京津冀地区高分一号宽覆盖正射影像生成

秦绪文，汪韬阳，杜锦华，张 过

（1.中国地质调查局, 北京 100037；2.武汉大学 遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079；3.中国人民解放军75711部队，广东 广州 510515；4.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079）

京津冀地区高分一号宽覆盖正射影像生成

秦绪文1，汪韬阳2，杜锦华3，张 过4

（1.中国地质调查局, 北京 100037；2.武汉大学 遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079；3.中国人民解放军75711部队，广东 广州 510515；4.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079）

针对高分一号宽覆盖1A级影像的大区域正射影像生成后，相邻影像接边精度不高的问题，提出利用数字高程模型（DEM）作为高程约束的平面区域网平差方法提高其对地目标定位精度。通过京津冀地区的高分一号宽覆盖影像的平面区域网平差并进行正射纠正试验，在GOTOPO30 DEM的支持下，采用的区域正射纠正方法和处理流程取得了较好的效果。

高分一号卫星影像； 宽覆盖； 平面区域网平差； 正射纠正； 接边精度

高分一号是我国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星，也是我国第一颗设计、考核寿命要求大于5 a的低轨遥感卫星（GF-1姿轨控制参数和载荷指标如表1所示），它所搭载的宽覆盖成像系统由4台相机组成，总幅宽达到了800 km[1-3]。同时，高分一号具有较高的时间分辨率，重访周期为4 d。如何针对大区域卫星遥感影像进行高精度且快速的正射纠正，是首先解决的问题。单景遥感影像的正射纠正已经是一门比较成熟的工艺[4]，但针对大区域影像如果采用这种单景纠正的处理模式，效率极低，而且无法保证纠正后相邻影像的接边精度，常常需要在影像接边处再次进行相对纠正。

表1 GF-1卫星姿轨控制参数和载荷指标

针对以上问题，本文基于RFM（rational function model）的卫星影像区域网平差方法[5-8]，通过分析弱交会条件下经典卫星影像区域网平差求解不稳定的情况，给出DEM作为高程约束的卫星影像平面区域网平差算法原理[9]，并通过平差后的定向参数对区域内影像进行正射纠正[10]，以期提升GF-1大范围宽覆盖影像正射纠正效果，为航天摄影测量及遥感技术提供技术支撑，并直接服务于测绘工程、地理国情监测以及国土资源调查等国民经济领域。

1 大区域卫星影像的平面区域网平差

1.1 通用传感器模型RFM

由于RFM具有优良的内插特性，使得误差在RFM估计点之间过度平滑。此外，RFM独立于传感器平台和卫星轨道参数，因此可以建立任意地面坐标系统与影像空间的对应关系，如大地坐标、地理坐标系、投影坐标系等。

RFM能获得和传统方法近似相同的精度，但形式更简单。它将地面点空间坐标（X，Y，Z）与对应的像点坐标（x，y）用比值多项式关联起来，基本方程如下：

作为一种广义模型，当RFM分母为1时，其退化为一般的多项式模型。高阶的多项式模型常常被用于拟合曲线的内插模型[11]。对于三维通用成像几何模型RFM，其三阶多项式函数可以表示成：

在RFM中，光学投影系统产生的误差用有理多项式中的一次项来表示，地球曲率、大气折射和镜头畸变等产生的误差能很好地用有理多项式中的二次项来模型化，其他一些未知的具有高阶分量的误差如相机震动等，用有理多项式中的三次项来表示。

1.2 基于RFM的卫星影像平面区域网平差

在弱交会条件下采用传统的卫星影像平差方式会造成平差求解异常，本文提出一种卫星影像的平面平差方法，在区域网平差过程中不求解连接点地面坐标的高程值，仅计算卫星影像的定向参数和连接点物方平面坐标，高程值采用已有的DEM内插获取。这种平差方式可以保证平差解算的稳定以及平差后物方点平面坐标的精度，平面区域网平差并不改正RPC参数（rational polynomial coefficients，RPCs），而仅仅改正RPC模型的系统误差补偿参数。研究表明，基于像方补偿方案[5]能够很好地消除影像的系统误差，从而提高基于RFM的影像几何处理精度。

基于像方的系统误差补偿模型中最为常用的是仿射变换模型：

式中，line和sample为由RFM计算得到的影像坐标；（e0，e1，e2）和（f0，f1，f2）为仿射变换系数；∆x、∆y为像方改正值[6]。

在式（1）和式（3）的基础上，将像方补偿的仿射项参数（e0，e1，e2）和（f0，f1，f2）作为未知数与地面点平面坐标（X, Y）等未知数一并求解，即得到基于RFM模型的区域网平差误差方程式。

2 几何无损的正射纠正产品

卫星轨道和姿态在卫星成像过程中会引起一些变形。正射纠正避免了除地形起伏之外其他因素引起的误差，得到符合某种地球投影表达要求、具有地理编码的新影像。正射纠正产品是在传感器校正产品的基础上按照一定的地球投影，以一定的地面分辨率投影在地球椭球面上的几何产品。因此，正射纠正产品与传感器校正产品之间存在一一对应关系。通过该对应关系和传感器校正产品的RFM，可以建立起正射纠正产品上像素点与地面点坐标之间的转换关系。

正射纠正产品通常采用WGS84坐标系下的UTM投影和影像覆盖区域的平均高程。根据影像四角点对应的地面坐标（由RFM计算得到）可以计算出影像在行、列方向的分辨率，分别用dx，dy表示；并可以得到影像左上角点的大地坐标（lefttopx，lefttopy）。利用dx，dy和（lefttopx，lefttopy）可以建立起正射纠正产品像点与对应地面点坐标间的转换关系。由于根据传感器校正产品的RFM已经得到地面点与传感器校正产品像点坐标间的对应关系，因此，最终可以建立起正射纠正产品和传感器校正产品间的像点坐标转换关系。

3 大区域卫星影像正射纠正试验结果

3.1 试验数据

本文采用高分一号宽覆盖WFV相机1A级影像产品作为试验数据，仅仅包含影像和RPC参数。数据包含WFV相机1影像2景，WFV相机3影像5景，WFV相机4影像6景。试验区域范围为京津冀试验区。检查点采用目视判别高分一号宽覆盖影像与该地区GoogleEarth影像上同名点位，并通过人工转刺的方式获取。检查点分布如图1所示。

3.2 试验方案

首先对全区域13景高分一号卫星影像进行平面区域网平差，DEM采用全球1 km格网的GOTOPO30 DEM。求解每景影像的定向参数，并统计无控制条件下连接点的像方误差。然后，几何无损的正射纠正方法通过相关参数配置分别对每一景影像进行正射纠正，并对区域内纠正后相邻正射影像接边情况进行目视检查。

图1 检查点分布略图

3.3 试验结果与分析

通过对13景影像进行无控制的平面区域网平差试验，统计区域网平差连接点精度如表2所示。

表2 高分一号WFV影像的无控制平面平差连接点像方结果

从表2可以看出，平面区域网平差的连接点像方中误差为0．5个像元，最大误差不超过2个像元，从数值上看像方连接精度达到了无缝连接的水平。

根据平差后得到每景影像的定向参数，将高分一号WFV影像数据进行正射纠正，在图中任意选取了10个位置，通过ERDAS叠加显示并截取接边示意图，如图2所示。

图2 影像接边处正射纠正效果

从图中可以看出，无论在邻轨还是同轨方向上，纠正后影像的接边精度达到了几何无缝拼接的水平。通过导入检查点，验证最终高分一号WFV影像的无控平差精度如表3所示。由于控制点的获取源是Google Earth，尽管控制点之间的几何精度并不一致，但是检查点物方平面中误差达到88．388 m，最大误差为148．617 m，取得了较好的效果。

表3 高分一号WFV影像的无控平差独立检查点精度统计结果

4 结 语

在GOTOPO30 DEM的支持下，利用本文所采用的区域正射纠正方法和处理流程得出正射产品。通过目视判读可以看出，无论在邻轨还是同轨方向上，纠正后影像的接边精度达到了几何无缝拼接的水平；定量评价结果表明，平面区域网平差的连接点像方中误差为0．5个像元，最大误差不超过2个像元，从数值上看像方连接精度达到了无缝连接的水平，取得了较好的效果。

[1] 刘兆军．“高分一号”遥感相机填补国内高分辨对地观测空白[J]． 航天返回遥感, 2013(2): 1-2

[2] 白照广．高分一号卫星的技术特点[J]．中国航天, 2013(8):5-9

[3] 东红． 高分一号投入实际使用[J]． 中国航天, 2013(11): 13

[4] 张过, 李德仁, 秦绪文, 等． 基于RPC模型的高分辨率SAR影像正射纠正[J]． 遥感学报, 2008，12(6):943-948

[5] 刘军, 张永生, 王冬红． 基于RPC模型的高分辨率卫星影像精确定位[J]． 测绘学报, 2006, 35(1): 30-34

[6] Tao C．V, Hu Y．A comprehensive Study of the Rational Function Model for Photogrammetric Processing[J]． Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2001(12): 1 347-1 357

[7] 张力, 张继贤, 陈向阳, 等． 基于有理多项式模型RFM的稀少控制SPOT-5卫星影像区域网平差[J]． 测绘学报, 2009,38(4): 302-310

[8] Fraser C．S, Hanley H B． Bias-compensated RPCs for Sensor Orientation of High-resolution Satellite Imagery[J]．Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2005(8): 6-7

[9] 汪韬阳,张过,李德仁,等．资源三号测绘卫星影像平面和立体区域网平差比较[J]． 测绘学报, 2014 ,43(4):389-395

[10] 汪韬阳, 张过, 李德仁, 等． 卫星遥感影像的区域正射纠正[J]．武汉大学学报:信息科学版, 2014, 29(7): 838-842

[11] Toutin． Geometric Processing of Remote Sensing Images: Models, Algorithms and Methods[J]． International Journal of Remote Sensing, 2004(10): 1 893-1 924

P237.3

B

1672-4623（2014）05-0119-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.043

秦绪文，博士，副研究员，主要从事遥感地质项目的管理及科研工作。

2014-04-02。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41201361）；国家科技支撑计划资助项目 （2012BAH28B04）；测绘地理信息公益性行业科研专项（201412007）。