北京一号小卫星全色影像正射纠正技术研究

王鹏生贺少帅

（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄 050041 二十一世纪空间技术应用股份有限公司2）北京 100096）

北京一号小卫星全色影像正射纠正技术研究

王鹏生1）贺少帅2）

（石家庄铁路职业技术学院1）河北石家庄 050041 二十一世纪空间技术应用股份有限公司2）北京 100096）

北京一号小卫星 4米全色高分辨率影像在全国土地利用变更调查、北京市按季动态变化监测等遥感应用中得到了广泛应用，但其正射影像生产技术方法国内外研究较少，为此，本文以覆盖北京山区的3景不同侧视角北京一号小卫星全色辐射校正影像为数据源，参考不同数量的地面控制点和不同分辨率的数字高程模型，对比分析有理多项式、通用推扫成像和直接线性变换模型的正射纠正精度，总结出了北京一号小卫星4米全色影像的正射纠正技术方法，其正射纠正影像满足1︰2.5万制图比例尺平面位置精度的要求。

北京一号小卫星 正射纠正 精度评价

1 引言

北京一号小卫星自2005年10月27日在俄罗斯普列谢斯克（Plesetsk）成功发射以来，在轨运行状态良好，获取了近1000万km2覆盖我国及周边地区的4米全色高分辨率遥感影像，在国内首次实现了自主民用高分辨卫星遥感影像在全国土地利用变更调查与核查和面向区域政府在土地、农业、林业、水务、城市管理等领域的遥感监测应用。数字正射影像（DOM）作为遥感监测的基础性底图，国内外遥感工作者对高分辨遥感影像的正射纠正进行了广泛而深入的研究，总结出了针对SPOT-5、IRS-P5、IKONOS、QUICKBIRD、WORLDVIEW-I/II、GEOEYE-I等高分辨率影像采用严格物理模型、有理函数模型（RFM）、直接线性变换（DLT）的正射纠正方法[1]。北京一号小卫星作为商业化自主运营的高分辨率遥感小卫星，还没有遥感工作者对北京一号小卫星高分辨率遥感影像的正射纠正进行系统分析和精度评价。

本文以多时相、不同侧视角、覆盖北京山区的北京一号小卫星 4米全色辐射校正影像为数据源，以高分辨率航空正射影像为参考影像，参考不同数量的地面控制点（GCPs）和不同精度的数字高程模型（DEM），以商业遥感图像处理软件（如 PCI、ERDAS）为生产平台，对比分析通用推扫成像、有理函数和直接线性变换模型下的正射纠正精度，总结北京一号小卫星 4米全色影像正射纠正方法，为北京一号小卫星4米全色DOM生产提供技术参考。

2 BJ1全色相机介绍

北京一号小卫星全色相机由英国SIRA光电有限公司制造，采用线阵CCD推扫成像，在686公里的太阳同步轨道高度上获取24公里幅宽的4米高分辨率全色影像，并具备绕卫星飞行方向±30°的侧摆成像能力[2]。全色相机技术指标如表1所示：

表1 BJ1全色相机技术指标

由于北京一号小卫星侧摆为整星侧摆，虽然设计侧摆能力为±30°，但为了确保小卫星在轨稳定运行和不因为侧摆过大而降低影像地面分辨率，在实际运行中常采用不大于15°的卫星侧摆来获取影像。15°侧摆成像时影像边缘地面分辨率约为4.3米[3]。

3 正射纠正方法

目前，常用的高分辨率卫星影像正射纠正模型有严格物理成像模型、有理函数模型和直接线性变换模型等。理论研究和应用分析表明，严格物理模型具有最高的定位精度，但前提是需要已知传感器技术参数和精确的卫星平台轨道位置和姿态参数[4]。由于遥感卫星系统核心技术参数的复杂性及保密等原因，高分辨率遥感卫星几乎不向用户提供传感器和卫星平台的技术参数，多使用定位精度近似的数学模型来代替严格物理成像模型，或者是借助于GCPs和DEM来模拟卫星成像时的轨道和姿态参数，如有理函数模型和直接线性变换模型。在北京一号小卫星4米全色影像正射纠正中，由于无法获取成像时高精度的卫星星历和姿态参数，只能通过配置传感器参数建立通用的推扫成像模型，参考 GCPs 和DEM来完成北京一号小卫星全色影像的正射纠正。

因此，可使用通用推扫式成像、有理函数和直接线性变换模型，参考GCPs和DEM完成北京一号小卫星4米全色影像正射纠正处理。此时，不同的纠正模型、不同数量GCPs和不同精度DEM决定了DOM平面位置精度。本文以PCI 9.1的通用推扫成像模型和有理函数模型以及ERDAS 9.1的直接线性变换模型作为正射纠正模型，参考高分辨率正射航空影像和不同格网大小的DEM，完成北京一号小卫星4米全色影像的正射纠正，并进行DOM平面位置精度评价。

4 试验与精度评价

4.1 数据源选择

选择3景覆盖北京密云山区的北京一号小卫星全色辐射校正影像作为试验数据源，每景影像大小为6056行×6056列。该3景影像成像时间与侧摆角如表2所示：

表2 试验数据列表

影像覆盖示意图如图1所示：

图1 试验全色影像覆盖示意图

本试验分别采用PCI 9.1的通用推扫成像模型和有理函数模型，以及ERDAS 9.1的直接线性变换模型作为北京一号小卫星全色影像的正射纠正模型，影像数学基础定义为TM投影和Krassovsky椭球体，参考2米分辨率航空正射影像和1︰1万DEM、30米ASTER GDEM和90米SRTM DEM，进行北京一号小卫星全色影像的正射纠正处理。

4.2 正射纠正与精度分析

（1）不同GCP数量下平面精度分析

分别使用有理函数、通用推扫成像和直接线性变换模型，参考2米航空正射影像和1︰1万DEM，分别以均匀分布的20、30、40、50、60个GCP点来正射纠正北京一号小卫星全色辐射校正影像，并参考2米航空正射影像使用20个检查点来评价DOM平面位置精度。该航空正射影像满足1︰1万DOM制图精度要求。不同纠正模型及不同GCP分布的均方根误差如下表3。

表3 控制点数目及均方根误差统计表

40 　1.8 50 　1.91 60 　1.98 20 　1.53 30 　1.51 4.77 40 　1.68 50 　1.8 60 　1.98 20 　1.41 30 　1.41 11.27 40 　1.46 50 　1.5 60 　1.46 20 　4.86 30 　4.93 -5.46 40 　4.72 50 　4.96 60 　5.12 20 　5.07 30 　4.92直接线性变换模型4.77 40 　4.83 50 　4.46 60 　4.21 20 　4.16 30 　4.23 11.27 40 　4.07 50 　4.16 60 　4.07

DOM平面位置精度检查点位于山区高程变化相对平缓的村庄、道路、大坝等不变点，检查点分布如图2。

图2 DOM平面位置精度检查点分布示意图

使用检查点的平面位置中误差来评价不同纠正模型和不同控制点分布下的 DOM平面位置精度。有理函数模型下的DOM平面位置精度检查结果为：见表4、图3所示。

表4 有理函数模型下的DOM平面位置精度检查结果（单位：米）

图3 不同数量GCPs分布的有理函数模型下的DOM平面位置精度

通用推扫成像模型下的DOM平面位置精度检查结果为：见表5、图4所示。

表5 通用推扫成像模型下的DOM平面位置精度检查结果（单位：米）

图4 不同数量GCPs分布的通用推扫成像模型下的DOM平面位置精度

直接线性变换模型下的DOM平面位置精度检查结果为：见表6、图5所示。

表6 直接线性变换模型下的DOM平面位置精度检查结果（单位：米）

图5 不同数量GCPs分布的直接线性变换模型下的DOM平面位置精度

从DOM平面位置精度检查来看，使用通用推扫模型生产的北京一号小卫星全色DOM精度最高，有理函数模型次之，直接线性变换模型的校正精度最差。从某个单一纠正模型来看，平面位置精度随GCP的增多而提高。但为了兼顾生产效率和DOM平面位置精度，建议使用有理函数模型时，GCP数量宜为40～50个每景；使用通用推扫模型时，GCP数量宜为30～40个每景；使用直接线性变换模型时，GCP数量宜为50～60个每景。为了使得北京一号小卫星4米全色DOM满足1︰2.5万比例尺制图精度的要求，建议优先使用通用推扫成像模型和有理函数模型进行正射纠正处理，且要求GCP均方根误差控制在2个像元以内。

表7 有理函数模型下的DOM平面位置精度检查结果（单位：米）

图6 不同精度DEM的有理函数模型下的DOM平面位置精度

（2）不同格网DEM下的平面精度分析

参考2米航空正射影像采集均匀分布的40个控制点，分别使用有理函数模型和通用推扫成像模型，参考1︰1万DEM、30米格网ASTER GDEM和90米SRTM进行正射纠正，并参考2米航空正射影像使用20个检查点来评价DOM平面位置精度，分析不同精度DEM对正射纠正精度的影响。

有理函数模型下的DOM平面位置精度检查结果为：见表7、图6所示。

通用推扫成像模型下的DOM平面位置精度检查结果为：见表8、图7所示。

表8 通用推扫成像模型下的DOM平面位置精度检查结果（单位：米）

图7 不同格网DEM的通用推扫成像模型下的DOM平面位置精度

直接线性变换模型下的DOM平面位置精度检查结果为：见表9、图8所示。

表9 直接线性变换模型下的DOM平面位置精度检查结果（单位：米）

图8 不同精度DEM的直接线性变换模型下的DOM平面位置精度

从DOM平面位置精度检查结果来看，DEM的高程精度对北京一号小卫星4米全色影像的正射纠正精度影响要以选择合适的校正模型为前提，在选择通用推扫模型和有理函数模型的情况下，提高DEM的高程精度可以明显提高DOM平面位置精度。根据不同精度DEM的正射纠正精度来看，兼顾DOM平面位置精度和DEM数据的易获取性，建议参考30米格网ASTER GDEM来完成北京一号小卫星4米全色影像的正射纠正处理。

5 结语

（1）山区影像的校正有其特殊性，除了要选择合理的校正模型外，控制点是决定校正精度的最重要因素。山区影像，尤其是卫星侧摆获取的山区影像，较之平坦地区的影像以及垂直拍摄的山区影像相比，几何畸变更加严重，有效的控制点难以选取，且很难做到控制点在影像范围内均匀分布。因此，控制点要选择影像中高程变化相对平缓的地区，如村庄、道路、大坝等不会因为拍摄角度以及高程变化而发生明显变形的地物，避免将山脊、山谷等高程变化剧烈且受侧摆影响严重的地物作为控制点。尽量多地选择有效的控制点是保证北京一号小卫星4米全色DOM平面位置精度的有效途径。

（2）对于北京一号小卫星来说，通用推扫式模型能有效的校正山区影像的变形。由于北京一号小卫星能以较大的侧摆角进行拍摄，影像中的地物变形严重，直接线性变换模型无法体现侧摆角的影响，因此校正精度较低。

（3）在选择了合理的校正模型的情况下，使用较高分辨率的DEM可以大幅度提高纠正精度。宜采用30米格网ASTER GDEM作为正射纠正参考DEM。

（4）采用通用推扫式模型时，单景影像宜采集30～40个GCPs，采用有理函数模型时，单景影像宜采集40～50个GCPs，参考高精度正射影像和30米格网ASTER GDEM，进行北京一号小卫星4米全色影像正射纠正处理，其DOM平面位置精度满足1︰2.5万比例尺制图平面精度要求。

[1]柴登峰,张登荣.高分辨率卫星影像几何处理方法[M].杭州:浙江大学出版者,2007.8

[2]Surrey Satellite Technology LTD. China DMC+4 Satellite User Manual[R].2005

[3]陈正超.中国DMC小卫星在轨道测试技术研究[D].博士论文,中国科学院遥感应用研究所,2005

[4]张鹏强.线阵CCD遥感卫星影像目标精确定位技术研究与实践[D].解放军信息工程大学,2003

[5]TD/T 1014—2007.第二次全国土地调查技术规程[S].国土资源部,2007

Study on the Orthorectification Technology of BJ1 Small Satellite 4-metre Panchromatic Image

WANG Peng-sheng1)HE Shao-shuai2)
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology1)Shijiazhuang Hebei 050041 Twenty First Century Aerospace Technology Co.Ltd2)Beijing 10096 China)

The BJ1 small satellite 4-metre panchromatic image has been used in various remote sensing applications, such as the national land-use changes survey and the change detection in every quarter of Beijing city. But there is hardly any study on how to orthorectify BJ1 small satellite 4-metre panchromatic image. In this paper, taking three radiometric corrected images acquired in different off-track degree as example, the geometry rectification precision under the general push-broom, rational function and direct linear transform orthorectification model by using different number of GCPs and grid DEM is discussed. It is summarized that the geometry precision of the orthorectification method of BJ1 4-metre panchromatic image can meet the plane position accuracy requirement of 1:25000 scale mapping.

BJ1 small satellite orthorectification geometry precision assessment

中国分类号：P236A

1673-1816(2016)02-0081-08

2015-10-24

王鹏生（1985-），男，河北威县人，硕士，研究方向摄影测量与遥感。