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高分辨率光学卫星遥感影像高精度无大地适度精准处理的表面与圭表hongkongdoll 在线
龚健雅1,2, 王密2, 杨博2,3,4
1. 武汉大学遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079;
2. 武汉大学测绘遥感信息工程国度重心实验室, 湖北 武汉 430079;
3. 武汉大学计较机学院, 湖北 武汉 430072;
4. 地球空间信息协同翻新中心, 湖北 武汉 430079
收稿日历：2017-06-13；修回日历：2017-07-06
基金技俩：国度当然科学基金重心技俩（91438203）
第一作家简介：龚健雅(1957-), 男, 诠释, 博士生导师, 中国科学院院士, 盘问标的为GIS表面与时期, 影相测量与遥感。E-mail:gongjy@whu.edu.cn
选录：卫星影像巨匠无大地适度高精度几何定位是卫星影相测量时期发展追求的主要见地，亦然结束穷困地区和境外地区测图的关节相沿时期。本文围绕我国国产遥感卫星的时期发展，详备陈述了高分辨率光学卫星遥感影像高精度无大地适度几何定位的表面与圭表，在天星地一体化全链途经失建模分析的基础上，提议了在轨几何定标表面与圭表、稳态重成像几那处理模子与圭表及大限度无大地适度区域网平差表面与圭表。将本文圭表应用于资源三号卫星影像的数据处理，考验松手振作1:50 000测图精度，证明了表面和圭表的正确性。
关节词：高分辨率遥感影像 高精度无大地适度几那处理 在轨几何定标 杜撰重成像 大区域无大地适度合座平差 资源三号
High-precision Geometric Processing Theory and Method of High-resolution Optical Remote Sensing Satellite Imagery without GCP
GONG Jianya1,2, WANG Mi2, YANG Bo2,3,4
1. School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. School of Computer Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
4. Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology, Wuhan 430079, China
Foundation support: The National Natural Science Foundation of China(No. 91438203)
First author: GONG Jianya(1957—), male, professor, PhD supervisor, academician of the Chinese Academy of Sciences, majors in theory and technology of GIS, and photogrammetry and remote sensing.E-mail:gongjy@whu.edu.cn
Abstract: Global high-precision geolocation of satellite imagery without GCP is the main goal of satellite photogrammetry, and the fundamental supporting technology of mapping in abroad area.For the developing technology of domestic remote sensing satellite, this paper presents the high-precision geometric processing theory and method of high-resolution optical remote sensing satellite imagery without GCP.Based on rigorous analysis of satellite observation error model, on-orbit geometric calibration method, virtual re-imaging processing method and large-scale block adjustment method are proposed.Experiments were conducted by using ZY-3 imagery.The result fulfills the demand of 1:50 000 mapping, and proves the correctness of proposed theory and method.
Key words: high-resolution remote sensing imagery high-precision geometric processing without GCP on-orbit geometric calibration virtual re-imaging large-area block adjustment without GCP ZY-3
光学卫星遥感影像的几何定位精度取决于卫星平台硬件不雅测精度及数据处理水平。自20世纪90年代起，跟着卫星在轨几何定标、定姿、定轨实时辰同步等时期的发展，光学卫星遥感影像的严实成像几何模子精度的提高，光学卫星的几何定位和处理逐步开脱了对宽绰大地适度点的依赖，向珍稀大地适度发展。当代卫星平台招揽高精度定轨、定姿和时辰测量器件，无大地适度几何定位精度越来越高。2007年起放射的WorldView系列卫星，其无大地适度定位精度达到3.5 m(CE90)；2011年起放射的Pleiades系列及SPOT-6/7卫星，其无大地适度定位精度达到10 m(CE90)；2008年放射的GeoEye-1卫星，其无大地适度定位精度更达到2.5 m(CE90)[1-2]。可见，刻下国际先进高分辨率光学卫星的无大地适度精度已发展到2~3 m，使得改日高分辨率卫星遥感影像应用逐步开脱大地适度点的为止，结束无大地适度的高精度几那处理和应用。
往日20年，我国高分辨率光学遥感卫星起初结束了从无到有的向上式发展。“十一五”时期，我国放射了多颗军民高分辨率光学遥感卫星，军用分辨率达到1 m，民用分辨率达到2.36 m，但是无大地适度几何定位精度仍处于在数百米量级，与国际差1~2个数目级，无法振作立体测绘、见地捕快、灾害预警等高精度应用需求。而近5年来，跟着资源三号等测绘卫星的奏效放射应用，我国卫星影相测量表面和时期得到了极大的教育。基于高精度姿轨、时辰测量时期和在轨几何定标时期，资源三号测绘卫星的单景无大地适度精度优于15 m，里面精度优于1个像素[3]，达到国际先进水平，可相沿巨匠无大地适度测图工程的践诺，并逐步完善了卫星影相测量高精度几那处理的表面和圭表。
针对高分辨率光学遥感影像无大地适度高精度几何定位的关节问题，本文系统性地提议了竣工的无大地适度精准处理表面与圭表。本文圭表以光学卫星全链途经失表面分析及定量建模为基础，将影像居品定位错误阐明响应于光学卫星平台方针论证阶段，指引高精度光学卫星平台的硬件狡计及结构狡计；并以最大限制地修正光学遥感卫星数据中存在的系统错误和偶然错误为见地，针对几何成像模子中存在的系统错误、影像里面畸变和影像间的拼接错误、姿轨不雅测偶然错误，分别提议了基于探元指向角的在轨几何定标圭表、基于杜撰CCD的稳态重成像圭表和基于杜撰适度点的大限度无大地适度区域网平差圭表。招揽本文的表面圭表，我国资源三号测绘卫星影像的无大地适度定位精度优于5 m，全面优于法国SPOT-5、日本ALOS和印度P5等卫星，居国际同类卫星起初水平。该项后果收尾了我国遥感卫星几何精度不高，无法用于精准测图的历史，为巨匠空间数据基础设施的树立和我国“走出去”的计策践诺奠定了时期基础。
1 无大地适度几何定位的表面与圭表1.1 无大地适度几何定位模子
光学卫星严实成像几何模子以共线方程为基础构建。共线方程手脚卫星影像几那处理的基本模子，其实质为相机投影中心、像点及对应的物方点三点共线[4]，也可领悟为在相机坐标系下以成像投影中心为开端、像点为极端的像方矢量Vimage与在物方坐标系下以投影中心为开端、像点对应物方点为极端的物方矢量Vobject共线[5-6]，如图 1所示。
图 1 矢量共线图Fig. 1 Collinear vectors
高分辨率光学卫星一般招揽线阵CCD推扫成像方式获取对地不雅测影像。在每一成像时刻，卫星仅获取一瞥影像，随卫星畅通造成一语气的条带影像。每一扫描行影像是零散成像，且均为中心投影成像，振作投影成像共线方程。由此建立基本成像模子如式(1) 所示
(1)
式中，x、y为像点在像方坐标系下的坐标；x0、y0分别线路为像主点在焦平面x和y轴标的的偏移；Δx、Δy分别代表物镜在焦平面x和y轴标的的畸变；λ为成像比例尺；
均为3×3的方阵，分别代表卫星实践坐标系到传感器坐标系、J2000坐标系到卫星实践坐标系，以及WGS-84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，RBodycam通过实验室检校及在轨几何定标赢得，在万古辰内可以为是一个常数，RJ2000body(t)通过成像时刻t内插姿态不雅测四元数赢得，RWGS-84J2000(t)为WGS-84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵；(X, Y, Z)T为像点对应地物点在物方坐标系下的坐标矢量；(XGPS, YGPS, ZGPS)T为GPS天线相位中心在WGS-84直角坐标下的坐标矢量，通过成像时刻t内插GPS不雅测值赢得；(Dx, Dy, Dz)bodyT与(dx, dy, dz)bodyT分别为GPS的偏心矢量与投影中心的偏移矢量。
在无大地适度条款下，严实成像几何模子与地球椭球面模子相交，在高精度数字高程模子的支握下，进行见地几何定位，椭球模子如式(2) 所示
(2)
式中，A=ae+h；B=be+h；ae=637 8137.0 m和be=635 6752.3 m分别为WGS-84地球椭球的漫骂半轴；h为不雅测见地的椭球高，在DEM数据的支握下，可通过地舆坐标内插得到。
1.2 无大地适度几何定位关节时期
1.2.1 天星地全链途经失分析
高分辨率光学卫星遥感影像无大地适度的几何定位精度与成像各圭表的不雅测精度关联，成像链路的几何错误建模分析是高精度几何定位处理的表面基础。由上文所述严实几何成像模子可知，影响身分包括卫星姿态不雅测精度、轨说念不雅测精度、时辰同步精度、相机参数精度及不雅测条款等。按测量错误特质分类，高分辨率光学卫星成像不雅测错误可分为粗差、系统错误和偶然错误[7]。粗差主要包含星上仪器不雅测、数据传输、数据处理流程中由于过错得到的诞妄值；系统错误主要包含相机星敏装配错误、GPS相位中心与投影中心偏差、相机CCD形变、主点主距及物镜畸变错误；偶然错误主要包含星敏姿态不雅测、轨说念不雅测、星上时辰同步及姿态高频震颤的立时错误。针对光学卫星定位多类错误源对高精度处理的复杂影响，本文从表面分析与仿真考验起程，构建了光学卫星全链路定位精度定量分析模子，包含各类不雅测错误源对影像几何质地的影响机理、数学建模偏激相互之间的耦合性，为影像的高精度几那处理奠定了表面基础，并灵验应用于卫星平台狡计与方针论证，结束了光学卫星数据处理的宇宙一体化。
由全链途经失分析得知，高精度无大地适度测图的应用需求起初对卫星平台的硬件狡计提议了时辰、轨说念及姿态测量的精度、频次要求。在此基础上，为最大限制地排斥不雅测参数中的系统错误与偶然错误，大地数据处理系统需针对存在系统错误的不雅测参数进行标定赔偿，并针对卫星平台的不领悟性及星载光学相机的结构特质招揽高精度传感器改进圭表，排斥影像里面畸变；在单片影像里面精度一致性致密的基础上，可通过无大地适度区域网平差技巧，应用一定边界内影像间的料理，进一步提魁伟边界影像的合座定位精度水平。
1.2.2 在轨几何定标模子与圭表
卫星影像在轨几何定标是高精度卫星遥感测绘的瓶颈问题，其本质是赔偿影像定位中存在的系统错误，由于卫星影像传感器表里部几何参数关系性、光学系统放射腾飞流程中的动态变形等难题，国产光学遥感卫星传感器的几何定标，卓绝是里面畸变的标定在较长的一段时辰内一直是一个空缺，导致国产光学卫星遥感影像不仅弥散定位精度低，里面相对精度也很有限[8-13]。针对该难题，这里提议了基于CCD探元指向角和相机装配角的详尽指向角定标模子，灵验地克服了线阵推扫成像表里部错误的强关系国际难题，精准地收复了相机成像视场每个探元的明后指向，结束了表里场地元素和镜头畸变错误的精准标定；在此基础上，主握建立了我国第一个民用遥感卫星高精度几何定标场，如图 2所示。此外，针对在轨几何定标中存在的姿态测量错误的影响及某些区域可用特征少等问题，提议了基于当然地物点密集影像匹配和多检校场、多类型适度点的高精度几何定标时期和圭表，结束了光学遥感卫星在复杂条款下的自动化几何定标。
图 2 嵩山定标场暗示图Fig. 2 Songshan calibration site
基于该圭表，自主研制了高分辨率光学遥感卫星几何定标系统，全面攻克了我国光学遥感卫星几何定标的时期难题，建立了光学遥感卫星影像在轨几何定标的时期体系，并奏效应用于“资源三号”“资源一号02C”“高分1号”“高分2号”“遥感”系列等扫数在轨光学遥感卫星影像的几何定标，将我国遥感卫星的里面几何精度从5~6个像元提高到了1个像元以内。“资源三号”等卫星的内场地元素标定精度优于0.25像元，影像单景无大地适度点定位精度提高到15 m[3, 14-15]。
1.2.3 稳态重成像几那处理模子与圭表
为了振作高分辨率和宽视场成像要求，星载高分辨率光学相机狡计复杂，主要流露为：① 招揽折返式光学系统光路结构狡计，光轴与视轴不重合、焦距与主距不一致、像主点与视主点不调处，导致CCD偏视场成像，内、外场地元素高度关系；② 招揽多片TDI CCD拼接成像和多相机拼接成像，原始影像存在单片积分时辰跳变、多片异速成像、多片CCD不共线、多波段不配准、双相机拼接等问题[16-17]。除此以外，跟着分辨率的提高，平台震颤也成为影响高分辨率卫星遥感影像几何精度的弥留身分之一[18]。
针对上述问题，本文提议了基于杜撰CCD的稳态重成像传感器改进圭表，其基本想想是：应用逸想无畸变的杜撰CCD线阵替代原始多片、多波段CCD在逸想无平台震颤条款下成像，在高精度在轨几何定标、精密定姿、精密定轨时期支握下，分别建立原始影像与稳态重成像严实几何模子，然后基于原始影像与杜撰影像几何定位一致性旨趣，建立二者的坐标映射关系，生成竣工无畸变的杜撰影像，同期生成高精度的有理函数模子(rational function model，RFM)，为后续应用提供高精度数据基础。
应用资源三号卫星三线阵数据进行考验考证与分析，松手标明：基于杜撰CCD稳态重成像传感器改进圭表可灵验改进由于相机狡计和平台震颤引起的影像里面畸变，将影像里面精度从1~2个像素提高到0.5个像素以内。将该圭表应用到资源三号多光谱影像处理中，松手标明，该圭表在改进影像畸变的同期，提高了波段配准精度，多光谱影像里面精度达到0.3个像素，波段间配准精度优于0.15个像素。
1.2.4 大限度无大地适度区域网平差圭表
单景影像居品经在轨几何定标修正系统错误及稳态重成像处理优化里面精度后，由于存在姿轨不雅测偶然错误，单景仍无法结束定位的可靠性，且影像间存在较权贵的配准、拼接错误，若要振作无大地适度测图的应用需求，必须通过无大地适度区域网合座平差处理时期[19-29]。针对该问题，本文在杜撰重成像时期生成高精度单片影像RPC模子的基础上，提议了一种基于杜撰适度点的超大限度无大地适度区域平差圭表，在保证影像的运行定位精度的同期修正影像之间的相对定向错误，提魁伟限度影像的合座定位精度水平。
然则，在超大限度(万张以上影像)卫星影相测量平差中，由于穷乏适度点的料理，平差模子的解脱度较高，径直将待平差参数手脚解脱未知数会导致法方程矩阵的病态，进而使得平差精度不领悟及错误容易过度积蓄而引起网的污蔑变形。此外，当影像数目较多时，影像和模子之间的复杂荟萃，大区域海量影像的荟萃点匹配和平差，均是境外大区域高精度测图需要治理的难题。针对大限度无大地适度区域网平差中存在的这些关节科常识题，分别招揽超大限度卫星影像不规则区域网荟萃点自动匹配时期和平差时期，支握上万景立体影像的自动匹配、上亿个荟萃点限度的区域网平差处理，结束了自动挑点和粗差剔除时期，确保了荟萃点的致密分散、高重迭度和高可靠性。基于本圭表设备的无大地适度大限度区域网平差处理软件不但可结束无大地适度条款下海量数据的合伙处理，同期随机支握低重迭度、短基线、弱荟萃、不规则区域网结构等各式病态条款下的空三平差处理。
2 考验与分析2.1 考验数据
基于本文圭表对资源三号卫星获取的掩盖中国扫数这个词大陆的8802景三线阵立体像对(共26 406景影像)进行了无大地适度区域网平差考验。考验影像每景影像均附带RPC参数文献，相邻影像之间具有一定的重迭度，影像数据量约20 TB。测区掩盖面积约900万km2，约占中国国土面积93%以上，仅在广西、贵州等局部区域由于天气原因而穷乏灵验影像数据。测区内包含高原、平地、丘陵、平原及沙漠等多类地形，最大最小高程滚动达8000 m以上。为了对平差松手的几何精度进行分析与考证，在世界边界内通过GPS外业测量，共获取了约8000余个高精度适度点(平面和高程精度均优于0.1 m)。
资源三号卫星于2012年1月9日放射腾飞，在轨领悟运行后应用河南安阳定标场成像数据及高精度参考DOM/DEM数据完成三线阵相机的在轨几何定标，权贵赔偿相机里面畸变及平台装配关系等系统错误，单景影像平面定位精度从定标前1400 m足下提高到定标后15 m以内；进而招揽基于稳态重成像的传感器改进圭表，灵验改善由平台畅通等引起的里面畸变并提高影像里面几何精度到1个像素以内，生成考验数据每景影像的高精度RFM模子，为高精度无大地适度区域网平差处理提供基础。
2.2 考验圭表
对上述ZY3卫星影像数据，应用100个高性能计较节点构成的集群计较环境(该环境由中国资源卫星应用中心提供，每个节点均配置了一个6核Xeon-L7455的CPU和128 GB的内存)，约消费2 h在扫数这个词测区内自动匹配了约300万个均匀分散且可靠性较高的荟萃点。并对各景影像在像方均匀分袂3×3格网，对每个格网的中心点按前述圭表生成杜撰适度点，每景影像生成9个杜撰适度点，共生成237 654个杜撰适度点。按照本文圭表将生成的杜撰适度点与荟萃点一说念进行合伙平差，平差流程在个东说念主粗鄙PC机(CPU为双核Intel i5，内存空间为8 GB)上完成，仅需两次迭代解算就已敛迹，共耗时约15 min。这标明，在旧例解脱网平差模子中，通过引入杜撰适度点手脚带权不雅测值，随机灵验改善平差模子的景象，使平差模子具有致密的敛迹性。为了对平差松手的精度进行评价，分别对平差后分娩的DOM居品的弥散几何定位精度和拼接精度进行考证。
2.3 考验松手
考验中应用掩盖世界边界的高精度外业适度点手脚零散查验点，分别对DOM和DSM居品的平面和高程几何精度进行了考证。为了愈加科学地分析区域网几何精度，卓绝是里面几何精度的均匀性，不仅对扫数查验点合座统计其几何错误的均值、中错误和最大值等精度方针，还凭据查验点的分散情况将世界分袂为5个子区域，分别统计各子区域内的查验点几何错误的精度方针，松手见表 1。
表 1 平差后弥散几何定位精度统计Tab. 1 Statistic of geometric accuracy after block adjustment
m
区域
均值
中错误
最大错误
X
Y
Z
X
Y
XY
Z
X
Y
XY
Z
西部
0.62
0.71
0.23
2.76
3.12
4.16
4.41
4.84
5.17
7.08
7.67
南部
-0.64
-0.57
-0.87
3.08
3.12
4.38
2.67
6.12
5.86
8.47
9.03
中部
0.12
0.43
0.56
2.03
1.98
2.83
2.45
5.65
4.98
7.53
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东北
-0.87
-0.03
0.08
3.13
3.07
3.68
3.95
7.21
5.56
9.10
9.64
东部
0.13
0.26
-0.17
2.16
2.23
3.10
2.73
4.21
3.79
5.66
6.75
世界
0.49
-0.33
0.57
2.44
2.68
3.62
3.63
7.21
5.56
9.10
8.46
从表 1中不错得出以下论断：① 不论是平面依然高程标的，各子区域查验点错误的均值和中错误基本十分，无赫然各异；② 各子区域平面和高程的错误均值均接近于0，区域网合座在空间中无赫然的偏移性系统错误；③ 各子区域内查验点的平面和高程最大错误值均适度在3倍中错误以内。以上论断阐述：① 杜撰适度点随机对区域网里面的错误积蓄起到一定的料理作用，幸免了区域网的污蔑变形而使得中心与旯旮精度不一致，保证了区域网里面几何精度的均匀性；② 每个杜撰适度点十分于一个具有一定精度的适度点不雅测值，凭据平差表面，宽绰的杜撰适度点随机权贵提高待平差参数的忖度精度，从而结束网的无偏忖度，为无大地适度点条款下达到有适度点的测图精度提供了一种通俗实用的圭表；③ 杜撰适度点的引入随机灵验改善平差模子的景象，幸免了无大地适度点时由于平差模子病态而导致解算松手不领悟、几何精度特殊的问题，保证了平差松手具有高可靠性。
3 讲求与预测
本文系统地先容了高分辨率光学卫星遥感影像高精度无大地适度精准处理的表面与圭表，分别从天星地全链途经失表面分析、在轨几何定标、基于稳态重成像的传感器几何改进和大限度无大地适度区域网平差3个方濒临光学遥感影像全链路高精度几那处理的关节问题进行阐述，并将本文圭表应用于资源三号卫星进行了考证，进而评价本文所提议圭表的可行性。考验标明，本文的表面圭表不错灵验赔偿资源三号测绘卫星数据中存在的系统错误和偶然错误，在轨几何定标后单景无大地适度精度提高到15 m，里面精度优于1个像素，经过无大地适度大区域空三处理后，影像的平面和高程精度进一步提高到5 m以内，振作巨匠1:50 000测图精度要求，为我国国产卫星影像支握巨匠地舆信息资源树立奠定了工程应用基础。
致谢: 感谢中国资源卫星应用中心和国度基础地舆信息中心提供本论文考验考证数据和考验环境。
【引文神情】龚健雅hongkongdoll 在线，王密，杨博。高分辨率光学卫星遥感影像高精度无大地适度精准处理的表面与圭表[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1255-1261. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170307