“天绘一号”卫星中级产品质量控制方法研究

周欣杨国鹏杨俊峰

（1 中国天绘卫星中心，北京 102102）

（2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉430079）

“天绘一号”卫星中级产品质量控制方法研究

周欣1杨国鹏2杨俊峰1

（1 中国天绘卫星中心，北京 102102）

（2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉430079）

“天绘一号”卫星提供多种影像产品以满足不同用户的需求，其中卫星中级产品以有理多项式系数（Rational Polynomial Coefficient，RPC）形式分发给用户，用于各类测绘处理。该形式既能实现传感器技术参数的隐藏，又能达到与严格几何模型相当的定位精度。为用户提供高质量（quality，下同）、规范化的各级尤其是中级卫星数据产品，是航天测绘的重要职责。文章对“天绘一号”卫星中级产品基于RPC模型立体定位的质量控制方法进行了研究，文中介绍了“天绘一号”卫星基本情况及中级产品处理流程，给出了基于RPC模型的立体定位方法，提出了基于VirtuoZo SAT和RPC立体定位的三线阵影像邻轨接边精度检测质量控制方法，并编写了基于RPC模型立体定位的质量控制软件。通过试验及实际应用情况表明，该方法能够有效检测中级产品精度，质量控制软件的编写提高了质检效率，保障了产品质量。文章的研究成果不仅可为同类测绘卫星数据成果质量控制工作提供参考，也将为后续“天绘”系列卫星数据成果质量控制自动化提供技术基础。

立体定位 有理多项式系数 中级产品 “天绘一号”卫星应用

0 引言

“天绘一号”卫星是我国自主研制的第一颗传输型立体测绘卫星，其主要任务是快速获取三维立体影像、多光谱影像和高分辨率影像，通过地面处理，实现目标的快速精确三维定位，测制 1:5万比例尺地形图，修测和更新1:2.5万比例尺地形图，向全球用户提供基础地理信息产品服务[1]。“天绘一号”卫星是中国航天领域的重大突破，对促进中国测绘事业具有里程碑意义。

“天绘一号”卫星相机系统由测绘相机分系统和高分辨率相机分系统组成[2]。测绘相机分系统包括三线阵LMCCD（Line-matrix CCD Camera，LMCCD）立体测绘相机和四波段多光谱相机。立体测绘相机由前、正、后视相机组成，其连续推扫的影像可以构建5m分辨率立体测绘模型；其中正视相机焦面上还装有4个小面阵相机，采用等效框幅式光束法（Equivalent Frame Photo，EFP）[3-5]空中三角测量，可以实现无地面控制条件下的高精度定位。2m分辨率全色相机构成高分辨率相机分系统。表1给出了卫星的基本性能指标[6]。

表1 “天绘一号”卫星主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of TH-01 satellite

“天绘一号”卫星中级产品也称1B级产品。它是1A级卫星影像产品经过空三加密、物理分景处理后得到的产品数据，由1A级影像数据和有理多项式系数[7-9]（Rational Polynomial Coefficients，RPC）组成。其中 1A级影像数据是指在原始影像的基础上，只进行辐射校正处理后得到的卫星数据产品，RPC参数采用目前国际通用格式，适用于各类专业处理软件。1B级卫星数据产品包含了卫星影像的定向参数，可以用于各类测绘处理，生产各类测绘产品，主要提供给具备测绘处理生产能力的部门和单位，是摄影测量处理的基础产品。

为用户提供高精度的中级产品，是航天测绘的基本要求。卫星在轨运行期间，空间环境复杂，下传数据虽表观质量（quality，下同）正常，却有较大的测量误差；生产过程中作业员操作失误或错误等，均会造成产品质量问题。在有控制点的地区，可以采用控制点对中级产品进行精度检核[10-13]；但是在无控制点区域，如何保证产品精度成为亟待解决的问题。“天绘一号”卫星中级产品作为新型手段获取的新产品，其产品质量控制方法目前国内外未见相关文献报道。本文对中级产品质量控制方法进行研究，提出了采用计算邻轨接边精度的方法验证产品精度，并使用VirtuoZo SAT+自主研发软件进行了工程实现。VirtuoZo SAT为全数字摄影测量系统卫星影像商业处理软件，自主研发的基于RPC模型立体定位质量控制软件在利用VirtuoZo SAT完成邻轨三线阵影像同名点匹配后，自动计算邻轨同名点定位精度，给出产品质量检查结果。质检方法简单、高效，在“天绘一号”卫星产品生产中发挥了重要作用。

1 中级产品生产流程

“天绘一号”卫星中级产品生产使用的数据源包括1A级影像数据，全轨道GPS数据，卫星下传辅助数据以及摄影测量参数。图1为生产流程：①预处理环节完成影像的增强增色处理，以提高后续影像同名点匹配精度；②利用星载GPS观测量及GPS卫星精密轨道数据确定摄影时刻卫星位置；③利用星敏感器、地相机安装参数和陀螺仪等测量数据，采用联合定姿方法，精确计算卫星姿态；④采用自动相关匹配技术和人工交互方式，选取与量测三线阵立体影像的像点坐标；⑤采用EFP光束法平差的思想，根据初始外方位元素数据、量测的像点坐标等，精确计算摄影区域的外方位元素列及地面加密点地心坐标；⑥根据计算所得的外方位元素和地面加密点坐标，完成三线阵影像的RPC参数计算。

2 RPC模型立体定位

2.1 RPC模型建立

RPC模型是目前高分辨率光学推扫卫星普遍采用的通用几何模型[14]，能达到与严密成像几何模型相同的精度。“天绘一号”卫星中级产品以RPC模型代替严格成像几何模型，既保证了产品精度，又实现了传感器技术参数隐藏。RPC模型将地面点空间坐标（X, Y, Z）与其对应的像点坐标（r, c）用比值多项式关联起来。为了增强参数求解的稳定性，将地面坐标和影像坐标正则化到–1至1之间[15]：

式中 p1（Xn,Yn, Zn）、p2（Xn,Yn, Zn）、p3（Xn,Yn, Zn）和 p4（Xn,Yn, Zn）均为三次多项式形式，每个多项式表达如下（省略下标n）：

式中 ai（ i=0,1,2,… ,19）为有理多项式系数，即RPC参数。式（1）中(rn, cn)和(Xn,Yn, Zn)分别表示像点坐标（r,c）和地面点坐标（X , Y, Z）经过平移和缩放后的标准化坐标，变换关系为：

式中 (X0,Y0, Z0,r0, c0)为标准化平移参数，(Xs, Ys, Zs, rs, cs)为标准化比例参数。

RPC模型中的地面点空间坐标（X , Y, Z）可采用任何坐标系统，但考虑到卫星影像的地面覆盖范围很大，一般采用地心坐标系，即大地经度L、大地纬度P和大地高H，其中经纬度以度为单位，大地高以米为单位。

2.2 立体定位算法

立体像对的左右影像分别建立各自RPC模型以后，如何根据同名像点的像坐标计算出相应地面点的空间坐标，这就是基于RPC模型的立体定位问题[16-17]。

将式（4）进行泰勒级数展开，并保留一次项，则求解地面点坐标(Xn,Yn, Zn)的误差方程可以表示为：

式中 vr和vc分别代表式（4）线性化表示后像坐标r和c的观测值误差；表达式以此类推。

各偏导数的形式为（省略下标n）：

设左右像片的同名点坐标分别为（rl, cl）、（rr, cr），得到相应的误差方程表达式：

式中 vrb为左像片的同名点坐标rb的观测误差；vrd为右像片的同名点坐标rd的观测误差；vcb为左像片的同名点坐标cb的观测误差；vcd为右像片的同名点坐标cd的观测误差。

将误差方程式（6）以矩阵形式表达，令：

于是坐标改正数Δ的最小二乘解为：

3 基于邻轨接边精度检测的中级产品质量控制

为保证航天测绘产品的精度，“天绘一号”卫星中级产品需严格落实多级质量检查制度。中级产品一级质量检查以生产过程检查为主，确保生产中的每一个环节满足相应的指标要求。如检查精密定轨、定姿结果是否满足评估精度，像点匹配精度是否满足要求等。二级质量检查重点针对产品定位精度开展，采用邻轨接边精度检测的方法，验证相邻两轨影像或不同摄影时间的同轨影像同名点精度，当同名点在不同影像上的定位精度较差（同一未知量的两个观测值之间的差值）小于某值，则认为该产品合格，否则为不合格。检查流程如图2所示。

3.1 基于VirtuoZo SAT的影像同名点匹配

“天绘一号”卫星中级产品质量控制早期采用的是将邻轨影像及 RPC参数导入 LPS（Leica Photogrammetry Suite，LPS）商业软件构建立体像对，作业员手动进行选点、测量及点位坐标较差计算，这是一项非常乏味和耗时的工作，且质检的效率远低于中级产品生产效率。在中级产品质量检查流程中，同名点匹配为关键环节，VirtuoZo SAT的影像配准算法具有可靠、快速和精确的优点[18-19]。作业人员设置好待测区域相关参数，可以实现影像的自动匹配，极大程度的提高了质检效率。图3给出了VirtuoZo SAT批量影像自动匹配流程。

针对“天绘一号”卫星中级产品影像，在作业时需要注意以下问题：①设置工程参数时需选择CGCS2000坐标系和高斯投影；②输入影像类型为：“天绘一号”，输出影像格式：VZ格式；③设置影像列表时需要选择三线阵的前视和后视影像用以构建立体像对；④自动转点时需要勾选：“删除模型内的点，只保留模型间的点”。图4给出了“天绘一号”卫星影像在VirtuoZo SAT软件环境下某个同名像点的点位匹配情况（以左侧第一幅影像为匹配基准），可以看出该软件能够准确完成影像前、后视的自动匹配。

3.2 基于RPC模型立体定位的质量控制软件

基于RPC模型立体定位的质量控制软件通过计算某一景（景是指以卫星传感器为特征、对影像数据像元按一定的行、列进行定义的影像标准单位）影像与邻轨影像的接边误差实现。首先采用RPC立体定位计算方法计算出同名像点在某景影像上的空间坐标，再计算出像点在邻轨影像上的空间坐标，统计其较差中误差，设置合适的阈值，并判断影像精度是否合格。计算方法如下：

设在CGCS2000高斯坐标系下第i个同名像点在某景影像上的空间坐标为（xi, yi, hi），在邻轨影像上的空间坐标为（x0i,y0i,h0i），则平面较差中误差为：

高程较差中误差为：

式中 i= 1,2,3,… ,n ，n为影像上匹配同名像点的个数，高斯坐标系下（x, y, h）是由RPC模型立体定位解算出的地心坐标系下（X , Y, Z ）通过坐标转换得出。

4 试验结果与分析

试验前，需首先明确“天绘一号”卫星的分景方法。“天绘一号”影像以景为单位，采用Path-Row进行编目（Path为沿卫星飞行轨道方向，Row为垂直卫星飞行的轨道景中心位置）。“天绘一号”卫星传感器的视场宽度是60km，卫星相邻两个轨道圈在赤道的距离间距为45.5km，因此，将“天绘一号”卫星的轨道号作为Path，然后沿“天绘一号”卫星轨道方向按照近似均匀的原则，把一轨等分为间距约45km，得到Row。

1）试验一。随机选择“天绘一号”卫星中级产品相邻两轨的某景影像，分别为“天绘一号”01星2013年11月11日摄影，Path-Row为001-121；“天绘一号”02星2014年05月25日摄影，Path-Row为001-121进行质量控制。采用VirtuoZo SAT匹配同名点坐标，使用质量控制软件计算同名点较差及中误差，质检结果如表2所示。

表2 “天绘一号”卫星中级产品质量控制结果Tab.2 Intermediate products quality control result of TH-01 satellite

从表2可以看出，两景影像在高斯坐标系下的单点接边精度平面较差在4.8～7.+m范围内波动，高程较差在 2.0～6.7m范围内波动，单景平面较差中误差为±6.2m，高程较差中误差为±4.7m，满足“天绘一号”卫星中级产品质量控制要求，满足我国1∶5万测图精度要求[20]。

2）试验二。随机选择某批次中级产品生产任务，分别采用早期质量控制方法（LPS软件人工量测）和 VirtuoZo SAT+自主研发软件进行背靠背质量检查，对比两种方法质量检查结果及作业效率。试验环境为：微机中央处理器(CPU)主频2.67GHz，内存4GB，操作系统Windows XP，中级产品景数为181景，由一名人员在同一机器上完成全部操作。表3给出了两种方法的比较情况。

表3 不同质量控制方法比较Tab.3 The comparison among different quality control methods

可以看出，两种方法均能正确完成产品的质量控制，所验收的产品合格率一致，均为+5%，但基于VirtuoZo SAT+自主研发软件的质量控制方法具有更高的效率。当质检景数为181景时，效率提升4倍以上。当待检查的产品数量越多，效率提升将会越高。

5 结束语

本文对传输型测绘卫星中级产品质量控制方法进行了研究，利用VirtuoZo SAT能够高效、精确匹配点位的优势，通过构建RPC立体定位模型自主研发质量控制软件，实现了基于邻轨接边精度检查的“天绘一号”卫星中级产品质量控制。试验结果表明：该方法能够有效保障产品精度，且操作简单方便，自动化程度高，为满足用户快速提供高精度测绘产品的需求提供了技术支持。但该方法的实现一定程度上依赖于商业软件，这使得在实际应用中仍有许多需求受限，如何完全实现质量控制软件全自主化，是我们下一步的主要工作和研究内容。

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Quality Control Method Research of TH-01 Satellite Intermediate Products

ZHOU Xin1YANG Guopeng2YANG Junfeng1

（1 TH Satellite Center of China, Beijing 102102, China）

（2 State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China）

In order to meet different needs, the TH-01 satellite provides users with a series of various image products. TH-01 satellite intermediate products are sent to users in the form of rational polynomial confficients, mainly used for different surveying and mapping process. This form not only hides the sensor’s technical parameters, but also can get the same precision of rigorous geometrical model. To provide normative various level image products of high quality, especially the intermediate products is the important responsibility of space surveying and mapping. In this paper, the basic information and the intermediate products processing steps of TH-01 satellite are introduced and the stereo positioning method based on RPC models is given. A quality control method of detecting positioning accuracy based on VirtuoZo SAT software and RPC stereo positioning using three-line-array airborne imagery is brought forward, and quality control software is designed based on RPC model stereo position. Through TH-01 satellite’s experiment and practical application, this method can control quality of intermediate products effectively. The quality control software not only raisesquality control efficiency, but also controls product quality. The research result in this paper can provide reference to quality control of similar kinds surveying and mapping satellites, and establishes a technical base for follow-on TH satellite quality control automatization.

stereo positioning；rational polynomial confficients；intermediate products；TH-01 satellite application

P228

: A

: 1009-8518(2017)01-0069-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.010

周欣，女，1983年生，2010年获信息工程大学信号处理专业博士学位，高级工程师。研究方向为摄影测量与遥感、图像处理。E-mail: hnswallowfly@163.com。

（编辑：刘颖）

2016-03-16