高分二號(hào)衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)正射糾正不同方案的精度研究

●趙學(xué)松,范曉燕,李來勝

（廣西自然資源遙感院，廣西 南寧 530023）

高分二號(hào)（GF-2）是國家高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)首批啟動(dòng)研制的衛(wèi)星，具有空間分辨率高、觀測幅寬大、設(shè)計(jì)壽命長、自主研制等特點(diǎn)。它于2014 年8 月19 日成功發(fā)射，具有0.8m 的全色地面分辨率。高分二號(hào)影像作為重要的遙感影像數(shù)據(jù)，已在自然資源調(diào)查監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

要更好發(fā)揮高分二號(hào)的應(yīng)用服務(wù)能力，快速、高質(zhì)量的正射糾正是前提。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員針對(duì)Pleiades、資源三號(hào)等衛(wèi)星影像進(jìn)行了正射糾正像控布點(diǎn)方案研究，取得一定的研究成果[1-2]，但針對(duì)高分二號(hào)的相關(guān)研究內(nèi)容較少。在衛(wèi)星影像的高精度正射糾正中，像控點(diǎn)、高精度的DEM 數(shù)據(jù)必不可少。通常情況下，衛(wèi)星影像糾正時(shí)像控點(diǎn)獲取可以采用以下兩種較優(yōu)的方式進(jìn)行：一是從已有的高精度DOM 上匹配提取數(shù)量眾多的像控點(diǎn)；二是以在影像上能明顯定位的已有項(xiàng)目外業(yè)像控點(diǎn)為主，以重新外業(yè)采集的像控點(diǎn)為輔，進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)和采集。第一種方式已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行研究[3]，評(píng)價(jià)整體成本低、效率高，但兩種方式的精度受到方式一中DOM 的精度、方式二中像控點(diǎn)的布設(shè)方式和布設(shè)密度的影響。

研究小組通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)和比較分析，來確定高分二號(hào)影像區(qū)域網(wǎng)正射糾正時(shí)，能滿足某一精度要求的較優(yōu)像控點(diǎn)獲取方案。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)與數(shù)據(jù)源情況

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于107.9°E～108.8°E，21.7°N～22.4°N，涉及南寧市良慶區(qū)、上思縣，欽州市欽北區(qū)、欽南區(qū)，防城港市本級(jí)等區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)源情況

1.2.1 高分二號(hào)衛(wèi)星影像

實(shí)驗(yàn)區(qū)使用影像16 景（景編號(hào)從JB1 至JB16），現(xiàn)勢性為2018 年1 月至2019 年10 月。其中，編號(hào)為JB14 的景云覆蓋在90% 以上，編號(hào)為JB15 的景云覆蓋在40%以上。

1.2.2 糾正用DEM 成果

研究小組使用廣西農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)統(tǒng)一航空攝影和數(shù)字正射影像圖制作項(xiàng)目（以下簡稱確權(quán)項(xiàng)目）生產(chǎn)的1∶1 萬一級(jí)精度DEM。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為2000 國家大地坐標(biāo)系，高斯?克呂格投影，3°分帶，中央子午線為108°，高程基準(zhǔn)為1985 國家高程基準(zhǔn)。格網(wǎng)間距2.5m，數(shù)據(jù)格式為asc 和grd 兩種，現(xiàn)勢性為2018?2019 年。

1.2.3 CORS 站點(diǎn)資源

廣西全境范圍內(nèi)已有效覆蓋CORS 信號(hào)。在CORS 站點(diǎn)無異常情況下，可以滿足測區(qū)像片控制點(diǎn)補(bǔ)充測量的需求。

1.2.4 參考DOM

研究小組使用確權(quán)項(xiàng)目生產(chǎn)的1∶2000 DOM、1∶5000DOM。成果為2000 國家大地坐標(biāo)系，高斯?克呂格投影，高程基準(zhǔn)為1985 國家高程基準(zhǔn)。其中，1∶2000DOM 分辨率為0.2m，航攝影像生產(chǎn)；1∶5000DOM分辨率為0.3m，WV3 衛(wèi)星影像生產(chǎn)。

該成果可用于衛(wèi)星影像正射糾正時(shí)基于已有參考DOM 的控制點(diǎn)匹配提取工作。

1.2.5 像控點(diǎn)及檢測點(diǎn)

像控點(diǎn)成果覆蓋實(shí)驗(yàn)區(qū)大部分范圍，包含坐標(biāo)信息和點(diǎn)之記（點(diǎn)位）等。成果為2000 國家大地坐標(biāo)系，高斯?克呂格投影，高程基準(zhǔn)為1985 國家高程基準(zhǔn)。

2 正射糾正像控布點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

此次實(shí)驗(yàn)采用4 種像控布點(diǎn)方案。第1 種是基于已有高分辨率、高精度DOM、DEM 進(jìn)行影像匹配提取像控點(diǎn)。其余3 種方案參考《1∶5000 和1∶10000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T13977-2012）[4]，采用區(qū)域網(wǎng)、3 種不同的布點(diǎn)密度和分布形態(tài)進(jìn)行布點(diǎn)。具體情況如下。

（1）基于已有地理信息數(shù)據(jù)（確權(quán)項(xiàng)目的DOM 和DEM）的方式匹配像控點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)整體平差后糾正高分二號(hào)衛(wèi)星影像。方案命名為“B0”。

（2）3 種不同的人工布點(diǎn)規(guī)則，分別是：①“周邊+中心”的布點(diǎn)方式，方案命名為“B1”；②“周邊+中心”而且在3 度以上重疊區(qū)域適當(dāng)布點(diǎn)，方案命名為“B2”；③“周邊+中心”且在3 度以上重疊區(qū)域完整布點(diǎn)，方案命名為“B3”。

其中，B1、B2、B3 這3 種方案的像控布點(diǎn)示意圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)3 種不同像控布點(diǎn)方案示意圖

3 正射糾正技術(shù)路線

正射糾正基于GEOWAYCIPS 軟件，按照4 種不同的布點(diǎn)方案，采用區(qū)域網(wǎng)平差方式更新、精化每景影像RPC 參數(shù)后，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行正射糾正。為了后期進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)減少連接點(diǎn)不同引起的干擾因素，每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)都先進(jìn)行連接點(diǎn)匹配通過后，再引入控制點(diǎn)進(jìn)行整體平差。基于CIPS 的RPC 精化技術(shù)流程見圖2。

圖2 基于GEOWAY CIPS 的RPC 精化技術(shù)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)區(qū)DOM 精度檢測與對(duì)比分析

4.1 DOM 精度檢測點(diǎn)來源與分布

已有的確權(quán)項(xiàng)目像控點(diǎn)，在衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)未用作糾正控制的，選取部分用于DOM 精度檢測。根據(jù)已有確權(quán)項(xiàng)目像控點(diǎn)情況，盡量均勻分布；2 度重疊以上區(qū)域，有可選點(diǎn)的至少選取1 個(gè)以上檢測點(diǎn)；云覆蓋在50%以下的區(qū)域，單景涉及檢測點(diǎn)選取5 個(gè)以上，云覆蓋50% 以上區(qū)域，單景涉及檢測點(diǎn)選取2 個(gè)以上。

4.2 DOM 精度檢測指標(biāo)項(xiàng)設(shè)定

DOM 精度檢測按表1 設(shè)定的檢測指標(biāo)進(jìn)行。

表1 DOM 精度檢測指標(biāo)項(xiàng)目表

4.3 不同方案DOM 精度情況與對(duì)比

研究小組對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)采用4 種不同方案生成的DOM，選取151 個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行精度檢測和統(tǒng)計(jì)。整區(qū)域中誤差、整區(qū)域最大誤差情況對(duì)比見圖3，單景誤差均值對(duì)比見圖4，單景誤差最大值對(duì)比見圖5。

圖3 整區(qū)域中誤差、最大誤差對(duì)比圖

圖4 單景誤差均值對(duì)比圖

圖5 單景誤差最大值對(duì)比圖

4.4 精度分析

衛(wèi)星影像正射糾形成的DOM 產(chǎn)品，常用的比例尺有1∶2000、1∶5000、1∶1 萬國家基本比例尺。按國家測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以精度要求更加嚴(yán)格的平地、丘陵地地形來看，1∶2000、1∶5000、1∶1 萬DOM 產(chǎn)品平面位置中誤差限差分別為：1.0m、2.5m、5m。基于此標(biāo)準(zhǔn)，研究小組對(duì)4 種方案正射糾正精度進(jìn)行分析和評(píng)估。

（1）從整區(qū)域中誤差來看，4 種方案均滿足1∶1 萬DOM 精度的要求，但無法保證滿足1∶5000DOM 精度。4 種方案精度中誤差相差不大；3 種像控人工布點(diǎn)方案中，隨著布點(diǎn)數(shù)量增加精度會(huì)有略微提升，但提升幅度有限。

（2）從整區(qū)域單點(diǎn)最大誤差來看，4 種方案均在8m 以內(nèi)，可以滿足1∶1 萬DOM 中＜2 倍中誤差限差的要求，無法滿足1∶5000 DOM＜5m 的要求。

（3）從單景誤差均值來看，16 景數(shù)據(jù)中，值的大小均＜5m；除B1 方案編號(hào)為JB15 的景外（該景云覆蓋40%以上，檢測點(diǎn)6 個(gè)），值均＜3.5m；方案B0、B2、B3 整體精度情況相差不大。

（4）從單景誤差最大值來看，16 景數(shù)據(jù)中，值＜8m。

5 結(jié)語

（1）在DEM 精度和現(xiàn)勢性較好，參考DOM 精度、現(xiàn)勢性、分辨率均較優(yōu)的情況下，采用基于已有地理信息提取控制點(diǎn)的方式（方案B0）進(jìn)行高分二號(hào)影像區(qū)域網(wǎng)正射糾正，可以滿足1∶1 萬基本比例尺DOM 精度要求。該方案充分利用已有地理信息數(shù)據(jù)，免去像控點(diǎn)施測需求，成本較低、效率較高。

（2）針對(duì)高分二號(hào)影像中型區(qū)域網(wǎng)（如4×4=16 景），“周邊+中心”的像控布點(diǎn)方式（方案B1）已足夠滿足1∶1 萬以下比例尺DOM 成圖精度要求，再增加像控點(diǎn)對(duì)精度的提升有限。

（3）高分二號(hào)影像大型區(qū)域網(wǎng)（如10×10=100 景），可采取“周邊+中心”、而且3 度以上重疊區(qū)域完整布點(diǎn)的方式（方案B2）進(jìn)行像控點(diǎn)及部分檢測點(diǎn)的布點(diǎn)。除了“周邊+中心”外，其余3 度以上重疊點(diǎn)選取作為像控點(diǎn)的數(shù)量和分布要求，需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。

基于此次研究，研究小組在廣西2020 年度衛(wèi)星影像糾正任務(wù)中，采用了基于已有確權(quán)項(xiàng)目DEM、DOM 進(jìn)行像控點(diǎn)匹配后區(qū)域網(wǎng)平差的方式進(jìn)行高分二號(hào)影像正射糾正，精度滿足1∶1 萬DOM 精度要求，生產(chǎn)中的自動(dòng)化程度也相對(duì)較高。由于實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)的限制，因此大型和超大型區(qū)域網(wǎng)糾正像控布點(diǎn)方式?jīng)]有條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，但研究小組提出的“周邊+中心，而且3 度以上重疊區(qū)域完整布點(diǎn)”的方案（方案B3）可以為大型和超大型區(qū)域網(wǎng)糾正布點(diǎn)方案研究提供參考。