WorldView-3卫星成像模式介绍及数据质量初步评价

李国元，胡 芬，张重阳，3，高小明，陈 晨

(1．武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉430079;2．国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，

北京100048;3．北京国测星绘信息技术有限公司，北京100048)

近年来，国际上亚米级分辨率的商业光学遥感测绘卫星发展迅猛，影像分辨率、定位精度和数据获取能力不断增强。2007年，国外新一代优于0．5 m几何分辨率的遥感卫星WordView-1发射成功后，GeoEye-1、WorldView-2、Pleiades 1A/1B也相继发射，其无控定位精度基本达到了优于5．0 m的水平［1］。而2014年8月13日，美国Digital Global公司更是成功发射了目前几何分辨率最高的WorldView-3卫星［2］，其星下点最高分辨率达0．31 m，预示高分辨率遥感卫星正逐步进入到可与机载航空摄影测量相抗衡的新时代，也给世界遥感市场带来了全新的机遇和挑战。如果将0．5～1．0 m分辨率称为亚米级高分辨率遥感卫星，则优于0．5 m分辨率可称为分米级高分辨率遥感卫星。

随着我国经济的高速发展，地理信息产业已经成为国民经济新的增长点，对高分辨率遥感影像的需求异常迫切。近年来，地理国情监测、智慧城市构建、不动产登记、“一带一路”、大比例尺基础测绘对高分辨率遥感影像的应用需求更是呈现出规模化发展态势。航空摄影技术手段由于存在作业成本高、周期长、受制于地域条件和天气条件等因素，无法满足全球范围内大面积覆盖、高分辨率光学遥感影像快速实时获取的需要。而亚米级、分米级遥感卫星的出现正好可以弥补航空摄影测量这方面的不足。虽然资源三号卫星(ZY-3)实现了我国高分辨率遥感卫星高精度测图的突破［3-5］，但与国际先进水平相比，我国民用光学测绘卫星仍有较大差距。在这种背景下，探讨以WorldView-3卫星为代表的高分辨率光学遥感卫星成像模式，开展初步的数据处理及质量评价，可为后续国产分米级超高分辨率测绘卫星设计与指标论证提供借鉴和参考［6］。

一、WorldView-3卫星测绘体制

1．卫星基本参数信息

WorldView-3除了分辨率有很大提升外，在波段方面除采用WorldView-2的8个多光谱谱段外，还额外增加了8个短波红外(short wave infrared，SWIR)波段和用于大气校正的12个云、气溶胶、水汽和冰雪(cloud，aerosol，water vapour，ice and snow，CAVIS)波段，总的光谱数量达到28个，基本可与高光谱遥感卫星媲美。而且WorldView-3具有高度的机动敏捷性，可以在12 s内实现卫星指向位置变化200 km，其数据采集能力更是达到每天680 000 km2，其与WorldView-1、2的基本参数对比见表1。

2．主要成像模式

WorldView-3卫星除有高精度成像性能，还通过配置大力矩执行部件，使卫星平台具备大范围快速姿态机动且迅速稳定的能力，利用单台相机快速重定向，即可实现包括同轨多个热点目标定制成像、同轨大区域目标多条带拼接成像和同轨同一目标多视角立体成像等多种成像模式［8］。高敏捷性使卫星观测范围增大、重访周期缩短，丰富了卫星工作模式，提高了卫星应用效能。

表1 WorldView系列卫星参数对比［2，7］

WorldView-3卫星能连续推扫获取360 km的长条带影像，也可通过姿态机动连续不重复地推扫地面区域，获得大幅宽的同轨拼接条带影像。如图1所示，尽管相机幅宽只有13．1 km，但在沿轨方向WorldView-3卫星可实现连续5次前后摆扫，且每次摆扫在垂轨方向可以实现无缝拼接，最终获取66．5 km×112 km连续覆盖区域的影像，66．5 km的幅宽甚至优于目前2 m左右分辨率量级的SPOT-5、ZY-3等中等比例尺测图卫星的幅宽。

图1 同轨大幅宽拼接成像

灵活的立体成像方式也是WorldView-3卫星的特点之一。单线阵敏捷立体成像方式主要包括同轨多角度立体成像和同轨两立体拼接成像两种，如图2和图3所示。前者是利用卫星俯仰轴的姿态机动来实现同轨2次或2次以上对同一地物(成像区域)不同角度观测。后者是指卫星完成一个立体条带推扫后，在卫星继续飞行过程中立即进行俯仰方向的反向机动，同时通过一定角度的侧摆将卫星指向平移约一个幅宽的距离，使得后一次推扫的立体条带与前一次推扫的立体条带相邻，从而达到增大立体幅宽的目的。WorldView-3卫星具备同轨两立体拼接成像模式，能有效提高立体影像获取效率，缓解了分米级超高分辨率立体影像幅宽受限的技术难题。

图2 同轨多角度立体成像(四角度立体)

图3 同轨立体拼接成像(两立体拼接)

3．几何定位模型与数据产品分级

WorldView-3继续沿用目前高分辨率卫星影像通用的有理函数模型(rational function model，RFM)［9-11］，随影像产品一起分发的是标准的RPC(rational polynomial coefficients)文件(后缀为“RPB”)，包含80个有理多项式系数。单幅World-View-3卫星影像的Basic级产品资料包含TIFF格式的影像文件和RPB格式的空间定位文件。RFM模型是将像方影像坐标c，( )r表示为以相应物方地面三维空间坐标(φ，λ，H)(其中φ为纬度，λ为经度，H为高程)为自变量的多项式的比值

WorldView-3的数据产品分为3种:Basic级、Ortho Ready Standard级和Standard级［2］。其中，Basic级为经过辐射校正和传感器畸变改正后的产品，同时提供标准的RPB文件;Basic级类似于ZY-3的SC(Sensor Correction)产品和SPOT-5的Level-1A产品;Ortho Ready Standard级是Basic级影像采用RPC进行平均高程面重投影后的带地理坐标的产品，该产品也提供了标准的RPB文件，用户可以在此基础上继续采用控制点和DEM数据进行正射影像纠正。Standard级产品与Ortho Ready Standard级产品不同之处在于，Standard级影像采用GTOPO30 DEM进行地图投影处理，用户将无法采用控制点及DEM数据进行高精度的正射纠正处理，该产品主要提供给无需高精度影像几何定位的用户。

二、全色多光谱影像融合及其质量评价

1．试验数据

为了评价WorldView-3卫星全色多光谱影像融合效果，本文选取了北京揽宇方圆公司免费提供的一组试用示例数据，影像覆盖北京通州某地区，基本信息见表2。

表2 试验数据基本情况

2．影像融合效果初步分析

首先选择多光谱影像8波段中的第5、3、2波段对应的红、绿、蓝通道，与全色影像采用Pan-Sharpen融合算法进行影像融合［11-12］，然后选取了道路、建筑物、水系、植被、运动场等典型区域进行了融合效果分析。图4(a)—(d)每一幅图的左侧为0．31 m全色影像，中间为1．24 m的多光谱影像(5、3、2波段组合)，右侧为采用Pan-Sharpen算法融合后分辨率为0．31 m的多光谱影像。从图4(a)中可以明显看出，融合后车道上的箭头、分隔线都清晰可见，道路上小汽车的颜色、大小都可很直观地辨认;图4(b)融合后的图清晰显示了建筑物屋顶的颜色，甚至细小纹理;图4(c)融合后的单木树的大小，颜色清晰可辨;图4(d)融合后的篮球场投篮区、篮球架位置，甚至篮筐、路边的电线杆都可以直观辨认出来。

图4 影像融合效果

三、立体影像几何定位精度评价

1．试验数据

为评价WorldView-3立体影像的几何定位精度，订购获取了山东潍坊试验区的立体影像数据，数据基本参数见表3。由于在购买数据时，美国政府尚未允许商业公司出售分辨率优于0．5 m的遥感影像数据，因此该数据是由原始分辨率为0．31 m的影像重采样之后得到的0．5 m分辨率影像。该地区为丘陵地形，海拔高度范围为200～450 m，面积约为324 km2。整个试验区由8幅影像构成4个立体模型。根据每幅影像对应的RPB文件可以计算得到地面投影范围，如图5所示，对于单个立体模型，影像重叠度接近100%，相邻立体模型在沿轨和垂轨方向上有一定重叠，不仅保证了对试验区的无缝立体覆盖，还有利于实现基于RFM模型的试验区影像整体区域网平差定向［13-14］，进而展开对影像几何定位精度分析及后续测图产品的生产。

表3 试验数据基本情况

在该试验区内采集了19个GPS外业控制点，控制点精度优于0．1 m，并在高分辨率航空DOM影像图上标注了位置，以便于在WorldView-3影像上选取控制点，如图5所示。

图5 同一区域控制点与WorldView-3影像对照示意图

2．几何定位精度评价

针对山东潍坊地区的WorldView-3全色立体影像，分别采用完全无控、1个平高控制点、4个平高控制点、5个平高控制点4种平差模式进行对比分析。平差模型采用经典的有理函数模型加像方改正，完全无控时采用的是自由网平差，1个平高点时采用的是像方平移改正模型，4个或5个平高控制点时采用的是像方仿射变换改正模型。控制点与检查点的分布如图6所示，GCP为地面控制点，CP为检查点。

对无控、1个控制、4个控制、5个控制的平差结果均采用剩下的检查点(即分别为19个、18个、15个、14个)的残差进行统计，检查点残差的统计结果见表4。从表4中可以明显看出，WorldView-3的立体影像在山东潍坊地区的无控定位精度优于设计指标3．5 m，其无控平面定位精度达到1．8 m，高程精度达0．9 m。在分别加入1个、4个和5个平高控制点后，其精度有所提高，其中加入1个平高控制点后平面精度可提高到1．23 m，高程精度可到0．67 m，继续加入控制点后精度有所提高，但不是特别明显。综合考虑试验区地面控制点本身的误差、影像点测量误差以及试验影像被重采样为0．5 m等因素，可以推断0．31 m原始分辨率的WorldView-3的几何精度在有控情况下平面优于1 m，高程优于0．5 m。

图6 山东潍坊地区控制点与检查点分布

四、总结与展望

WorldView-3是目前几何分辨率最高的商业遥感卫星，本文对其全色和多光谱融合后的影像质量及立体影像几何定位精度进行了初步评价。从北京某区域的WorldView-3融合影像可以清晰地分辨出道路上的指示箭头、单棵树木、建筑物上的纹理等信息，而且第5、3、2波段组合后的真彩色影像色彩鲜艳，总体质量与目前的航空影像相差不远。此外，选取山东潍坊地区经重采样为0．5 m的全色立体影像进行几何精度评价，统计结果表明，World-View-3的无控定位精度优于其设计指标3．5 m，在少量控制点情况下，其平面精度优于1．0 m、高程优于0．5 m，完全可以用于1∶5000甚至更大比例尺的立体测图。

与WorldView-2相比，WorldView-3还多了8个SWIR波段和12个CAVIS波段，SWIR可用于森林火灾监测、农作物估产、矿产调查、影像分类等，而CAVIS的使用则可显著提高大气校正质量，这些应用效果还有待后续深入研究和挖掘。目前，国产高分辨率遥感卫星的发展突飞猛进，已经取得了很大的成就，但离WorldView-3的水平还有一定差距，如何瞄准WorldView-3等超高分辨率卫星进行赶超，是广大测绘遥感科技工作者需要迫切考虑的问题。

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