李國元，胡 芬，張重陽，3，高小明，陳 晨

(1．武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079;2．國家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，

北京100048;3．北京國測(cè)星繪信息技術(shù)有限公司，北京100048)

近年來，國際上亞米級(jí)分辨率的商業(yè)光學(xué)遙感測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)展迅猛，影像分辨率、定位精度和數(shù)據(jù)獲取能力不斷增強(qiáng)。2007年，國外新一代優(yōu)于0．5 m幾何分辨率的遙感衛(wèi)星WordView-1發(fā)射成功后，GeoEye-1、WorldView-2、Pleiades 1A/1B也相繼發(fā)射，其無控定位精度基本達(dá)到了優(yōu)于5．0 m的水平［1］。而2014年8月13日，美國Digital Global公司更是成功發(fā)射了目前幾何分辨率最高的WorldView-3衛(wèi)星［2］，其星下點(diǎn)最高分辨率達(dá)0．31 m，預(yù)示高分辨率遙感衛(wèi)星正逐步進(jìn)入到可與機(jī)載航空攝影測(cè)量相抗衡的新時(shí)代，也給世界遙感市場(chǎng)帶來了全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。如果將0．5～1．0 m分辨率稱為亞米級(jí)高分辨率遙感衛(wèi)星，則優(yōu)于0．5 m分辨率可稱為分米級(jí)高分辨率遙感衛(wèi)星。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，地理信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)，對(duì)高分辨率遙感影像的需求異常迫切。近年來，地理國情監(jiān)測(cè)、智慧城市構(gòu)建、不動(dòng)產(chǎn)登記、“一帶一路”、大比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪對(duì)高分辨率遙感影像的應(yīng)用需求更是呈現(xiàn)出規(guī)模化發(fā)展態(tài)勢(shì)。航空攝影技術(shù)手段由于存在作業(yè)成本高、周期長、受制于地域條件和天氣條件等因素，無法滿足全球范圍內(nèi)大面積覆蓋、高分辨率光學(xué)遙感影像快速實(shí)時(shí)獲取的需要。而亞米級(jí)、分米級(jí)遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)正好可以彌補(bǔ)航空攝影測(cè)量這方面的不足。雖然資源三號(hào)衛(wèi)星(ZY-3)實(shí)現(xiàn)了我國高分辨率遙感衛(wèi)星高精度測(cè)圖的突破［3-5］，但與國際先進(jìn)水平相比，我國民用光學(xué)測(cè)繪衛(wèi)星仍有較大差距。在這種背景下，探討以WorldView-3衛(wèi)星為代表的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星成像模式，開展初步的數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量評(píng)價(jià)，可為后續(xù)國產(chǎn)分米級(jí)超高分辨率測(cè)繪衛(wèi)星設(shè)計(jì)與指標(biāo)論證提供借鑒和參考［6］。

一、WorldView-3衛(wèi)星測(cè)繪體制

1．衛(wèi)星基本參數(shù)信息

WorldView-3除了分辨率有很大提升外，在波段方面除采用WorldView-2的8個(gè)多光譜譜段外，還額外增加了8個(gè)短波紅外(short wave infrared，SWIR)波段和用于大氣校正的12個(gè)云、氣溶膠、水汽和冰雪(cloud，aerosol，water vapour，ice and snow，CAVIS)波段，總的光譜數(shù)量達(dá)到28個(gè)，基本可與高光譜遙感衛(wèi)星媲美。而且WorldView-3具有高度的機(jī)動(dòng)敏捷性，可以在12 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星指向位置變化200 km，其數(shù)據(jù)采集能力更是達(dá)到每天680 000 km2，其與WorldView-1、2的基本參數(shù)對(duì)比見表1。

2．主要成像模式

WorldView-3衛(wèi)星除有高精度成像性能，還通過配置大力矩執(zhí)行部件，使衛(wèi)星平臺(tái)具備大范圍快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)且迅速穩(wěn)定的能力，利用單臺(tái)相機(jī)快速重定向，即可實(shí)現(xiàn)包括同軌多個(gè)熱點(diǎn)目標(biāo)定制成像、同軌大區(qū)域目標(biāo)多條帶拼接成像和同軌同一目標(biāo)多視角立體成像等多種成像模式［8］。高敏捷性使衛(wèi)星觀測(cè)范圍增大、重訪周期縮短，豐富了衛(wèi)星工作模式，提高了衛(wèi)星應(yīng)用效能。

表1 WorldView系列衛(wèi)星參數(shù)對(duì)比［2，7］

WorldView-3衛(wèi)星能連續(xù)推掃獲取360 km的長條帶影像，也可通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)連續(xù)不重復(fù)地推掃地面區(qū)域，獲得大幅寬的同軌拼接條帶影像。如圖1所示，盡管相機(jī)幅寬只有13．1 km，但在沿軌方向WorldView-3衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)連續(xù)5次前后擺掃，且每次擺掃在垂軌方向可以實(shí)現(xiàn)無縫拼接，最終獲取66．5 km×112 km連續(xù)覆蓋區(qū)域的影像，66．5 km的幅寬甚至優(yōu)于目前2 m左右分辨率量級(jí)的SPOT-5、ZY-3等中等比例尺測(cè)圖衛(wèi)星的幅寬。

圖1 同軌大幅寬拼接成像

靈活的立體成像方式也是WorldView-3衛(wèi)星的特點(diǎn)之一。單線陣敏捷立體成像方式主要包括同軌多角度立體成像和同軌兩立體拼接成像兩種，如圖2和圖3所示。前者是利用衛(wèi)星俯仰軸的姿態(tài)機(jī)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)同軌2次或2次以上對(duì)同一地物(成像區(qū)域)不同角度觀測(cè)。后者是指衛(wèi)星完成一個(gè)立體條帶推掃后，在衛(wèi)星繼續(xù)飛行過程中立即進(jìn)行俯仰方向的反向機(jī)動(dòng)，同時(shí)通過一定角度的側(cè)擺將衛(wèi)星指向平移約一個(gè)幅寬的距離，使得后一次推掃的立體條帶與前一次推掃的立體條帶相鄰，從而達(dá)到增大立體幅寬的目的。WorldView-3衛(wèi)星具備同軌兩立體拼接成像模式，能有效提高立體影像獲取效率，緩解了分米級(jí)超高分辨率立體影像幅寬受限的技術(shù)難題。

圖2 同軌多角度立體成像(四角度立體)

圖3 同軌立體拼接成像(兩立體拼接)

3．幾何定位模型與數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)

WorldView-3繼續(xù)沿用目前高分辨率衛(wèi)星影像通用的有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)［9-11］，隨影像產(chǎn)品一起分發(fā)的是標(biāo)準(zhǔn)的RPC(rational polynomial coefficients)文件(后綴為“RPB”)，包含80個(gè)有理多項(xiàng)式系數(shù)。單幅World-View-3衛(wèi)星影像的Basic級(jí)產(chǎn)品資料包含TIFF格式的影像文件和RPB格式的空間定位文件。RFM模型是將像方影像坐標(biāo)c，( )r表示為以相應(yīng)物方地面三維空間坐標(biāo)(φ，λ，H)(其中φ為緯度，λ為經(jīng)度，H為高程)為自變量的多項(xiàng)式的比值

WorldView-3的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為3種:Basic級(jí)、Ortho Ready Standard級(jí)和Standard級(jí)［2］。其中，Basic級(jí)為經(jīng)過輻射校正和傳感器畸變改正后的產(chǎn)品，同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)的RPB文件;Basic級(jí)類似于ZY-3的SC(Sensor Correction)產(chǎn)品和SPOT-5的Level-1A產(chǎn)品;Ortho Ready Standard級(jí)是Basic級(jí)影像采用RPC進(jìn)行平均高程面重投影后的帶地理坐標(biāo)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品也提供了標(biāo)準(zhǔn)的RPB文件，用戶可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)采用控制點(diǎn)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行正射影像糾正。Standard級(jí)產(chǎn)品與Ortho Ready Standard級(jí)產(chǎn)品不同之處在于，Standard級(jí)影像采用GTOPO30 DEM進(jìn)行地圖投影處理，用戶將無法采用控制點(diǎn)及DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的正射糾正處理，該產(chǎn)品主要提供給無需高精度影像幾何定位的用戶。

二、全色多光譜影像融合及其質(zhì)量評(píng)價(jià)

1．試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了評(píng)價(jià)WorldView-3衛(wèi)星全色多光譜影像融合效果，本文選取了北京攬宇方圓公司免費(fèi)提供的一組試用示例數(shù)據(jù)，影像覆蓋北京通州某地區(qū)，基本信息見表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本情況

2．影像融合效果初步分析

首先選擇多光譜影像8波段中的第5、3、2波段對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)通道，與全色影像采用Pan-Sharpen融合算法進(jìn)行影像融合［11-12］，然后選取了道路、建筑物、水系、植被、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等典型區(qū)域進(jìn)行了融合效果分析。圖4(a)—(d)每一幅圖的左側(cè)為0．31 m全色影像，中間為1．24 m的多光譜影像(5、3、2波段組合)，右側(cè)為采用Pan-Sharpen算法融合后分辨率為0．31 m的多光譜影像。從圖4(a)中可以明顯看出，融合后車道上的箭頭、分隔線都清晰可見，道路上小汽車的顏色、大小都可很直觀地辨認(rèn);圖4(b)融合后的圖清晰顯示了建筑物屋頂?shù)念伾?，甚至?xì)小紋理;圖4(c)融合后的單木樹的大小，顏色清晰可辨;圖4(d)融合后的籃球場(chǎng)投籃區(qū)、籃球架位置，甚至籃筐、路邊的電線桿都可以直觀辨認(rèn)出來。

圖4 影像融合效果

三、立體影像幾何定位精度評(píng)價(jià)

1．試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為評(píng)價(jià)WorldView-3立體影像的幾何定位精度，訂購獲取了山東濰坊試驗(yàn)區(qū)的立體影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)基本參數(shù)見表3。由于在購買數(shù)據(jù)時(shí)，美國政府尚未允許商業(yè)公司出售分辨率優(yōu)于0．5 m的遙感影像數(shù)據(jù)，因此該數(shù)據(jù)是由原始分辨率為0．31 m的影像重采樣之后得到的0．5 m分辨率影像。該地區(qū)為丘陵地形，海拔高度范圍為200～450 m，面積約為324 km2。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)由8幅影像構(gòu)成4個(gè)立體模型。根據(jù)每幅影像對(duì)應(yīng)的RPB文件可以計(jì)算得到地面投影范圍，如圖5所示，對(duì)于單個(gè)立體模型，影像重疊度接近100%，相鄰立體模型在沿軌和垂軌方向上有一定重疊，不僅保證了對(duì)試驗(yàn)區(qū)的無縫立體覆蓋，還有利于實(shí)現(xiàn)基于RFM模型的試驗(yàn)區(qū)影像整體區(qū)域網(wǎng)平差定向［13-14］，進(jìn)而展開對(duì)影像幾何定位精度分析及后續(xù)測(cè)圖產(chǎn)品的生產(chǎn)。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本情況

在該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)采集了19個(gè)GPS外業(yè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)精度優(yōu)于0．1 m，并在高分辨率航空DOM影像圖上標(biāo)注了位置，以便于在WorldView-3影像上選取控制點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 同一區(qū)域控制點(diǎn)與WorldView-3影像對(duì)照示意圖

2．幾何定位精度評(píng)價(jià)

針對(duì)山東濰坊地區(qū)的WorldView-3全色立體影像，分別采用完全無控、1個(gè)平高控制點(diǎn)、4個(gè)平高控制點(diǎn)、5個(gè)平高控制點(diǎn)4種平差模式進(jìn)行對(duì)比分析。平差模型采用經(jīng)典的有理函數(shù)模型加像方改正，完全無控時(shí)采用的是自由網(wǎng)平差，1個(gè)平高點(diǎn)時(shí)采用的是像方平移改正模型，4個(gè)或5個(gè)平高控制點(diǎn)時(shí)采用的是像方仿射變換改正模型?？刂泣c(diǎn)與檢查點(diǎn)的分布如圖6所示，GCP為地面控制點(diǎn)，CP為檢查點(diǎn)。

對(duì)無控、1個(gè)控制、4個(gè)控制、5個(gè)控制的平差結(jié)果均采用剩下的檢查點(diǎn)(即分別為19個(gè)、18個(gè)、15個(gè)、14個(gè))的殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢查點(diǎn)殘差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。從表4中可以明顯看出，WorldView-3的立體影像在山東濰坊地區(qū)的無控定位精度優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)3．5 m，其無控平面定位精度達(dá)到1．8 m，高程精度達(dá)0．9 m。在分別加入1個(gè)、4個(gè)和5個(gè)平高控制點(diǎn)后，其精度有所提高，其中加入1個(gè)平高控制點(diǎn)后平面精度可提高到1．23 m，高程精度可到0．67 m，繼續(xù)加入控制點(diǎn)后精度有所提高，但不是特別明顯。綜合考慮試驗(yàn)區(qū)地面控制點(diǎn)本身的誤差、影像點(diǎn)測(cè)量誤差以及試驗(yàn)影像被重采樣為0．5 m等因素，可以推斷0．31 m原始分辨率的WorldView-3的幾何精度在有控情況下平面優(yōu)于1 m，高程優(yōu)于0．5 m。

圖6 山東濰坊地區(qū)控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)分布

四、總結(jié)與展望

WorldView-3是目前幾何分辨率最高的商業(yè)遙感衛(wèi)星，本文對(duì)其全色和多光譜融合后的影像質(zhì)量及立體影像幾何定位精度進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。從北京某區(qū)域的WorldView-3融合影像可以清晰地分辨出道路上的指示箭頭、單棵樹木、建筑物上的紋理等信息，而且第5、3、2波段組合后的真彩色影像色彩鮮艷，總體質(zhì)量與目前的航空影像相差不遠(yuǎn)。此外，選取山東濰坊地區(qū)經(jīng)重采樣為0．5 m的全色立體影像進(jìn)行幾何精度評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，World-View-3的無控定位精度優(yōu)于其設(shè)計(jì)指標(biāo)3．5 m，在少量控制點(diǎn)情況下，其平面精度優(yōu)于1．0 m、高程優(yōu)于0．5 m，完全可以用于1∶5000甚至更大比例尺的立體測(cè)圖。

與WorldView-2相比，WorldView-3還多了8個(gè)SWIR波段和12個(gè)CAVIS波段，SWIR可用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)、礦產(chǎn)調(diào)查、影像分類等，而CAVIS的使用則可顯著提高大氣校正質(zhì)量，這些應(yīng)用效果還有待后續(xù)深入研究和挖掘。目前，國產(chǎn)高分辨率遙感衛(wèi)星的發(fā)展突飛猛進(jìn)，已經(jīng)取得了很大的成就，但離WorldView-3的水平還有一定差距，如何瞄準(zhǔn)WorldView-3等超高分辨率衛(wèi)星進(jìn)行趕超，是廣大測(cè)繪遙感科技工作者需要迫切考慮的問題。

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