遥感卫星几何产品真实性检验方法与应用

刘其悦,余 涛，高海亮，方 莉，董 文，孙 源

(中国科学院 遥感与数字地球研究所，北京 100101)

航天遥感技术与遥感数据已广泛、深入地应用到社会经济的各个领域。近年来，随着技术的快速进步，不同类型、不同成像方式、不同空间分辨率的卫星陆续发射上天，遥感数据源得到了进一步丰富、用户对遥感数据量的需求基本得到满足。与此同时用户对遥感数据产品的质量提出了更高的要求。遥感影像产品的几何质量直接影响用户的使用效果，甚至决定了遥感的应用。然而，由于在卫星发射过程中以及卫星在轨运行期间，受重力、大气、机械磨损、地形等多方面因素的影响，卫星传感器的内外方位元素不可避免随时间而发生变化，导致卫星影像数据几何质量下降，难以满足高精度应用的需要。因此，对遥感卫星几何产品进行真实性检验，并及时修正卫星传感器参数成为一项十分重要的工作。尤其是标准化、流程化的遥感卫星几何产品的检验，对提高遥感卫星数据几何产品质量、进一步促进遥感数据的深度应用具有重要意义。

遥感产品真实性检验是指通过将遥感产品的“计算值”与能够代表地面目标相对“真值”的参考数据进行对比分析，评估遥感产品的精度[1-2]。国内外在遥感产品真实性检验方面已有诸多研究成果[3-5]，然而现有的遥感产品的真实性检验研究主要集中在植被参数、水体参数和陆表参数等遥感产品，针对遥感几何产品的真实性检验研究较少，尤其缺乏遥感几何产品真实性检验相应系统性理论、方法手段和标准流程等研究。本文以国家发改委 “国家民用空间基础设施陆地观测卫星共性应用支撑平台”项目研究内容——“遥感几何产品的标准化与流程化真实性检验”为依托，参考其他遥感产品的真实性检验方法理论，在现有遥感卫星几何产品真实性检验研究相关成果的基础上进行归纳总结，根据检验数据的来源，将遥感卫星几何产品真实性检验方法分为基于地基数据的检验方法和基于参考影像数据的检验方法；阐述了两种方法的基本原理、操作步骤和流程、优缺点以及研究现状；并应用基于参考影像数据的检验方法对国产GF-1卫星WFV1相机影像的几何定位精度进行检验。

1 遥感卫星几何产品真实性检验方法

1.1 基于地基数据的定位精度检验方法

1.1.1 方法概述

基于地基数据的几何产品定位精度检验是指通过在地面采集获取地面同名点的位置信息，实现遥感卫星影像几何产品定位精度的检验。地基数据主要可以通过两种方式获取。其一是利用几何参数测量仪器通过人工现场实地采集的方式来获取试验区目标地物(同名点)的几何位置参数数据。其二是通过从试验区已有地形图中通过人工刺点的方式获取数据。

基于地基数据的检验方法的优点是操作简单、获取的检验数据精度高；缺点是如果采用人工测量的方式获取检验数据，需要工作人员进行现场实地测量，投入的人力、经济、时间成本较高，只适合在小区域范围内开展。

基于地基数据的几何产品定位精度检验方法是最常用的方法，相关研究人员采用地基数据对卫星影像几何定位精度进行试验。如刘斌等通过外业差分GPS测量的方式，实地测量25个GPS点，在对资源三号卫星几何产品自带的有理多项式系数(RPC)进行精化、消除系统误差的基础上，开展了资源三号卫星几何产品定位精度验证与分析，实现了平面精度验证和高程精度验证[9]。王崇倡等通过在待检验影像与地形图中分别选择15个检查点(同名点)，对QUICKBIRD全色影像的内部平面精度和点位精度进行了测定[10]。陈俊等通过获取地面分布均匀的控制点数据，对16景LANDSAT-5 TM数据的定位精度进行了检验评估[11]。石迎春等首先对QUICKBIRD影像进行几何精纠正，然后利用12幅1∶10 000地形图数据和34个实测GCP点位数据，对几何精纠正前后的QUICKBIRD影像定位精度进行分析[12]。

1.1.2 操作步骤与流程

基于地基数据的几何产品定位精度检验操作步骤与流程如下：

1)收集数据。包括待检验的几何产品影像数据与地基数据：①待检验几何产品影像，要求试验区图像清晰、质量良好；②地基数据，现场采集地面控制点的GPS几何参数或从地形图中读取。

2)选取同名点。从待检验几何产品影像中选择同名点，并从剔除异常点后的实测数据中选取对应的同名点，或在地形图上选择对应的同名点。同名点的选取原则是按从左到右、从上到下的顺序均匀分布采集，并选取不随时间、季节等因素改变的地物作为同名点，比如道路交叉点或建筑物拐角等。

3)计算待测试影像同名点的误差D。

(1)

式中，ΔX=Xi-Xt，ΔY=Yi-Yt，其中Xi、Xt、Yi、Yt分别指待检验几何产品影像与地基数据中同名点的横坐标与纵坐标。

4)计算所有点误差值的中误差k，用其表示遥感卫星影像的几何定位精度。

(2)

式中，Di为第i个同名点的误差值；n为同名点的数量。

基于地基数据的几何产品定位精度检验流程如图1所示。

图1 基于地基数据的几何产品定位精度检验流程

1.2 基于参考影像数据的定位精度检验方法

1.2.1 方法概述

基于参考影像数据的定位精度检验方法，是指在利用定位精度较高的参考影像数据作为替代数据源，实现对待检验卫星影像几何产品进行定位精度的检验。参考影像包括卫星影像和航空影像。

在利用基于参考影像数据的检验方法进行几何产品真实性检验时，同名点的选择可以通过两种方式进行，其一是可以直接在参考影像中选择同名点，但要求参考影像自身具有较高的定位精度；其二是通过技术手段如几何精校正对参考影像进行处理，进一步提高其定位精度，从而提高同名点的精度。在对卫星遥感定量产品进行真实性检验过程中，“真值”数据的精度十分重要，对检验的结果起到至关重要的作用。因此，第2种方式对参考影像进行技术处理可以进一步提高“真值”的精度，从而使检验结果更准确、更具有说服力。基于参考影像数据的真实检验方法的优点是实施成本低、投入少、操作简便、不受时间、地点的限制，可以进行大范围、多区域的检验；不足之处在于真实性检验结果受参考影像数据自身精度的影响较大。

国内许多学者利用参考影像的几何定位精度检验方法开展了多方面工作。如刘楚斌等选择国外几何定位精度较高的WORLDVIEW影像作为控制数据对天绘一号卫星RPC模型的定位精度进行了评价[13]。黄世存等使用基础测绘1∶5万比例尺的数字正射影像(DOM)作为参考，测试了我国高分系列GF-1卫星PMS相机PAN与MSS二级产品的几何定位精度[14]。王文文等利用SOPT5精纠正数据作为参考数据源，对我国和巴西合作的第3颗资源卫星资源一号02B卫星的影像开展了几何评价[15]。

1.2.2 操作步骤与流程

基于参考影像数据的定位精度检验方法与基于地基数据的检验方法相比，只是获取同名点数据的途径不同，其他的检验步骤基本一致。

1)数据准备：包括待检验的几何产品影像数据与参考影像数据。①待检验几何产品影像：要求试验区图像清晰、质量良好；②参考影像数据：要求定位精度高、目视清晰且成像质量高。

2)数据预处理：主要包括参考影像数据的投影转换，使待检验影像与参考影像的投影方式一致。此外，航空影像数据还需要进行配准、拼接、匀色、几何校正等处理。

3)选取同名点：按照同名点选择原则，分别在待检验几何产品影像与参考影像中选择同名点。

4)此步骤与基于地基数据的定位精度检验方法的步骤3)、步骤4)一致，不再详述。

2 GF-1卫星WFV1相机影像几何定位精度真实性检验

“高分一号”卫星是我国国家科技重大专项高分辨率对地观测系统首颗卫星，于2013-04-26中午在酒泉卫星发射中心成功发射，同时搭载了4台WFV相机和2台PMS相机。自发射至今在轨运行已超过4年，对其影像的定位精度开展长时间真实性检验具有现实意义。

2.1 数据获取

以北京地区为研究区域，分别收集了GF-1卫星WFV1相机影像数据与参考影像数据。

1)GF-1卫星WFV1相机影像数据。在剔除云遮盖影响以及异常数据后，共收集了自2013年发射至2016年底北京地区GF-1卫星WFV1相机影像共33景。

2)参考影像数据。本文选择中国资源三号(ZY-3)测绘卫星影像作为参考数据。ZY-3卫星影像具有较高的定位精度[6][16]，用途广泛[15]。本文选取2014-01-21北京地区同一轨道相邻的两幅正视传感器校正产品作为参考影像。

3)预处理。由于获取的WFV1相机数据是1级产品(相对辐射校正产品)，并没有进行系统几何校正。因此，在选择同名点之前，利用WFV1数据包中附带的RPB文件中的RPC参数，基于有理函数模型(RFM)对WFV1数据进行系统几何校正。

4)同名点选择。通过目视解译的方式，在ZY-3影像数据与WFV1影像中选择同名点。同名点的选取原则是按从左到右、从上到下的顺序均匀分布采集。并且要求选取不随时间、季节等因素改变的地物，如道路交叉点或建筑物拐角等。为了保持一致性，要求每景影像中同名点数量不少于8个，最多不超过10个。

2.2 检验结果与分析

取每景影像同名点定位的相对偏移量均值进行时间序列的分析。从图2中可以看出，GF-1卫星WFV1相机的几何定位相对偏移量随在轨时间而不断发生变化，呈现出先升高后下降、最后逐渐平稳的趋势。表1列出了WFV1相机4年中的几何定位相对偏移量年度均值，分别为35.77 m、123.57 m、53.12 m、47.29 m。2014年相对偏移量最高，2015年、2016年比较接近。在2013年，WFV1相机的相对偏移量先升高后降低，原因是在2013年底，卫星完成了在轨调试之后，优化调整了卫星系统参数，降低了相机系统误差；在2014年，相机的相对偏移量逐渐升高，并达到4年中最大值168.96 m，说明相机受多重因素影响，几何性能出现衰减，且衰减幅度较大，导致卫星几何相对偏移量较大；在2015年，相机的相对偏移量逐渐下降，一直到2016年，WFV相机的几何定位相对偏移量虽然有起伏，但整体上变化不大，稳定在80 m以内，通过初步分析，原因是卫星运行部门对卫星进行了在轨几何检校，重新优化调整了卫星的系统参数，降低了卫星系统误差，从而降低了几何相对偏移量。

图2 北京地区GF-1 WFV1相机几何定位精度真实性检验结果

表1 GF-1 WFV1相机定位精度年度变化统计结果

图3显示了每景WFV1相机影像的几何定位偏移特性，图中箭头的指向为偏移方向、箭头的长度为偏移量大小。从图3中可以看出，WFV1相机几何定位偏移方向都不是固定的，并没有明显的规律；但偏向东北与东南的影像数量明显较多。可能是受相机安装角、卫星运行状态发生变化等影响导致，具体原因有待进一步研究核实。

3 总结与展望

介绍了两种遥感卫星几何产品定位精度真实性检验方法。并应用基于参考影像数据的方法对我国GF-1 WFV1相机影像几何定位精度进行了检验。总结如下：

1)针对目前遥感几何产品真实性检验研究理论、方法和流程较少的现状，本文在现有研究成果的基础上，首次从检验数据源的角度将遥感几何产品的检验方法分为基于地基数据的检验方法和基于参考影像数据的检验方法，对将来相关的研究具有参考意义。

图3 北京地区GF-1 WFV1相机几何定位偏移方向统计图

2)本文以ZY-3卫星影像数据作为参考，对北京地区GF-1卫星WFV1相机系统几何校正产品的定位精度进行了检验。检验结果表明，WFV1相机相对偏移量以及偏移方向随卫星在轨时间而不断发生变化， 相对偏移量呈现先升高、后降低的趋势，最大值为168.96 m；偏移方向主要偏向东北与东南方向。

3)由于试验区域覆盖面积较小、数据量少，检验结果只能代表GF-1卫星该试验区的定位精度，难以全面代表GF-1 WFV1相机的定位水平。今后将加强高、低纬度区域、覆盖多地形的定位精度检验研究。