机载高光谱CASI/SASI数据几何校正及精度评定

翟伟林，刘建霞，李金富，安娜，李浩，王乾

(中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071000)

0 引言

20世纪70年代诞生的高光谱遥感技术把成像与光谱融合起来，在取得地表特征的过程中，将传感器对应的每一个像元的连续光谱的信息同时采集。高光谱遥感技术采用一系列较窄的波段成像，把捕获的各类地物以完整的光谱曲线记录下来，使得在常规遥感测量中难以识别的地物在高光谱遥感中得到有效识别。因此，高光谱遥感技术在军事、矿物资源探测、生态环境监测、气象监测等领域都具有重要作用[1]。

机载高光谱遥感图像的质量好坏直接关系到后续影像信息提取工作的成功与否。但是，由于在数据采集过程中，飞机受到气流的影响，无法保持飞行的平直姿态。因此，航空遥感的原始图像会产生一些扭曲和变形。传统的遥感图像几何校正主要是通过大量的地面控制点进行调整，这种办法耗时耗力，且在没有地面控制点的区域无法使用。21世纪初问世的机载POS系统集差分GPS定位技术和惯性导航INS技术于一体，可以直接获取航摄影像的6个外方位元素，该方法大大提高了航空影像几何校正的精度与效率，目前已成为摄影测量最受欢迎的技术方法[2]。

中国冶金地质总局地球物理勘查院于2015年从加拿大ITRES公司引入了CASI 1500H和SASI 600机载高光谱传感器，同时搭配德国SOMAG公司的陀螺稳定云台GSM4000和加拿大Applanix公司的POS AV系统。这套传感装置可以集成在一起进行数据采集工作，并已在雄安新区、保定市周边等区域进行了数据采集工作，飞行平台为塞斯纳208。

1 高光谱传感器简介

CASI 1500H机载宽阵列近红外可见光高光谱成像系统(Compact Airborne Spectrographic Imager)，SASI 600机载短波红外高光谱成像系统(Shortwave Airborne Spectrographic Imager)。CASI/SASI系统为当前国际先进的机载宽阵列高光谱成像系统(图1)。通过遥感飞行，能够获取高光谱分辨率和高信噪比的遥感影像数据。

图1 CASI/SASI传感器示意图Fig.1 Sketch of sensors of CAIS/SASI systema.CASI传感器；b.SASI传感器

CASI/SASI传感器见图1，CASI/SASI传感器主要参数见表1。

表1 CASI/SASI传感器主要参数表Table 1 Parameters of the sensors of CAIS/SASI system

2 检校飞行

2.1 几何检校模型

将设备组装于飞机中，GNSS天线相位中心、IMU几何中心和传感器成像中心的空间关系会直接影响外方位元素的测量精度。在实际工作中，GNSS偏心分量和IMU视轴偏心角无法避免[3](图2)。在装机完成后，IMU和传感器相对位置关系为已知，而GNSS偏心分量可以在地面通过测量GNSS天线相位中心与IMU之间的空间位置关系得知，实际测量时以IMU顶部圆心为原点，机头方向为x轴正方向，右侧机翼方向为y轴正方向，垂直向下方向为z轴正方向，由于GNSS安装在飞机顶部，因此z值一般为负值。

图2 GPS/IMU系统空间位置关系示意图Fig.2 Sketch showing spatial position of GPS/IMU system

IMU视轴偏心角无法直接获得，只能通过检校飞行进行标定。其数学基础是共线方程，即传感器成像中心Si(Xs，Ys，Zs)、像点i(xi，yi)和相应的地物点gi(Xi，Yi，Zi)3点位于同一条直线[4](图3)。

图3 推扫式传感器成像共线方程示意图Fig.3 Sketch showing colinear equation of push-sweep sensor

通过共线方程，得到CASI/SASI高光谱系统的IMU视轴偏心角的检校数学模型为

式中，R(ω，φ，κ)为姿态校正参数；R(r，p，h)为传感器中心成像姿态；[δXs，δYs，δZs]T为平面位置校正参数；λ为图像光线的比例因子；xp和yp分别为传感器x轴和y轴光学中心；ky为y轴比例因子；f为焦距。传感器成像中心的位置值[Xs，Ys，Zs]T和姿态R(r，p，h)角度值可由经GPS偏心分量改正后的GPS/IMU导航数据提供。IMU与传感器两者间的空间校正参数[δXs，δYs，δZs]T和R(ω，φ，κ)可通过光束法平差计算得到。

2.2 检校飞行方案

针对CASI/SASI推扫式机载高光谱传感器的几何检校原理，我们设计了相应的检校飞行方案。其中检校场的选择很重要，要求检校场内要有一定数量的控制点，这些控制点要求均匀分布且能在影像上准确识别[5]。本次飞行选择保定市军校广场处作为检校场。设计了南北向和东西向各5条航线，每条航线长2 km，航带间距180 m，旁向重叠度为60%，飞行相对高度为600 m，CASI选择波段数为8个，SASI为100个。图4为检校场航线布设示意图。

图4 检校场飞行航线布设示意图Fig.4 Sketch showing layout of flight route of calibration field

2.3 几何检校参数计算

(1)地面控制点采集。控制点采集采用CORS RTK的方法，在飞行范围内共计采集地面控制点78个，采用WGS 84坐标系统。

(2)制作连接点文件。首先利用RCX软件将原始影像数据进行辐射校正处理，然后在ENVI软件中利用Point Collection工具，将地面控制点位置和影像上的同名点进行刺点连接，并备注该点所在的航线号和控制点点号信息，将10条影像依次进行刺点，最终得到连接点文件。

(3)剔除超限点。在批处理命令中使用genbund命令对连接点文件进行处理，在生成的.in文件里面，加载地面控制点文件，跨轨道改正矩阵文件(CASI)或沿轨道改正矩阵文件(SASI)，将航线号修改为对应的经辐射校正的影像名称。然后使用pbsbund命令进行迭代处理，在生成文件中查看是否有超限的控制点/连接点，并将超限的对应点删除掉；重复pbsbund迭代命令，直到所有的控制点/连接点都满足精度要求为止。

(4)光束法平差计算。对上一步无超限点的.in文件进行pbsbund多步处理，依次生成3个.out文件和3个.prs文件，几何检校的结果保存在第3个.prs文件中。与CASI不同的是，SASI需要分别对左右2个分割单元进行计算。

2.4 平差结果与精度

利用光束法平差对CASI/SASI机载高光谱系统进行检校飞行，结合POS数据和地面控制点数据进行计算，最终得到了成像传感器的平面位置、姿态、焦距和x轴光学中心位置的几何校正参数。

控制点的整体平差精度见表2，CASI/SASI几何检校结果见表3。全部控制点均方根值优于0.5 m，刺点均方根优于1个像元。

表2 控制点整体平差精度Table 2 Overall adjustment accuracy of control point

表3 CASI/SASI几何检校结果Table 3 Geometric calibration results of CASI/SASI system

2.5 POS数据处理

POS/AV系统主要由4部分组成，分别为惯性导航系统(INS)、导航系统(GPS)、计算机系统(PCS)和数据后处理软件包(POSPac)。在机载飞行中，GPS系统获得平台位置的坐标，INS系统则获得飞机平台实时的加速度和角速度，POSPac软件包会通过导航算法融合得到实时平台的位置坐标、加速度、角速度、姿态方位角和若干固定基站坐标等信息，通过“数学平台”解算得到组合数据集合，即最优组合导航解。软件最终生成的为最优平滑估计(SBET)文件。

使用上述检校参数及POS解算结果对原始影像进行几何校正，将校正后的结果与原始影像进行对比的情况如图5所示。由于航线飞行方向为由南向北，因此校正前、后的方向相反，经过几何校正后的影像已被赋予了地理坐标信息，而且地物错位得到了纠正。

图5 CASI/SASI几何校正前后对比Fig.5 Comparison of the raw data and the calibrated of the CASI/SASI systema.CASI几何校正前；b.CASI几何校正后；c.SASI几何校正前；d.SASI几何校正后

3 测区飞行及数据几何精度

利用上述检校飞行的结果，对后续测区飞行的高光谱数据进行了几何校正。测区飞行相对高度为2 km，获取的CASI/SASI数据空间分辨率分别为1 m/2.4 m。CASI波段数为96个，SASI波段数为100个。为了检验测区影像的几何精度，我们在测区范围内采集了143个特征明显的地面控制点，和经过几何校正的高光谱数据进行精度比对，对各点的坐标差计算出的均方根误差见表4。

表4 CASI/SASI几何精度Table 4 Geometric accuracy of CASI/SASI data

4 结论

(1)CASI/SASI传感器集成到同一飞行平台上，可同时进行数据获取。通过检校飞行，可以利用少量的地面控制点和POS数据来求解几何校正参数，从而对测区的飞行数据进行几何校正，并且几何精度较高，得到符合要求的2级系统几何校正产品[6]。

(2)由于测区为平原，地形起伏较小，因此在几何校正过程中未使用DEM。在地形起伏较大的地区，需要使用精度高的DEM来消除因地形起伏而引起的误差。

(3)由于飞行平台的限制，相邻条带数据获取时的飞行条件不一致，如飞行速度和高度等，因此相邻条带的几何精度有所差异，在条带拼接时会有地物错位的情况出现。