CBERS-04星PAN/MUX图像几何定位精度评价

魏丹丹，甘甫平，尚　坤，梁树能，何　娇

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

0　引言

近年来由于遥感技术的不断成熟和发展，通过遥感图像可以获得越来越多的信息[1]。例如，通过遥感图像，可以测制地形图[2]，为国土资源、农业和林业等领域提供服务[3]。但由于各种因素，如平台位置、运动状态变化和地球的曲率等因素造成的误差影响图像的几何定位精度[4]，造成图像几何质量下降[5]。因此，对遥感图像几何定位精度的评价成为遥感领域的重要研究课题之一[6]。

地面接收单位接收遥感数据后首先对遥感平台、地球传感器的各种参数进行处理和校正，但仍不能满足用户的需求，对于处理过的图像还要进行进一步的几何校正和辐射校正；即使对接收到的遥感图像进行了一系列校正，但在定位和定量精度方面仍存在一定的误差，这就需要对该误差进行衡量、计算，这就使得定位精度成为衡量遥感图像应用价值的重要指标之一。因此，为能够给用户提供更优质的遥感图像，必须研究图像的定位精度[7]和变形情况[8]。本文从用户应用角度出发结合在轨测试工作，对图像几何定位精度开展评价。

图像外部几何定位精度是指图像在地理参考坐标系中的绝对位置精度[9]，也指经过系统几何校正后的图像上的地理位置和真实地理位置之间的差异[10]。图像的内部几何变形包括长度、角度及放射变形等，图像内部几何定位精度的评价包括图像变形的绝对量评价[11]和整幅图像变形的一致性评价[12]。

CEBRS-04星是中巴资源04号陆地观测卫星，其上搭载有5 m全色(简称P5)、10 m空间分辨率多光谱相机(P10)、20 m多光谱相机和红外多光谱相机，宽视场成像仪5个载荷，本文主要针对5 m全色相机和10 m多光谱相机。

1　图像定位精度评价

根据行业应用要求，本文主要以遥感影像平面制作规范(GB/T 15968—2008)、数字地形图系列和基本要求(GB/T 18315—2001)和基础地理信息数字产品1∶10 000、1∶50 000数字影像图(CH/T 1009—2001)行业标准或规范为参考。

图像基本几何质量评价包括全色多光谱相对配准精度[13]和图像定位精度方面的评价[14]。具体来看主要包括：P5与P10影像范围一致性、P5和P10影像间波段匹配精度评价以及无控制点的RPC处理图像定位精度评价[15]。

根据遥感图像像点位移规律[16-17]，通过比较控制点坐标值(基准图幅匹配)和图像上量算值的偏差，分别评价X方向和Y方向平均误差，研究不同遥感图像、不同地形地物类别的几何精度。地形地物类别选取平地、丘陵和山地3种地区[18]。

采用5 m全色影像、已有的实测高精度几何控制点以及Worldview-2正射校正影像为基础，选取待校正影像和基础底图上均有的同名明显特征地物点为控制点。对10 m多光谱影像进行几何校正。校正单元选取整个单相机影像，控制点均匀分布，根据地形需要，适当确定控制点数量。

将波段匹配像元错位数、影像图X、Y方向平均误差、区域定位平均误差等作为评价图像定位精度优劣的指标。

2　测试评价分析

本文选取新疆哈密与云南东川区域作为评价示范区，选取该区域CEBRS-04星5 m全色和10 m多光谱影像数据作为评价所用数据，此外还有实测大比例尺几何控制点、0.5 m分辨率Worldview-2正射影像和Google earth影像数据作为辅助数据。

2.1　P5与P10影像范围一致性

选取新疆哈密、云南东川PMS数据，以P5影像为基准对P10影像进行配准并套合，检查配准后P5与P10影像的范围一致性。经检查，P5与P10影像的范围基本一致，如图1所示。

(a)　新疆哈密P5与P10影像范围

(b)　云南测试区一P5与P10影像范围

(c)　云南测试区二P5与P10影像范围图1　测试区影像范围

2.2　P5和P10影像间波段匹配精度评价

从各测试区的影像来看，单相机多光谱数据各波段间匹配精度非常高，不存在波段不匹配情况，进行彩色合成之后不存在错位、重影等现象。

为定量描述P5与P10影像各波段间配准情况，对测试区部分数据进行了定量分析。针对尾号为8004的P10多光谱数据，以P5数据为基准，对P5和P10手工选择了11个检查点，计算结果表明：所有检查点X方向残差平均值为0.000 623像元，Y方向残差平均值为0.003 387像元，平面方向残差平均值为0.007 707像元。在采用一次多项式计算模型下，P5和P10检查点RMS为0.766 816像元，在二次多项式计算模型下，P5和P10检查点RMS为0.015 735像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目视检查如图2所示。

图2　新疆哈密测试区P5、P10波段匹配精度检查结果

云南测试区一的P10多光谱数据中，以P5和P10为例，对P5和P10手工选择了9个检查点，计算结果表明：所有检查点X方向残差平均值为0.005 005像元，Y方向残差平均值为0.000 03像元，平面方向残差平均值为0.005像元。P5和P10检查点RMS为0.378像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目视检查如图3所示。

图3　云南测试区一P5与P10波段匹配精度目视结果

云南测试区二的P10多光谱数据中，以P5和P10为例，对P5和P10手工选择了8个检查点，计算结果表明：所有检查点X方向残差平均值为0.000 24像元，Y方向残差平均值为0.004 58像元，平面方向残差平均值为0.004 507像元，P5和P10检查点RMS为0.288像元，波段匹配性非常好。波段匹配精度目视检查如图4所示。

图4　云南测试区二P5与P10波段匹配精度目视结果

新疆哈密测试区P5与P10波段匹配精度检查表如图5所示，云南测试区一P5与P10波段匹配精度检查表如图6所示，云南测试区二P5与P10波段匹配精度检查表如图7所示。

图5　新疆哈密测试区P5与P10波段匹配精度检查表

图6　云南测试区一P5与P10波段匹配精度检查表

图7　云南测试区二P5与P10波段匹配精度检查表

2.3　无控制点的RPC处理图像定位分析评价

主要是利用新疆哈密试验场示范区黑山口幅系统几何校正后的2级产品P5全色和P10多光谱影像数据，并以野外实测的42个控制点和利用实测控制点生产的Worldview-2正射影像为基础底图，进行CBERS-04卫星P5全色和P10多光谱影像数据的几何精度初步评价。具体的几何比对如表1所示。

表1　影像坐标与实测几何标志点坐标对比　(s)

经查询相关资料，在新疆哈密试验场示范区范围内(42°10′～42°20′ N、94°45′～95°00″ E)，纬度1″≈30.8 m，经度1″≈23.05 m，把表1中的单位转换为m并取绝对值后，如表2所示。

由表1和表2可看出，CBERS-04星同名点影像坐标与野外实测坐标相比较：

表2　影像坐标与实测几何标志点坐标对比　(m)

① P5全色影像在纬度方向上相差0.038"～0.74"，约11.7～22.79 m，平均约17.56 m；在经度方向上相差3.24"～4.44"，约74.68～102.34 m，平均约93.05 m；点位误差77.01～104.59 m，平均为94.82 m，如图8所示。

② P10多光谱影像在纬度方向上相差1.12"～1.68"，约34.5～54.74 m，平均约28.13 m；在经度方向上相差在0.91"～1.79"，约20.98～41.26 m，平均约33.85 m；点位误差在50.17～63.57 m，平均为57.55 m，如图9所示。

图8　P5全色影像几何精度评价

图9　P10多波段影像几何精度评价

从图8和图9可以看出，对P5全色影像，其经度方向上的误差对整体的点位误差影响较大；对P10多光谱影像，其纬度方向上的误差对整体的点位误差影响较大。

2.4　结果分析

在对CBERS-04星5 m全色和10 m多光谱影像进行无控制点的RPC校正之后，结合已有的野外实测控制点位置和由其校正后得到的Worldview-2正射影像，进行全色和多光谱影像数据几何定位精度评价，得到以下结论：① P5与P10影像范围一致；② 从各测试区的影像来看，单相机多光谱数据各波段间匹配精度非常高，不存在波段不匹配情况，进行彩色合成之后不存在错位、重影等现象；③ 无控制点的RPC处理影像坐标与实测几何标志点坐标对比发现P5影像经度方向上的误差对整体点位误差影响较大，P10影像纬度方向上的误差对整体的点位误差影响较大。

3　结束语

遥感图像在基础测绘、土地资源调查等应用方面对地面定位、定量精度有较高的要求。本文从全色多光谱相对配准精度、图像定位精度方面展开评价，将波段匹配像元错位数、影像图X、Y方向平均误差、区域定位平均误差等作为评价图像定位精度优劣的指标，开展了CBERS-04星5 m全色与10 m多光谱影像范围一致性、影像间波段匹配精度和无控制点的RPC处理图像定位精度评价。5 m全色与10 m多光谱影像范围一致性较好，10 m多光谱数据的波段之间匹配精度高；在图像定位精度上，5 m全色影像经度方向的误差对整体点位误差影响较大，10 m多光谱影像的整体点位误差主要来源于纬度方向上的偏移。

随着遥感卫星的广泛应用，对卫星的几何定位精度将是更大的挑战。这意味着不仅对卫星平台、飞行姿态、成像模式的控制程度和稳定性提出了更高的要求，而且需要更加精确的影像像元与地面点位的转换模型和地面参考点测量。

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