GF-4卫星不同成像状态下影像定位误差特性分析

韩 杰，谢 勇，李慧娜，苗宝亮，石宏斌

(1. 许昌学院城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000； 2. 南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京 210044； 3. 许昌学院电气(机电)工程学院，河南 许昌 461000； 4. 中国人民解放军96608部队，河南 洛阳 471000)

2015年12月15日我国在西昌卫星发射中心用长征三号运载火箭成功发射了高分四号(GF- 4)卫星，填补了我国乃至世界高轨高分辨率遥感卫星的空白，在轨运行的两年多时间内，获取了大量地理空间数据[1- 2]。该卫星采用面阵凝视成像方式，可以在不同成像模式下(凝视模式、跟踪模式、巡航模式、签到模式、夜间模式)获取星下点50 m(可见光/近红外波段)和400 m(中波红外波段)卫星数据，且其具备20 s这一极高的时间分辨率[3- 4]。这些卫星数据已经为我国环保、气象、海洋、水利等领域提供了重要的数据支持。

在利用该卫星数据进行定量化应用时，其影像几何定位精度将直接影响地面信息提取的准确度和可靠性[5- 6]。针对GF- 4卫星特点，目前已经有相关人员进行了初步的研究。文献[7]在建立GF- 4卫星严格成像模型后，利用仿真模拟的方式，对GF- 4卫星面阵成像影像的定位误差进行了初步分析。文献[8]对GF- 4卫星可见光近红外影像内部几何精度和平面定位精度进行了评价，结果表明其误差满足研制总要求。文献[9]建立了针对GF- 4卫星基高比小的区域网平差方法，对比分析了平差前后影像定位误差。文献[10]在构建了GF- 4卫星严格成像模型后，利用在轨几何定标方法，对比分析了定标前后影像定位误差。然而上述学者并未对GF- 4卫星在不同成像模式下获取影像的误差特性进行系统性分析。

前期的研究结果表明，谷歌地球影像几何定位精度能够满足对GF- 4卫星影像几何精度的评价需求[11- 12]。因此,本文将谷歌地球影像作为几何参考，通过对比谷歌地球影像和卫星影像中同名点坐标信息，对GF- 4卫星在不同成像状态下获得的可见光/近红外波段影像的几何定位精度进行分析与评价，为进一步探讨其定位误差原因，提高其影像定位精度提供参考依据。

1 研究方法

本文将谷歌地球影像作为几何参考，将GF- 4卫星可见光/近红外影像作为研究对象，对该卫星在不同成像状态下(凝视、滚动和俯仰)的影像几何定位精度进行分析评价。主要研究方法是从GF- 4卫星影像中挑选分布均匀的明显地物点，获取影像UTM(universal transverse mercator)坐标，将其与谷歌地球影像相应地物点UTM坐标进行比较，然后绘制误差分布图，分析定位误差与相关成像参数之间的关系。

2 不同成像状态影像误差分析

2.1 凝视成像影像误差

2.1.1 河北与内蒙古地区

选取2017年5月11日河北与内蒙古地区6景凝视成像影像(产品号为162592、162593、162594、162600、162601和162602)，其成像时间段为8:01—10：12。通过对比谷歌地球影像和GF- 4卫星影像同名点的UTM坐标后可以发现，以产品号162601和162602为例，如图1所示，单幅影像内各点位误差方向各不相同，无明显朝向单一方向变化的趋势，而是大致以中心为原点顺时针旋转变化，且影像边缘区域误差较大[10,13- 14]。但是可以看出，对于同一个地物点而言，其在凝视成像状态下不同时间点所表现出来的误差大小与方向几乎一致。经统计，如图2所示，该组影像平均平面误差约1754 m(约35像素)。

2.1.2 渤海湾地区

选取2017年3月4日渤海湾地区10景凝视成像影像(产品号为156709、156710、156711、156712、156713、156714、156715、156716、156717和156718),其成像时间段为12:40—12：50。采用上述方法评价其凝视状态影像几何定位误差。同样从图3中可以看出，该组影像反映出来的定位误差特点与河北及内蒙古地区影像相似。经统计，如图4所示，该组影像平均平面点位误差为3461 m(约70像素)。

通过对上述两个区域凝视成像影像几何定位误差进行分析后可以发现，凝视成像时,单景影像内部几何定位稳定性较高，不同时刻所成影像上相同点位误差基本一致， 变化幅度不大。通过对比图2和图4可以看出，相对于中午时分获得的影像而言，清晨或上午时影像几何定位精度较高，这可能与传感器所受的太阳照射有关[10,15]。

2.2 滚动成像影像误差

对于静止卫星而言，通过调整滚动角可以实现对不同纬度区域进行成像。因此，本文选取3个不同时间段、不同区域的影像进行分析。对定位结果进行评价，如图5所示，可以发现滚动状态下影像定位误差分布呈不同特点，一种是所有检查点误差的方向与大小基本一致；另外一种大致是以中心为原点顺时针旋转变化。但经统计发现，前一种误差分布的影像定位误差(4000～17 000 m)较后者(600～2000 m)要大，具体原因需进一步分析。

2.3 俯仰成像影像误差

对于静止卫星而言，通过调整俯仰角可以实现对不同经度区域进行成像。因此，本文选取2017年7月11日5景数据(产品号为168000、168001、168002、168003和168004)进行精度评价，其成像时间段为(11：48—11：54)。如图6所示，其影像定位误差出现了与上述滚动成像近似的两种分布情况。

3 定位误差与姿态角的关系分析

3.1 与滚动角之间的关系

本文从影像附带XML文件中提取影像俯仰角信息(roll satellite angle)，定量评价影像平均平面定位误差与滚动角之间的关系。由于滚动成像时，出现了两种不同的误差分布情况，因此为了更合理地进行比较，本文分别对两种误差分布情况进行了评价。从图7可以看出，无论是哪一种误差分布状态，随着滚动角的增加，除个别影像外，其定位误差是逐步增加的。因此，用户在处理GF- 4卫星影像时，要更加注意对高纬度影像的几何校正。

3.2 与俯仰角之间的关系

本文从影像附带XML文件中提取影像俯仰角信息(pitch satellite angle)，定量评价影像平均平面定位误差与俯仰角之间的关系。从图8可以看出，在一个相对较短的时间段内(约6 min)获取的俯仰状态下影像，随着俯仰角从-0.216 013°增加至2.159 76°，其影像平均平面定位误差从800.29 m增大到1 978.62 m，其影像平均平面误差与俯仰角成正比关系。因此，用户在处理GF- 4卫星影像时，也要更加注意对俯仰角较大的影像的几何校正。

4 结 语

本文针对GF- 4卫星面阵凝视成像特点，以谷歌地球影像为参考，对该卫星在凝视、滚动和俯仰3种状态下的可见光/近红外影像的几何定位精度进行了分析评价。研究结果表明，该卫星影像几何定位误差表现为误差方向一致或以中心为原点的顺时针旋转两种情况。凝视成像时，同一地物点定位误差大小及方向大致相同，且中午影像误差大于上午。滚动/俯仰状态下影像定位误差随着滚动/俯仰角的增加而增加。由于缺乏原始轨道参数及相机安装参数，出现上述现象的原因需作进一步分析。

致谢：感谢中国资源卫星应用中心为本文研究提供GF- 4卫星影像数据。