高分一号多光谱高分相机全色图像正射精度验证与分析

黄世存，吴海平，冯登超

（1.中国资源卫星应用中心，北京100094；2.中国土地勘测规划院，北京100035；3.北华航天工业学院，河北廊坊065000）

高分一号多光谱高分相机全色图像正射精度验证与分析

黄世存1，吴海平2，冯登超3

（1.中国资源卫星应用中心，北京100094；2.中国土地勘测规划院，北京100035；3.北华航天工业学院，河北廊坊065000）

采用有理函数模型对高分一号卫星多光谱高分辨率相机（PMS）传感器全色图像进行正射校正，采集检查点检验正射后全色图像几何精度，获取全色图像的正射精度，为用户了解高分一号卫星全色图像正射精度提供参考依据。试验结果表明，高分一号卫星2m分辨率的全色图像正射精度为1.6m，折合成像素精度为0.8个像素，能满足1∶1万比例尺地形图更新要求。经过初步分析，高精度高程数据能进一步提高高分一号卫星全色图像的正射精度。

高分一号卫星；PMS；全色图像；正射校正；精度；高分相机；多光谱

1 引 言

中国国家科技重大专项高分辨率对地观测系统首颗卫星“高分一号”（GF－1）于2013年4月26日中午在酒泉卫星发射中心成功发射，高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的实施，将全面提升中国自主获取高分辨率观测数据能力，推动卫星及应用技术的跨越发展。

GF－1卫星是我国首颗设计和考核寿命大于5年的低轨遥感卫星，星上共配置两型光学观测相机，分别是两台2m全色／8m多光谱高分辨率相机（PMS）和4台16m多光谱中分辨率宽幅相机（WFV）。每台PMS相机观测幅宽优于60km，4台WFV相机拼接后观测幅宽优于800km。

图像几何正射精度是评价遥感图像几何质量的重要指标之一［1］，本文的目的在于测试GF－1卫星分辨率为2m的全色图像的几何正射精度。本文对GF－1卫星几何正射精度的验证与分析，有利于客观反映GF－1卫星全色图像的几何正射精度，为用户了解和使用该数据提供参考，也为进一步提高GF－1卫星全色图像几何精度提供依据。

2 测试数据

为了尽可能消除卫星侧摆过大、参考数据不准确等因素对图像内部几何精度的影响，本文对测试数据进行了筛选，筛选条件如下：

表1 测试数据筛选条件与参考数据情况

根据上述筛选条件，选取如下数据进行测试：

表2 正射精度测试数据表

3 测试方法

3.1 评价标准

以1∶1万DOM、1∶5万DEM数据为参考数据，对GF－1卫星全色图像进行正射校正，并进行几何精度测试。

3.2 选取地面控制点的基本原则

地面控制点要求选取不随时间、季节等因素改变的地物。

3.3 测试方法

每景数据测试流程如下：

①选取清晰、成像质量良好的1A级图像作为测试图像；

②导入1A级图像以及RPC文件；

③导入相应参考图像、DEM文件；

④均匀分布采集25个控制点；

⑤进行正射运算，生产正射产品；

⑥打开正射产品数据与对应参考数据；

⑦均匀分布采集12个检查点，检查点尽量远离步骤4选取的25个控制点；

⑧计算检查点在校正图像和参考图像的实际地理坐标差值D以及检查点坐标值的中误差S，中误差S即为图像的正射精度［2－3］；

其中，ΔX＝X图像－X真实，ΔY＝Y图像－Y真实，n为检查点个数。

4 正射图像处理

高分辨率卫星遥感影像正射处理模型可以分为严格几何处理模型与通用处理模型两大类。严格几何处理模型与通用处理模型最具代表性的分别为扩展共线方程模型与有理函数模型［4］。

扩展共线方程模型是以摄影测量学中最基本的共线条件方程为基础，在假设卫星运行轨迹满足轨道摄动方程的条件下，用轨道参数的函数来表示影像外方位线元素，用多项式来拟合影像外方位角元素。由于扩展共线方程模型是经典摄影测量理论在新型遥感传感器上的拓展应用，对各项误差源可分别建模并纳入几何处理模型中，能有效地顾及各项误差引起的影像变形，理论上最为严密。但是，扩展共线方程模型与传感器物理和几何特性密切相关，涉及传感器的物理构造、成像方式以及其他核心参数。高分辨率CCD传感器所具有的长焦距和窄视场角特性导致定向参数之间具有很强的相关性，从而影响定向精度和稳定性。但由于技术保密的要求，一般用户很难获取卫星数据核心参数，从而无法使用扩展共线方程模型进行正射校正。

有理函数模型（Rational Function Model，RFM）利用有理函数来描述传感器模型，将像点坐标和物点坐标的关系描述为两个多项式的比值。其实质是用纯数学来对严格几何处理模型进行拟合，或者是对成像地区实际地形的一种数学逼近［5－6］。有理函数模型相对于扩展共线方程模型具有保密性、简便性和稳定性的优点，在业内得到广泛的应用，有理函数模型已成为事实上高分辨率卫星遥感影像通用处理模型标准。

中国资源卫星应用中心为方便用户使用有理函数模型进行正射处理，分发的1A级GF－1卫星图像自带有RPC参数文件，但其精度只能到达相当于影像直接对地目标定位的精度（约为20m），需要增加地面控制点对RPC参数进行精化以满足测图应用实际需要［7－8］。本文针对1A级测试数据采用有理函数模型进行正射处理，在测试数据和参考数据上均匀分布采集25个同名控制点，导入对应RPC、1∶5万DEM文件，生成正射影像。图1是1A级测试数据正射前后对比图。

图1 全色1A级待正射图像和正射图像

5 正射精度评价

在每景全色正射图像上采集12个检查点，验证全色正射图像的几何精度，为了保证检查点的客观性，检查点的选取遵循两个原则：①在图像内均匀分布；②检查点远离控制点。通过统计各检查点的误差值（如表3、表4所示）即可获得全色正射图像的精度。

图2 全色正射数据和参考图像检查点示意图（红色点为控制点，蓝色点为检查点）

表3 GF－1卫星全色图像（景号：15401）正射精度测试结果表

表4 GF－1卫星全色图像正射精度测试结果统计表

图3 GF－1卫星全色正射图像几何精度示意图

6 测试结果与分析

测绘部门采用航片或者卫片更新地形图，平面精度要求一般是平原、丘陵地区地形图上误差不超过0.5mm，山区不超过0.75mm［9－11］。比如更新1∶1万地形图，平原地区精度应小于5m，山区小于7.5m。更新1∶2.5万地形图，平原地区精度应小于12.5m，山区小于18.75m。

在以上测试数据中，最低正射精度为2.1m，符合更新1∶1万地形图要求。平均正射精度1.6m，折合成像素精度为0.8个像素。5景全色正射图像所有检查点最大误差均小于中误差的2倍，说明GF－1全色正射图像几何畸变小而且稳定。

在正射处理中引入DEM文件，其目的是，消除地形起伏引起的变形，提高影像的定位精度，所以，DEM文件作为物方坐标的一部分，其本身精度会影响计算后像方坐标的准确性，从而影响正射精度。为了规范遥感影像几何精度测试，国家相关标准建议DEM数据的格网间距不应大于被测图像地面像元尺寸的5倍。因此，2m分辨率GF－1卫星全色图像应使用10m以下格网间距DEM数据，但由于DEM数据获取受限，试验采用一般用户所能获取的1∶5万DEM数据，该数据格网间距为25m，如采用更高精度DEM，GF－1卫星全色正射图像精度还有提高空间。

［1］ 黄世存.资源一号02B卫星CCD和HR影像的纠正精度分析［J］.航天器工程，2008，17（72）：53.

［2］ 刘斌，孙喜亮，邸凯昌，等.资源三号卫星传感器校正定位精度验证与分析［J］.国土资源遥感，2012，7（4）：36－40.

［3］ 黄世存，章文毅，何国金，等.几种不同矩阵算法的遥感图像几何精纠正效果比较［J］.国土资源遥感，2005（3）：18－22，43.

［4］ 孙家抦，舒宁，关泽群.遥感原理、方法和应用［M］.北京：测绘出版社，1999.

［5］ XIONG Z，ZHANG Y.A Generic method for RPC refinement using ground control information［J］.Phothogramm Eng Rem Sen，2009，75（9）：1083－1092.

［6］ GRODECKI J，DIAL G.Block adjustment of high－resolution satellite images described by rational polynomials［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2003，（69）：59－68.

［7］ 张过.缺少控制点的高分辨率卫星遥感影像几何纠正［D］.武汉：武汉大学，2005.

［8］ 唐新明，张过，祝小勇，等.资源三号测绘卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证［J］.测绘学报，2012，41（2）：191－198.

［9］ 国家测绘局.GB 12340－2008－T 1∶25000 1∶50000 1∶100000地形图航空摄影测量内业规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［10］ 国家测绘局.GJB 4407－2002，航天遥感图像定位精度检测方法［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［11］ 国家测绘局.国家1∶50000数据库更新工程—数字正射影像数据规定（第二版）［S］.北京：国家标准出版社，2007.

Ortho Accuracy Analysis of GF－1PAN Imagery

HUANG Shi－cun1，WU Hai－ping2，FENG Deng－chao3
（1.China Center for Resources Satellite Data and Application，Beijing100094；2.China Land Surveying and Planning Institute，Beijing100035；3.North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang065000）

After the successful launch of GF－1satellite，to understand the accuracy of its pan ortho－image has extensive demands.This paper used the rational function model to rectify the pan image of GF－1PMS sensor，then collected check points to test the geometric accuracy.The purpose of the test is easy for users to understand the precision of GF－1pan orthoimage.The test results show that the average accuracy of panchromatic otho－image in GF－1satellite is 1.62meters，converted into pixel precision is 0.81pixel，can meet the requirements of 1∶10000scale topographic map updating.After a preliminary analysis，high precision digital elevation data can further improve the ortho－rectification accuracy of GF－1panchromatic orthoimage.

GF－1satellite；PMS；PAN；ortho－rectification；accuracy；high－resolution camera；multi－spectral

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.015

TP79

A

1000－3177（2015）138－0085－04

2014－03－03

2014－05－04

黄世存（1977～），男，硕士，高级工程师，研究方向为遥感卫星图像处理与应用。

E－mail：hscwhp＠126.com