Pleiades卫星严格几何模型的构建及定位精度分析
2015-04-20雷蓉，董杨
雷 蓉，董 杨
信息工程大学，河南 郑州，450001
Pleiades卫星严格几何模型的构建及定位精度分析
雷 蓉，董 杨
信息工程大学，河南 郑州，450001
Pleiades卫星影像有着较高的地面分辨率和较为精确的位置、姿态等信息，有利于进行精确的地面定位。根据Pleiades卫星传感器的成像原理，利用卫星影像的辅助数据文件构建了无需地面点的严格几何模型，并运用空间前方交会对Pleiades卫星立体影像进行了定位精度分析。实验表明，本文所构建的Pleiades卫星的严格几何模型是正确的，能够用来进行无控制点条件下的立体定位。
Pleiades卫星；严格几何模型；无控制立体定位；定位精度
1 引 言
随着地理空间信息领域的不断发展以及相应遥感技术的不断成熟，遥感卫星凭借其不断提高的分辨率和高精度的传感器平台信息，具有越来越广阔的应用前景。通过处理高分辨率的卫星遥感影像，进而得到高精度定位信息和立体测图信息已逐步成为国内外研究热点。同时，卫星遥感影像在摄影测量领域的应用得到不断拓展，米级空间分辨率的立体遥感影像，已有能力进行1:50000、1:10000比例尺的地形图测绘和地理信息更新[1]。
法国Pleiades卫星凭借其独特的技术特点脱颖而出，在全世界范围内引起了广泛关注。研究Pleiades卫星的严格几何模型，不仅能够了解其真正的立体测绘能力，而且有利于国产高分辨率测绘卫星几何成像模型的建立与验证。但目前国内对Pleiades几何成像模型的研究仍然缺乏。文章以Pleiades卫星传感器的成像原理为基础,通过解析卫星提供的辅助数据文件构建了卫星的严格几何模型。实验发现，严格几何模型的平面定位精度和高程定位精度均优于3m,可以真正实现无控制点的高精度定位。
2 Pleiades卫星及其数据介绍
Pleiades系列卫星是法国CNES研发的高分辨率对地观测卫星，其载荷有光学传感器Pleiades-HR(1个全色波段，4个多光谱波段)和意大利的高分辨率雷达系统COSMO-SkyMed，可用于民用和军事需求。Pleiades能够同时拍摄全色影像和多光谱影像，其星下点全色波段原始分辨率为0.7m，经超分辨率重建后分辨率达到0.5m。在星下点成像情况下，能够得到幅宽20km的假彩色和真彩色影像[2]。Pleiades两颗卫星可进行全球观测，重访周期为24h。
图1 Pleiades卫星
Pleiades卫星(如图1所示)在提供高分辨率影像数据的同时，还提供了描述卫星姿态和运行轨道等各类参数信息的辅助数据文件。根据用户的不同需求，Pleiades数据分为不同的类型：不进行任何校正的Primary类型，其含有严格几何模型参数DIMAP(DigitalImageMap)文件；提供RPC参数文件的初级产品Sensor类型；经地形几何校正后的Ortho类型[2]。
Pleiades卫星提供的DIMAP文件是XML格式的数据元文件，以 “DIM_
为了构建卫星严格几何模型，需从Pleiades提供的辅助数据文件中提取出以下信息：精确姿态数据，精确轨道数据，坐标系转换矩阵和几何参数等。与一般卫星数据不同的是，Pleiades卫星姿态数据以四元数[3]的方式表示。
3 严格几何模型的建立
Pleiades卫星的严格几何模型构建及精度验证流程如图2所示。
图2 Pleiades卫星严格几何模型构建及精度验证流程图
3.1 确定扫描行的摄影时刻
为了获取某一摄影时刻卫星所对应的位置和姿态信息，首先需要确定任一扫描行的摄影时刻。
任一扫描行的lin的像元所在的摄影时刻tlin为：
tlin=tref+period×(lin-linref)
(1)
其中,linref为中心扫描行号；period为每行对应的扫描时间；tref为中心扫描行对应的摄影时刻。这些信息均可在卫星提供的辅助数据文件中取得。
3.2 确定摄影光线的方向
3.2.1 本体坐标系内的摄影光线
任一像元(lin，col)在卫星本体坐标系内的摄影光线由沿轨道方向的侧视角和垂直于轨道方向的侧视角确定，而这两个角度可由公式(2)和(3)内插得到：
(2)
(3)
其中，TanPsiX为沿轨道方向的侧视角；TanPsiY为垂直于轨道方向的侧视角；colref为CCD中心像元的列号；CoeffsiX、CoeffsiY为DIMAP文件中给出的像元指向对应的多项式系数。
从而得到任一像元的摄影光线μ1：
(4)
3.2.2 地球坐标系内的摄影光线
根据辅助文件提供的姿态四元数及其多项式拟合系数coefQ，经公式(5)计算可以得到成像时刻tlin的四元数：
(5)
其中，j=0,1,2,3。将四元素标准化，有
(6)
则本体坐标系到地球坐标系(WGS84坐标系)的旋转矩阵MPF→Ter为
(7)
其中，(w,x,y,z)T是经公式(6)标准化后的四元数。MPF→Ter是由本体坐标系直接旋转至WGS84坐标系的旋转矩阵，不需要经过卫星轨道坐标系的中间转化，这也是Pleiades卫星姿态建模与其它卫星的不同之处。拟合的四元素修正了由卫星运动带来的光行差和地球自转带来偏流角的姿态扰动系统误差。
地球坐标系(WGS84坐标系)内的摄影光线μ2可由式(8)计算得到：
(8)
3.3 确定tlin时刻卫星位置
根据Pleiades卫星辅助数据(DIMAP文件)给出的中心行成像时周围n个时刻的摄站位置(间隔30秒)，利用拉格朗日内插公式可以得到卫星任一时刻tlin的位置[5]，即：
(9)
(10)
(11)
3.4 求解地面坐标
确定了WGS84坐标系中经过像点(col,lin)的摄影光线,在立体成像的条件下，可利用摄影测量中空间前方交会的方法计算地面点坐标。
图3 Pleiades影像缩略图及其控制点分布
4 模型验证及分析
为了对Pleiades卫星严格几何模型进行验证，本文利用国内某地区的Pleiades立体影像对进行实验。评定精度所用的控制点为12个野外GPS实测控制点，精度优于10cm；控制点对应的卫星像片上的像点均为人工量测，量测精度在1个像素以内。因Pleiades卫星影像为行中心投影影像，为保证评定精度，控制点尽可能沿扫描线方向均匀分布。Pleiades实验影像缩略图及控制点分布如图3所示。
利用Pleiades卫星影像的附属数据文件所提供的影像方位信息，采用上述方法，对Pleiades立体影像对进行前方交会定位实验，与已知的野外控制点坐标进行比对，统计结果见表1。
表1 立体定位实验结果(单位：m)
统计项目XYXYH平均残差1．1302-2．75022．31042．3392最大残差3．64654．30325．64043．8252最小残差-1．0667-2．02572．0757-3．0119中误差1．01532．18712．87872．0516
图4 影像控制点上的残差分布
图4显示了在控制点上的X方向、Y方向残差分布，以及平面、高程残差分布。
从控制点上的残差分布结果可以看到，利用严格几何模型进行立体定位，在X方向上中误差约为1.02m，Y方向约为2.08m，平面中误差约为2.88m，高程中误差约为2.05m。实验结果表明，Pleiades卫星影像有着很高的无控定位能力。
5 结束语
本文以Pleiades卫星的成像原理为基础，通过解析卫星提供的辅助数据文件，构建了基于Pleiades卫星影像的严格几何模型。利用国内某地区的Pleiades立体像对，进行了严格几何模型的构建与验证。依照本文结果，Pleiades立体影像平面定位精度优于3m，高程定位精度优于3m，绝对定位精度优于5m，这与Pleiades卫星官方所标称的无控定位精度(5m)基本一致。初步实验结果表明，本文所构建的Pleiades卫星的严格几何模型是正确的，能够用来进行无控制点条件下的立体定位。本文对Pleiades卫星严格几何模型的构建与验证，对于国产高分辨率测绘卫星严格几何模型的建立亦有参考价值。
[1]张力,袁枫.光学航天传感器几何建模与DEM生成新进展[J].地理信息世界,2009(2):53-71.
[2]Jean-Marc DELVITa ,Daniel GRESLOUa.Attitude Assessment Using Pleiades-HR Capabilities[C].ISPRS,2012,12(XXXIX-B1):525-530.
[3]龚辉,姜挺,江刚武等.四元数微分方程的高分辨率卫星遥感影像外方位元素求解[J].测绘学报,2012,41(3):409-416.
[4]燕琴,张继贤.SPOT5 DIMAP文件解析及在影像纠正中的应用[J].遥感信息,2005(5):12-15.
[5]王任享．卫星三线阵CCD影像光束法平差研究[J]．武汉大学学报·信息科学版,2003，28(4)：379-385.
Construction of Rigorous Geometric Model and Positioning Accuracy Analysis on Pleiades Satellite Images
Lei Rong，Dong Yang
Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China
Pleiades satellite images have higher ground resolution and more accurate information such as position and attitude, which is conducive to accurate ground positioning. Based on the imaging principle of Pleiades sensor, the paper establishes the rigorous geometric model by the imagery ancillary data. Besides, it analyzes the positioning accuracy of Pleiades stereo images using space intersection principle. The experiment results show that the rigorous geometric model of Pleiades constructed in this paper is correct, which can be used for stereo positioning without ground controlling points.
Pleiades; rigorous geometric modeling; stereo positioning without ground controlling points; positioning accuracy
2015-02-10。
国家自然科学基金资助项目(40901230)，国家863计划资助项目(2012AA12A302-5)。
雷蓉(1974—)，女，副教授，主要从事数字摄影测量方面的研究。
P236
A
