GF-4衛(wèi)星不同成像狀態(tài)下影像定位誤差特性分析

韓 杰，謝 勇，李慧娜，苗寶亮，石宏斌

(1. 許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000； 2. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044； 3. 許昌學(xué)院電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000； 4. 中國人民解放軍96608部隊，河南 洛陽 471000)

2015年12月15日我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號運(yùn)載火箭成功發(fā)射了高分四號(GF- 4)衛(wèi)星，填補(bǔ)了我國乃至世界高軌高分辨率遙感衛(wèi)星的空白，在軌運(yùn)行的兩年多時間內(nèi)，獲取了大量地理空間數(shù)據(jù)[1- 2]。該衛(wèi)星采用面陣凝視成像方式，可以在不同成像模式下(凝視模式、跟蹤模式、巡航模式、簽到模式、夜間模式)獲取星下點(diǎn)50 m(可見光/近紅外波段)和400 m(中波紅外波段)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，且其具備20 s這一極高的時間分辨率[3- 4]。這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)為我國環(huán)保、氣象、海洋、水利等領(lǐng)域提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

在利用該衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化應(yīng)用時，其影像幾何定位精度將直接影響地面信息提取的準(zhǔn)確度和可靠性[5- 6]。針對GF- 4衛(wèi)星特點(diǎn)，目前已經(jīng)有相關(guān)人員進(jìn)行了初步的研究。文獻(xiàn)[7]在建立GF- 4衛(wèi)星嚴(yán)格成像模型后，利用仿真模擬的方式，對GF- 4衛(wèi)星面陣成像影像的定位誤差進(jìn)行了初步分析。文獻(xiàn)[8]對GF- 4衛(wèi)星可見光近紅外影像內(nèi)部幾何精度和平面定位精度進(jìn)行了評價，結(jié)果表明其誤差滿足研制總要求。文獻(xiàn)[9]建立了針對GF- 4衛(wèi)星基高比小的區(qū)域網(wǎng)平差方法，對比分析了平差前后影像定位誤差。文獻(xiàn)[10]在構(gòu)建了GF- 4衛(wèi)星嚴(yán)格成像模型后，利用在軌幾何定標(biāo)方法，對比分析了定標(biāo)前后影像定位誤差。然而上述學(xué)者并未對GF- 4衛(wèi)星在不同成像模式下獲取影像的誤差特性進(jìn)行系統(tǒng)性分析。

前期的研究結(jié)果表明，谷歌地球影像幾何定位精度能夠滿足對GF- 4衛(wèi)星影像幾何精度的評價需求[11- 12]。因此,本文將谷歌地球影像作為幾何參考，通過對比谷歌地球影像和衛(wèi)星影像中同名點(diǎn)坐標(biāo)信息，對GF- 4衛(wèi)星在不同成像狀態(tài)下獲得的可見光/近紅外波段影像的幾何定位精度進(jìn)行分析與評價，為進(jìn)一步探討其定位誤差原因，提高其影像定位精度提供參考依據(jù)。

1 研究方法

本文將谷歌地球影像作為幾何參考，將GF- 4衛(wèi)星可見光/近紅外影像作為研究對象，對該衛(wèi)星在不同成像狀態(tài)下(凝視、滾動和俯仰)的影像幾何定位精度進(jìn)行分析評價。主要研究方法是從GF- 4衛(wèi)星影像中挑選分布均勻的明顯地物點(diǎn)，獲取影像UTM(universal transverse mercator)坐標(biāo)，將其與谷歌地球影像相應(yīng)地物點(diǎn)UTM坐標(biāo)進(jìn)行比較，然后繪制誤差分布圖，分析定位誤差與相關(guān)成像參數(shù)之間的關(guān)系。

2 不同成像狀態(tài)影像誤差分析

2.1 凝視成像影像誤差

2.1.1 河北與內(nèi)蒙古地區(qū)

選取2017年5月11日河北與內(nèi)蒙古地區(qū)6景凝視成像影像(產(chǎn)品號為162592、162593、162594、162600、162601和162602)，其成像時間段為8:01—10：12。通過對比谷歌地球影像和GF- 4衛(wèi)星影像同名點(diǎn)的UTM坐標(biāo)后可以發(fā)現(xiàn)，以產(chǎn)品號162601和162602為例，如圖1所示，單幅影像內(nèi)各點(diǎn)位誤差方向各不相同，無明顯朝向單一方向變化的趨勢，而是大致以中心為原點(diǎn)順時針旋轉(zhuǎn)變化，且影像邊緣區(qū)域誤差較大[10,13- 14]。但是可以看出，對于同一個地物點(diǎn)而言，其在凝視成像狀態(tài)下不同時間點(diǎn)所表現(xiàn)出來的誤差大小與方向幾乎一致。經(jīng)統(tǒng)計，如圖2所示，該組影像平均平面誤差約1754 m(約35像素)。

2.1.2 渤海灣地區(qū)

選取2017年3月4日渤海灣地區(qū)10景凝視成像影像(產(chǎn)品號為156709、156710、156711、156712、156713、156714、156715、156716、156717和156718),其成像時間段為12:40—12：50。采用上述方法評價其凝視狀態(tài)影像幾何定位誤差。同樣從圖3中可以看出，該組影像反映出來的定位誤差特點(diǎn)與河北及內(nèi)蒙古地區(qū)影像相似。經(jīng)統(tǒng)計，如圖4所示，該組影像平均平面點(diǎn)位誤差為3461 m(約70像素)。

通過對上述兩個區(qū)域凝視成像影像幾何定位誤差進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，凝視成像時,單景影像內(nèi)部幾何定位穩(wěn)定性較高，不同時刻所成影像上相同點(diǎn)位誤差基本一致， 變化幅度不大。通過對比圖2和圖4可以看出，相對于中午時分獲得的影像而言，清晨或上午時影像幾何定位精度較高，這可能與傳感器所受的太陽照射有關(guān)[10,15]。

2.2 滾動成像影像誤差

對于靜止衛(wèi)星而言，通過調(diào)整滾動角可以實現(xiàn)對不同緯度區(qū)域進(jìn)行成像。因此，本文選取3個不同時間段、不同區(qū)域的影像進(jìn)行分析。對定位結(jié)果進(jìn)行評價，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)滾動狀態(tài)下影像定位誤差分布呈不同特點(diǎn)，一種是所有檢查點(diǎn)誤差的方向與大小基本一致；另外一種大致是以中心為原點(diǎn)順時針旋轉(zhuǎn)變化。但經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，前一種誤差分布的影像定位誤差(4000～17 000 m)較后者(600～2000 m)要大，具體原因需進(jìn)一步分析。

2.3 俯仰成像影像誤差

對于靜止衛(wèi)星而言，通過調(diào)整俯仰角可以實現(xiàn)對不同經(jīng)度區(qū)域進(jìn)行成像。因此，本文選取2017年7月11日5景數(shù)據(jù)(產(chǎn)品號為168000、168001、168002、168003和168004)進(jìn)行精度評價，其成像時間段為(11：48—11：54)。如圖6所示，其影像定位誤差出現(xiàn)了與上述滾動成像近似的兩種分布情況。

3 定位誤差與姿態(tài)角的關(guān)系分析

3.1 與滾動角之間的關(guān)系

本文從影像附帶XML文件中提取影像俯仰角信息(roll satellite angle)，定量評價影像平均平面定位誤差與滾動角之間的關(guān)系。由于滾動成像時，出現(xiàn)了兩種不同的誤差分布情況，因此為了更合理地進(jìn)行比較，本文分別對兩種誤差分布情況進(jìn)行了評價。從圖7可以看出，無論是哪一種誤差分布狀態(tài)，隨著滾動角的增加，除個別影像外，其定位誤差是逐步增加的。因此，用戶在處理GF- 4衛(wèi)星影像時，要更加注意對高緯度影像的幾何校正。

3.2 與俯仰角之間的關(guān)系

本文從影像附帶XML文件中提取影像俯仰角信息(pitch satellite angle)，定量評價影像平均平面定位誤差與俯仰角之間的關(guān)系。從圖8可以看出，在一個相對較短的時間段內(nèi)(約6 min)獲取的俯仰狀態(tài)下影像，隨著俯仰角從-0.216 013°增加至2.159 76°，其影像平均平面定位誤差從800.29 m增大到1 978.62 m，其影像平均平面誤差與俯仰角成正比關(guān)系。因此，用戶在處理GF- 4衛(wèi)星影像時，也要更加注意對俯仰角較大的影像的幾何校正。

4 結(jié) 語

本文針對GF- 4衛(wèi)星面陣凝視成像特點(diǎn)，以谷歌地球影像為參考，對該衛(wèi)星在凝視、滾動和俯仰3種狀態(tài)下的可見光/近紅外影像的幾何定位精度進(jìn)行了分析評價。研究結(jié)果表明，該衛(wèi)星影像幾何定位誤差表現(xiàn)為誤差方向一致或以中心為原點(diǎn)的順時針旋轉(zhuǎn)兩種情況。凝視成像時，同一地物點(diǎn)定位誤差大小及方向大致相同，且中午影像誤差大于上午。滾動/俯仰狀態(tài)下影像定位誤差隨著滾動/俯仰角的增加而增加。由于缺乏原始軌道參數(shù)及相機(jī)安裝參數(shù)，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因需作進(jìn)一步分析。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心為本文研究提供GF- 4衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。