的投影轉換，使待檢驗影像與參考影像的投影方式一致。此外，航空影像數據還需要進行配準、拼接、勻色、幾何校正等處理。

3)選取同名點：按照同名點選擇原則，分別在待檢驗幾何產品影像與參考影像中選擇同名點。

4)此步驟與基于地基數據的定位精度檢驗方法的步驟3)、步驟4)一致，不再詳述。

2 GF-1衛星WFV1相機影像幾何定位精度真實性檢驗

“高分一號”衛星是我國國家科技重大專項高分辨率對地觀測系統首顆衛星，于2013-04-26中午在酒泉衛星發射中心成功發射，同時搭載了4臺WFV相機和2臺PMS相機。自發射至今在軌運行已超過4年，對其影像的定位精度開展長時間真實性檢驗具有現實意義。

2.1 數據獲取

以北京地區為研究區域，分別收集了GF-1衛星WFV1相機影像數據與參考影像數據。

1)GF-1衛星WFV1相機影像數據。在剔除云遮蓋影響以及異常數據后，共收集了自2013年發射至2016年底北京地區GF-1衛星WFV1相機影像共33景。

2)參考影像數據。本文選擇中國資源三號(ZY-3)測繪衛星影像作為參考數據。ZY-3衛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北京地區同一軌道相鄰的兩幅正視傳感器校正產品作為參考影像。

3)預處理。由于獲取的WFV1相機數據是1級產品(相對輻射校正產品)，并沒有進行系統幾何校正。因此，在選擇同名點之前，利用WFV1數據包中附帶的RPB文件中的RPC參數，基于有理函數模型(RFM)對WFV1數據進行系統幾何校正。

4)同名點選擇。通過目視解譯的方式，在ZY-3影像數據與WFV1影像中選擇同名點。同名點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間、季節等因素改變的地物，如道路交叉點或建筑物拐角等。為了保持一致性，要求每景影像中同名點數量不少于8個，最多不超過10個。

2.2 檢驗結果與分析

取每景影像同名點定位的相對偏移量均值進行時間序列的分析。從圖2中可以看出，GF-1衛星WFV1相機的幾何定位相對偏移量隨在軌時間而不斷發生變化，呈現出先升高后下降、最后逐漸平穩的趨勢。表1列出了WFV1相機4年中的幾何定位相對偏移量年度均值，分別為35.77 m、123.57 m、53.12 m、47.29 m。2014年相對偏移量最高，2015年、2016年比較接近。在2013年，WFV1相機的相對偏移量先升高后降低，原因是在2013年底，衛星完成了在軌調試之后，優化調整了衛星系統參數，降低了相機系統誤差；在2014年，相機的相對偏移量逐漸升高，并達到4年中最大值168.96 m，說明相機受多重因素影響，幾何性能出現衰減，且衰減幅度較大，導致衛星幾何相對偏移量較大；在2015年，相機的相對偏移量逐漸下降，一直到2016年，WFV相機的幾何定位相對偏移量雖然有起伏，但整體上變化不大，穩定在80 m以內，通過初步分析，原因是衛星運行部門對衛星進行了在軌幾何檢校，重新優化調整了衛星的系統參數，降低了衛星系統誤差，從而降低了幾何相對偏移量。

圖2 北京地區GF-1 WFV1相機幾何定位精度真實性檢驗結果

表1 GF-1 WFV1相機定位精度年度變化統計結果

圖3顯示了每景WFV1相機影像的幾何定位偏移特性，圖中箭頭的指向為偏移方向、箭頭的長度為偏移量大小。從圖3中可以看出，WFV1相機幾何定位偏移方向都不是固定的，并沒有明顯的規律；但偏向東北與東南的影像數量明顯較多。可能是受相機安裝角、衛星運行狀態發生變化等影響導致，具體原因有待進一步研究核實。

3 總結與展望

介紹了兩種遙感衛星幾何產品定位精度真實性檢驗方法。并應用基于參考影像數據的方法對我國GF-1 WFV1相機影像幾何定位精度進行了檢驗。總結如下：

1)針對目前遙感幾何產品真實性檢驗研究理論、方法和流程較少的現狀，本文在現有研究成果的基礎上，首次從檢驗數據源的角度將遙感幾何產品的檢驗方法分為基于地基數據的檢驗方法和基于參考影像數據的檢驗方法，對將來相關的研究具有參考意義。

圖3 北京地區GF-1 WFV1相機幾何定位偏移方向統計圖

2)本文以ZY-3衛星影像數據作為參考，對北京地區GF-1衛星WFV1相機系統幾何校正產品的定位精度進行了檢驗。檢驗結果表明，WFV1相機相對偏移量以及偏移方向隨衛星在軌時間而不斷發生變化， 相對偏移量呈現先升高、后降低的趨勢，最大值為168.96 m；偏移方向主要偏向東北與東南方向。

3)由于試驗區域覆蓋面積較小、數據量少，檢驗結果只能代表GF-1衛星該試驗區的定位精度，難以全面代表GF-1 WFV1相機的定位水平。今后將加強高、低緯度區域、覆蓋多地形的定位精度檢驗研究。