高分二号卫星影像区域网正射纠正不同方案的精度研究

●赵学松,范晓燕,李来胜

（广西自然资源遥感院，广西 南宁 530023）

高分二号（GF-2）是国家高分辨率对地观测系统重大专项首批启动研制的卫星，具有空间分辨率高、观测幅宽大、设计寿命长、自主研制等特点。它于2014 年8 月19 日成功发射，具有0.8m 的全色地面分辨率。高分二号影像作为重要的遥感影像数据，已在自然资源调查监测等领域发挥了重要作用。

要更好发挥高分二号的应用服务能力，快速、高质量的正射纠正是前提。国内相关学者和技术人员针对Pleiades、资源三号等卫星影像进行了正射纠正像控布点方案研究，取得一定的研究成果[1-2]，但针对高分二号的相关研究内容较少。在卫星影像的高精度正射纠正中，像控点、高精度的DEM 数据必不可少。通常情况下，卫星影像纠正时像控点获取可以采用以下两种较优的方式进行：一是从已有的高精度DOM 上匹配提取数量众多的像控点；二是以在影像上能明显定位的已有项目外业像控点为主，以重新外业采集的像控点为辅，进行像控点的布设和采集。第一种方式已有相关学者进行研究[3]，评价整体成本低、效率高，但两种方式的精度受到方式一中DOM 的精度、方式二中像控点的布设方式和布设密度的影响。

研究小组通过相关实验和比较分析，来确定高分二号影像区域网正射纠正时，能满足某一精度要求的较优像控点获取方案。

1 实验区与数据源情况

1.1 实验区概况

实验区位于107.9°E～108.8°E，21.7°N～22.4°N，涉及南宁市良庆区、上思县，钦州市钦北区、钦南区，防城港市本级等区域。

1.2 数据源情况

1.2.1 高分二号卫星影像

实验区使用影像16 景（景编号从JB1 至JB16），现势性为2018 年1 月至2019 年10 月。其中，编号为JB14 的景云覆盖在90% 以上，编号为JB15 的景云覆盖在40%以上。

1.2.2 纠正用DEM 成果

研究小组使用广西农村土地承包经营权确权统一航空摄影和数字正射影像图制作项目（以下简称确权项目）生产的1∶1 万一级精度DEM。数学基础为2000 国家大地坐标系，高斯−克吕格投影，3°分带，中央子午线为108°，高程基准为1985 国家高程基准。格网间距2.5m，数据格式为asc 和grd 两种，现势性为2018−2019 年。

1.2.3 CORS 站点资源

广西全境范围内已有效覆盖CORS 信号。在CORS 站点无异常情况下，可以满足测区像片控制点补充测量的需求。

1.2.4 参考DOM

研究小组使用确权项目生产的1∶2000 DOM、1∶5000DOM。成果为2000 国家大地坐标系，高斯−克吕格投影，高程基准为1985 国家高程基准。其中，1∶2000DOM 分辨率为0.2m，航摄影像生产；1∶5000DOM分辨率为0.3m，WV3 卫星影像生产。

该成果可用于卫星影像正射纠正时基于已有参考DOM 的控制点匹配提取工作。

1.2.5 像控点及检测点

像控点成果覆盖实验区大部分范围，包含坐标信息和点之记（点位）等。成果为2000 国家大地坐标系，高斯−克吕格投影，高程基准为1985 国家高程基准。

2 正射纠正像控布点方案设计

此次实验采用4 种像控布点方案。第1 种是基于已有高分辨率、高精度DOM、DEM 进行影像匹配提取像控点。其余3 种方案参考《1∶5000 和1∶10000 地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T13977-2012）[4]，采用区域网、3 种不同的布点密度和分布形态进行布点。具体情况如下。

（1）基于已有地理信息数据（确权项目的DOM 和DEM）的方式匹配像控点，进行区域网整体平差后纠正高分二号卫星影像。方案命名为“B0”。

（2）3 种不同的人工布点规则，分别是：①“周边+中心”的布点方式，方案命名为“B1”；②“周边+中心”而且在3 度以上重叠区域适当布点，方案命名为“B2”；③“周边+中心”且在3 度以上重叠区域完整布点，方案命名为“B3”。

其中，B1、B2、B3 这3 种方案的像控布点示意图见图1。

图1 实验区3 种不同像控布点方案示意图

3 正射纠正技术路线

正射纠正基于GEOWAYCIPS 软件，按照4 种不同的布点方案，采用区域网平差方式更新、精化每景影像RPC 参数后，分别对实验区进行正射纠正。为了后期进行对比分析时减少连接点不同引起的干扰因素，每个实验区都先进行连接点匹配通过后，再引入控制点进行整体平差。基于CIPS 的RPC 精化技术流程见图2。

图2 基于GEOWAY CIPS 的RPC 精化技术流程图

4 实验区DOM 精度检测与对比分析

4.1 DOM 精度检测点来源与分布

已有的确权项目像控点，在卫星影像区域网平差时未用作纠正控制的，选取部分用于DOM 精度检测。根据已有确权项目像控点情况，尽量均匀分布；2 度重叠以上区域，有可选点的至少选取1 个以上检测点；云覆盖在50%以下的区域，单景涉及检测点选取5 个以上，云覆盖50% 以上区域，单景涉及检测点选取2 个以上。

4.2 DOM 精度检测指标项设定

DOM 精度检测按表1 设定的检测指标进行。

表1 DOM 精度检测指标项目表

4.3 不同方案DOM 精度情况与对比

研究小组对实验区采用4 种不同方案生成的DOM，选取151 个检测点进行精度检测和统计。整区域中误差、整区域最大误差情况对比见图3，单景误差均值对比见图4，单景误差最大值对比见图5。

图3 整区域中误差、最大误差对比图

图4 单景误差均值对比图

图5 单景误差最大值对比图

4.4 精度分析

卫星影像正射纠形成的DOM 产品，常用的比例尺有1∶2000、1∶5000、1∶1 万国家基本比例尺。按国家测绘行业标准，以精度要求更加严格的平地、丘陵地地形来看，1∶2000、1∶5000、1∶1 万DOM 产品平面位置中误差限差分别为：1.0m、2.5m、5m。基于此标准，研究小组对4 种方案正射纠正精度进行分析和评估。

（1）从整区域中误差来看，4 种方案均满足1∶1 万DOM 精度的要求，但无法保证满足1∶5000DOM 精度。4 种方案精度中误差相差不大；3 种像控人工布点方案中，随着布点数量增加精度会有略微提升，但提升幅度有限。

（2）从整区域单点最大误差来看，4 种方案均在8m 以内，可以满足1∶1 万DOM 中＜2 倍中误差限差的要求，无法满足1∶5000 DOM＜5m 的要求。

（3）从单景误差均值来看，16 景数据中，值的大小均＜5m；除B1 方案编号为JB15 的景外（该景云覆盖40%以上，检测点6 个），值均＜3.5m；方案B0、B2、B3 整体精度情况相差不大。

（4）从单景误差最大值来看，16 景数据中，值＜8m。

5 结语

（1）在DEM 精度和现势性较好，参考DOM 精度、现势性、分辨率均较优的情况下，采用基于已有地理信息提取控制点的方式（方案B0）进行高分二号影像区域网正射纠正，可以满足1∶1 万基本比例尺DOM 精度要求。该方案充分利用已有地理信息数据，免去像控点施测需求，成本较低、效率较高。

（2）针对高分二号影像中型区域网（如4×4=16 景），“周边+中心”的像控布点方式（方案B1）已足够满足1∶1 万以下比例尺DOM 成图精度要求，再增加像控点对精度的提升有限。

（3）高分二号影像大型区域网（如10×10=100 景），可采取“周边+中心”、而且3 度以上重叠区域完整布点的方式（方案B2）进行像控点及部分检测点的布点。除了“周边+中心”外，其余3 度以上重叠点选取作为像控点的数量和分布要求，需进一步进行实验和研究。

基于此次研究，研究小组在广西2020 年度卫星影像纠正任务中，采用了基于已有确权项目DEM、DOM 进行像控点匹配后区域网平差的方式进行高分二号影像正射纠正，精度满足1∶1 万DOM 精度要求，生产中的自动化程度也相对较高。由于实验用数据的限制，因此大型和超大型区域网纠正像控布点方式没有条件进行实验和验证，但研究小组提出的“周边+中心，而且3 度以上重叠区域完整布点”的方案（方案B3）可以为大型和超大型区域网纠正布点方案研究提供参考。