翟偉林，劉建霞，李金富，安娜，李浩，王乾

(中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071000)

0 引言

20世紀70年代誕生的高光譜遙感技術把成像與光譜融合起來，在取得地表特征的過程中，將傳感器對應的每一個像元的連續(xù)光譜的信息同時采集。高光譜遙感技術采用一系列較窄的波段成像，把捕獲的各類地物以完整的光譜曲線記錄下來，使得在常規(guī)遙感測量中難以識別的地物在高光譜遙感中得到有效識別。因此，高光譜遙感技術在軍事、礦物資源探測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測等領域都具有重要作用[1]。

機載高光譜遙感圖像的質(zhì)量好壞直接關系到后續(xù)影像信息提取工作的成功與否。但是，由于在數(shù)據(jù)采集過程中，飛機受到氣流的影響，無法保持飛行的平直姿態(tài)。因此，航空遙感的原始圖像會產(chǎn)生一些扭曲和變形。傳統(tǒng)的遙感圖像幾何校正主要是通過大量的地面控制點進行調(diào)整，這種辦法耗時耗力，且在沒有地面控制點的區(qū)域無法使用。21世紀初問世的機載POS系統(tǒng)集差分GPS定位技術和慣性導航INS技術于一體，可以直接獲取航攝影像的6個外方位元素，該方法大大提高了航空影像幾何校正的精度與效率，目前已成為攝影測量最受歡迎的技術方法[2]。

中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院于2015年從加拿大ITRES公司引入了CASI 1500H和SASI 600機載高光譜傳感器，同時搭配德國SOMAG公司的陀螺穩(wěn)定云臺GSM4000和加拿大Applanix公司的POS AV系統(tǒng)。這套傳感裝置可以集成在一起進行數(shù)據(jù)采集工作，并已在雄安新區(qū)、保定市周邊等區(qū)域進行了數(shù)據(jù)采集工作，飛行平臺為塞斯納208。

1 高光譜傳感器簡介

CASI 1500H機載寬陣列近紅外可見光高光譜成像系統(tǒng)(Compact Airborne Spectrographic Imager)，SASI 600機載短波紅外高光譜成像系統(tǒng)(Shortwave Airborne Spectrographic Imager)。CASI/SASI系統(tǒng)為當前國際先進的機載寬陣列高光譜成像系統(tǒng)(圖1)。通過遙感飛行，能夠獲取高光譜分辨率和高信噪比的遙感影像數(shù)據(jù)。

圖1 CASI/SASI傳感器示意圖Fig.1 Sketch of sensors of CAIS/SASI systema.CASI傳感器；b.SASI傳感器

CASI/SASI傳感器見圖1，CASI/SASI傳感器主要參數(shù)見表1。

表1 CASI/SASI傳感器主要參數(shù)表Table 1 Parameters of the sensors of CAIS/SASI system

2 檢校飛行

2.1 幾何檢校模型

將設備組裝于飛機中，GNSS天線相位中心、IMU幾何中心和傳感器成像中心的空間關系會直接影響外方位元素的測量精度。在實際工作中，GNSS偏心分量和IMU視軸偏心角無法避免[3](圖2)。在裝機完成后，IMU和傳感器相對位置關系為已知，而GNSS偏心分量可以在地面通過測量GNSS天線相位中心與IMU之間的空間位置關系得知，實際測量時以IMU頂部圓心為原點，機頭方向為x軸正方向，右側機翼方向為y軸正方向，垂直向下方向為z軸正方向，由于GNSS安裝在飛機頂部，因此z值一般為負值。

圖2 GPS/IMU系統(tǒng)空間位置關系示意圖Fig.2 Sketch showing spatial position of GPS/IMU system

IMU視軸偏心角無法直接獲得，只能通過檢校飛行進行標定。其數(shù)學基礎是共線方程，即傳感器成像中心Si(Xs，Ys，Zs)、像點i(xi，yi)和相應的地物點gi(Xi，Yi，Zi)3點位于同一條直線[4](圖3)。

圖3 推掃式傳感器成像共線方程示意圖Fig.3 Sketch showing colinear equation of push-sweep sensor

通過共線方程，得到CASI/SASI高光譜系統(tǒng)的IMU視軸偏心角的檢校數(shù)學模型為

式中，R(ω，φ，κ)為姿態(tài)校正參數(shù)；R(r，p，h)為傳感器中心成像姿態(tài)；[δXs，δYs，δZs]T為平面位置校正參數(shù)；λ為圖像光線的比例因子；xp和yp分別為傳感器x軸和y軸光學中心；ky為y軸比例因子；f為焦距。傳感器成像中心的位置值[Xs，Ys，Zs]T和姿態(tài)R(r，p，h)角度值可由經(jīng)GPS偏心分量改正后的GPS/IMU導航數(shù)據(jù)提供。IMU與傳感器兩者間的空間校正參數(shù)[δXs，δYs，δZs]T和R(ω，φ，κ)可通過光束法平差計算得到。

2.2 檢校飛行方案

針對CASI/SASI推掃式機載高光譜傳感器的幾何檢校原理，我們設計了相應的檢校飛行方案。其中檢校場的選擇很重要，要求檢校場內(nèi)要有一定數(shù)量的控制點，這些控制點要求均勻分布且能在影像上準確識別[5]。本次飛行選擇保定市軍校廣場處作為檢校場。設計了南北向和東西向各5條航線，每條航線長2 km，航帶間距180 m，旁向重疊度為60%，飛行相對高度為600 m，CASI選擇波段數(shù)為8個，SASI為100個。圖4為檢校場航線布設示意圖。

圖4 檢校場飛行航線布設示意圖Fig.4 Sketch showing layout of flight route of calibration field

2.3 幾何檢校參數(shù)計算

(1)地面控制點采集?？刂泣c采集采用CORS RTK的方法，在飛行范圍內(nèi)共計采集地面控制點78個，采用WGS 84坐標系統(tǒng)。

(2)制作連接點文件。首先利用RCX軟件將原始影像數(shù)據(jù)進行輻射校正處理，然后在ENVI軟件中利用Point Collection工具，將地面控制點位置和影像上的同名點進行刺點連接，并備注該點所在的航線號和控制點點號信息，將10條影像依次進行刺點，最終得到連接點文件。

(3)剔除超限點。在批處理命令中使用genbund命令對連接點文件進行處理，在生成的.in文件里面，加載地面控制點文件，跨軌道改正矩陣文件(CASI)或沿軌道改正矩陣文件(SASI)，將航線號修改為對應的經(jīng)輻射校正的影像名稱。然后使用pbsbund命令進行迭代處理，在生成文件中查看是否有超限的控制點/連接點，并將超限的對應點刪除掉；重復pbsbund迭代命令，直到所有的控制點/連接點都滿足精度要求為止。

(4)光束法平差計算。對上一步無超限點的.in文件進行pbsbund多步處理，依次生成3個.out文件和3個.prs文件，幾何檢校的結果保存在第3個.prs文件中。與CASI不同的是，SASI需要分別對左右2個分割單元進行計算。

2.4 平差結果與精度

利用光束法平差對CASI/SASI機載高光譜系統(tǒng)進行檢校飛行，結合POS數(shù)據(jù)和地面控制點數(shù)據(jù)進行計算，最終得到了成像傳感器的平面位置、姿態(tài)、焦距和x軸光學中心位置的幾何校正參數(shù)。

控制點的整體平差精度見表2，CASI/SASI幾何檢校結果見表3。全部控制點均方根值優(yōu)于0.5 m，刺點均方根優(yōu)于1個像元。

表2 控制點整體平差精度Table 2 Overall adjustment accuracy of control point

表3 CASI/SASI幾何檢校結果Table 3 Geometric calibration results of CASI/SASI system

2.5 POS數(shù)據(jù)處理

POS/AV系統(tǒng)主要由4部分組成，分別為慣性導航系統(tǒng)(INS)、導航系統(tǒng)(GPS)、計算機系統(tǒng)(PCS)和數(shù)據(jù)后處理軟件包(POSPac)。在機載飛行中，GPS系統(tǒng)獲得平臺位置的坐標，INS系統(tǒng)則獲得飛機平臺實時的加速度和角速度，POSPac軟件包會通過導航算法融合得到實時平臺的位置坐標、加速度、角速度、姿態(tài)方位角和若干固定基站坐標等信息，通過“數(shù)學平臺”解算得到組合數(shù)據(jù)集合，即最優(yōu)組合導航解。軟件最終生成的為最優(yōu)平滑估計(SBET)文件。

使用上述檢校參數(shù)及POS解算結果對原始影像進行幾何校正，將校正后的結果與原始影像進行對比的情況如圖5所示。由于航線飛行方向為由南向北，因此校正前、后的方向相反，經(jīng)過幾何校正后的影像已被賦予了地理坐標信息，而且地物錯位得到了糾正。

圖5 CASI/SASI幾何校正前后對比Fig.5 Comparison of the raw data and the calibrated of the CASI/SASI systema.CASI幾何校正前；b.CASI幾何校正后；c.SASI幾何校正前；d.SASI幾何校正后

3 測區(qū)飛行及數(shù)據(jù)幾何精度

利用上述檢校飛行的結果，對后續(xù)測區(qū)飛行的高光譜數(shù)據(jù)進行了幾何校正。測區(qū)飛行相對高度為2 km，獲取的CASI/SASI數(shù)據(jù)空間分辨率分別為1 m/2.4 m。CASI波段數(shù)為96個，SASI波段數(shù)為100個。為了檢驗測區(qū)影像的幾何精度，我們在測區(qū)范圍內(nèi)采集了143個特征明顯的地面控制點，和經(jīng)過幾何校正的高光譜數(shù)據(jù)進行精度比對，對各點的坐標差計算出的均方根誤差見表4。

表4 CASI/SASI幾何精度Table 4 Geometric accuracy of CASI/SASI data

4 結論

(1)CASI/SASI傳感器集成到同一飛行平臺上，可同時進行數(shù)據(jù)獲取。通過檢校飛行，可以利用少量的地面控制點和POS數(shù)據(jù)來求解幾何校正參數(shù)，從而對測區(qū)的飛行數(shù)據(jù)進行幾何校正，并且?guī)缀尉容^高，得到符合要求的2級系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品[6]。

(2)由于測區(qū)為平原，地形起伏較小，因此在幾何校正過程中未使用DEM。在地形起伏較大的地區(qū)，需要使用精度高的DEM來消除因地形起伏而引起的誤差。

(3)由于飛行平臺的限制，相鄰條帶數(shù)據(jù)獲取時的飛行條件不一致，如飛行速度和高度等，因此相鄰條帶的幾何精度有所差異，在條帶拼接時會有地物錯位的情況出現(xiàn)。