“吉林一號”高分02B星遙感影像處理評價

闞明哲，藺臘月，鐘興，武紅宇

(1.長春市測繪院，吉林 長春 130021； 2.長光衛星技術有限公司，吉林 長春 130102)

1 引 言

“吉林一號”高分02星是長光衛星技術有限公司自主研發的新型國產高分辨率、大幅寬、高精度商業對地觀測衛星，如圖1所示，目前已發射兩顆在軌，分別是高分02A星和高分02B星，構成180°相位運行。該型衛星能提供全色 0.75 m分辨率和多譜段3m分辨率的高分辨率影像，幅寬 40 km，設計具有國際主流的同等分辨率衛星影像幾何輻射質量。

圖1 “吉林一號”高分02星

“吉林一號”高分02A星發射于2019年11月13日，相隔不到1個月，高分02B星發射于12月7日。經過短期高效調試，兩顆衛星分別于11月23日和12月30日正式對外提供影像服務。作為影像數據使用與測試單位，長春測繪院獲取了本地區的兩景“吉林一號”高分02B衛星影像數據，并進行了處理和評測。通過對該影像的數據處理，獲得了高精度的真彩色正射影像，成果能夠滿足自然資源調查、城市規劃管理、城市測繪等領域的需求。

2 衛星參數及標準影像幾何處理模型

2.1 “吉林一號”高分02B星主要參數

“吉林一號”高分02B雙星是長光衛星對地觀測小衛星群的新成員，太陽同步軌道衛星，軌道高度 535 km。該星充分繼承了“吉林一號”衛星成熟單機以及技術基礎，可獲取全色分辨率優于 0.75 m、多光譜分辨率優于 3 m的影像。此外，并采用了長焦距光學雙相機共基準裝調，幅寬大于 40 km的推掃圖像，具備高分辨、大幅寬、高定位精度、高速數傳等特點[1]。

“吉林一號”高分02B星衛星主要參數如表1所示：

“吉林一號”高分02B星衛星主要參數 表1

近年來，高分辨率遙感衛星得到了全面發展與廣泛應用，基于天基空間信息網絡的構建，智能化的對地觀測成為發展趨勢[2]，其中高精度的地理定位精度是智能觀測發揮應用價值的基礎[3]。在衛星影像滿足MTF和信噪比要求基礎上，無控定位精度和景內相對定向精度是衛星影像的關鍵幾何質量指標，為了提高無控定位精度和景內相對定向精度，吉林一號高分02B星在成像設計中采用的措施包括：

(1)內方位元素。高分02B星光學設計全視場畸變小于0.06%，良好的畸變優化為后續地面和在軌幾何高精度標定提供了基礎。在實驗室結合高精度轉臺采用測角法進行了內方位元素標定。在軌幾何定標是提升高分辨率光學遙感衛星幾何定位精度的關鍵環節[4～6]，高分02B在軌運行期間進行了在軌標定，標定后內方位元素穩定性優于0.3像素。

(2)外方位元素。高分02B星在地面通過高精度立方棱鏡進行外方位元素標定。在軌運行過程中，在長期溫度環境作用下，相機自身安裝穩定性優于3″(3σ)，星敏感器與相機之間安裝穩定性優于4″(3σ)。

(3)姿態軌道測量系統。高分02B星在軌采用了雙頻GNSS定軌及高精度雙星敏定姿技術。定姿精度優于5″(3σ)，實時定軌精度優于 1 m，姿態穩定度優于 0.000 5°/s。

結合成像模型，根據上述環節的設計結果，吉林一號高分02星幾何質量指標如表2所示：

“吉林一號”高分02B星幾何成像質量設計結果 表2

2.2 標準影像幾何處理模型

“吉林一號”高分02衛星標準影像產品是指經過了相對輻射校正和傳感器幾何校正的遙感影像產品。相對輻射校正處理可消除探測器探元或探測器間的響應不一致[7]，在此基礎上傳感器幾何校正利用在軌幾何定標系數構建衛星的嚴密幾何成像模型，實現多片探測器影像的拼接處理獲得標準影像產品[8]，與此同時為用戶提供了更加便捷、高效且通用的RPC幾何定位文件，標準產品生產流程如圖2所示。

圖2 標準產品生產流程圖

傳感器幾何校正通過衛星的精密定姿定軌單元獲得衛星精確的姿態軌道參數，同時根據在軌幾何定標獲取到在軌幾何定標系數，構建嚴密幾何模型，同時利用輻射處理后的影像數據及數字高程模型數據實現RPC系數模型求解以及多片探測器的無縫拼接影像，最終獲得帶有高精度幾何定位模型的傳感器幾何校正影像產品，處理流程如圖3所示。

圖3 幾何校正處理流程圖

3 標準1級影像無控精度評價

無控定位是指在無地面控制點條件下進行地面目標點地心坐標計算，對地觀測衛星無控定位設計衛星平臺、姿態軌道測定系統、相機幾何參數標定以及地面數據攝影測量處理等多個環節，是用于評價對地觀測衛星及其產品質量的最重要的綜合指標。其評價主要包括RPC模型對衛星嚴密幾何模型的擬合精度和衛星在軌運行期間對標準產品基于控制數據的無控定位精度統計與評價。

RPC模型作為標準產品的幾何定位模型，最終將被用于評價標準產品的無控定位精度，因此RPC模型是基于物理成像關系的嚴密幾何模型的數學擬合，高精度的擬合是無控定位精度的重要前提，“吉林一號”高分02B星的RPC模型擬合誤差精度統計如表3和表4所示，統計結果表明“吉林一號”高分02B星的RPC模型與其嚴密幾何模型具有同等的幾何定位精度。

“吉林一號”高分02B“相機1”RPC擬合偏差統計表 表3

“吉林一號”高分02B“相機2”RPC擬合偏差統計表 表4

“吉林一號”高分02B衛星在軌運行期間，對標準產品基于控制數據的無控定位精度統計如表5所示，結果表明“吉林一號”高分02B衛星無控定位精度優于 20 m(CE90)。

“吉林一號”高分02B衛星無控定位精度測量結果 表5

4 正射影像處理及幾何質量評價

4.1 影像準備

本文正射影像處理利用了長春地區“吉林一號”高分02B星全色與多光譜影像各兩景，影像獲取日期是2020年2月25日，遙感影像軌道號JL102E_001213。全色影像分辨率 0.75 m，多光譜影像分辨率 3 m。原影像數據為標準1級產品。利用全色與多光譜影像原數據，進行遙感影像融合、正射糾正、影像增強，生產真彩色 0.75 m“吉林一號”高分02B星衛星正射影像。

4.2 處理技術路線

基于“吉林一號”高分02B衛星及其影像數據的特點，采用“先糾正后融合”的基本思路作業。即先進行全色影像正射糾正，然后將多光譜數據與糾正后的全色影像進行配準，最后進行影像融合處理。影像處理工程采用TM投影方式的城市獨立坐標系“長春市坐標系統”。正射糾正所需數字高程模型采用航空攝影測量所獲取的高精度DEM；地面控制點采用Leica 503型GPSRTK儀器野外施測獲取。影像處理技術流程圖如圖4所示。

圖4 影像處理技術流程圖

4.3 影像融合

針對“吉林一號”高分02B衛星影像的多光譜、全色影像融合推薦采用PCIGeomatica 2019軟件的Pansharpen融合模塊。該方法是目前高分辨率衛星遙感影像融合的最佳方法，其操作簡潔、生產效率高、融合效果好。針對“吉林一號”高分02B星影像融合，在輸入多光譜影像波段上依次序選擇“吉林一號”高分02B星多光譜影像的3/2/1(紅/綠/藍)波段；在參考影像波段上選擇多光譜影像1/2/3/4波段；在全色影像波段上選擇全色影像。運行模型即可得到真彩色3波段融合影像處理結果。

4.4 影像正射糾正

“吉林一號”高分02B星衛星作為最新的高分辨率遙感衛星，還沒有相關遙感處理軟件明確提出支持其衛星的嚴格物理模型與RPC參數模型。基于有充足的高精度地面控制點，本次正射糾正作業采用PCIGeomatica 2019軟件的RPC from Gcps方法。項目采用“城市獨立坐標系統”，糾正GCPs采用RTK野外施測獲取，精度高達 0.25 m；DEM采用航空攝影測量獲取的等高距為 5 m高精度的DEM。影像糾正控制點分布如圖5所示。

圖5 正射糾正控制點分布圖

4.5 正射影像精度評價

針對以上步驟獲得的“吉林一號”高分02B星正射影像，采用高精度的已知點進行精度檢驗。本項目采用23個均勻分布的控制點以外的已知點(RTK野外實測點)，采用點位誤差統計分析法進行正射影像平面精度評價。結果表明：成果的平面位置中誤差為 ±1.77 m，滿足1∶10 000圖的平面精度，符合糾正精度要求。檢核點分布如圖6所示。

圖6 檢核點位置分布圖

5 結 論

“吉林一號”高分02星通過幾何成像質量設計優化措施保障了影像數據具有較高的幾何成像質量。在此基礎上，通過生產系統基于嚴密幾何成像模型的標準影像預處理，確保了標準數據產品符合了無控精度和景內相對定位精度等幾何質量要求。通過對標準1級影像的測試表面，無控精度優于 20 m(CE90)。采用Pansharpen影像融合方法，能獲得高質量的“吉林一號”高分02B星真彩色影像?；赗PC參數模型的正射糾正方法，結合高精度控制點與DEM，獲得了高精度的“吉林一號”高分02B星正射影像?！凹忠惶枴备叻?2B星正射影像能達到 1∶10 000圖的水平精度，可滿足自然資源調查、城市規劃管理、城市測繪等領域的應用需求。