GF-6衛星WFV影像幾何定位誤差特性分析

李慧娜，吉笑笑，韓 杰，關小果

(1.許昌學院電氣與機械工程學院，461000，河南，許昌；2.許昌學院城市與環境學院，461000，河南，許昌)

0 引言

衛星影像幾何定位精度是決定基于衛星遙感數據開展高精度反演信息提取的重要因素，只有在準確掌握其幾何定位特性后，才能有針對性的建立相關校正模型，消除其定位誤差，進而提高空間信息提取精度。目前，眾多學者針對國產高分辨率衛星傳感器特點，開展了衛星影像幾何定位精度評價研究。如劉其悅等人建立了基于地基數據和參考影像數據的衛星影像幾何產品真實性檢驗流程[1]。韓杰和謝勇以ZY-3衛星傳感器校正產品為參考，對GF-1衛星WFV傳感器四相機影像幾何定位精度進行長時間序列評價，并開展了相關的定位誤差補償理論探討[2]。黃世存等人以1:5萬比例尺數字正射影像為參考，對GF-1衛星PMS影像在平原和山區的幾何定位精度進行評價[3]。樊文鋒等人在對正射糾正后的GF-2衛星影像幾何定位精度進行評價后，驗證了在少量控制點的輔助下，GF-2衛星影像可以滿足全地形1:1萬和山地1:5萬比例尺地形圖的更新要求[4]。徐文等人針對靜止軌道GF-4衛星面陣成像特點，在構建其幾何成像模型后，評價了該衛星影像數據的幾何定位精度[5]。同時，徐文等人通過對ZY-3衛星三線陣TLC影像進行幾何精度評價，證明其在無控的狀態下，定位精度優于6個像素[6]。

高分六號(GF-6)衛星自2018年6月2日于酒泉衛星發射中心成功發射后，其搭載的寬幅蓋WFV傳感器憑借單相機超大幅寬成像(優于800 km)和新增特征波段(紅邊波段1：0.69～0.73 μm，紅邊波段2：0.73～0.77 μm，紫波段：0.40～0.45 μm和黃波段：0.59～0.63 μm)的特點，已經成為環境保護、作物估產、農業資源調查、森林火災監測等領域研究的重要數據源[7-9]。由于WFV傳感器采用單相機超大幅寬成像，其單景影像大小超過13 GB，這會對數據傳輸及處理帶來不便。因此，WFV單景影像采用分塊存儲方式，即分為左、中、右3塊子影像，其中中間子影像覆蓋范圍及影像大小約為兩側子影像的2倍[10]。同樣在利用該數據進行上述研究和應用前，需要對該數據幾何定位特性進行綜合分析。雖然相關學者已經對GF-1、GF-2、GF-4、ZY-3等國產衛星影像進行幾何定位精度評價，但是GF-6衛星WFV影像超大幅寬成像及分塊分發的特點是否對其幾何定位精度有影響，長時間序列影像幾何定位特性如何，仍需要開展進一步的分析與研究。

本文將華北地區作為實驗區，以谷歌地球影像為參考，通過比對谷歌地球影像和WFV影像中同名點坐標，對WFV單景分塊影像及長時間序列影像幾何定位精度進行評價。本文研究結果將為后續幾何定位誤差源分析和幾何校正模型構建提供重要參考信息。

1 數據介紹

以華北地區為研究區，通過中國資源衛星應用中心陸地觀測衛星數據服務平臺，檢索自衛星發射至2021年4月間云量較少的GF-6衛星WFV影像，共檢索得到可用WFV影像47景。因為前期有關谷歌地球影像幾何定位精度的研究結果表明，其影像定位精度能夠滿足WFV影像(空間分辨率16 m)幾何定位精度評價要求[11-12]。因此，本文將谷歌地球影像作為WFV影像幾何定位精度評價的參考數據。在谷歌地球影像中，選取能夠在WFV影像中可識別的幾何檢查點，共計79個，如圖1所示。雖然可用WFV影像集中影像覆蓋范圍有所差異，但是本文在進行幾何定位精度檢驗時，保證了每景影像至少均勻覆蓋25個以上的檢查點。

圖1 檢查點分布位置

2 研究方法

本研究將谷歌地球影像作為幾何參考，將GF-6衛星WFV傳感器所獲得的研究區影像作為研究對象，對其單景影像以及長時間序列影像的定位精度進行分析。本文所采取的研究方法主要包括以下4個部分：1)利用ENVI軟件分別打開左、中、右3塊子影像，編輯影像頭文件信息，使其關聯各自有理多項式參數(Rational Polynomial Coefficients, RPCs)；2)基于SRTM DEM數據和WFV影像RPCs參數，對WFV影像進行正射校正[13-14]，其中SRTM DEM高程精度引起的平面最大誤差約為9 m，相當于WFV影像的0.56個像素，不會對正射校正精度產生影響[15]；3)將谷歌地球影像和WFV影像中同名點坐標轉換成通用墨卡托投影坐標[16]；4)比對同名點通用墨卡托投影坐標差異，統計誤差平均值和標準差，繪制誤差分布圖，評價影像幾何定位精度。本文技術流程圖如圖2所示。

圖2 本文技術流程圖

3 實驗結果與分析

3.1 單景影像幾何定位誤差分析

根據上述幾何定位精度評價方法，對單景WFV影像幾何定位精度分析。以景號為312708、338701、382955和406694的影像為例，對評價結果進行展示，其成像時間分別為2020年3月17日、6月3日、11月10日和2021年1月31日。由于單景影像覆蓋范圍會涉及到跨帶現象，本文以左側子影像帶號為基準，對中間和右側子影像坐標進行換算。

從圖3所展示的定位誤差分布圖(箭頭指向表示誤差方向，箭頭長度表示誤差大小，下同)可以看出，單景影像均出現了明顯的系統誤差，其幾何定位誤差方向大致均朝向西側，即跨軌方向的誤差明顯大于沿軌方向的誤差。從表1可看出，4景WFV影像平均平面定位誤差約為659.87 m，左、中、右3塊子影像平均平面誤差約為244.96 m、570.61 m和1 318.92 m，即定位誤差大小逐漸增加。與此同時，從圖3和表1還可以看出，沿軌方向的誤差在左側子影像中呈現負值，而在中間和右側子影像中呈現正值，且該值逐漸增加。上述單景影像幾何定位誤差分布特性，將為后續該影像幾何定位誤差源分析及校正模型構建提供重要的參考依據。

表1 單景影像定位誤差統計結果

(a)景號312708 (b)景號338701

3.2 長時間序列影像幾何定位誤差分析

由于本文對其它成像時刻的WFV影像進行幾何定位精度評價后，發現這些影像也具有相似的幾何定位特性。因此，在開展長時間序列影像幾何定位誤差分析時，選取每景影像平面平均誤差作為評價指標進行分析。

從圖4和表2中可以得出以下結論：1)無論是左、中、右子影像還是整景影像，跨軌方向的誤差均比沿軌方向的誤差大，且波動更為劇烈，即跨軌方向的平均誤差和標準差更大；2)左、中、右側子影像中沿軌方向的誤差平均值分別為-40.75 m、40.49 m和326.88 m，即沿軌方向的誤差由負值變為正值，且右側子影像的沿軌方向誤差明顯大于其它2塊子影像；3)左、中、右側子影像平均平面誤差分別為307.89 m、563.81 m和1 188.21 m，即平均平面誤差逐漸增加；4)中間子影像無論在沿軌、跨軌還是平面方向的定位誤差波動性最小，左側子影像次之，右側子影像波動最大，中間子影像的沿軌、跨軌和平面方向定位誤差的標準差分別為29.91 m、80.95 m和83.15 m。

(a)左側子影像 (b)中間子影像

表2 長時間序列影像平均定位誤差統計結果

4 結束語

1)本文針對GF-6衛星WFV傳感器超大幅寬成像和分塊分發的特點，以谷歌地球影像為參考，對華北地區該衛星單景影像和長時間序列影像的幾何定位誤差進行分析評價。研究結果表明，GF-6衛星單景WFV影像呈現出明顯的系統誤差，其誤差方向均朝向西側，且左、中、右側子影像平均平面誤差逐漸增加。同時，長時間序列影像幾何定位誤差研究結果還表明對于整景WFV影像而言，具有較好的定位穩定性，其平面幾何定位誤差標準差82.74 m(約5個像素)。

2)由于本文采用的是人工刺點的方式完成同名點信息提取，這可能會對評價精度產生一定的影響，后續將考慮選取與WFV影像空間分辨率相近的Landsat8衛星OLI傳感器全色影像(空間分辨率15 m)為參考，采用高精度影像匹配方法實現同名點信息提取，降低人為因素的影響。

3)由于本文僅對WFV影像幾何定位誤差特性進行了系統分析，并未進一步探討是何種因素導致了該誤差特性。因此，后續將在分析誤差源的基礎上，構建適用于WFV影像幾何精校正模型。

致謝：感謝中國資源衛星應用中心為本文研究提供GF-6衛星WFV影像數據，谷歌地球提供參考影像！