资源三号卫星DSM精度评估

摘 要：本文主要验证资源三号卫星生产数字表面模型(DSM)产品精度。利用整体精度评价指标对平差后DSM产品进行了精度评价。实验结果表明,ZY301、ZY302、ZY303生产的DSM产品精度依次提高,均方根误差分别为1.85 m、1.70 m、1.55 m;同一颗卫星11—12月比9—10月的立体像对生产的DSM数据精度高;基于前-后视立体影像生产的DSM产品的高程精度明显优于基于前-正视和基于后-正视立体影像生产的产品。

引言

数字表面模型(digital surface model, DSM)描述的是地表高程信息,它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通信、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。特别是随着实景三维项目的发展,对DSM提取精度有了新的要求。获取DSM可以直接实地测量、矢量地形图法、航空航天影像中提取或者从现有的地形图上采集。资源三号卫星(ZY3)由资源三号01星(ZY301)、资源三号02星(ZY302)、资源三号03星(ZY303)组成。ZY3是我国测绘手段从以航空为主转向航空和航天相互补充的大背景下推动建设的国内首个民用立体测绘卫星工程[1]。ZY301是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星,卫星采用三线阵测绘方式,由具有一定交会角的前视、正视和后视相机对地面进行观测,正视分辨率为2.1 m,前后视分辨率为3.5 m。ZY302星是一颗高分辨率立体测图业务卫星,搭载三线阵测绘相机和多光谱相机等有效载荷,其中三线阵全色相机拍摄得到的立体像对可用于制作精度较高的数字高程模型(digital elevation model,DEM)产品[2],在ZY301的基础上进行优化,前后视分辨率由3.5 m提高到2.5 m,ZY302与ZY301组星可使重访周期由5 d变为3 d。ZY303具备多角度立体观测和激光高程控制点测量能力,前后视分辨率为2.5 m,三颗星组网可使重访周期变为一天,大幅提高获取地物信息源能力。

南希等以青藏高原东麓深切河谷区为研究区域,讨论了典型山区这一地形条件航天飞机雷达地形测绘计划3(shuttle radar topography mission,SRTM3)与先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model,ASTER GDEM)数据的精度对比[3];张品等利用重力剖面的全球定位系统(global positioning system,GPS)数据,选取贵阳-维西和金川-犍为两个重力剖面对ASTER GDEM模型进行了垂直精度评估[4];张朝忙等选取我国境内5个省份地区的平原、丘陵、盆地、山地等地形区域作为典型研究区,通过DEM面误差可视化分析、DEM面误差信息熵模型、中误差模型等方法对SRTM3 DEM数据高程精度质量做了分析[5]。王晋等用ICESat/GLAS激光点辅助的卫星影像模型法立体区域网平差方法对山东省的天绘一号卫星立体影像进行了平差试验,无控高程精度提升至3 m以内[6]。杜小平等利用ICESat数据对中国的典型低海拔沿海平原地区山东半岛地区的SRTM3 V4.1和ASTER GDEM V2的垂直精度进行了对比研究,得出在海拔低于20 m的地区,SRTM3和ASTER GDEM的垂直精度分别达到2.39 m和4.83 m[7]。在资源三号卫星影像和基础地理信息产品应用和精度评价方面：张浩等提出了以SRTM产品作为控制基准,开展独立模型法的DEM区域网平差实验,获得DEM的定向参数和立体影像的成像几何模型参数,试验结果将资源三号正视全色影像的平面定向精度由12.93像素提高到6.85像素[8]。李阳等以西藏墨竹工卡县测区为实验区,对不同数量控制点条件下的资源三号DEM提取结果进行了精度评定,分析了DEM精度与控制点的数量的关系[9]。对上述国内外的研究现状的总结与分析,可以进一步发现,目前对DSM数据精度的评价研究方法较为集中,主要集中在引入的不同类型或不同精度的参考数据[10-12]。

本文对基于资源三号卫星三线阵立体影像生产的DSM产品的几何质量进行评价,特别是对高程精度进行检测,从而评估资源三号三线阵立体影像及基于其生产的DSM产品的质量。在质量评价和误差统计的实验结果上,对DSM产品的误差进行分析来验证资源三号卫星生产DSM数据精度。

1 数据集

本文使用资源三号卫星三颗星六景三线阵影像(BWD、FWD、NAD)进行实验,根据18个像对组合生产了DSM产品。参考DSM数据分辨率为2 m。实验对象为黑龙江肇东地区,实验区域六景影像均无云层覆盖。影像提供了标准源数据和有理多项式(rational function model,RFM)文件。实验数据选取9—12月影像,以降低植被对DSM的高程精度影响,便于对地表起伏的表达更真实，影像数据信息见表1。

表1 实验所用影像数据信息

2 DSM生成

利用资源三号的前视、后视、正视三视全色影像,根据不同的像对组合共生产18个DSM进行后续实验,ZY301正视分辨率为2.1 m,前后视分辨率为3.5 m;ZY302正视分辨率为2.1 m,前后视分辨率为2.5 m;ZY303正视分辨率为2.1 m,前后视分辨率为2.5 m。通过使用RFM模型对影像进行定位并生产DSM,流程如图1所示。

图1 DSM生产流程

RFM模型是直接采用数学函数将地面点大地坐标(Φ,λ,h)与其对应的像点坐标(C,R)用比值多项式关联起来的一种广义的遥感卫星传感器成像几何模型[13],RFM模型比值多项式为

 (1)

式中,(u,v,w)表示标准化后的经纬度和高程;(X,Y)表示标准化后的像点坐标。

2.1 基于RFM前方交会模型

基于RFM模型前方交会是通过前后视像点坐标(Rl,Cl),(Rr,Cr)交会出地面点坐标(Φ,λ,h),模型公式为

    (2)

式中,(C,R)表示在影像上直接量测的像点坐标;(u,v,w)表示经纬度、高程初始值标准化值;(Cs,Rs)、(C0,R0)可通过RFM文件获得。

对于立体像对,左右像片同名点坐标(Rl,Cl),(Rr,Cr)误差方程为

   (3)

式中，Rl、Cl、Rr、Cr表示左右影像实测的像点坐标；通过标准化大地坐标近似值计算得到。

误差方程简写成

  (4)

平差结果为

  (5)

计算结果为未知参数的改正数,经过改正后的未知参数需要代入公式进行迭代计算,获得最终结果,即初始值大地坐标(Φ0,λ0,h0)加上中未知参数的改正数得到新的大地坐标,再代入误差方程中计算。

2.2 基于RPC区域网平差模型

影像上仿射变换公式

 (6)

式中,(x,y)表示控制点在影像上的量测坐标;(X,Y)为地面控制点利用RPC投影到影像面的投影值;(f0,f1,f2,e0,e1,e2)为影像面的仿射变换参数。

2.3 匹配算法

在本文中,使用快速傅立叶变换相位匹配算法(fast fourier transform phase,FFTP)从左右影像提取连接点。DSM提取方法为半全局匹配算法(semi-global matching,SGM),SGM虽然名为半全局匹配,但实际上还是采用全局匹配算法中最优化能量函数的思想,即寻找每个像素的最优视差来使得整张影像的全局能量函数最小,从而在精度和效率上实现较好的平衡。像素采样间隔设置为1,数字地面模型 (digital terrain models,DTM)采样像素输出像元精度为0.000 1,即每个像素在1 m左右。先对效果较差区域进行插值,再通过高程值自动滤波对DSM进行填充和滤波,以提高输出DSM质量。

以均方根误差作为控制点和连接点的精度表征指标,控制点和连接点的精度符合要求,见表2。

表2 控制点及连接点精度 单位：像元

均方根误差(RMSE)的计算为

 (7)

式中,均方根误差里h(xi)是各点的高程值;y(xi)是参考DSM的高程值;n是像素点个数。由于均方根误差将实验DSM与参考DSM联系起来,所以可以很好地作为标准去评价实验DSM的结果。

(1)平均值

对选取的实验区域各像素高程值与参考影像对应像素值做差值,然后计算各差值的算数平均值。可以大概了解差值的范围。

 (8)

式中,xn为各像素点差值;n为选定区域内像素点个数。

(2)标准差

 (9)

式中,xi为各像素点高程值;μ为生成DSM各像素点高程平均值,标准差主要用来查看各数据的离散情况。数值越大说明各数据越分散,数值越小,代表生成的各DSM高程值越集中,效果较稳定。

(3)峰度指数

 (10)

峰度指数越大说明极端值越多,峰度指数越小说明极端值越少。所以峰度指数可以用来评价软件生成DSM的效率好坏。

(4)异常值百分比

各点与平均值的差值,若超过三倍标准差则统计为异常值,异常值个数与总个数比值为异常值百分比。异常值百分比也可以说明生成DSM的效果。

3 DSM提取结果分析

3.1 DSM生成概况

实验利用六景三线阵影像共生成18个DSM,在18个DSM内选取共同区域进行精度计算,各精度结果是在剔除实验DSM粗差后,与参考DSM做差计算所得。以参考DSM和实验DSM相互匹配的像素为最小做差单位,所有像素均参与计算。首先,在提取的DSM网格上与参考DSM将两者的高程做差,计算精度统计量平均值、标准差、均方根误差、峰度指数和可信度百分比。当提取的DSM高于参考DSM时偏差为负,反之为正。在每个DSM中,对于生产的18个DSM数据,本文计算了实验区DSM数据精度结果,并将ZY301,ZY302,ZY303三颗卫星精度、同一颗卫星两景影像精度、同一景影像不同立体像对生产的DSM精度进行对比和分析,随后进行激光点符合验证。

3.2 实验结果

选取的实验区高程在190～210 m,主要由厂房、高楼、矮平房和裸地构成,高程起伏较为平缓。表3展示了选取的实验区范围内的DSM精度指标计算结果，表4为三颗星均方根误差结果。

表3 整个实验区DSM精度指标

表4 三颗星均方根误差结果 单位：m

由实验结果可以看出,实验生产DSM与参考DSM差值平均值基本在1 m之内;标准差在2.3 m以内,由表3可以看出,三颗星FWD-BWD立体像对生成的DSM标准差在同一景影像下是最小的,表明FWD-BWD立体像对生成的DSM高程与参考DSM更接近,效果更稳定。由表3和表4可以看出,ZY303均方根误差最小,ZY302次之,ZY301均方根最大,ZY303生成DSM效果更好,其次ZY302生成效果好于ZY301。由于在实际成像过程中,卫星内外方位元素均存在各种类型和性质的误差,导致影像存在较大的内部几何畸变和定位误差[14]并且9—10月份裸地还存在部分种植作物对构造DSM细节有一定影响,三颗卫星11—12月份均方根误差结果明显比同卫星9—10月份更好。同一景影像下,FWD-BWD立体像对生产的DSM均方根误差最小,效果最好。由峰度指数和可信度百分比可以看出,各DSM异常值数量基本接近,实验区处于低海拔地区,高程起伏较为平缓,构造DSM时异常值数量偏少。为了更清楚地观察生成DSM的直观效果,并且更直观地了解三颗卫星18个DSM的质量,统计并绘制了实验DSM差值直方图,从图2、图3中可以看出18个DSM差值峰值基本在[-1,1]之间,说明在这个区间范围内差值数量最多,去除粗差的差值范围在[-5,5]之间。每一行代表同一景影像的三个DSM分别为FWD-BWD、NAD-BWD、NAD-FWD,六列分别是三颗星六景影像。从图2、图3横向对比可以看出,第一列的DSM峰值的最高值明显要比第二列第三列大,说明同一景影像FWD-BWD的生成DSM效果更好;纵向对比三颗星六景影像可以发现,同一颗星11—12月份影像峰值高度要比9—10月份峰值高度大,ZY303均方根误差最小,ZY302次之,ZY301均方根最大,ZY303生成DSM效果更好,其次ZY302生成效果好于ZY301。

图2 9—10月份三颗星三景影像差值直方图

图3 11—12月份三颗星三景影像差值直方图

3.3 高程剖面图

为了更直观清楚地展示实验DSM与参考DSM在高程上的差异,以3个FWD-BWD立体像对差值DSM为例随机取了2条剖面线,从图4到图6可以看出,3个差值的渲染图大体范围在[-2,2]。图4到图6的三个DSM中,ZY303渲染图效果优于ZY302优于ZY301。各个差值DSM剖面线值都在[-2,2]之间,符合精度要求。

图4 ZY301 11—12月份FB差值DSM剖面线

图5 ZY302 11—12月份FB差值DSM剖面线

图6 ZY303 11—12月份FB差值DSM剖面线

3.4 高分七激光点高程验证

为了验证实验生成DSM精度效果,在与参考DSM计算精度指标后选择高分七号激光点进一步进行验证。2019年11月3日成功发射的高分七号卫星是我国首颗民用亚米级光学传输型立体测绘卫星,为国产卫星地面高程控制点提供精确的三维坐标数据,高程精度可达0.2 m。本次实验选取了实验区内149个高分七号激光点,将实验生成DSM与149个激光点进行精度指标计算,计算结果如表5所示。实验生产DSM与参考DSM差值平均值基本在1 m之内;标准差在2.3 m以内,由表5可以看出三颗星FWD-BWD立体像对生成的DSM标准差在同一景影像下是最小的,FWD-BWD立体像对生成的DSM高程与参考DSM更接近,效果更稳定;ZY303均方根误差最小,ZY302次之,ZY301均方根最大,ZY303生成DSM效果更好,其次ZY302生成效果好于ZY301。同一景影像下,FWD-BWD立体像对生产的DSM均方根误差最小,效果最好。综上所述,高分七号激光点精度可以验证实验DSM精度和参考DSM精度。

表5 实验DSM与高分七号激光点精度指标

4 结束语

本文首先介绍了资源三号卫星从原始影像数据到基础地理信息产品的处理过程,包括对卫星成像模型的介绍、基于已知高程数据的立体区域网平差和基础地理信息产品生产等关键环节。在使用参考影像提取的高程点做控制点的情况下进行立体区域网平差,并利用整体精度评价指标对平差后DSM产品进行了整体精度评价,即对每个DSM进行全局分析,并计算其准确性统计指标(均差、标准差、均方根误差、异常值百分比、峰度指数)。在DSM生成方面,对实验区进行精度评估并利用GF7激光点进行精度验证。实验结果表明,ZY303、ZY302、ZY301生产的DSM数据精度依次降低,均方根误差分别为1.85 m、1.70 m、1.55 m;通过分析同一颗卫星11—12月份比9—10月份的立体影像生产的DSM数据精度高;基于前-后视立体影像生产的DSM产品的高程精度明显优于基于前-正视和基于后-正视立体影像生产的产品;

DSM产品的格网分辨率、地形等因素也会对产品的高程精度造成影响,在对DSM产品进行几何质量评价实验时,仅选取了较为常见和理想的区域和格网分辨率。下一步工作需要根据上述几方面进行后续的实验和研究。

参考文献

[1] 海翊,戴君,徐驰,等.资源三号系列卫星及其应用概况[J].卫星应用,2020(10)：11-13.

[2] 李德仁.我国第一颗民用三线阵立体测图卫星——资源三号测绘卫星[J].测绘学报,2012,41(3)：317-322.

[3] 南希,李爱农,边金虎,等.典型山区SRTM3与ASTER GDEM数据精度对比分析—以青藏高原东麓深切河谷区为例[J].地球信息科学学报,2015,17(1)：91-98.

[4] 张品,申重阳,杨光亮,等.ASTER GDEM垂直精度评价及其在重力地形改正中的适用性[J].大地测量与地球动力学,2015,35(2)：318-321.

[5] 张朝忙,刘庆生,刘高焕,等.中国地区SRTM3 DEM高程精度质量评价[J].测绘工程,2014,23(4)：14-19.

[6] 王晋,张勇,张祖勋,等.ICESat激光高程点辅助的天绘一号卫星影像立体区域网平差[J].测绘学报,2018,47(3)：359-369.

[7] 杜小平,郭华东,范湘涛,等.基于ICESat/GLAS数据的中国典型区域SRTM与ASTER GDEM高程精度评价[J].地球科学(中国地质大学学报), 2013,38(4)：887-897.

[8] 张浩,张过,蒋永华,等.以SRTM-DEM为控制的光学卫星遥感立体影像正射纠正[J].测绘学报,2016,45(3)：326-331,378.

[9] 李阳.基于资源三号卫星立体像对的DEM提取及精度分析[D].成都：成都理工大学,2015.

[10] 赵尚民,何维灿,王莉.DEM数据在黄土高原典型地貌区的误差分布[J].测绘科学,2016,41(2)：67-70.

[11] 赵尚民,程维明,蒋经天,等.资源三号卫星DEM数据与全球开放DEM数据的误差对比[J].地球信息科学学报,2020,22(3)：370-378.

[12] 孙钰珊,张力,许彪,等.资源三号卫星影像无控制区域网平差[J].遥感学报,2019,23(2)：205-214.

[13] 刘军,张永生,范永弘.基于通用成像模型——有理函数模型的摄影测量定位方法[J].测绘通报,2003(4)：10-13.

[14] 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.

引文格式： 刘翔,唐新明,祝小勇,等.资源三号卫星DSM精度评估[J].北京测绘,2023,37(3)：317-324.

基金项目：国家重点研发计划(2018YFB0504903);高分测绘应用示范项目二期(42-Y30B04-9001-19/21)

作者简介：刘翔(1997—),男,山东莱西人,硕士在读,研究方向为摄影测量与遥感。E-mail：[e-mail]

通信作者：祝小勇,E-mail：[e-mail]

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