资源三号卫星传感器校正产品定位精度验证与分析

刘 斌，孙喜亮，2，邸凯昌，刘召芹

(1.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101;2.山东科技大学测绘科学与工程学院，青岛 266590)

资源三号卫星传感器校正产品定位精度验证与分析

刘 斌1，孙喜亮1，2，邸凯昌1，刘召芹1

(1.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101;2.山东科技大学测绘科学与工程学院，青岛 266590)

在已有对资源三号(ZY－3)卫星遥感影像质量初步验证工作的基础上，选择同时具有平地和山地的典型实验区影像，进一步深入研究并验证ZY－3卫星传感器校正产品的定位精度。以在实验区外业测量的高精度GPS点作为控制点及检查点，通过区域网平差算法对传感器校正产品自带的有理多项式系数进行精化，消除系统误差;通过自动生成数字表面模型(DSM)和正射影像(DOM)，验证其平面测图和立体定位精度，分析地形、控制点数量与分布对精度的影响。实验结果表明:在地形平坦地区，ZY－3卫星数据的平面定位精度可达1.476 m，高程定位精度可达2.213 m;在地形起伏较大的山区，平面定位精度可达1.506 m，高程定位精度可达2.895 m。该精度能满足1∶5万比例尺DEM及DOM制作要求，并可用于1∶2.5万比例尺地形图的修测。

资源三号卫星(ZY－3);三线阵;定位精度;传感器校正产品;有理函数模型;区域网平差

0 引言

资源三号(ZY－3)测绘卫星是中国首颗民用高分辨率光学立体测图卫星，主要搭载有1台地面分辨率为2.1 m的高分辨率正视全色延时积分成像(TDI CCD)相机、2台地面分辨率优于3.6 m的前后视全色TDI CCD相机和1台地面分辨率优于6.0 m的正视多光谱相机［1］。该卫星集测绘和资源调查功能于一体，可用于长期、连续、稳定及快速地获取覆盖全国的高分辨率立体影像、多光谱影像以及辅助数据，用于生产全国基础地理信息1∶5万比例尺测绘产品，开展1∶2.5万以及更大比例尺地图的修测和更新，开展国土资源调查和监测等［1］。

ZY－3卫星2012年1月9日发射升空，已获取了大量的遥感数据，其几何纠正产品的质量评价和精度验证工作已经初步开展:唐新明等［2］以ZY－3卫星第一景图像为实验数据(数据覆盖大连城区，图像东南角大片区域为海域)，通过基于有理函数模型区域网平差的方式对图像做了初步的几何精度验证，得出数字表面模型(DSM)高程精度优于2 m，正射影像(DOM)平面精度优于3 m的验证结果;李德仁［3］院士以覆盖辽宁大连和河南洛阳的图像为实验数据，认为ZY－3卫星数据经过处理后，无控制点的定位精度优于15 m，带控制点的高程定位精度优于3 m，平面定位精度优于4 m。

卫星影像的精度验证是支撑卫星业务化运行和应用的基础性工作，需要用大量不同地区、不同地形特点的影像进行更充分的验证，从而为用户选用和处理ZY－3卫星影像提供参考。但在已有的实验验证中，所选取的实验区域地形起伏均不大，地形特征不够典型。因此，本文选择与以往数据覆盖区域不同的数据进行精度验证，通过独立的外业GPS测量，分析地形、控制点数量与分布对验证精度的影响，评估ZY－3卫星的测图能力，其结果可作为对已有验证工作的补充。

1 几何定位精度验证方案

本文精度验证的设计方案主要从数据的选择和验证方法及流程2个方面展开。

1.1 数据的选择

目前，ZY－3卫星已获取了大量的数据，因此用于验证定位精度的数据选择范围较大。为了能够对已有的验证结果进行补充，本文实验数据选取的是北京房山区1景覆盖约2500 km2的ZY－3卫星三线阵传感器校正产品(指经过分景、分条带数据经辐射校正和传感器校正处理，未作系统几何纠正的影像产品)。根据地形图分幅标准，1景数据可以生产至少2幅1∶5万或4幅1∶2.5万比例尺的地形图。实验区西北部为山区，地形高差起伏较大(从10多m～1500 m左右);东南部为城区。因此，实验区域具有代表性，适合用于几何精度验证。卫星数据的获取日期为2012年2月23日，数据处理日期为2012年7月4日，为卫星稳定运行及几何检校后的影像产品，其验证结果参考性较强。

为了验证ZY－3测绘卫星的定位精度，通过外业差分GPS测量的方式，实地测量了25个GPS点，测量精度优于0.01 m，而像方量刺点精度能达子像素级。GPS点分布如图1所示(选择这些点时同时考虑了控制点在平面上和高程上的均匀分布)。

图1 GPS点分布图Fig.1 GPS points distribution

尽管ZY－3卫星图像幅宽较宽，但是影像内部关系较为稳定，一景图像上仅需要少量控制点即可满足定向精度要求［4］。在综合考虑验证的可靠性和成本的基础上，本文定制并获取了以上的实验数据用于精度验证。

1.2 精度验证方法及流程

由于ZY－3卫星为三线阵立体测绘卫星，不仅可以利用卫星的下视影像生产高质量的DOM，还能利用卫星的前后视影像进行立体测图。因此，本文的精度验证包括平面精度验证和高程精度验证2个部分。

利用获取的GPS控制点对影像产品进行区域网平差处理，从而精化产品的有理函数模型，用于后续的几何产品生产。一般来说，利用地面控制点的有理多项式系数(RPC)精化有基于物方的精化和基于像方的精化2类，而基于像方的精化模型精度和稳定性均优于基于物方的［5］。因此，本文采取基于像方的精化模型，对比平移、线性和仿射变换3种模型，其误差方程式分别为

式中:(x，y)是控制点在图像上的量测坐标;a0，b0是偏移参数;a1，b1是行向系数;a2，b2是列向系数;line，sample分别为控制点物方坐标反投在图像上的行列坐标。基于RPC的区域网平差［6］流程如图2所示。

图2 基于RPC的区域网平差流程图Fig.2 Block adjustment workflow based on RPC

利用区域网平差技术进行模型精化后，通过前后视影像匹配生产DSM，然后以GPS点作为检查点，评估生产的DSM高程精度，最后利用生产的DSM、通过正射校正处理制作下视DOM。同样，以控制点作为检查点，评估DOM的平面精度。立体及平面定位精度评估流程如图3所示。

图3 几何定位精度评估流程图Fig.3 Flow chart of geopositioning accuracy assessment

2 实验验证及结果分析

2.1 有理函数模型精化实验

充分考虑各种精化模型及控制点分布对有理函数模型精化精度的影响，本文实验主要考察分别利用平移、线性及仿射3种精化模型时的控制点精度和检查点精度，并且验证不同控制点数目下的模型精化精度，同时将三线阵影像同时平差结果与前后视平差结果进行对比，结果如表1、表2所示。

表1 三线阵影像平差结果Tab.1 Adjustment result with three－line array images

表2 前后视影像平差结果Tab.2 Adjustment result with forward －looking and backward－looking images

通过表1、表2可知，三视平差较前后两视平差结果平面精度略有提升，高程精度大致相当，符合三线阵测绘卫星的设计思路。高程精度决定于前后视的交会角，增加一个正视影像，相当于增加了观测值，提高了平面定位精度。在无控制点的情况下，ZY－3卫星的平面定位精度为28.121 m，高程定位精度为2.496 m;而利用1个控制点即可大幅度消除其系统误差，平面精度可达到4.337 m，高程精度达到2.134 m。该结果说明了ZY－3卫星平台运行的稳定性。随着控制点个数的增加，平面和高程的定位精度均有所提升。当使用4个角点作为控制点时，平面精度为3.144 m，高程精度为2.063 m，而所有点参与三视平差，平面精度为2.575 m，高程精度为1.964 m。由此可以看出，当控制点超过4个时，精度没有明显提升。因此，在实际生产中，只需要在图像4个角点布设控制点即可。

用4个角点作为控制点进行三视影像平差时，平差残差分布图如图4所示。

图4 平差残差分布图(4个控制点)Fig.4 Adjustment residuals maps(four control points)

从图4可以看出，影像区域中心位置的高程残差小，越靠近边缘，高程的残差越大，因此像控点布设应尽可能靠近立体重叠影像的边缘，从而充分控制感兴趣区域。

2.2 几何产品精度验证

利用2.1节中精化后的模型进行几何产品生产。首先采用密集匹配技术，生产出该区域2.5 m分辨率的数字表面模型(DSM，图5)，并利用自动生产出的DEM进行正射校正，生产出下视影像的DOM(图6)。利用余下的21个GPS点作检查点，检查几何产品的精度。其中DSM的高程中误差为2.257 m，最大误差为5.827 m;DOM的平面中误差为1.496 m，最大误差为3.316 m。

图5 ZY－3卫星DSM产品缩略图Fig.5 DSM product thumbnail of ZY －3

分别利用平地和山地的检查点(图7)统计几何

图7 平地、山地检查点分布图Fig.7 Check points distribution in flat area and mountainous area

产品的精度，统计结果如表3所示。

表3 几何产品精度表Tab.3 Geometric production accuracy tables

鉴于以上分析验证可知:平地区域的平面及高程精度较山地的高，但是平地与山地数据均能满足1∶5万比例尺 DEM一级精度要求;平面精度优于1∶5万比例尺 DOM所规定的平面、丘陵(25 m)、山地(37.5 m)的精度要求［7］;这一定位精度还能满足1∶2.5万比例尺地形图的修测精度要求。

3 结论

参考已有ZY－3卫星几何定位精度验证工作，本文选取ZY－3卫星稳定运行后的1景地形丰富区域的传感器校正产品进行几何精度验证，结果表明:在应用少量控制点的条件下，ZY－3卫星数据的平面定位精度优于1.506 m，高程定位精度优于2.895 m;平地区域的定位精度高于山地区域;各区域的定位精度均能达到1∶5万比例尺DEM及DOM产品的精度要求。

由于本文所选数据为ZY－3卫星稳定业务化运行后的数据，且覆盖区域地形比较丰富，因此本文验证工作可作为ZY－3卫星初步几何精度验证工作的补充和深化，其结论可以供用户选取和应用ZY－3影像时参考。

图6 ZY－3卫星DOM产品缩略图Fig.6 DOM product thumbnail of ZY －3

志谢:感谢国家测绘局卫星测绘应用中心为本文研究提供了ZY－3影像数据。

［1］国家测绘局卫星测绘应用中心.航天五院ZY－3卫星介绍［EB/OL］.(2009－12－01)［2009 －12－17］.http://sasmac.sbsm.gov.cn/article/wxzh/200912/20091200059259.shtml.Satellite Surveying and Mapping Application Center.NASG，ZY －3 Satellite Introduction by China Academy of Space Technology［EB/OL］.(2009－12－01)［2009 －12 －17］.http://sasmac.sbsm.gov.cn/article/wxzh/200912/20091200059259.shtml.

［2］唐新明，张 过，祝小勇，等.资源三号测绘卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证［J］.测绘学报，2012，41(2)，191 －198.Tang X M，Zhang G，Zhu X Y，et al.Triple Linear－ array Imaging Geometry Model of Ziyuan－3 Surveying Satellite and Its Validation［J］.Cehui Xuebao/Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2012，41(2):191 －198(in Chinese with English Abstract).

［3］李德仁.我国第一颗民用三线阵立体测图卫星——资源三号卫星［J］.测绘学报，2012，41(3)，317 －322.Li D R.China’s First Civilian Three－line－array Stereo Mapping Satellite:ZY －3［J］.Cehui Xuebao/Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2012，41(3):317 －322(in Chinese with English Abstract).

［4］张 过.缺少控制点的高分辨率卫星遥感影像几何纠正［D］.武汉:武汉大学，2005.Zhang G.Rectification for High Resolution Remote Sensing Image Under Lack of Ground Control Points［D］.Wuhan:Wuhan University，2005(in Chinese with English Abstract).

［5］Xiong Z，Zhang Y.A Generic Method for RPC Refinement Using Ground Control Information［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2009，75(9):1083－92.

［6］Grodecki J，Dial G.Block Adjustment of High － resolution Satellite Images Described by Rational Polynomials［J］.Photogramm Eng Rem Sen，2003，69(59 －68).

［7］GB 12340－2008－T 1∶250001∶500001∶100000地形图航空摄影测量内业规范［S］.北京:中国标准出版社，2008.GB 12340－2008－T 1∶250001∶500001∶100000 Topographic Maps Aero － photogrammetry Inner Industry Norms［S］.Beijing:China Standard Press，2008(in Chinese).

Accuracy Analysis and Validation of ZY －3’s Sensor Corrected Products

LIU Bin1，SUN Xi－ liang1，2，DI Kai－ chang1，LIU Zhao － qin1
(1.Institue of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2.Geometric College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

On the basis of the existing preliminary accuracy validations of ZY －3 satellite imagery，a further indepth analysis and verification of the geopositioning accuracy were performed at a typical site with both flat and mountainous terrains.The rational polynomial coefficients(RPC)were refined through block adjustment with high accuracy GPS points as ground control points(GCP)and check points.Digital surface model(DSM)and digital ortho map(DOM)were automatically generated with the refined RPC，the planimetric and stereo geopositioning accuracies were evaluated，and the influences of terrain，number and distribution of GCPs were analyzed.The results show that the horizontal and vertical geopositioning accuracies of ZY －3 imagery of the test site are 1.476 m and 2.213 m respectively in the flat area，and 1.506 m and 2.895 m respectively in the mountainous area，all meeting the requirements of 1 ∶50000 DEM and DOM production both in the flat area and mountainous area.The ZY －3 imagery can also be used for revision of the 1 ∶25000 topographic maps.

ZY－3;three－line array;geopositioning accuracy;sensor corrected image product;rational function model;block adjustment

TP 75

A

1001－070X(2012)04－0036－05

2012－09－05;

2012－09－12

国家基础研究计划(973计划)项目(编号:2012CB719902，2013CB733202)和国家自然科学基金项目(编号:41171355)共同资助。

10.6046/gtzyyg.2012.04.07

刘 斌(1984－)，男，助理研究员，主要从事卫星影像高精度定姿定位与几何处理研究。E－mail:liub@irsa.ac.cn。

邸凯昌(1967－)，男，研究员，博士生导师，主要从事行星遥感制图与导航定位、高分辨率卫星影像几何处理研究。E － mail:kcdi@irsa.ac.cn。

(责任编辑:刁淑娟)