龔健雅，王 密，楊 博,3,4

1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 4. 地球空間信息協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079

高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像高精度無地面控制精確處理的理論與方法

龔健雅1,2，王 密2，楊 博2,3,4

1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072； 4. 地球空間信息協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079

衛(wèi)星影像全球無地面控制高精度幾何定位是衛(wèi)星攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展追求的主要目標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)困難地區(qū)和境外地區(qū)測(cè)圖的關(guān)鍵支撐技術(shù)。本文圍繞我國國產(chǎn)遙感衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展，詳細(xì)論述了高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像高精度無地面控制幾何定位的理論與方法，在天星地一體化全鏈路誤差建模分析的基礎(chǔ)上，提出了在軌幾何定標(biāo)理論與方法、穩(wěn)態(tài)重成像幾何處理模型與方法及大規(guī)模無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差理論與方法。將本文方法應(yīng)用于資源三號(hào)衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)果滿足1∶50 000測(cè)圖精度，證明了理論和方法的正確性。

高分辨率遙感影像；高精度無地面控制幾何處理；在軌幾何定標(biāo)；虛擬重成像；大區(qū)域無地面控制整體平差；資源三號(hào)

光學(xué)衛(wèi)星遙感影像的幾何定位精度取決于衛(wèi)星平臺(tái)硬件觀測(cè)精度及數(shù)據(jù)處理水平。自20世紀(jì)90年代起，隨著衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)、定姿、定軌及時(shí)間同步等技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)衛(wèi)星遙感影像的嚴(yán)密成像幾何模型精度的提高，光學(xué)衛(wèi)星的幾何定位和處理逐步擺脫了對(duì)大量地面控制點(diǎn)的依賴，向稀少地面控制發(fā)展?，F(xiàn)代衛(wèi)星平臺(tái)采用高精度定軌、定姿和時(shí)間測(cè)量器件，無地面控制幾何定位精度越來越高。2007年起發(fā)射的WorldView系列衛(wèi)星，其無地面控制定位精度達(dá)到3.5 m(CE90)；2011年起發(fā)射的Pleiades系列及SPOT-6/7衛(wèi)星，其無地面控制定位精度達(dá)到10 m(CE90)；2008年發(fā)射的GeoEye-1衛(wèi)星，其無地面控制定位精度更達(dá)到2.5 m(CE90)[1-2]?？梢?，當(dāng)前國際先進(jìn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星的無地面控制精度已發(fā)展到2～3 m，使得未來高分辨率衛(wèi)星遙感影像應(yīng)用逐步擺脫地面控制點(diǎn)的限制，實(shí)現(xiàn)無地面控制的高精度幾何處理和應(yīng)用。

過去20年，我國高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星首先實(shí)現(xiàn)了從無到有的跨越式發(fā)展。“十一五”期間，我國發(fā)射了多顆軍民高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，軍用分辨率達(dá)到1 m，民用分辨率達(dá)到2.36 m，但是無地面控制幾何定位精度仍處于在數(shù)百米量級(jí)，與國外差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，無法滿足立體測(cè)繪、目標(biāo)偵查、災(zāi)害預(yù)警等高精度應(yīng)用需求。而近5年來，隨著資源三號(hào)等測(cè)繪衛(wèi)星的成功發(fā)射應(yīng)用，我國衛(wèi)星攝影測(cè)量理論和技術(shù)得到了極大的提升。基于高精度姿軌、時(shí)間測(cè)量技術(shù)和在軌幾何定標(biāo)技術(shù)，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的單景無地面控制精度優(yōu)于15 m，內(nèi)部精度優(yōu)于1個(gè)像素[3]，達(dá)到國際先進(jìn)水平，可支撐全球無地面控制測(cè)圖工程的實(shí)施，并逐漸完善了衛(wèi)星攝影測(cè)量高精度幾何處理的理論和方法。

針對(duì)高分辨率光學(xué)遙感影像無地面控制高精度幾何定位的關(guān)鍵問題，本文系統(tǒng)性地提出了完整的無地面控制精確處理理論與方法。本文方法以光學(xué)衛(wèi)星全鏈路誤差理論分析及定量建模為基礎(chǔ)，將影像產(chǎn)品定位誤差分解反饋于光學(xué)衛(wèi)星平臺(tái)指標(biāo)論證階段，指導(dǎo)高精度光學(xué)衛(wèi)星平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；并以最大限度地修正光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中存在的系統(tǒng)誤差和偶然誤差為目標(biāo)，針對(duì)幾何成像模型中存在的系統(tǒng)誤差、影像內(nèi)部畸變和影像間的拼接誤差、姿軌觀測(cè)偶然誤差，分別提出了基于探元指向角的在軌幾何定標(biāo)方法、基于虛擬CCD的穩(wěn)態(tài)重成像方法和基于虛擬控制點(diǎn)的大規(guī)模無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差方法。采用本文的理論方法，我國資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像的無地面控制定位精度優(yōu)于5 m，全面優(yōu)于法國SPOT-5、日本ALOS和印度P5等衛(wèi)星，居國際同類衛(wèi)星領(lǐng)先水平。該項(xiàng)成果結(jié)束了我國遙感衛(wèi)星幾何精度不高，無法用于精確測(cè)圖的歷史，為全球空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和我國“走出去”的戰(zhàn)略實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 無地面控制幾何定位的理論與方法

1.1 無地面控制幾何定位模型

光學(xué)衛(wèi)星嚴(yán)密成像幾何模型以共線方程為基礎(chǔ)構(gòu)建。共線方程作為衛(wèi)星影像幾何處理的基本模型，其實(shí)質(zhì)為相機(jī)投影中心、像點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)三點(diǎn)共線[4]，也可理解為在相機(jī)坐標(biāo)系下以成像投影中心為起點(diǎn)、像點(diǎn)為終點(diǎn)的像方矢量Vimage與在物方坐標(biāo)系下以投影中心為起點(diǎn)、像點(diǎn)對(duì)應(yīng)物方點(diǎn)為終點(diǎn)的物方矢量Vobject共線[5-6]，如圖1所示。

圖1 矢量共線圖Fig.1 Collinear vectors

高分辨率光學(xué)衛(wèi)星一般采用線陣CCD推掃成像方式獲取對(duì)地觀測(cè)影像。在每一成像時(shí)刻，衛(wèi)星僅獲取一行影像，隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)形成連續(xù)的條帶影像。每一掃描行影像是獨(dú)立成像，且均為中心投影成像，滿足投影成像共線方程。由此建立基本成像模型如式(1)所示

(1)

在無地面控制條件下，嚴(yán)密成像幾何模型與地球橢球面模型相交，在高精度數(shù)字高程模型的支持下，進(jìn)行目標(biāo)幾何定位，橢球模型如式(2)所示

(2)

式中，A=ae+h；B=be+h；ae=637 8137.0 m和be=635 6752.3 m分別為WGS-84地球橢球的長短半軸；h為觀測(cè)目標(biāo)的橢球高，在DEM數(shù)據(jù)的支持下，可通過地理坐標(biāo)內(nèi)插得到。

1.2 無地面控制幾何定位關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 天星地全鏈路誤差分析

高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像無地面控制的幾何定位精度與成像各環(huán)節(jié)的觀測(cè)精度有關(guān)，成像鏈路的幾何誤差建模分析是高精度幾何定位處理的理論基礎(chǔ)。由上文所述嚴(yán)密幾何成像模型可知，影響因素包括衛(wèi)星姿態(tài)觀測(cè)精度、軌道觀測(cè)精度、時(shí)間同步精度、相機(jī)參數(shù)精度及觀測(cè)條件等。按測(cè)量誤差特性分類，高分辨率光學(xué)衛(wèi)星成像觀測(cè)誤差可分為粗差、系統(tǒng)誤差和偶然誤差[7]。粗差主要包含星上儀器觀測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理過程中由于差錯(cuò)得到的錯(cuò)誤值；系統(tǒng)誤差主要包含相機(jī)星敏安裝誤差、GPS相位中心與投影中心偏差、相機(jī)CCD形變、主點(diǎn)主距及物鏡畸變誤差；偶然誤差主要包含星敏姿態(tài)觀測(cè)、軌道觀測(cè)、星上時(shí)間同步及姿態(tài)高頻震顫的隨機(jī)誤差。針對(duì)光學(xué)衛(wèi)星定位多類誤差源對(duì)高精度處理的復(fù)雜影響，本文從理論分析與仿真試驗(yàn)出發(fā)，構(gòu)建了光學(xué)衛(wèi)星全鏈路定位精度定量分析模型，包含各類觀測(cè)誤差源對(duì)影像幾何質(zhì)量的影響機(jī)理、數(shù)學(xué)建模及其相互之間的耦合性，為影像的高精度幾何處理奠定了理論基礎(chǔ)，并有效應(yīng)用于衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)與指標(biāo)論證，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的天地一體化。

由全鏈路誤差分析得知，高精度無地面控制測(cè)圖的應(yīng)用需求首先對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)提出了時(shí)間、軌道及姿態(tài)測(cè)量的精度、頻次要求。在此基礎(chǔ)上，為最大限度地消除觀測(cè)參數(shù)中的系統(tǒng)誤差與偶然誤差，地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需針對(duì)存在系統(tǒng)誤差的觀測(cè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償，并針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的不穩(wěn)定性及星載光學(xué)相機(jī)的結(jié)構(gòu)特性采用高精度傳感器校正方法，消除影像內(nèi)部畸變；在單片影像內(nèi)部精度一致性良好的基礎(chǔ)上，可通過無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差手段，利用一定范圍內(nèi)影像間的約束，進(jìn)一步提高大范圍影像的整體定位精度水平。

1.2.2 在軌幾何定標(biāo)模型與方法

衛(wèi)星影像在軌幾何定標(biāo)是高精度衛(wèi)星遙感測(cè)繪的瓶頸問題，其本質(zhì)是補(bǔ)償影像定位中存在的系統(tǒng)誤差，由于衛(wèi)星影像傳感器內(nèi)外部幾何參數(shù)相關(guān)性、光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射升空過程中的動(dòng)態(tài)變形等難題，國產(chǎn)光學(xué)遙感衛(wèi)星傳感器的幾何定標(biāo)，特別是內(nèi)部畸變的標(biāo)定在較長的一段時(shí)間內(nèi)一直是一個(gè)空白，導(dǎo)致國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星遙感影像不僅絕對(duì)定位精度低，內(nèi)部相對(duì)精度也很有限[8-13]。針對(duì)該難題，這里提出了基于CCD探元指向角和相機(jī)安裝角的綜合指向角定標(biāo)模型，有效地克服了線陣推掃成像內(nèi)外部誤差的強(qiáng)相關(guān)國際難題，精確地恢復(fù)了相機(jī)成像視場(chǎng)每個(gè)探元的光線指向，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外方位元素和鏡頭畸變誤差的精確標(biāo)定；在此基礎(chǔ)上，主持建立了我國第一個(gè)民用遙感衛(wèi)星高精度幾何定標(biāo)場(chǎng)，如圖2所示。此外，針對(duì)在軌幾何定標(biāo)中存在的姿態(tài)測(cè)量誤差的影響及某些區(qū)域可用特征少等問題，提出了基于自然地物點(diǎn)密集影像匹配和多檢校場(chǎng)、多類型控制點(diǎn)的高精度幾何定標(biāo)技術(shù)和方法，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)遙感衛(wèi)星在復(fù)雜條件下的自動(dòng)化幾何定標(biāo)。

基于該方法，自主研制了高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星幾何定標(biāo)系統(tǒng)，全面攻克了我國光學(xué)遙感衛(wèi)星幾何定標(biāo)的技術(shù)難題，建立了光學(xué)遙感衛(wèi)星影像在軌幾何定標(biāo)的技術(shù)體系，并成功應(yīng)用于“資源三號(hào)”“資源一號(hào)02C”“高分1號(hào)”“高分2號(hào)”“遙感”系列等所有在軌光學(xué)遙感衛(wèi)星影像的幾何定標(biāo)，將我國遙感衛(wèi)星的內(nèi)部幾何精度從5～6個(gè)像元提高到了1個(gè)像元以內(nèi)?！百Y源三號(hào)”等衛(wèi)星的內(nèi)方位元素標(biāo)定精度優(yōu)于0.25像元，影像單景無地面控制點(diǎn)定位精度提高到15 m[3，14-15]。

圖2 嵩山定標(biāo)場(chǎng)示意圖Fig.2 Songshan calibration site

1.2.3 穩(wěn)態(tài)重成像幾何處理模型與方法

為了滿足高分辨率和寬視場(chǎng)成像要求，星載高分辨率光學(xué)相機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：①采用折返式光學(xué)系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光軸與視軸不重合、焦距與主距不一致、像主點(diǎn)與視主點(diǎn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致CCD偏視場(chǎng)成像，內(nèi)、外方位元素高度相關(guān)；②采用多片TDI CCD拼接成像和多相機(jī)拼接成像，原始影像存在單片積分時(shí)間跳變、多片異速成像、多片CCD不共線、多波段不配準(zhǔn)、雙相機(jī)拼接等問題[16-17]。除此之外，隨著分辨率的提高，平臺(tái)震顫也成為影響高分辨率衛(wèi)星遙感影像幾何精度的重要因素之一[18]。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于虛擬CCD的穩(wěn)態(tài)重成像傳感器校正方法，其基本思想是：利用理想無畸變的虛擬CCD線陣替代原始多片、多波段CCD在理想無平臺(tái)震顫條件下成像，在高精度在軌幾何定標(biāo)、精密定姿、精密定軌技術(shù)支持下，分別建立原始影像與穩(wěn)態(tài)重成像嚴(yán)密幾何模型，然后基于原始影像與虛擬影像幾何定位一致性原理，建立二者的坐標(biāo)映射關(guān)系，生成完整無畸變的虛擬影像，同時(shí)生成高精度的有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)，為后續(xù)應(yīng)用提供高精度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

利用資源三號(hào)衛(wèi)星三線陣數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與分析，結(jié)果表明：基于虛擬CCD穩(wěn)態(tài)重成像傳感器校正方法可有效校正由于相機(jī)設(shè)計(jì)和平臺(tái)震顫引起的影像內(nèi)部畸變，將影像內(nèi)部精度從1～2個(gè)像素提高到0.5個(gè)像素以內(nèi)。將該方法應(yīng)用到資源三號(hào)多光譜影像處理中，結(jié)果表明，該方法在校正影像畸變的同時(shí)，提高了波段配準(zhǔn)精度，多光譜影像內(nèi)部精度達(dá)到0.3個(gè)像素，波段間配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.15個(gè)像素。

1.2.4 大規(guī)模無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差方法

單景影像產(chǎn)品經(jīng)在軌幾何定標(biāo)修正系統(tǒng)誤差及穩(wěn)態(tài)重成像處理優(yōu)化內(nèi)部精度后，由于存在姿軌觀測(cè)偶然誤差，單景仍無法實(shí)現(xiàn)定位的可靠性，且影像間存在較顯著的配準(zhǔn)、拼接誤差，若要滿足無地面控制測(cè)圖的應(yīng)用需求，必須通過無地面控制區(qū)域網(wǎng)整體平差處理技術(shù)[19-29]。針對(duì)該問題，本文在虛擬重成像技術(shù)生成高精度單片影像RPC模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬控制點(diǎn)的超大規(guī)模無地面控制區(qū)域平差方法，在保證影像的初始定位精度的同時(shí)修正影像之間的相對(duì)定向誤差，提高大規(guī)模影像的整體定位精度水平。

然而，在超大規(guī)模(萬張以上影像)衛(wèi)星攝影測(cè)量平差中，由于缺少控制點(diǎn)的約束，平差模型的自由度較高，直接將待平差參數(shù)作為自由未知數(shù)會(huì)導(dǎo)致法方程矩陣的病態(tài)，進(jìn)而使得平差精度不穩(wěn)定及誤差容易過度累積而引起網(wǎng)的扭曲變形。此外，當(dāng)影像數(shù)量較多時(shí)，影像和模型之間的復(fù)雜連接，大區(qū)域海量影像的連接點(diǎn)匹配和平差，均是境外大區(qū)域高精度測(cè)圖需要解決的難題。針對(duì)大規(guī)模無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差中存在的這些關(guān)鍵科學(xué)問題，分別采用超大規(guī)模衛(wèi)星影像不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)連接點(diǎn)自動(dòng)匹配技術(shù)和平差技術(shù)，支持上萬景立體影像的自動(dòng)匹配、上億個(gè)連接點(diǎn)規(guī)模的區(qū)域網(wǎng)平差處理，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)挑點(diǎn)和粗差剔除技術(shù)，確保了連接點(diǎn)的良好分布、高重疊度和高可靠性。基于本方法開發(fā)的無地面控制大規(guī)模區(qū)域網(wǎng)平差處理軟件不但可實(shí)現(xiàn)無地面控制條件下海量數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，同時(shí)能夠支持低重疊度、短基線、弱連接、不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)結(jié)構(gòu)等各種病態(tài)條件下的空三平差處理。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于本文方法對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星獲取的覆蓋中國整個(gè)大陸的8802景三線陣立體像對(duì)(共26 406景影像)進(jìn)行了無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)。試驗(yàn)影像每景影像均附帶RPC參數(shù)文件，相鄰影像之間具有一定的重疊度，影像數(shù)據(jù)量約20 TB。測(cè)區(qū)覆蓋面積約900萬km2，約占中國國土面積93%以上，僅在廣西、貴州等局部區(qū)域由于天氣原因而缺少有效影像數(shù)據(jù)。測(cè)區(qū)內(nèi)包含高原、山地、丘陵、平原及沙漠等多類地形，最大最小高程起伏達(dá)8000 m以上。為了對(duì)平差結(jié)果的幾何精度進(jìn)行分析與驗(yàn)證，在全國范圍內(nèi)通過GPS外業(yè)測(cè)量，共獲取了約8000余個(gè)高精度控制點(diǎn)(平面和高程精度均優(yōu)于0.1 m)。

資源三號(hào)衛(wèi)星于2012年1月9日發(fā)射升空，在軌穩(wěn)定運(yùn)行后利用河南安陽定標(biāo)場(chǎng)成像數(shù)據(jù)及高精度參考DOM/DEM數(shù)據(jù)完成三線陣相機(jī)的在軌幾何定標(biāo)，顯著補(bǔ)償相機(jī)內(nèi)部畸變及平臺(tái)安裝關(guān)系等系統(tǒng)誤差，單景影像平面定位精度從定標(biāo)前1400 m左右提高到定標(biāo)后15 m以內(nèi)；進(jìn)而采用基于穩(wěn)態(tài)重成像的傳感器校正方法，有效改善由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)等引起的內(nèi)部畸變并提高影像內(nèi)部幾何精度到1個(gè)像素以內(nèi)，生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)每景影像的高精度RFM模型，為高精度無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差處理提供基礎(chǔ)。

2.2 試驗(yàn)方法

對(duì)上述ZY3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，利用100個(gè)高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成的集群計(jì)算環(huán)境(該環(huán)境由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均配置了一個(gè)6核Xeon-L7455的CPU和128 GB的內(nèi)存)，約耗費(fèi)2 h在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)自動(dòng)匹配了約300萬個(gè)均勻分布且可靠性較高的連接點(diǎn)。并對(duì)各景影像在像方均勻劃分3×3格網(wǎng)，對(duì)每個(gè)格網(wǎng)的中心點(diǎn)按前述方法生成虛擬控制點(diǎn)，每景影像生成9個(gè)虛擬控制點(diǎn)，共生成237 654個(gè)虛擬控制點(diǎn)。按照本文方法將生成的虛擬控制點(diǎn)與連接點(diǎn)一起進(jìn)行聯(lián)合平差，平差過程在個(gè)人普通PC機(jī)(CPU為雙核Intel i5，內(nèi)存空間為8 GB)上完成，僅需兩次迭代解算就已收斂，共耗時(shí)約15 min。這表明，在常規(guī)自由網(wǎng)平差模型中，通過引入虛擬控制點(diǎn)作為帶權(quán)觀測(cè)值，能夠有效改善平差模型的狀態(tài)，使平差模型具有良好的收斂性。為了對(duì)平差結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別對(duì)平差后生產(chǎn)的DOM產(chǎn)品的絕對(duì)幾何定位精度和拼接精度進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中利用覆蓋全國范圍的高精度外業(yè)控制點(diǎn)作為獨(dú)立檢查點(diǎn)，分別對(duì)DOM和DSM產(chǎn)品的平面和高程幾何精度進(jìn)行了驗(yàn)證。為了更加科學(xué)地分析區(qū)域網(wǎng)幾何精度，特別是內(nèi)部幾何精度的均勻性，不僅對(duì)所有檢查點(diǎn)整體統(tǒng)計(jì)其幾何誤差的均值、中誤差和最大值等精度指標(biāo)，還根據(jù)檢查點(diǎn)的分布情況將全國劃分為5個(gè)子區(qū)域，分別統(tǒng)計(jì)各子區(qū)域內(nèi)的檢查點(diǎn)幾何誤差的精度指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 平差后絕對(duì)幾何定位精度統(tǒng)計(jì)

從表1中可以得出以下結(jié)論：①不論是平面還是高程方向，各子區(qū)域檢查點(diǎn)誤差的均值和中誤差基本相當(dāng)，無明顯差異；②各子區(qū)域平面和高程的誤差均值均接近于0，區(qū)域網(wǎng)整體在空間中無明顯的偏移性系統(tǒng)誤差；③各子區(qū)域內(nèi)檢查點(diǎn)的平面和高程最大誤差值均控制在3倍中誤差以內(nèi)。以上結(jié)論說明：①虛擬控制點(diǎn)能夠?qū)^(qū)域網(wǎng)內(nèi)部的誤差累積起到一定的約束作用，避免了區(qū)域網(wǎng)的扭曲變形而使得中心與邊緣精度不一致，保證了區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部幾何精度的均勻性；②每個(gè)虛擬控制點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)具有一定精度的控制點(diǎn)觀測(cè)值，根據(jù)平差理論，大量的虛擬控制點(diǎn)能夠顯著提高待平差參數(shù)的估計(jì)精度，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)的無偏估計(jì)，為無地面控制點(diǎn)條件下達(dá)到有控制點(diǎn)的測(cè)圖精度提供了一種簡單實(shí)用的方法；③虛擬控制點(diǎn)的引入能夠有效改善平差模型的狀態(tài)，避免了無地面控制點(diǎn)時(shí)由于平差模型病態(tài)而導(dǎo)致解算結(jié)果不穩(wěn)定、幾何精度異常的問題，保證了平差結(jié)果具有高可靠性。

3 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)地介紹了高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像高精度無地面控制精確處理的理論與方法，分別從天星地全鏈路誤差理論分析、在軌幾何定標(biāo)、基于穩(wěn)態(tài)重成像的傳感器幾何校正和大規(guī)模無地面控制區(qū)域網(wǎng)平差3個(gè)方面對(duì)光學(xué)遙感影像全鏈路高精度幾何處理的關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述，并將本文方法應(yīng)用于資源三號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)而評(píng)價(jià)本文所提出方法的可行性。試驗(yàn)表明，本文的理論方法可以有效補(bǔ)償資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)中存在的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，在軌幾何定標(biāo)后單景無地面控制精度提高到15 m，內(nèi)部精度優(yōu)于1個(gè)像素，經(jīng)過無地面控制大區(qū)域空三處理后，影像的平面和高程精度進(jìn)一步提高到5 m以內(nèi)，滿足全球1∶50 000測(cè)圖精度要求，為我國國產(chǎn)衛(wèi)星影像支持全球地理信息資源建設(shè)奠定了工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心和國家基礎(chǔ)地理信息中心提供本論文試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)和試驗(yàn)環(huán)境。

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(責(zé)任編輯：張燕燕)

High-precision Geometric Processing Theory and Method of High-resolution Optical Remote Sensing Satellite Imagery without GCP

GONG Jianya1,2，WANG Mi2，YANG Bo2,3,4

1. School of Remote Sensing and Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 3. School of Computer Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 4. Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology，Wuhan 430079，China

Global high-precision geolocation of satellite imagery without GCP is the main goal of satellite photogrammetry,and the fundamental supporting technology of mapping in abroad area.For the developing technology of domestic remote sensing satellite,this paper presents the high-precision geometric processing theory and method of high-resolution optical remote sensing satellite imagery without GCP.Based on rigorous analysis of satellite observation error model,on-orbit geometric calibration method,virtual re-imaging processing method and large-scale block adjustment method are proposed.Experiments were conducted by using ZY-3 imagery.The result fulfills the demand of 1∶50 000 mapping,and proves the correctness of proposed theory and method.

high-resolution remote sensing imagery;high-precision geometric processing without GCP;on-orbit geometric calibration;virtual re-imaging;large-area block adjustment without GCP;ZY-3

The National Natural Science Foundation of China(No. 91438203)

GONG Jianya(1957—)，male,professor,PhD supervisor,academician of the Chinese Academy of Sciences,majors in theory and technology of GIS,and photogrammetry and remote sensing.

龔健雅，王密，楊博.高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像高精度無地面控制精確處理的理論與方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1255-1261.

10.11947/j.AGCS.2017.20170307.

GONG Jianya，WANG Mi，YANG Bo.High-precision Geometric Processing Theory and Method of High-resolution Optical Remote Sensing Satellite Imagery without GCP[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1255-1261. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170307.

P23

A

1001-1595(2017)10-1255-07

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(91438203)

2017-06-13

修回日期： 2017-07-06

龔健雅(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士，研究方向?yàn)镚IS理論與技術(shù)，攝影測(cè)量與遙感。

E-mail： gongjy@whu.edu.cn