基于DEIMOS-2衛(wèi)星影像平差精度分析研究

趙娜

(福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003)

1 引 言

近年來(lái)，全國(guó)開(kāi)展地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)全國(guó)陸地國(guó)土以及海域范圍地表覆蓋、重要地理要素變化情況監(jiān)測(cè)，從而形成現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、精度高的全國(guó)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。因此提供優(yōu)質(zhì)可靠的影像數(shù)據(jù)源已經(jīng)成為測(cè)繪行業(yè)必不可少的一項(xiàng)工作。隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展，各種類型的高分辨率衛(wèi)星影像層出不窮，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星無(wú)法全覆蓋作業(yè)區(qū)域時(shí)，會(huì)采用國(guó)外衛(wèi)星進(jìn)行糾正處理。

DEIMOS-2(以下簡(jiǎn)稱DE-2)衛(wèi)星是西班牙研發(fā)的DEIMOS-1衛(wèi)星后續(xù)型號(hào)，它是一顆高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，影像全色分辨率為 0.75 m，多光譜分辨率為 3 m，幅寬為 12 km。影像具有1個(gè)全色波段和4個(gè)多光譜波段，軌道高度 620 km，平均回訪周期2天。

目前接收到的DE-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)其他衛(wèi)星會(huì)偏差，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)此衛(wèi)星的側(cè)視角都比較大，而且內(nèi)部存在畸變，若采用常規(guī)平差的方式進(jìn)行生產(chǎn)，正射糾正的精度不太理想，會(huì)給項(xiàng)目生產(chǎn)帶來(lái)極大的阻礙和影響。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，著重分析了DE-2原始數(shù)據(jù)，并提出了幾種不同的平差方法，作為以后生產(chǎn)此衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一個(gè)重要依據(jù)。

2 試驗(yàn)案例

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)重點(diǎn)在于探討適合DE-2此類衛(wèi)星影像的平差方法，故采用了3景原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括全色影像及其原始RPC定向文件。

(2)參考正射數(shù)據(jù)

本次使用的參考正射影像是傳統(tǒng)航空攝影影像，分辨率約 1 m，地表多為植被覆蓋，無(wú)明顯云霧遮擋。

(3)參考地形數(shù)據(jù)

采用5 m格網(wǎng)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正處理，數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)是由機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目 1∶10 000點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接而成，由于原始衛(wèi)星側(cè)視角偏大或者其他原因造成的高速公路、橋梁、房屋等地物扭曲變形的區(qū)域，會(huì)根據(jù)需求對(duì)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

2.2 數(shù)據(jù)分析

(1)側(cè)視角的檢查

為了避免正射糾正精度的降低，原則上要求原始衛(wèi)星影像資料的山地、高山地影像側(cè)視角不大于20°，平地、丘陵地影像側(cè)視角不大于25°。國(guó)家在下發(fā)衛(wèi)星影像資料前已經(jīng)對(duì)資料進(jìn)行了適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾，即便如此，為了能夠減少影像覆蓋漏洞，需要在影像覆蓋漏洞和側(cè)視角超限之間尋求適當(dāng)?shù)钠胶?；因此，可能最終接收的影像資料中仍然會(huì)有部分存在側(cè)視角超限問(wèn)題。本次試驗(yàn)中的DE-2衛(wèi)星坐落于福建省三明市尤溪縣，屬于丘陵地形。這3景衛(wèi)星影像側(cè)視角可在原始數(shù)據(jù)文件夾下的HTML文件中找到，側(cè)視角均是21.2°。

(2)原始RPC的檢查

每景衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行正射糾正的外參數(shù)一般利用以下幾種方式解算：

①RPC模型方式。根據(jù)衛(wèi)星影像提供的精確RPC參數(shù)，結(jié)合地面控制點(diǎn)，解算外參數(shù)。

②嚴(yán)格物理模型方式。利用衛(wèi)星影像提供的精確軌道參數(shù)，結(jié)合地面控制點(diǎn)，解算外參數(shù)。

③其他模型方式。如果衛(wèi)星影像無(wú)法提供精確軌道參數(shù)或者RPC參數(shù)，一般用其他模型進(jìn)行糾正，但要確保符合精度要求。

本文進(jìn)行的試驗(yàn)方法都是基于RPC模型方式進(jìn)行的。

原始RPC的檢查主要是對(duì)原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的相對(duì)位置偏差檢查，即初始RPC檢查。目的是為了有效排除客觀數(shù)據(jù)條件對(duì)匹配或者平差等處理環(huán)節(jié)的影響，盡可能對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初始精度進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，便于后續(xù)的分析。

為了有對(duì)比效果，本節(jié)試驗(yàn)同時(shí)對(duì)DE-2和BJ2衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，使用的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)是相位匹配的控制點(diǎn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)平差解算處理后的成果數(shù)據(jù)。為了保證檢查的可靠性，確保檢查點(diǎn)分布數(shù)量，檢查點(diǎn)的像方最大殘差是10個(gè)像素，經(jīng)過(guò)人工隨機(jī)挑選檢查，基本為同名點(diǎn)，初始RPC精度檢查結(jié)果如圖1所示，左邊是試驗(yàn)數(shù)據(jù)DE-2效果圖，右邊是試驗(yàn)數(shù)據(jù)BJ2效果圖，可以看出BJ2衛(wèi)星影像各檢查點(diǎn)位置上的偏移量和偏移方向比較一致，這種類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)正射糾正精度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較理想。而DE-2衛(wèi)星影像存在明顯差異，若按照常規(guī)衛(wèi)片平差處理流程進(jìn)行改正，部分區(qū)域的改正效果可能無(wú)法與其他位置達(dá)成一致，改正后無(wú)法與參考底圖套合等。試驗(yàn)采用的三景衛(wèi)星影像是同軌衛(wèi)星，初始RPC精度情況基本一致，故本文展示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于其中一景影像。

圖1 初始RPC精度檢查結(jié)果

2.3 正射糾正

采用相位匹配的方法，完成原始衛(wèi)星影像和參考控制影像之間的同名點(diǎn)自動(dòng)提取，并以控制點(diǎn)格式存放，采用自動(dòng)平差解算的模式，本次試驗(yàn)設(shè)置的閾值為10個(gè)像素。控制點(diǎn)匹配結(jié)果具體如表1所示，成果分布圖如圖2所示。

控制點(diǎn)匹配結(jié)果 表1

圖2 成果分布圖

2.4 誤差補(bǔ)償

與常規(guī)糾正方法不同的是，本次試驗(yàn)提出了誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?，誤差補(bǔ)償是基于2.3節(jié)的成果，利用上一步平差解算的控制點(diǎn)，對(duì)正射糾正結(jié)果進(jìn)行二次糾正，糾正方法采用了小面元糾正。

2.5 自動(dòng)地理配準(zhǔn)

自動(dòng)地理配準(zhǔn)是針對(duì)經(jīng)過(guò)幾何改正后正射影像，通過(guò)將正射影像和參考控制資料之間進(jìn)行匹配大量同名點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)仿射變換等方式將正射影像和參考資料進(jìn)行套合糾正。本次試驗(yàn)分別對(duì)剔點(diǎn)前和剔點(diǎn)后生成的正射影像進(jìn)行了配準(zhǔn)，匹配方法采用了相關(guān)匹配，匹配搜索半徑設(shè)置為 50 m，若待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)和參考影像數(shù)據(jù)之間的偏差很大，可調(diào)整搜索間距再嘗試匹配，不同類型的數(shù)據(jù)設(shè)置的參數(shù)不一樣，應(yīng)多次嘗試后選取最優(yōu)的參數(shù)。根據(jù)幾何糾正模型類型同樣采用了小面元方式，采樣方法是雙線性插值法。本次試驗(yàn)分別在不剔點(diǎn)和剔點(diǎn)的前提下，進(jìn)行了配準(zhǔn)點(diǎn)匹配和幾何糾正處理。

3 改正精度檢查分析

因本次試驗(yàn)選取了一景DE-2數(shù)據(jù)，故采用了“單片控制改正”的方式進(jìn)行改正處理，控制點(diǎn)最大殘差控制在10像素，通過(guò)均勻布設(shè)檢查點(diǎn)的方式，檢查糾正影像和參考控制影像套合精度，糾正影像分別是常規(guī)正射糾正、誤差補(bǔ)償、自動(dòng)地理配準(zhǔn)(不剔點(diǎn))、自動(dòng)地理配準(zhǔn)(剔點(diǎn))這四種方式的結(jié)果，以此來(lái)對(duì)比分析精度情況。每種方案檢查點(diǎn)分別布設(shè)了9個(gè)，單片控制改正成果精度檢查情況如表2所示。

單片控制改正成果精度檢查 表2

根據(jù)檢查對(duì)比結(jié)果來(lái)看，針對(duì)DE-2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，常規(guī)正射糾正得出的正射影像和參考影像間的套合精度較差，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。誤差補(bǔ)償方案和自動(dòng)地理配準(zhǔn)方案精度都會(huì)優(yōu)于常規(guī)正射糾正的精度。

利用“自動(dòng)地理配準(zhǔn)+不剔點(diǎn)”方案所獲得的效果，首先優(yōu)于誤差補(bǔ)償方案，經(jīng)分析研究，誤差補(bǔ)償所使用的配準(zhǔn)點(diǎn)，是由平差剔點(diǎn)結(jié)果經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)點(diǎn)所得，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小面元糾正，因此，剔點(diǎn)后的控制點(diǎn)分布，會(huì)直接影響誤差補(bǔ)償?shù)募m正效果，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，誤差補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果會(huì)明顯降低正射糾正的平面精度。

其次利用“自動(dòng)地理配準(zhǔn)+不剔點(diǎn)”的方案所獲得的效果，也優(yōu)于“自動(dòng)地理配準(zhǔn)+剔點(diǎn)”方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種差異是否是由于該區(qū)域缺少有效點(diǎn)位導(dǎo)致的，直接針對(duì)自動(dòng)地理配準(zhǔn)的兩種場(chǎng)景：剔點(diǎn)和不剔點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)比分析研究，即對(duì)比剔點(diǎn)前后對(duì)自動(dòng)地理配準(zhǔn)糾正結(jié)果的精度影響。表3為自動(dòng)地理配準(zhǔn)剔點(diǎn)前后對(duì)比圖。

自動(dòng)地理配準(zhǔn)剔點(diǎn)前后對(duì)比圖 表3

通過(guò)對(duì)比可以看出，被剔除的點(diǎn)位，多集中在影像右下角，因此，為了進(jìn)一步驗(yàn)證剔點(diǎn)前后對(duì)幾何糾正效果的影響，著重在此區(qū)域采集檢查點(diǎn)，并與參考控制影像進(jìn)行套合檢查，依次對(duì)比剔點(diǎn)前后的幾何糾正效果及其變化，檢查點(diǎn)位置分布如圖3所示。自動(dòng)剔點(diǎn)對(duì)幾何糾正精度的影響效果是以3個(gè)檢查點(diǎn)位置的套合情況展示出來(lái)，并分別從X和Y方向進(jìn)行了分析，自動(dòng)剔點(diǎn)對(duì)幾何糾正效果的影響具體情況如表4～表6所示。

圖3 檢查點(diǎn)位置分布圖(紅色十字)

自動(dòng)剔點(diǎn)對(duì)幾何糾正效果的影響(檢查點(diǎn)1) 表4

自動(dòng)剔點(diǎn)對(duì)幾何糾正效果的影響(檢查點(diǎn)2) 表5

自動(dòng)剔點(diǎn)對(duì)幾何糾正效果的影響(檢查點(diǎn)3) 表6

4 結(jié) 論

根據(jù)本次試驗(yàn)情況，現(xiàn)得到以下結(jié)論：

(1)DE-2衛(wèi)星影像側(cè)視角偏大，從而影響衛(wèi)星的正射糾正精度，進(jìn)行生產(chǎn)之前應(yīng)先分析衛(wèi)星影像的側(cè)視角大小。

(2)DE-2衛(wèi)星內(nèi)部存在畸變現(xiàn)象，各檢查點(diǎn)位置上的偏移量和偏移方向都存在明顯差異，導(dǎo)致在常規(guī)控制點(diǎn)匹配情況下，正射糾正影像的精度無(wú)法滿足生產(chǎn)的需求。

(3)“自動(dòng)地理配準(zhǔn)+不剔點(diǎn)”的方案所獲得的效果最佳，和參考影像的套合精度可達(dá)到 2 m左右，可以滿足生產(chǎn)需求。由此可見(jiàn)，剔點(diǎn)有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域配準(zhǔn)點(diǎn)稀少，會(huì)直接影響糾正精度，但也不能一味地追求配準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量，有可能會(huì)存在一些錯(cuò)誤的點(diǎn)位，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析。本文只是提供了基于DE-2衛(wèi)星的一種單片控制糾正的試驗(yàn)方法，不同的數(shù)據(jù)可能適合的方法不一樣，而且由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)是有限的，結(jié)論只是初步的，下一步的研究方向是選擇更多具有代表性的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，以提高衛(wèi)星影像的正射糾正精度，以此適應(yīng)各種生產(chǎn)項(xiàng)目的需求。