李德仁張過蔣永華沈欣，4

國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星影像幾何精度研究

李德仁1，2張過1，2蔣永華2，3沈欣1，2，4

（1武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079）（2地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430079）（3武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079）（4武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

受衛(wèi)星設(shè)計(jì)和關(guān)鍵硬件制造水平的限制，我國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像的自主幾何定位精度與國際先進(jìn)水平仍有一定差距。針對在軌的國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星的影像幾何精度問題，文章從誤差源分析入手，提出了國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星影像幾何精度提升理論和方法，通過在衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理過程中自動檢測、消除包括設(shè)備安裝，姿態(tài)、軌道測量，相機(jī)畸變，時(shí)間同步等多種誤差，提高了衛(wèi)星影像的幾何精度；并對高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何精度提升狀況進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：經(jīng)過所提出的幾何精度提升方法處理后，國產(chǎn)衛(wèi)星的帶控制點(diǎn)影像幾何定位精度均可達(dá)到1.5像素，顯著優(yōu)于原設(shè)計(jì)指標(biāo)。

遙感；光學(xué)衛(wèi)星；幾何精度；精度提升；平行觀測

1 引言

高分辨率衛(wèi)星遙感影像是國土資源普查、地形測繪、災(zāi)害應(yīng)急、國防建設(shè)等國家重大任務(wù)的重要信息支撐，長期以來，我國一直對高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)保持著旺盛需求。自2007年9月成功發(fā)射資源一號02B衛(wèi)星（全色分辨率2.36m）后，我國陸續(xù)發(fā)射了多顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星，影像分辨率從米級逐步提升至亞米級，使我國自主獲取全球高精度地理信息能力得到大幅提高。

但是，我們也清醒地意識到與國外先進(jìn)國家相比，國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星存在著影像幾何精度不足的問題。針對該問題，長期以來有眾多的研究人員對我國高分衛(wèi)星影像幾何精度提升做了相關(guān)研究并取得了一定成果，但鮮有文獻(xiàn)較為系統(tǒng)地研究我國高分衛(wèi)星影像幾何精度提升方法及幾何精度的驗(yàn)證。

本文從誤差源分析出發(fā)，提出了系統(tǒng)、完善的影像幾何精度提升方法，開展了我國現(xiàn)役在軌主要高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像幾何精度提升試驗(yàn)，并利用多區(qū)域收集的高精度控制點(diǎn)驗(yàn)證了衛(wèi)星影像的幾何精度。試驗(yàn)表明：采用本文提出的“以軟補(bǔ)硬”的數(shù)據(jù)處理方法處理后，國產(chǎn)衛(wèi)星的影像幾何精度可得到有效提升。

2 國產(chǎn)高分光學(xué)衛(wèi)星影像幾何精度影響因素分析

作者團(tuán)隊(duì)通過參與多顆國產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星影像幾何處理系統(tǒng)研制，以及深入分析衛(wèi)星的自身特點(diǎn)，總結(jié)了影響高分光學(xué)影像幾何精度的主要因素，其主要包括：

（1）國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星下傳姿態(tài)頻率普遍較低（0.25～4Hz），衛(wèi)星平臺的穩(wěn)定度多數(shù)僅能控制在0.001（°）／s以內(nèi)，造成了“高頻姿態(tài)誤差”。另一方面，由于受星上姿態(tài)數(shù)值基本計(jì)量單位限制（資源1號02C、遙感4號、實(shí)踐9號A的姿態(tài)數(shù)值均以0.005 5°為基本單位，快舟2號、吉林1號A星的姿態(tài)數(shù)值均以0.005 7°為基本單位），使得測量姿態(tài)無法被精確記錄，也造成了“姿態(tài)誤差”。

（2）國產(chǎn)早期在軌高分辨率衛(wèi)星還未采用高精度授時(shí)系統(tǒng)，時(shí)間同步誤差造成了幾何畸變。

（3）除資源3號衛(wèi)星外，其余高分辨率衛(wèi)星均采用較大畸變光學(xué)系統(tǒng)，但在軌幾何檢校研究起步較晚，到目前為止固定可用的高精度在軌幾何檢校場數(shù)據(jù)很少，未經(jīng)嚴(yán)格幾何檢校的高分辨率影像存在較大畸變。

3 國產(chǎn)高分光學(xué)衛(wèi)星影像幾何質(zhì)量提升方法

3.1 嚴(yán)密幾何成像模型

國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星采用線陣推掃成像模式，依據(jù)三點(diǎn)共線原理可以構(gòu)建統(tǒng)一形式的嚴(yán)密幾何成像模型［1－3］如下：

由式（1）可知，姿軌測量、設(shè)備安裝差誤等均會影響衛(wèi)星影像幾何精度?？紤]到幾何精度包括無控制定位精度提升和帶控制定位精度提升，可將星上的眾多誤差作如下分類：

（1）影響無控制定位精度誤差：包括設(shè)備安裝誤差（相機(jī)安裝誤差、測姿設(shè)備安裝誤差、測軌設(shè)備安裝誤差），姿態(tài)、軌道測量系統(tǒng)誤差。這些誤差可以通過地面控制點(diǎn)消除。

（2）影響帶控制定位精度誤差：包括相機(jī)畸變、高頻姿態(tài)誤差、時(shí)間同步誤差。由于這些誤差表現(xiàn)為高階畸變或時(shí)變特征，通常難以利用地面控制點(diǎn)消除。

針對各類誤差對影像幾何定位精度的影響特性，構(gòu)建誤差補(bǔ)償模型，提升無控制定位精度和帶控制定位精度。

3.2 提升無控制定位精度

設(shè)備安裝誤差包括安裝角誤差及安裝平移誤差，考慮到設(shè)備安裝角誤差與姿態(tài)測量誤差等效，而安裝平移誤差與軌道測量系統(tǒng)誤差高度相關(guān)，可將影響無控制定位精度的誤差統(tǒng)一為角度誤差及平移誤差。國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星載荷普遍為小視場角；而在小視場角推掃成像條件下，線角元素存在較強(qiáng)相關(guān)性，同時(shí)解求兩者容易引起解的不穩(wěn)定。且在遙感衛(wèi)星運(yùn)行高度，線元素誤差與角元素誤差對幾何定位精度的影響具有等效性，可將線元素誤差等效成姿態(tài)角誤差，從而采用偏置矩陣對影響無控制定位精度的眾多誤差進(jìn)行統(tǒng)一補(bǔ)償［4－6］。

3.3 提升帶控制定位精度

3.3.1 內(nèi)方位元素檢?！鄼C(jī)畸變誤差

國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星均采用多片TDI CCD線陣拼接推掃成像，CCD線陣在焦面的擺放位置如圖1所示；不同衛(wèi)星重疊像素（Overlap）及沿軌錯(cuò)位均不同。

圖1 CCD線陣擺放示意圖Fig.1 CCD setting diagram

由于CCD線陣安置精度及相機(jī)畸變地面測量的精度有限，衛(wèi)星在軌后不可避免的存在內(nèi)方位元素誤差。若針對各顆高分辨率衛(wèi)星載荷CCD線陣特征對式（1）中的（Δx，Δy）建立不同的畸變模型，以完成在軌內(nèi)方位元素檢校，工作量非常大。為此，引入指向角模型［6－9］作為高分辨率光學(xué)衛(wèi)星在軌內(nèi)方位元素檢校的統(tǒng)一模型。

3.3.2 消除高頻姿態(tài)誤差／時(shí)間同步誤差

由式（1），時(shí)間同步誤差可直觀地理解為利用錯(cuò)誤時(shí)刻的“軌道”、“姿態(tài)”數(shù)據(jù)處理當(dāng)前掃描時(shí)刻的影像，實(shí)質(zhì)上可看成時(shí)變的軌道誤差、姿態(tài)誤差，且變化速率與衛(wèi)星當(dāng)前的運(yùn)行速度、姿態(tài)穩(wěn)定度相關(guān)：如果衛(wèi)星平穩(wěn)運(yùn)行，其表現(xiàn)為低頻軌道和姿態(tài)誤差；否則為高頻軌道和姿態(tài)誤差。由于國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定度限制，時(shí)間同步誤差應(yīng)等效為高頻軌道和姿態(tài)誤差。另外，根據(jù)3.2節(jié)，國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星小視場推掃成像條件可以進(jìn)一步將軌道誤差等效為姿態(tài)誤差，因此僅須要考慮消除高頻姿態(tài)誤差。

根據(jù)圖1所示的CCD線陣布放情況，國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星能夠在非常短時(shí)間內(nèi)在相鄰CCD線陣重疊像素區(qū)域?qū)ν坏匚稂c(diǎn)成像（圖2）。

假定影像幾何中不存在任何誤差，則圖2中同名像點(diǎn)p0、p1交會于地面同一點(diǎn)S，其中t0為S點(diǎn)第一次成像時(shí)刻，t1為S點(diǎn)的第二次成像時(shí)刻。內(nèi)方位元素誤差、高頻姿態(tài)誤差及高程誤差均會帶來p0、p1的交會誤差。針對國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星載荷，考慮到圖1中θ1與θ0相差很?。ㄒ话悴恍∮?.5°），當(dāng)利用全球90m航天飛機(jī)地形測量任務(wù)（SRTM）數(shù)據(jù)輔助p0、p1交會時(shí)，高程誤差對交會誤差的影響可以忽略不計(jì)。因此，在完成高精度在軌內(nèi)方位元素檢校后，通過在相鄰CCD影像重疊像素區(qū)域獲取同名點(diǎn)，可以依據(jù)該原理探測并消除高頻姿態(tài)誤差［6］。

圖2 平行觀測Fig.2 Parallel observation

3.4 提升幾何精度流程

綜上所述，提升國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像幾何精度的流程如下：

（1）收集高精度幾何檢校場區(qū)域的所有衛(wèi)星影像；

（2）利用高精度幾何檢校場控制數(shù)據(jù)，按上述3.2節(jié)方法解算偏置矩陣用以提升無控制定位精度；

（3）利用（2）中解算的偏置矩陣，按照3.3.1節(jié)方法進(jìn)行內(nèi)方位元素檢校；

（4）完成（2）、（3）步驟后，統(tǒng)計(jì)各景影像的定位殘差；如果定位殘差普遍存在類高頻的時(shí)變特性，則按3.3.2節(jié)方法利用平行觀測進(jìn)行高頻姿態(tài)誤差檢測、補(bǔ)償處理。

4 結(jié)果與分析

4.1 驗(yàn)證數(shù)據(jù)及提升方法

本文利用覆蓋檢校場區(qū)域的各高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像進(jìn)行在軌檢校獲取外、內(nèi)方位元素檢校參數(shù)，用以提升其余區(qū)域的無控制、帶控制定位精度，針對存在高頻姿態(tài)誤差或時(shí)間同步誤差的國產(chǎn)高分衛(wèi)星，采用高精度配準(zhǔn)算法，在相鄰CCD上獲取同名像點(diǎn)用以消除誤差，不需要額外的控制數(shù)據(jù)。主要控制數(shù)據(jù)是，登封檢校場和天津檢校場的1∶2000數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM），其中，登封檢校場數(shù)據(jù)采集于2010年，區(qū)域內(nèi)基本是平原，在西南角存在高差600m的山地，覆蓋范圍為50km×50km；天津檢校場數(shù)據(jù)采集于2008年，區(qū)域內(nèi)均為平地，高差小于12m，具體數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 用于幾何質(zhì)量提升的控制數(shù)據(jù)Fig.3 Control data used for geometric quality improvement

利用1∶2000河南、天津檢校場控制數(shù)據(jù)對主要國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星定位精度進(jìn)行分析，最終確定具體提升方法如表1所示。

表1 國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像幾何質(zhì)量提升路線圖Table 1 Roadmap of image geometric qualityimprovement for domestic high resolution optical satellites

4.2 提升無控制定位精度驗(yàn)證

利用成像于2012－03－27的遙感12號衛(wèi)星數(shù)據(jù)及登封檢校場控制數(shù)據(jù)解求偏置矩陣，用該偏置矩陣補(bǔ)償不同成像時(shí)間、不同區(qū)域的遙感12號衛(wèi)星影像，利用高精度控制數(shù)據(jù)評價(jià)其幾何定位精度如表2所示。

表2 提升遙感12號衛(wèi)星無控制定位精度驗(yàn)證Table 2 Verification of positioning precision improvement of YG－12image without control points

由表2，利用2012－03－27獲取的檢校偏置矩陣，多數(shù)景無控制定位精度均優(yōu)于50m，但2012－01－03和2012－10－18兩景無控制定位精度較差。通過對試驗(yàn)影像遙測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，除2012－01－03景、2012－10－18景影像星上定姿模式分別為3、4外，其余景星上定姿模式均為2；遙感12號衛(wèi)星星上搭載有三個(gè)星敏感器（A、B、C），其成像通常采用側(cè)擺模式，星上根據(jù)各星敏感器觀測恒星情況選擇其中兩個(gè)星敏感器進(jìn)行姿態(tài)確定，由于不同星敏感器組合對應(yīng)的星敏感器安裝誤差不同，因此不同定姿模式下無法進(jìn)行偏置矩陣補(bǔ)償。

同樣的，利用成像于2013－03－05的遙感14號衛(wèi)星影像及登封檢校場控制數(shù)據(jù)解求偏置矩陣，其對提升無控制定位精度驗(yàn)證見表3。

表3 提升遙感14號無控制定位精度的驗(yàn)證Table 3 Verification of positioning precision improvement of YG－14image without control points

由表3可見，僅僅采用2013－03－05景獲取的偏置矩陣補(bǔ)償，不同時(shí)間成像的四景影像無控制定位精度均優(yōu)于100m；值得注意的是，除2012－10－27景外，其余景無控制定位精度均優(yōu)于20m?？紤]到遙感14號衛(wèi)星在常態(tài)模式下采用側(cè)擺成像，成像環(huán)境變化劇烈，載荷安裝等系統(tǒng)性誤差會因環(huán)境變化而變化，因此偏置矩陣具有一定時(shí)效性；由于2012－10－27景相隔2013－03－05景較遠(yuǎn)，星上系統(tǒng)誤差可能發(fā)生改變，導(dǎo)致補(bǔ)償后無控制定位精度并不很高；而其余三景與2013－03－05景時(shí)間間隔不超過半年，補(bǔ)償后的無控制定位精度較高。因此，可以采用每隔較短時(shí)間（如半年）進(jìn)行一次檢校獲取偏置矩陣，以保障無控制幾何定位精度。

采用2012－02－03景資源3號01星正視影像解求偏置矩陣后，無控制定位精度優(yōu)于20m，如表4所示。

表4 提升資源3號01星正視無控制定位精度驗(yàn)證Table 4 Verification of positioning precision improvement of ZY3－01／NAD image without control points

但是，同樣的無控制定位精度提升方法并沒有在遙感4號、資源1號02C／全色、實(shí)踐9號A／全色得到好的提升結(jié)果。表5中以資源1號02C／全色為例，可以看到無控制定位精度低，且很不穩(wěn)定。事實(shí)上，遙感4號、資源1號02C、實(shí)踐9號A三顆衛(wèi)星星上均搭載有星敏感器，能以較高精度測量衛(wèi)星在J2000坐標(biāo)系下的姿態(tài)四元數(shù)；但衛(wèi)星設(shè)計(jì)方為便于姿軌控制，在星上利用地面注入的預(yù)報(bào)軌道根數(shù)將姿態(tài)四元數(shù)轉(zhuǎn)換成了軌道坐標(biāo)下的歐拉角，并下傳至地面用于后續(xù)幾何處理；由于所采用的預(yù)報(bào)軌道根數(shù)精度有限，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的歐拉角精度低，使得這三顆衛(wèi)星無控制定位精度很差。由于這三顆衛(wèi)星均未下傳原始測量的姿態(tài)四元數(shù)，采用同樣的處理方法難以進(jìn)一步提升、驗(yàn)證其無控制定位精度。目前主要采用收集的全球控制數(shù)據(jù)維持這三顆衛(wèi)星的影像幾何定位精度。

表5 提升資源1號02C／全色無控制定位精度驗(yàn)證Table 5 Verification of positioning precision improvement of ZY1－02Cpanchromatic image without control points

4.3 提升帶控制定位精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證帶控制定位精度，同步收集了我國境內(nèi)多個(gè)區(qū)域的控制數(shù)據(jù)及高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像；驗(yàn)證試驗(yàn)涉及的控制區(qū)域如圖4所示。

圖4 帶控制定位精度提升驗(yàn)證區(qū)域Fig.4 Improvement verification district with control points

4.3.1 消除相機(jī)畸變誤差

主要國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星中，除了資源3號01星各個(gè)載荷采用無畸變光學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)方位元素誤差較小，其余各顆衛(wèi)星均存在較大光學(xué)系統(tǒng)畸變，須要經(jīng)過高精度在軌內(nèi)方位元素檢校，消除影像高階畸變，提升帶控制定位精度。

收集各顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星覆蓋登封、天津控制區(qū)域的影像，采用高精度配準(zhǔn)算法在影像上獲取大量均勻分布的高精度控制點(diǎn)，對各顆衛(wèi)星載荷內(nèi)方位元素進(jìn)行檢校，其檢校精度評價(jià)如表6所示。

表6中，EO、IO分別表示未消除相機(jī)畸變和消除相機(jī)畸變后解算偏置矩陣的精度；其中，EO精度體現(xiàn)了相機(jī)畸變量級，而IO體現(xiàn)了在軌內(nèi)方位元素檢校精度。由于資源3號01星各個(gè)載荷采用無畸變光學(xué)系統(tǒng)，其NAD相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室測量內(nèi)方位元素精度優(yōu)于0.3像素，經(jīng)過在軌幾何檢校后精度提升至0.2像素；而其余各顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)畸變較大（15～100像素），這主要是因?yàn)椋孩僭缙诎l(fā)射衛(wèi)星在地面階段并未對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格測量，因此初始內(nèi)方位元素誤差大；②早期發(fā)射衛(wèi)星沒有進(jìn)行充分的溫控設(shè)計(jì)，發(fā)射在軌后相機(jī)參數(shù)發(fā)生變化。同時(shí)可看到，采用高精度控制數(shù)據(jù)，各顆衛(wèi)星在軌內(nèi)方位元素檢校精度均優(yōu)于0.8像素，其精度主要受限于影像配準(zhǔn)精度（依賴于檢校影像的清晰程度、適合配準(zhǔn)程度）。為突出相機(jī)畸變消除效果，圖5以遙感4號衛(wèi)星為例，對比了內(nèi)方位元素檢校前后的帶控制定位精度。由圖5（a）可看到，由于各片CCD獨(dú)立安裝于焦面不同位置，各片CCD畸變誤差不同；通過內(nèi)方位元素檢校后，圖5（b）已不再具備相機(jī)畸變特征。

表6 國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星內(nèi)方位元素檢校精度Table 6 Calibration result of inner orientation elements of domestic high resolution optical satellite像素

圖5 遙感4號在軌內(nèi)方位元素檢校殘差圖Fig.5 Residual of onboard inner orientation elements calibration of YG－4

4.3.2 消除高頻姿態(tài)誤差／時(shí)間同步誤差

如表1所示，高分辨率光學(xué)衛(wèi)星須要進(jìn)一步消除高頻姿態(tài)誤差或時(shí)間同步誤差。下文以遙感12號衛(wèi)星為例，給出消除其時(shí)間同步誤差的結(jié)果。

由圖2所知，若存在時(shí)間同步誤差，相鄰CCD同名點(diǎn)將無法交會于地面同一點(diǎn)；因此，可以通過比較消除時(shí)間同步誤差前后相鄰CCD交會精度來評價(jià)精度。表7中收集了天津、登封區(qū)域四景遙感12號影像，對比了消除時(shí)間同步誤差前后的同名點(diǎn)交會精度。

表7 同名點(diǎn)交會誤差Table 7 Rendezvous error of homonymy points

由表7，消除時(shí)間同步誤差后，同名點(diǎn)交會精度得到很大提升，垂軌、沿軌方向均優(yōu)于0.3像素；圖6以2012－04－17天津景給出了同名點(diǎn)交會殘差對比圖，可以明顯看到時(shí)間同步誤差引起的影像內(nèi)部畸變非常復(fù)雜，即使有足夠地面控制點(diǎn)也難以消除；而通過本文提升方法，在無須額外地面控制點(diǎn)的條件下消除了時(shí)間同步誤差，提升了影像內(nèi)部精度。

圖6 2012－04－17天津景同名點(diǎn)交會誤差Fig.6 Rendezvous error of homonymy points in 2012－04－17Tianjin image

4.3.3 拼接影像定向精度驗(yàn)證

由于國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星載荷CCD線陣均按圖1所示布放，須要對各顆高分光學(xué)衛(wèi)星原始影像進(jìn)行拼接后才能后續(xù)應(yīng)用。按表1所示步驟消除各顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星成像幾何誤差后，本文采用虛擬重成像技術(shù)［7－8］生成拼接影像及有理多項(xiàng)式系數(shù)（RPCs）：

顯然，拼接影像的拼接效果及RPCs定位精度完全依賴于嚴(yán)密幾何成像模型的幾何定位精度。可以直接評價(jià)RPCs帶控制定位精度，以驗(yàn)證提升后的幾何定位精度，如表8～表13所示。本文采用基于RPC的像面仿射模型［3，10－15］作為定向模型評價(jià)帶控制幾何定位精度。

其中，控制點(diǎn)數(shù)量超過100的均是采用高精度配準(zhǔn)算法從DOM上配準(zhǔn)獲取。

由表8到表13可知，除遙感4號衛(wèi)星外，其余各顆衛(wèi)星四個(gè)控制點(diǎn)的定位精度均優(yōu)于1.5像素，其中資源3號01星正視影像帶控制定位精度最高，優(yōu)于0.5像素，這一方面是因?yàn)橘Y源3號01星成像時(shí)能很好地保持平穩(wěn)運(yùn)行，另一方面也是因?yàn)槠洳捎玫蘑?、③類型控制點(diǎn)精度較高。而對遙感4號衛(wèi)星，其天津景、登封景的稀少控制點(diǎn)定位精度均優(yōu)于1像素，但其余區(qū)域稀少控制點(diǎn)定位精度在1.5～2像素，深入分析發(fā)現(xiàn)主要是受限于控制點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)精度：由于遙感4號衛(wèi)星影像成像模糊，輻射質(zhì)量較低（如圖7所示），加大了控制點(diǎn)選取難度，因此人工選取的控制點(diǎn)精度較低。

圖7 遙感4號衛(wèi)星影像局部示意圖Fig.7 Local image of YG－4

表8 提升遙感4號帶控制定位精度驗(yàn)證Table 8 Verification of positioning precision improvement of YG－4image with control points

表9 提升遙感12號帶控制定位精度驗(yàn)證Table 9 Verification of positioning precision improvement of YG－12image with control points

表10 提升資源1號02C／全色帶控制定位精度驗(yàn)證Table 10 Verification of positioning precision improvement of ZY1－02Cpanchromatic image with control points

表11 提升資源3號01／正視帶控制定位精度驗(yàn)證Table 11 Verification of positioning precision improvement of ZY3－01／NAD image with control points

表12 提升遙感14號帶控制定位精度驗(yàn)證Table 12 Verification of positioning precision improvement of YG－14image with control points

表13 提升實(shí)踐9A帶控制定位精度驗(yàn)證Table 13 Verification of positioning precision improvement of SJ－9Aimage with control points

總而言之，經(jīng)過帶控制定位精度提升方法處理后，我國各顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星帶控制幾何定位精度基本優(yōu)于1.5像素，與控制精度相當(dāng)。說明本文方法針對我國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星缺陷能夠較好地消除幾何誤差。

5 結(jié)論

本文識別出了當(dāng)前我國主流高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像存在的幾何誤差源，建立了我國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的統(tǒng)一嚴(yán)密幾何成像模型，針對星上穩(wěn)定性系統(tǒng)誤差及高頻誤差特征，系統(tǒng)地提出了我國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星無控制／帶控制定位精度提升方法及流程。試驗(yàn)部分收集了多時(shí)段、多區(qū)域的各顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）針對無控制定位精度提升，合理確定遙感12號、資源3號01星、遙感14號衛(wèi)星求取偏置矩陣的周期，可以使三顆衛(wèi)星保持較高精度的無控制定位精度；而對于遙感4號、資源1號02C、實(shí)踐9號A三顆衛(wèi)星，由于星上轉(zhuǎn)換誤差大，難以用偏置矩陣的方法提升無控制定位精度，當(dāng)前僅能采用全球控制點(diǎn)庫保障其無控制定位精度。

（2）而對于帶控制定位精度，雖然我國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星有不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，存在時(shí)間同步誤差大、姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)精度低等問題，但采用本文所提供的提升方法后，當(dāng)前主流高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的帶控制定位精度基本優(yōu)于1.5像素，達(dá)到與控制精度相當(dāng)?shù)某潭取?/p>

試驗(yàn)結(jié)果表明：在衛(wèi)星設(shè)計(jì)和硬件水平受限條件下，通過“以軟補(bǔ)硬”的誤差處理方法，國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星仍然可以達(dá)到較高的幾何定位精度。隨著我國航天技術(shù)的穩(wěn)步提升和衛(wèi)星檢校場等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，相信在不久的將來，我國高分辨率光學(xué)衛(wèi)星整體技術(shù)水平將有更大的提高。

（References）

［1］袁修孝，張過.缺少控制點(diǎn)的衛(wèi)星遙感對地目標(biāo)定位［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）2003，28（5）：505－509 Yuan Xiuxiao，Zhang Guo.Object location of satellite imagery under lacking ground control points［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2003，28（5）：505－509（in Chinese）

［2］袁修孝，張過，吳春華.缺少控制點(diǎn)的衛(wèi)星遙感影像外推定位［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2005，30（7）：575－579Yuan Xiuxiao，Zhang Guo，Wu Chunhua.Extrapolative location of high resolution remote sensing imageries［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2005，30（7）：575－579（in Chinese）

［3］張過.缺少控制點(diǎn)的高分辨率衛(wèi)星遙感影像幾何糾正［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005 Zhang Guo.Rectification for high resolution remote sensing image under lack of ground control points［D］.Wuhan：Wuhan University，2005（in Chinese）

［4］祝小勇，張過，唐新明，等.資源一號02B衛(wèi)星影像幾何外檢校研究及應(yīng)用［J］.地理與地理信息科學(xué)，2009（3）：16－18，27 Zhu Xiaoyong，Zhang Guo，Tang Xinmin，et al.Research and application of CBRS02Bimage geometric exterior calibration［J］.Geography and Geo－Information Science，2009（3）：16－18，27（in Chinese）

［5］張過，袁修孝，李德仁.基于偏置矩陣的衛(wèi)星遙感影像系統(tǒng)誤差補(bǔ)償［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（4）：517－519 Zhang Guo，Yuan Xiuxiao，Li Deren.Redressing system error in satellite image based on bias matrix［J］.Journal of Liaoning Technical University，2007（04）：517－519（in Chinese）

［6］蔣永華，張過，唐新明，等.資源三號測繪衛(wèi)星多光譜影像高精度譜段配準(zhǔn)［J］.測繪學(xué)報(bào)，2013，42（6）：884－890，897 Jiang Yonghua，Zhang Guo，Tang Xinming，et al.Research on the high accuracy band－to－band registration method of ZY－3multispectral image［J］.Acta Geodatica et Cartographica Sinica，2013，42（6）：884－890，897（in Chinese）

［7］張過，劉斌，江萬壽，等.推掃式光學(xué)衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品三維幾何模型研究及應(yīng)用［J］.遙感信息，2011（2）：58－62 Zhang Guo，Liu Bin，Jiang Wanshou，et al.Study and application of three－dimension geometric model of products of push－broom optical satellite image［J］.Remote Sensing Information，2011（2）：58－62（in Chinese）

［8］潘紅播，張過，唐新明，等.資源三號測繪衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品幾何模型［J］.測繪學(xué)報(bào)，2013，42（4）：516－522 Pan Hongbo，Zhang Guo，Tang Xinming，et al.The geometrical model of sensor corrected products for ZY－3 satellite［J］.Acta Geodatica et Cartographica Sinica，2013，42（4）：516－522（in Chinese）

［9］唐新明，張過，祝小勇，等.資源三號測繪衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構(gòu)建與精度初步驗(yàn)證［J］.測繪學(xué)報(bào)，2012，41（2）：191－198 Tang Xinming，Zhang Guo，Zhu Xiaoyong，et al.Triple linear－array imaging geometry model of Ziyuan－3sur－veying satellite and its validation［J］.Acta Geodatica et Cartographica Sinica，2012，41（2）：191－198（in Chinese）

［10］張過，厲芳婷，江萬壽，等.推掃式光學(xué)衛(wèi)星影像系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的3維幾何模型及定向算法研究［J］.測繪學(xué)報(bào)，2010，39（1）：34－38 Zhang Guo，Li Fangting，Jiang Wanshou，et al.Study of three－dimensional geometric model and orientation algorithm for systemic geometric correction product of push－broom optical satellite image［J］.Acta Geodatica et Cartographica Sinica，2010，39（1）：34－38（in Chinese）

［11］張過，李德仁，袁修孝，等.衛(wèi)星遙感影像的區(qū)域網(wǎng)平差成圖精度［J］.測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，23（4）：239－241，245 Zhang Guo，Li Deren，Yuan Xiuxiao，et al.The mapping accuracy of satellite imagery block adjustment［J］.Journal of Geomatics Science and Technology，2006，23（4）：239－241，245（in Chinese）

［12］汪韜陽，張過，李德仁，等.資源三號測繪衛(wèi)星影像平面和立體區(qū)域網(wǎng)平差比較［J］.測繪學(xué)報(bào)，2014，43（4）：389－395，403 Wang Taoyang，Zhang Guo，Li Deren，et al.Comparison between plane and stereo block adjustment for ZY－3satellite images［J］.Acta Geodatica et Cartographica Sinica，2014，43（4）：389－395，403（in Chinese）

［13］汪韜陽，張過，李德仁，等.衛(wèi)星遙感影像的區(qū)域正射糾正［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（7）：838－842 Wang Taoyang，Zhang Guo，Li Deren，et al.block ortho－rectification for satellite images［J］，Geomatics and Information Science of Wuhan University，2014，39（7）：838－842（in Chinese）

［14］張過，潘紅播，唐新明，等.資源三號測繪衛(wèi)星長條帶產(chǎn)品區(qū)域網(wǎng)平差［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（9）：1098－1102 Zhang Guo，Pan Hongbo，Tang Xinming，et al.Block adjustment of ZY－3long strip scenes［J］，Geomatics and Information Science of Wuhan University，2014，39（9）：1098－1102（in Chinese）

［15］張過，汪韜陽，李德仁，等.軌道約束的資源三號標(biāo)準(zhǔn)景影像區(qū)域網(wǎng)平差［J］.測繪學(xué)報(bào)，2014，43（11）：1158－1164 Zhang Guo，Wang Taoyang，Li Deren，et al.Block Adjustment for ZY－3satellite standard imagery based on strip constraint［J］.Acta Geodatica et Cartographica Sinica，2014，43（11）：1158－1164（in Chinese）

（編輯：張小琳）

Research on Image Geometric Precision of Domestic Optical Satellites

LI Deren1，2ZHANG Guo1，2JIANG Yonghua2，3SHEN Xin1，2，4
（1State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China）（2Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology，Wuhan 430079，China）（3School of Remote Sensing and Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430079，China）（4School of Resource and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Because of the defects in satellite design and key hardware manufacturing，there is still a certain gap in our image geometric precision compared with the advanced level.Aiming at improving geometric precision of domestic high resolution optical satellites，some domestic satellite image geometric precision upgrading theory and methods are presented；by detecting and eliminating various kinds of error including equipment installation error，attitude and orbit measurement error，camera distortion，time synchronization errors and other errors in data processing flow，the geometric precision of satellite images has been significantly improved；some geometric precision improvement experiments are executed；via the proposed geometric processing，the geometric precision of theses satellite images can be improved to be better than 1.5pixel，which is higher than the designed accuracy of the satellite.

remote sensing；domestic optical satellite；geometric precision；precision improvement；parallel observation

P23

：ADOI：10.3969／j.issn.1673－8748.2016.01.001

2015－12－01；

：2016－01－08

國家自然科學(xué)基金（91538106，41501503，41201361，41501383），測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201512022）

李德仁，男，中國科學(xué)院院士，中國工程院院士，武漢大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，著名攝影測量與遙感學(xué)家。曾任武漢測繪科技大學(xué)校長、中國測繪學(xué)會理事長。主要從事以遙感（RS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）為代表的空間信息科學(xué)與技術(shù)研究工作。Email：guozhang＠whu.edu.cn。