“吉林一號”高分02B星遙感影像處理評價

闞明哲，藺臘月，鐘興，武紅宇

(1.長春市測繪院，吉林 長春 130021； 2.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長春 130102)

1 引 言

“吉林一號”高分02星是長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司自主研發(fā)的新型國產(chǎn)高分辨率、大幅寬、高精度商業(yè)對地觀測衛(wèi)星，如圖1所示，目前已發(fā)射兩顆在軌，分別是高分02A星和高分02B星，構(gòu)成180°相位運行。該型衛(wèi)星能提供全色 0.75 m分辨率和多譜段3m分辨率的高分辨率影像，幅寬 40 km，設(shè)計具有國際主流的同等分辨率衛(wèi)星影像幾何輻射質(zhì)量。

圖1 “吉林一號”高分02星

“吉林一號”高分02A星發(fā)射于2019年11月13日，相隔不到1個月，高分02B星發(fā)射于12月7日。經(jīng)過短期高效調(diào)試，兩顆衛(wèi)星分別于11月23日和12月30日正式對外提供影像服務(wù)。作為影像數(shù)據(jù)使用與測試單位，長春測繪院獲取了本地區(qū)的兩景“吉林一號”高分02B衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并進行了處理和評測。通過對該影像的數(shù)據(jù)處理，獲得了高精度的真彩色正射影像，成果能夠滿足自然資源調(diào)查、城市規(guī)劃管理、城市測繪等領(lǐng)域的需求。

2 衛(wèi)星參數(shù)及標準影像幾何處理模型

2.1 “吉林一號”高分02B星主要參數(shù)

“吉林一號”高分02B雙星是長光衛(wèi)星對地觀測小衛(wèi)星群的新成員，太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道高度 535 km。該星充分繼承了“吉林一號”衛(wèi)星成熟單機以及技術(shù)基礎(chǔ)，可獲取全色分辨率優(yōu)于 0.75 m、多光譜分辨率優(yōu)于 3 m的影像。此外，并采用了長焦距光學(xué)雙相機共基準裝調(diào)，幅寬大于 40 km的推掃圖像，具備高分辨、大幅寬、高定位精度、高速數(shù)傳等特點[1]。

“吉林一號”高分02B星衛(wèi)星主要參數(shù)如表1所示：

“吉林一號”高分02B星衛(wèi)星主要參數(shù) 表1

近年來，高分辨率遙感衛(wèi)星得到了全面發(fā)展與廣泛應(yīng)用，基于天基空間信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，智能化的對地觀測成為發(fā)展趨勢[2]，其中高精度的地理定位精度是智能觀測發(fā)揮應(yīng)用價值的基礎(chǔ)[3]。在衛(wèi)星影像滿足MTF和信噪比要求基礎(chǔ)上，無控定位精度和景內(nèi)相對定向精度是衛(wèi)星影像的關(guān)鍵幾何質(zhì)量指標，為了提高無控定位精度和景內(nèi)相對定向精度，吉林一號高分02B星在成像設(shè)計中采用的措施包括：

(1)內(nèi)方位元素。高分02B星光學(xué)設(shè)計全視場畸變小于0.06%，良好的畸變優(yōu)化為后續(xù)地面和在軌幾何高精度標定提供了基礎(chǔ)。在實驗室結(jié)合高精度轉(zhuǎn)臺采用測角法進行了內(nèi)方位元素標定。在軌幾何定標是提升高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星幾何定位精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4～6]，高分02B在軌運行期間進行了在軌標定，標定后內(nèi)方位元素穩(wěn)定性優(yōu)于0.3像素。

(2)外方位元素。高分02B星在地面通過高精度立方棱鏡進行外方位元素標定。在軌運行過程中，在長期溫度環(huán)境作用下，相機自身安裝穩(wěn)定性優(yōu)于3″(3σ)，星敏感器與相機之間安裝穩(wěn)定性優(yōu)于4″(3σ)。

(3)姿態(tài)軌道測量系統(tǒng)。高分02B星在軌采用了雙頻GNSS定軌及高精度雙星敏定姿技術(shù)。定姿精度優(yōu)于5″(3σ)，實時定軌精度優(yōu)于 1 m，姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于 0.000 5°/s。

結(jié)合成像模型，根據(jù)上述環(huán)節(jié)的設(shè)計結(jié)果，吉林一號高分02星幾何質(zhì)量指標如表2所示：

“吉林一號”高分02B星幾何成像質(zhì)量設(shè)計結(jié)果 表2

2.2 標準影像幾何處理模型

“吉林一號”高分02衛(wèi)星標準影像產(chǎn)品是指經(jīng)過了相對輻射校正和傳感器幾何校正的遙感影像產(chǎn)品。相對輻射校正處理可消除探測器探元或探測器間的響應(yīng)不一致[7]，在此基礎(chǔ)上傳感器幾何校正利用在軌幾何定標系數(shù)構(gòu)建衛(wèi)星的嚴密幾何成像模型，實現(xiàn)多片探測器影像的拼接處理獲得標準影像產(chǎn)品[8]，與此同時為用戶提供了更加便捷、高效且通用的RPC幾何定位文件，標準產(chǎn)品生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 標準產(chǎn)品生產(chǎn)流程圖

傳感器幾何校正通過衛(wèi)星的精密定姿定軌單元獲得衛(wèi)星精確的姿態(tài)軌道參數(shù)，同時根據(jù)在軌幾何定標獲取到在軌幾何定標系數(shù)，構(gòu)建嚴密幾何模型，同時利用輻射處理后的影像數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)實現(xiàn)RPC系數(shù)模型求解以及多片探測器的無縫拼接影像，最終獲得帶有高精度幾何定位模型的傳感器幾何校正影像產(chǎn)品，處理流程如圖3所示。

圖3 幾何校正處理流程圖

3 標準1級影像無控精度評價

無控定位是指在無地面控制點條件下進行地面目標點地心坐標計算，對地觀測衛(wèi)星無控定位設(shè)計衛(wèi)星平臺、姿態(tài)軌道測定系統(tǒng)、相機幾何參數(shù)標定以及地面數(shù)據(jù)攝影測量處理等多個環(huán)節(jié)，是用于評價對地觀測衛(wèi)星及其產(chǎn)品質(zhì)量的最重要的綜合指標。其評價主要包括RPC模型對衛(wèi)星嚴密幾何模型的擬合精度和衛(wèi)星在軌運行期間對標準產(chǎn)品基于控制數(shù)據(jù)的無控定位精度統(tǒng)計與評價。

RPC模型作為標準產(chǎn)品的幾何定位模型，最終將被用于評價標準產(chǎn)品的無控定位精度，因此RPC模型是基于物理成像關(guān)系的嚴密幾何模型的數(shù)學(xué)擬合，高精度的擬合是無控定位精度的重要前提，“吉林一號”高分02B星的RPC模型擬合誤差精度統(tǒng)計如表3和表4所示，統(tǒng)計結(jié)果表明“吉林一號”高分02B星的RPC模型與其嚴密幾何模型具有同等的幾何定位精度。

“吉林一號”高分02B“相機1”RPC擬合偏差統(tǒng)計表 表3

“吉林一號”高分02B“相機2”RPC擬合偏差統(tǒng)計表 表4

“吉林一號”高分02B衛(wèi)星在軌運行期間，對標準產(chǎn)品基于控制數(shù)據(jù)的無控定位精度統(tǒng)計如表5所示，結(jié)果表明“吉林一號”高分02B衛(wèi)星無控定位精度優(yōu)于 20 m(CE90)。

“吉林一號”高分02B衛(wèi)星無控定位精度測量結(jié)果 表5

4 正射影像處理及幾何質(zhì)量評價

4.1 影像準備

本文正射影像處理利用了長春地區(qū)“吉林一號”高分02B星全色與多光譜影像各兩景，影像獲取日期是2020年2月25日，遙感影像軌道號JL102E_001213。全色影像分辨率 0.75 m，多光譜影像分辨率 3 m。原影像數(shù)據(jù)為標準1級產(chǎn)品。利用全色與多光譜影像原數(shù)據(jù)，進行遙感影像融合、正射糾正、影像增強，生產(chǎn)真彩色 0.75 m“吉林一號”高分02B星衛(wèi)星正射影像。

4.2 處理技術(shù)路線

基于“吉林一號”高分02B衛(wèi)星及其影像數(shù)據(jù)的特點，采用“先糾正后融合”的基本思路作業(yè)。即先進行全色影像正射糾正，然后將多光譜數(shù)據(jù)與糾正后的全色影像進行配準，最后進行影像融合處理。影像處理工程采用TM投影方式的城市獨立坐標系“長春市坐標系統(tǒng)”。正射糾正所需數(shù)字高程模型采用航空攝影測量所獲取的高精度DEM；地面控制點采用Leica 503型GPSRTK儀器野外施測獲取。影像處理技術(shù)流程圖如圖4所示。

圖4 影像處理技術(shù)流程圖

4.3 影像融合

針對“吉林一號”高分02B衛(wèi)星影像的多光譜、全色影像融合推薦采用PCIGeomatica 2019軟件的Pansharpen融合模塊。該方法是目前高分辨率衛(wèi)星遙感影像融合的最佳方法，其操作簡潔、生產(chǎn)效率高、融合效果好。針對“吉林一號”高分02B星影像融合，在輸入多光譜影像波段上依次序選擇“吉林一號”高分02B星多光譜影像的3/2/1(紅/綠/藍)波段；在參考影像波段上選擇多光譜影像1/2/3/4波段；在全色影像波段上選擇全色影像。運行模型即可得到真彩色3波段融合影像處理結(jié)果。

4.4 影像正射糾正

“吉林一號”高分02B星衛(wèi)星作為最新的高分辨率遙感衛(wèi)星，還沒有相關(guān)遙感處理軟件明確提出支持其衛(wèi)星的嚴格物理模型與RPC參數(shù)模型?；谟谐渥愕母呔鹊孛婵刂泣c，本次正射糾正作業(yè)采用PCIGeomatica 2019軟件的RPC from Gcps方法。項目采用“城市獨立坐標系統(tǒng)”，糾正GCPs采用RTK野外施測獲取，精度高達 0.25 m；DEM采用航空攝影測量獲取的等高距為 5 m高精度的DEM。影像糾正控制點分布如圖5所示。

圖5 正射糾正控制點分布圖

4.5 正射影像精度評價

針對以上步驟獲得的“吉林一號”高分02B星正射影像，采用高精度的已知點進行精度檢驗。本項目采用23個均勻分布的控制點以外的已知點(RTK野外實測點)，采用點位誤差統(tǒng)計分析法進行正射影像平面精度評價。結(jié)果表明：成果的平面位置中誤差為 ±1.77 m，滿足1∶10 000圖的平面精度，符合糾正精度要求。檢核點分布如圖6所示。

圖6 檢核點位置分布圖

5 結(jié) 論

“吉林一號”高分02星通過幾何成像質(zhì)量設(shè)計優(yōu)化措施保障了影像數(shù)據(jù)具有較高的幾何成像質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)系統(tǒng)基于嚴密幾何成像模型的標準影像預(yù)處理，確保了標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品符合了無控精度和景內(nèi)相對定位精度等幾何質(zhì)量要求。通過對標準1級影像的測試表面，無控精度優(yōu)于 20 m(CE90)。采用Pansharpen影像融合方法，能獲得高質(zhì)量的“吉林一號”高分02B星真彩色影像。基于RPC參數(shù)模型的正射糾正方法，結(jié)合高精度控制點與DEM，獲得了高精度的“吉林一號”高分02B星正射影像。“吉林一號”高分02B星正射影像能達到 1∶10 000圖的水平精度，可滿足自然資源調(diào)查、城市規(guī)劃管理、城市測繪等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。