论文专区▏高分一号卫星影像海岸带区域定位精度评价
【编者按:以覆盖黄河三角洲和连云港区域的两景高分一号卫星遥感影像1A级产品为例，利用现场采集的地面控制点和1∶50000的DEM产品，开展了影像自主定位和正射校正实验，制作了控制点偏移矢量图，并对影像的定位精度进行了分析。结果表明:高分一号卫星影像具有较好的自主定位精度，黄河三角洲区域影像定位精度在27.8m左右，连云港区域影像定位精度在53.8m左右；在单控制点的情况下，影像的定位精度在3m左右，最大偏移量约为6m；在多控制点下正射校正，影像的定位精度为1m左右，最大偏移量为1个像元；对比控制点偏移矢量图，检查点较影像同名点的偏移方向与大小基本一致，表明高分一号卫星影像内部刚性较好。本文发表在《海洋测绘》2015年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。吴培强，1984出生，男，山东潍坊人，国家海洋局第一海洋研究所，实习研究员，硕士，主要从事海岛海岸带遥感应用研究。】
文/吴培强 张杰 马毅
一、引言
高分一号卫星于2013年4月26日发射升空，其卫星搭载了两台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机，4台16m分辨率多光谱相机，重访周期为4天，2m/8m分辨率影像幅宽为60km，16m分辨率影像幅宽为600km。该卫星是我国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星，其产品在地理测绘、海洋观测、水利监测、林业监测、城市和交通管理、地球科学研究等领域将发挥重要作用。
随着卫星遥感应用越来越广泛，影像定位精度是首要关注的问题，目前已有不少学者开展此类研究。Toutin.T综述了现阶段几何校正发展历程，详细论述了相关的算法、模型和处理过程[1]。宁晓刚等利用陕西省平原、丘陵和山地三种地形的SPOT-5影像，开展了校正试验[2]。邓晓嘉等采用二次多项式几何精校正方法开展了覆盖株洲地区的Quick Bird影像定位精度评价[3]。李忠等人对福建沿海丘陵和黑龙江流域平原的CBERS影像进行正射校正试验[4]。虞欣等利用北京市地区的GeoEye-1卫星影像和外业踏勘资料等数据开展了卫星影像区域网平差解算试验[5]。李德仁院士以覆盖辽宁大连和河南洛阳的资源三号图像为实验数据，开展其定位精度验证[6]。刘斌等利用选择同时具有平地和山地的资源三号卫星遥感影像，通过区域网平差算法开展了传感器校正产品定位精度的分析[7]。唐新明等以一景大连城的ZY-3卫星遥感影像为例，通过有理函数模型区域网平差的方法评价了其定位精度[8]。唐新明等针对资源三号测绘卫星提出了基于虚拟TDICCD阵列重成像技术的传感器校正方法[9]。王建步等基于一景黄河三角洲飞燕滩的资源-02C卫星遥感数据为研究区，开展了其定位精度评价[10]。刘荣杰等选取覆盖山东青岛、江苏盐城和浙江温州海岸带的6景资源三号影像，开展了其卫星定位精度评价[11]。
作为我国“十二五”期间即将建成的高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的对地观测系统，高分一号作为首发星，其意义巨大，为保证其卫星数据的实用性，需要开展定位精度评价。从上述文献中可以看出，目前已有大量学者就卫星遥感影像定位精度开展了研究，但并未涉及高分一号卫星影像定位精度评价。本文以黄河三角洲、江苏连云港为研究区，开展了高分一号影像进行定位精度评价，为该卫星在海岛海岸带区域应用提供参考。
二、数据与评价方法
1、数据
本文选取了覆盖黄河三角洲和江苏连云港区域的两景高分一号1A级产品(仅经过辐射校正处理，而未进行初级几何校正)开展研究，卫星影像的获取日期为2013年9月7日和2014年4月18日。其中黄河三角洲区域为平原区域，连云港为山地区域，图像见图1。
为了验证高分一号卫星的定位精度，研究组通过外业NAVCOM的SF-2050G共采集了地面控制点32个，测量精度均达到厘米级，控制点和检查点的分布见下图1。本文开展正射校正所采用的DEM数据为国家1∶50000基础地理信息数据产品。
2.评价方法
为了评价高分一号定位精度，本文开展了其融合影像的粗校正和正射校正评价。首先利用高分一号传感器产品自带的RPC参数对影像进行预处理，然后开展无控制点和少控制点情况下影像定位实验；另对研究区域开展了正射校正实验，对比现场采集的验证点，进行定位精度评价。在定位精度评价时，计算了影像同名点和检查点的偏移量和均方根误差，综合偏移距离与偏移方向，来评价高分一号影像定位精度。
三、高分一号卫星影像定位精度评价
1.自主定位精度评价
分别利用影像文件中自带的RPC文件对覆盖黄河三角洲和连云港区域的影像进行几何粗校正，然后将全色和多光谱影像进行融合处理。在无控制点情况下，将检查点坐标与影像上同名点坐标进行比较，计算两者之间的偏差，见表1。从表中可以看出，黄河三角洲区域影像定位精度在27.8m左右，最大偏移量为30.5m；连云港区域影像定位精度在53.8m，最大偏移量为56.3m。查找其影像元文件信息，发现连云港区域影像拍摄角度偏大，由此导致其自主定位精度较黄河三角洲区域影像偏差大。另外，本文还绘制了影像检查点和影像同名点的偏移矢量图，见图2、3。图中横坐标和纵坐标分别表示在高斯-克吕格投影下影像中各点的位置，单位km；矢量中的箭头表示偏离方向和大小，单位为m。从图上可以看出，覆盖黄河口和连云港区域的高分一号卫星影像几何初校正产品在各检查点处偏移的方向和大小基本一致。由此可以看出，高分一号卫星影像内部刚性较好。
2.正射校正定位精度评价
本文对研究区开展了正射校正，分为少控制点和多控制点正射校正两种。首先开展在少控制点下影像校正后定位精度评价，本文利用覆盖两景影像1:50000的DEM产品和实测像控点数据对影像进行了正射校正实验，从地面控制点中各选取1个控制点作为校正点，剩余的地面控制点作为检查点，用于校正后影像的精度评估。从表1可以看出，黄河三角洲区域影像的定位精度最大偏移量为4.8m左右，均方根误差为3.1m；连云港区域影像的定位精度最大偏移量为6.3m左右，均方根误差为3.8m。由此可见经过单点校正后高分一号影像的定位精度大大改善，总体精度在2个像元左右，可以适用于无法大量采集控制点的海岛海岸带区域。从图2、3上可以看出，检查点较影像同名点位置的偏移方向发生差异，但大多数检查点的偏移方向还是基本一致，且其偏移量差异相差不大，基本在两个像元以内。
为了评估高分一号影像多控制点的正射校正精度，从两研究区的地面控制点中各选取了7、8个点作为校正点，剩余的点作为检查点，用于校正后影像的精度评估。从表1中可以看出，黄河三角洲区域影像，其水平定位精度在1.1m左右，最大偏移距离为1.7m；连云港区域影像水平定位精度在1.4m左右，最大偏移距离为2.2m。从图2、3上各检查点的偏移方向和矢量大小中可以看出，校正后影像在各个检核点处虽然偏移距离和方向不一致，但其总体定位精度在2m以内，小于1个像元。
四、结束语
本文以我国海岛海岸带区域为研究区，选取了黄河三角洲和江苏连云港区域的两景影像为研究对象，开展了高分一号卫星的定位精度评价。结果表明:高分一号卫星影像具有较好的自主定位精度，黄河三角洲区域影像定位精度在27.8m左右，连云港区域影像定位精度在53.8m左右；在单控制点的情况下，影像的定位精度在3m左右；在多控制点下开展正射校正，影像的水平定位精度为1m左右；高分一号卫星影像内部刚性较好。
本文开展的高分一号卫星影像定位精度评价，从其自主定位和正射校正定位精度来看，不同区域的影像由于拍摄角度的不同由此导致其自主定位精度也存在差异；另外，由于缺少我国南部沿海地区地面控制点数据，因此未开展该区域的高分影像精度评价，相关工作将在今后研究中继续完善。
参考文献:
[1]Toutin T.Geometric processing of remote sensing images: models，algorithms and methods[J].International Journal of Remote Sensing，2004，25(10):1893-1924.
[2]宁晓刚，张晓东，胡进刚.SPOT5影像严格几何纠正方法研究[J].测绘信息与工程，2005，30(1):43-45.
[3]邓晓嘉，朱建军.QuickBird遥感影像的几何校正[J].现代测绘，2005，28(6):40-41，44.
[4]李忠，凌宇飞，邓喀中.基于TM与STRM正射校正CBERS精度分析[J].测绘与空间地理信息，2008，31(6):56-62.
[5]虞欣，李和军，贾光军，等.GeoEye-1卫星影像定向精度初步分析[J].测绘通报，2011(1):28-30.
[6]李德仁，王密.“资源三号”卫星在轨几何定标及精度评估[J].航天返回与遥感，2012，33(3):1-6.
[7]刘斌，孙喜亮，邸凯昌，等.资源三号卫星传感器校正产品定位精度验证与分析[J].国土资源遥感，2012，24(4):36-40.
[8]唐新明，张过，祝小勇，等.资源三号测绘卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证[J].测绘学报，2012，41(2):191-198.
[9]唐新明，周平，张过，等.资源三号测绘卫星传感器校正产品生产方法研究[J].武汉大学学报:信息科学版，2014，39(3):287-294.
[10]王建步，张杰，马毅.资源一号02C卫星遥感影像二级产品定位精度评价——以黄河三角洲飞雁滩为例[J].海洋测绘，2013，33(5):67-70.
[11]刘荣杰，张杰，李晓敏，等.ZY-3影像在我国海岸带区域定位精度评价[J].国土资源遥感，2014，26(3):141-145.
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