【微课堂】国产北斗可提高高分二号空间定位精度
高分二号（GF-2）卫星是我国高分辨率对地观测系统中重大专项中首颗“亚米级”光学卫星，有效地提升了我国对地观测能力。高分辨率遥感图像正射纠正精度是评价遥感图像几何质量的重要指标之一。采用星载差分GPS获取高精度地物坐标作为控制点，已成为高分遥感影像几何精纠正常用途径。目前针对GF-2全色影像正射纠正精度验证分析较少；随着我国北斗目前已经建成运行，将北斗测量控制点应用于GF-2卫星正射纠正的研究也还未开展。
因此，通过差分GPS和北斗野外测量，验证分析控制点测量精度、分布、数目以及纠正方法对影像正射纠正精度的影响，并分析北斗应用于GF-2全色影像正射纠正的潜力，对于提高GF-2卫星影像定位精度至关重要。
1数据介绍
实验选取了福州市地区GF-2卫星遥感影像，传感器参数如表1。数据成像时间为2014年11月4日，采用影像的全色波段进行几何纠正精度验证。
表1. GF-2卫星传感器主要参数
外业测量仪器分为北斗和GPS。北斗仪器型号为中绘i60 GNSS，该仪器可采用 RTK和静态2种测量模式，为客观对比测量精度，每个点均采用2套仪器测量，共采集36个点，北斗测量的RTK模式27个点，静态模式为9个点，用于正射的全色影像和测量点位置分布如图1。
图1. GF-2全色影像和测量点分布
2基于GPS控制测量下GF-2全色影像几何纠正精度分析
由于星载传感器的成像外方位元素（主要是角元素）测量精度不足，需要对初始RFM的误差进行补偿，有像方平移改正、像方漂移改正和像方仿射变换改正3种方法，对比结果如表2，仿射变换改正方法的纠正精度最高，检查点平面均方根误差为1.39m。
表2. GPS GF-2全色影像纠正精度
图2是无控制点纠正影像位置偏移矢量，可以说明影像自带的RPC纠正内部误差具有系统性。图3仿射变换改正影像纠正位移偏移矢量，可看出控制点和检查点的误差分布无明显规律，表明影像的系统几何误差已消除，误差精度也有大幅度提高。
图2. 无控制点影像几何纠正位置偏移矢量
图3. 仿射变换改正影像几何纠正位置偏移矢量
3基于北斗控制测量下GF-2全色影像几何纠正精度
对比北斗RTK测量点和静态测量点结果，结果表明北斗RTK测量各精度评价指标均高于静态测量，如表3。
表3. RTK与静态测量精度对比
采取少量RTK模式测量控制点对GF-2进行正射纠正，三种方法改正后检查点均方根误差与GPS控制点测量下正射纠正结果接近，仿射变换改正的精度也是最高，检查点平面均方根误差为1.51m，可满足GF-2全色影像的几何纠正精度需求。
表4. 北斗RTK模式GF-2全色影像纠正精度
图4是北斗RTK测量控制下用于GF-2全色影像几何纠正位置偏移矢量图，从该图可以看出，误差的方向性规律不明显，系统几何误差已经消除。
图4 . 北斗RTK控制测量下的仿射变换改正影像几何纠正位置偏移矢量
本文采用北斗导航定位系统和GPS外业实测点，验证分析了控制点测量精度、分布、数目以及纠正方法对GF-2全色影像正射精度的影响，并进一步验证了北斗应用于GF-2号影像潜力，得出以下结论：
1) 无控制点GF-2全色影像RPC纠正后以系统误差为主。在实际应用中，可以采取少量分布均匀的高精度控制点对影像进行高精度的正射纠正。
2) 在选取的3种纠正方法中，仿射变换改正的方法精度最高，GPS与北斗RTK测量下GF-2全色影像正射纠正精度接近，两种方法均能满足应用需求。
3) 北斗两种测量模式中，只有RTK测量模式能够满足GF-2全色影像纠正所需控制点精度要求。
在实际外业测量过程中，北斗RTK通过与建立地面已知点基站进行实时差分获得高精度位置信息，相比于GPS与卫星实时差分测量，优势为单点测量时间短，约为30秒，高精度差分GPS收敛时长约为3分钟；劣势是基站架设时间长，覆盖范围有限，城市区域约为8-10km，与基站通讯信号受高大建筑物遮挡明显。此外，北斗卫星信号受高大建筑物遮挡影响显著，尤其是南面高大建筑物，这可能与北斗目前在轨卫星数量较少有关。
以上选自《基于北斗和 GPS 的高分二号全色影像几何校正精度验证与分析》，刊发在《国土资源遥感》2017年第3期，作者江威、何国金、龙腾飞等。