基于SRTM控制的高分遥感影像区域网平差方法

王 贺 陈 宁 秦玉刚

(32023部队, 辽宁 大连 116023)

0 引言

近年来,我国航空航天技术快速发展,遥感影像的光谱分辨率、时间分辨率、空间分辨率不断提高。自主研制的立体测绘卫星如资源三号卫星、天绘卫星主要用于1∶50 000立体测绘[1-2];高分系列卫星如高分一号[3]、高分二号[4]、吉林一号[5]、高景一号卫星[6]等能够快速获取高分辨率遥感影像能力。特别是吉林一号、高分二号、高景卫星空间分辨率达到亚米级,大大提高卫星对地观测能力。为我国的资源普查、地理国情检测、重大自然灾害遥感监测评估运行提供数据支撑。

在国土资源三调过程中需要利用卫星影像进行分析,通常需要两张或多张卫星影像进行镶嵌处理获得较大区域的影像数据。在影像镶嵌处前需要进行影像正射纠正,而不同轨道的卫星影像定位模型存在一定的系统几何差异,采用原始定位参数进行正射纠正、影像镶嵌处理容易导致镶嵌影像重叠区域地物不重合现象。相关学者通过摄影测量学的区域网平差处理方法提高影像的几何精度。文献[7]提出以航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)为约束进行光学卫星影像的立体正射纠正,该方法以SRTM为控制对资源三号卫星影像的立体像对生产数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM),进行定向参数的求解,并以精化的定向参数纠正生成正射影像,但生产DEM的精度对定向参数解算影像较大;文献[8]提出利用DEM数据作为高程约束的平面区域网平差方法,利用高程数据为约束条件提高影像的定位精度,获得较好的实验效果。文献[9]通过模拟激光数据引入高程控制,将激光高程点引入区域网平差中,构建激光约束的区域网平差,提高了立体测绘影像的有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficient，RPC)参数精度。但上述方法仅适合三线阵的立体测绘上进行处理,对于遥感影像的适应性较差,限制算法的应用性;文献[10]提出基于基准网辅助的大区域卫星影像区域网平差算法,该方法以高精度的DOM、DEM为控制,通过影像匹配技术获取同名点坐标,利用高精度DOM、DEM为控制精化RPC参数,计算过程复杂,完全可以用匹配高精度的同名点计算影像间的映射关系纠正影像。文献[11]提出多源卫星影像的区域网联合平差算法,影像自动匹配技术获取连接点,并对整个测区进行自由网平差,精化影像定位精度,对于WorldView和QuickBird获得较好的实验效果。但对于视场角较小的高分系列卫星效果较差。文献[12]提出基于有理函数多项式模型的区域网平差方法,通过对影像进行仿射变换的方式更新影像RPC参数,最后进行影像的几何校正处理。由于资源三号卫星的立体测绘影像的视场角一般在25°,且前、下、后视影像有较多的光线交会一点,因此光线交会几何性较好。光束法区域网平差在三线阵立体测绘卫星精化RPC参数,具有较好的稳定性。但对于环境监测及自然资源探测的高分系列卫星,为了较大的节省成本,不同轨道的卫星影像的重叠区域较小(通常不大于10%)。此外,卫星在太空飞行轨道高度基本高于500 km以上,卫星的视场角相对较小,因而导致异轨影像间的基高比很小,造成异象影像的弱交会现象,在影像RPC参数精化过程中导致地面高差误差放大的情况。

鉴于此,本文提出SRTM为控制的高分辨率遥感影像区域网平差方法。通过引入高程控制,避免弱交会情况下,高程误差放大导致平差无法收敛的情况。利用两组高分一号卫星数据进行测试验证本文方法的可行性。

1 基本原理

1.1 SRTM高程控制原理

由于卫星视场角较小,不同轨道的影响重叠区域较小导致相邻轨道间普遍存在弱交会的现象,将导致相邻轨道连接点的物方坐标在平差过程中会有高程误差放大现象。高程误差放大,造成区域网平差无法收敛。首先,利用光线投影法计算连接点物方坐标,并取相邻轨道的连接点的物方坐标平均值作为光束法区域网平差的初始物方坐标值。如图1所示,取相邻轨道连接点物方坐标初始值为Zint,进行光束法区域网平差可得到一组地面坐标的改正量,将Zint修正为Z1的位置。由于卫星的弱交会现象,将造成Z1高程误差在光束法平差中放大的情况。因此,为了避免高程误差Z1的影响,以Z1的平面坐标在SRTM高程模型中内插一新的高程值Z1′来替代Z1作为新的连接点物方坐标,进入下一次光束法区域平差中迭代计算,重复如此操作直到光束法区域平差迭代收敛。通过将相邻轨道的连接点高程误差控制SRTM模型的合理范围内部,使光束法区域平差收敛避免高程误差造成的误差求解失败,最终校正轨道且降低共轭点相对偏移效果。

图1 SRTM高程控制示意图

1.2 卫星影像区域网平差模型

由于现在的卫星多采用电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)拼接成像,而推扫式成像导致影像的每一行影像具有一组外方位元素,且定向参数间存在较大的相关性;影像的长焦距、窄视场,因此可将卫星影像看作近似中心投影的影像。采用严密的几何成像模型进行区域网平差需解算的外方位元素过多,解算结果不稳定的现象。国内学者张过通过实验证明采用有理函数模型进行影像定向参数解算能够获得与严密几何模型同样的几何定位精度,而且解算的过程简单、计算速度快等优点[13]。因此,选择有理函数多项式几何模型作为平差的数学模型。

RFM 有理函数多项式是利用地面点(X,Y,Z)的多项式的比值来表示影像的像点坐标(c,r),常用的形式为:

(1)

式(1)中,pi(i=1,2,3,4)为每个物方坐标(Xi,Yi,Zi)的3次多项式,光学投影带来的变形采用一次多项式表达,大气折射、地球曲率及镜头畸变带来的变形采用二次项表达,传感器震动及未知因素带来变形采用三次项表达。

1.3 弱交会情况的区域网平差

由于采用RFM有理函数模型表达影像定位模型,模型参数不在具有具体的物理意义。因此,无法建立影像定位误差(轨道误差、姿态误差、安装角误差)与RFM参数间的直接联系。文献[14]将线阵推扫式的成像传感器误差在像方进行补偿,消除影像的轨道误差、姿态误差、安装角误差,建立的补偿模型为:

(2)

式(2)中,(r,c) 为影像像方坐标;(Δr,Δc)为像方的像点误差改正模型,可以表示为:

(3)

式(3)中，(e0,e1,e2)和(f0,f1,f2)为影像的仿射变换系数;像方误差系统补偿模型中常用的是仿射变换模型,采用1个外业控制点解算沿轨和垂轨方向的位置偏移参数e0、f0。采用2个外业控制点解算位置偏移参数、漂移参数(由陀螺积分引起的飘逸误差)e0、f0、e2、f2;获得较高的几何定位精度;采用3个野外控制点可以6个参数。

对公式(2)进行泰勒一阶多项式展开,将像点的物方坐标(X,Y,Z)及像方仿射变换项(e0,e1,e2)和(f0,f1,f2)补偿模型参数作为未知数,利用最小二乘算法一并求解。

(4)

2 实验与结果

2.1 实验数据

文中选取山区、平原两种不同地形数据的高分一号数据作为测试影像数据,共四景影像。山区地形数据为某区域的2景影像数据,该区域的平均高程为523 m,最大高程为754 m,最小高程数据为259 m,主要验证山区地形数据引入SRTM约束下的区域网平差算法的精度;区域2为平原区域数据,该区域的平均高程为124 m,最大高程为337 m,最小高程数据为41 m,主要验证平原区域引入SRTM约束进行区域网平差算法的精度。

2.2 试验方案设计

为了验证引入SRTM约束下进行区域网平差精度验证,通过平差后生成的新的RPC文件作为遥感影像正射纠正影像参数文件,对比原始RPC文件与更新后的RPC文件纠正的影像效果验证本文方法的有效性,本文对两个测区的高分一号数据进行处理,主要按照如下2种方案进行实验。

方案1:每个立体像对进行自由网平差并生成新的RPC文件。利用连接点计算的物方坐标反算像方统计影像行方向与列方向的像方残差。

方案2:以SRTM为高程方向约束,验证交会角较小情况下采用高程约束的平差结果。同方案1一样,利用连接点计算的物方坐标反算像方统计影像行方向与列方向的像方残差。

2.3 SRTM控制的卫星影像区域网平差试验

分别对山地、平原两组不同数据采用方案1和方案2进行自由网平差和SRTM约束下的区域平差试验,通过影像匹配算法获取相邻影像间的连接点。对获取的连接点采用引入SRTM数据约束的区域平差算法,避免基高比小的高分影像导致高程误差放大情况带来影像平差失败的现象,提高影像的定位精度。

精度评定方法采用在像方坐标系上进行,即利用无控平差、SRTM约束下的区域网平差生成的影像RPC参数,利用像点量测计算的像点同名点坐标以及对应区域的DEM数据通过前方交会的算法计算出该点的物方坐标;然后将物方空间坐标反算像方与原始像点量测坐标进行比较分析。结果如表1所示,无控制点约束的区域网平差算法计算山地区域影像行方向、列方向中误差分别为1.435像素、1.324像素,SRTM约束的区域网平差算法平原区域影像行方向、列方向中误差分别为0.825像素、0.627像素相比无控区域网平差算法有所提高到1个像素以内;该结论在山地区域同样适用。实验的具体精度统计结果见表1所示。

表1 不同地形不同方法的精度统计

2.4 正射影像效果对比

分布利用无控平差生成RPC参数、SRTM高程约束平差后的RPC参数以及SRTM数据对影像做正射校正处理生成数字正射影像,通过叠加显示相邻正射影像的效果,对比采用SRTM数据对交会角较小的影像进行高程约束提高平差后影像的相对定位精度,对比效果图如图2所示,图2(a)、(c)表示采用无控平差生成RPC进行影像正射校正结果对应的相邻影像的接边效果;图2(b)、(d)表示采用SRTM高程约束平差生成RPC进行影像正射校正结果对应的相邻影像的接边效果。从不同地形数据、不同方案生成RPC文件进行影像正射校正,生成正射影像的接边效果来看,无控平差在山地区域影像垂轨方向接边处存在接边误差,而采用SRTM约束生成正射影像接边处基本不存在接边误差;对于平原区域无控平差生成的接边影像在沿轨方向存在较大的接边误差,而SRTM约束下生成的影像拼接结果达到无缝接边效果,影像接边处的相对精度得到提升,满足缺少控制点数据下生成“一张图”的需求。

图2 正射影像效果对比图

3 结束语

本文针对高分影像卫星重叠度低、立体交会角较小的情况,采用SRTM数据进行高程方向控制,避免因基高比较小导致高程误差放大现象,影响平差后生成影像RPC定位精度。利用不同区域的高分一号卫星影像进行了试验,经过平差后生成的RPC参数结合SRTM数据对影像做正射校正处理,能够保障整个区域影像纠正后,达到较高的相对几何精度,几何上达到了无缝拼接的水平。但该方法缺少对采用不同高程精度数据对辅助高程平差后生成RPC定位精度影响的考虑,这也是下一步研究的方向。