王晉, 張勇, 張祖勛, 等： ICESat激光高程點(diǎn)輔助的天繪一號(hào)衛(wèi)星影像立體區(qū)域網(wǎng)平差

王晉1 , 張勇1,2 , 張祖勛1 , 李曉3 , 陶鵬杰1,4 , 宋孟肖1    

1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430079;
2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 武漢 430079;
3. 中國天繪衛(wèi)星中心, 北京 102102;
4. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430079

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0503004)

摘要：無地面控制點(diǎn)(簡稱無控)區(qū)域網(wǎng)平差是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像無控測圖的一項(xiàng)重要技術(shù)，對于境外和外業(yè)測控困難區(qū)域的測圖具有重要意義。然而，無控區(qū)域網(wǎng)平差的定位精度一般難以滿足對應(yīng)比例尺測圖規(guī)范要求。利用公開、可穩(wěn)定獲取的公眾地理信息數(shù)據(jù)輔助區(qū)域網(wǎng)平差，是提高衛(wèi)星影像無控定位精度的有效途徑，其中ICESat激光高程點(diǎn)便是一種良好的高程控制數(shù)據(jù)。為了提高天繪一號(hào)衛(wèi)星影像無控定位精度，本文提出ICESat激光高程點(diǎn)輔助的衛(wèi)星影像模型法立體區(qū)域網(wǎng)平差 *** 。首先，以30 m分辨率SRTM估算的地形坡度作為限制條件，結(jié)合激光高程點(diǎn)自身質(zhì)量評價(jià)信息，自動(dòng)提取高質(zhì)量ICESat激光高程點(diǎn)；其次，利用自動(dòng)匹配的連接點(diǎn)進(jìn)行模型法自由網(wǎng)平差，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像幾何定位精度的相對一致性(內(nèi)部一致性)；最后，將激光高程點(diǎn)自動(dòng)量測至衛(wèi)星影像作為控制點(diǎn)，其平面坐標(biāo)根據(jù)自由網(wǎng)平差結(jié)果前方交會(huì)計(jì)算而得，高程坐標(biāo)取自激光點(diǎn)高程，再次進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差精化定向參數(shù)，提高衛(wèi)星影像的絕對高程精度。最后本文利用山東全省的天繪一號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文 *** 的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：無地面控制點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)平差    ICESat    RPC    天繪一號(hào)    

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引文格式：王晉, 張勇, 張祖勛, 等. ICESat激光高程點(diǎn)輔助的天繪一號(hào)衛(wèi)星影像立體區(qū)域網(wǎng)平差. 測繪學(xué)報(bào)，2018，47(3)：359-369. DOI: 10.11947/j.AGCS.2018.20170425.

閱讀全文：http://html.rhhz.net/CHXB/html/2018-3-359.htm  

衛(wèi)星影像的精度不僅取決于影像測量精度, 而且取決于事后處理控制點(diǎn)的幾何分布和精度。然而, 全球測圖難免遇到無控制點(diǎn)或少控制點(diǎn)區(qū)域, 如我國青藏高原、云貴高山峽谷、西北沙漠等外業(yè)測控困難區(qū)域以及境外大量無可用控制點(diǎn)區(qū)域。所以, 近年來, 立體衛(wèi)星影像無控區(qū)域網(wǎng)平差逐漸引起了廣泛的關(guān)注。衛(wèi)星影像無控區(qū)域網(wǎng)平差是指在缺少外業(yè)控制的條件下, 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像定位精度的相對一致性且盡可能地提高對地定位精度。

無控區(qū)域網(wǎng)平差的對地定位精度受到衛(wèi)星影像質(zhì)量、初始定位精度、地形起伏等因素的影響。為了提高對地定位精度, 國內(nèi)外研究人員開展了一系列的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]研究了采用多次覆蓋的衛(wèi)星影像進(jìn)行無控區(qū)域網(wǎng)平差 *** , 可改善衛(wèi)星影像無控定位精度; 文獻(xiàn)[2]研究并實(shí)現(xiàn)了覆蓋全國范圍的8802個(gè)資源三號(hào)三線陣立體像對在無控制條件下整體一張網(wǎng)的平差, 達(dá)到無控制測圖精度優(yōu)于5 m的目標(biāo); 文獻(xiàn)[3]利用更高定位精度的高分辨率衛(wèi)星影像(如GeoEye、WorldView等)或航空影像作為控制條件, 也取得了較好的效果。除此之外, 已有的地理信息數(shù)據(jù), 如數(shù)字正射影像(digital orthophoto map, DOM)和數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM), 也可以作為控制數(shù)據(jù), 輔助衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差[4]。隨著公眾地理信息數(shù)據(jù)種類的多樣化和精度的提升, 平差過程中引入公開且可穩(wěn)定獲取的公眾地理信息數(shù)據(jù)(如Google Earth影像、SRTM DEM)也逐漸成為衛(wèi)星影像無控平差的可選擇方式。其中ICESat衛(wèi)星獲取的激光高程點(diǎn)數(shù)據(jù)就是一種重要的公眾地理信息數(shù)據(jù)。ICESat衛(wèi)星是NASA于2003年發(fā)射的一顆地球觀測衛(wèi)星, 星上攜帶有NASA設(shè)計(jì)的地面高程激光測量系統(tǒng)(geoscience laser altimeter system, GLAS), ICESat衛(wèi)星兼顧了地形及地面植被高度測量、云層高度及其垂直結(jié)構(gòu)測量、海洋高程測量等科研任務(wù)。雖然ICESat衛(wèi)星已于2009年10月停止了工作, 但是所獲取的大量的激光觀測數(shù)據(jù)仍然具有重要的應(yīng)用價(jià)值, 這些觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于冰川高度變化監(jiān)測[5-7]、湖泊河流水位高度變化監(jiān)測、植被高度統(tǒng)計(jì)[8-9]、數(shù)字高程模型的精度評價(jià)等方面[10-11]。

雖然ICESat激光高程點(diǎn)具有較高的測量精度, 但是利用其輔助衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差方面的研究才剛剛起步。文獻(xiàn)[12]開展了ICESat激光高程控制點(diǎn)自動(dòng)提取 *** 的研究, 取得了初步的成果, 能有效保證提取的高程控制點(diǎn)的絕對高程精度。文獻(xiàn)[13-14]討論了二線陣影像聯(lián)合激光測距數(shù)據(jù)進(jìn)行光束法平差的可行性, 并進(jìn)行了模擬數(shù)據(jù)試驗(yàn), 結(jié)果表明, 利用激光測距數(shù)據(jù)參與二線陣影像光束法平差, 能有效改善航線模型系統(tǒng)變形并保持較小的上下視差。文獻(xiàn)[15]利用嫦娥一號(hào)衛(wèi)星三線陣光學(xué)影像和激光測高數(shù)據(jù), 采用局部表面約束的聯(lián)合平差思想進(jìn)行集成處理, 最終生成了月球表面三維數(shù)字表面模型, 為探測器落月選址奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[16-17]采用經(jīng)過篩選后的ICESat激光測高數(shù)據(jù)作為廣義高程控制點(diǎn), 將平面和高程控制分離, 輔助資源三號(hào)進(jìn)行三線陣立體區(qū)域網(wǎng)平差, 驗(yàn)證了ICESat激光點(diǎn)輔助衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差的正確性和可行性; 其試驗(yàn)結(jié)論為未來我國發(fā)射激光測高衛(wèi)星, 開展衛(wèi)星激光測高與光學(xué)立體影像聯(lián)合處理提供了很好的參考。

綜上所述, 在衛(wèi)星影像攝影測量處理中引入ICESat激光測高數(shù)據(jù)是十分有意義的。然而, 激光高程點(diǎn)輔助衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差, 目前僅停留在平差原理和模型的研究以及小范圍數(shù)據(jù)試驗(yàn)階段。本文設(shè)計(jì)了一種ICESat激光高程點(diǎn)自動(dòng)篩選提取方案, 并提出了一種模型法衛(wèi)星影像立體區(qū)域網(wǎng)平差 *** 。為驗(yàn)證該 *** 的有效性和可行性, 本文采用山東全省的天繪一號(hào)衛(wèi)星三線陣影像和ICESat激光測高數(shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn), 利用外業(yè)檢查點(diǎn)對其進(jìn)行精度評定, 并討論了不同激光高程控制點(diǎn)布設(shè)方案對區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果的影響。

雖然GLAS標(biāo)稱的測距精度為15 cm[9](測距方向?yàn)榻拼怪狈较? 在平坦地區(qū)地形高度變化較小, 測距精度近似于高程精度), 但在實(shí)際測量過程中, 由于激光脈沖往返經(jīng)過大氣層, 大氣分子及氣溶膠會(huì)對激光脈沖產(chǎn)生散射、能量衰減、光斑漂移、波形展寬等多重影響, 地表的高反射率和云層的前向散射也會(huì)引起回波波形的過飽和, 使得測距精度下降。因此, 有必要從龐大的點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中提取出適用于高程控制的GLAS激光點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn), 利用GLAS L14數(shù)據(jù)記錄的激光點(diǎn)質(zhì)量評價(jià)參數(shù)(如飽和度改正標(biāo)記i_satCorrFlg, 反射率參數(shù)i_reflctUncor等)和其他地表測量數(shù)據(jù)(如SRTM DEM, ASTER DEM)組合對GLAS點(diǎn)進(jìn)行篩選, 可以達(dá)到較好的篩選效果。但是該研究采用90 m分辨率的SRTM DEM(SRTM 3″)作為參考標(biāo)準(zhǔn), 而GLAS光斑本身只有70 m直徑, 在更好的情況下, 單個(gè)GLAS光斑也只能覆蓋4個(gè)參考DEM格網(wǎng), 導(dǎo)致地面的坡度與粗糙度估計(jì)困難, 給GLAS點(diǎn)篩選造成不確定性。從2014年起美國陸續(xù)向全球用戶免費(fèi)開放30 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)SRTM 1″, 與SRTM 3″一樣, SRTM 1″覆蓋了全球56°S-60°N范圍, 標(biāo)稱的絕對高程精度為16 m(LE90), 相對高程精度為10 m(LE90), 但是具有更高的分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量[18]。針對以上問題, 本文采用30 m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)計(jì)算得到的地表坡度作為限制條件, 同時(shí)根據(jù)GLAS本身的質(zhì)量評價(jià)信息進(jìn)行控制點(diǎn)篩選, 具體流程如圖 1所示。

在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn), 很多GLAS激光高程點(diǎn)與SRTM的高程之差達(dá)1000多米, 部分原因是GLAS發(fā)射的脈沖遇到厚云即反射, 導(dǎo)致測量高度異常; 此外, 地面坡度較大的地區(qū), 如果星下點(diǎn)誤差較大, 也導(dǎo)致高程點(diǎn)精度異常, 于是, 必須首先進(jìn)行坡度估計(jì), 并剔除兩類高程異常點(diǎn)。最后, 通過GLAS點(diǎn)本身記錄的點(diǎn)質(zhì)量評價(jià)信息對剩余的點(diǎn)做進(jìn)一步篩選, 即可獲取較為可靠的高程控制點(diǎn)。本文采用上述 *** 對山東測區(qū)的ICESat原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了可用點(diǎn)提取, 并以1:10 000比例尺的DEM產(chǎn)品為參考, 對提取的可用點(diǎn)進(jìn)行高程精度評定。參考DEM覆蓋山東全省約15.8萬km2, 地形以平地為主(約占55%), 丘陵和山地為輔(各占13%和16%), 其余為其他地形, 評價(jià)的GLAS激光高程點(diǎn)共11 395個(gè)。高程點(diǎn)篩選情況如表 1所示, 利用SRTM高差、SRTM坡度、大氣散射增益和飽和度改正參數(shù)4個(gè)限制條件各剔除了3.6%、43.2%、26.2%和10.6%, 利用最終保留的1836個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行精度評定, 與參考DEM的高差的均值為0.296 m, 中誤差為1.223 m, 評定結(jié)果充分證明了可用點(diǎn)提取 *** 的有效性。

表 1 基于SRTM的GLAS激光高程點(diǎn)篩選依據(jù)與結(jié)果Tab. 1 The statistical result of GLAS laser points based on SRTM

表選項(xiàng)

從表 1也可以看出, 利用SRTM坡度條件剔除的比例更高, 達(dá)到了43.2%, 因此, 保留的高程點(diǎn)都位于地形平緩的平地區(qū)域, 將其作為高程控制點(diǎn)更加合理。

2.1 衛(wèi)星影像有理函數(shù)模型

由于具有傳感器參數(shù)保密性、成像模型簡單性與通用性的優(yōu)點(diǎn)[19], 目前高分辨率衛(wèi)星影像的成像模型一般采用有理函數(shù)模型(rational function model, RFM)。RFM是將像點(diǎn)坐標(biāo)(Sample, Line)表示為以相應(yīng)地面點(diǎn)空間坐標(biāo)(P, L, H)(其中P為緯度,L為經(jīng)度, H為高程)為自變量的多項(xiàng)式的比值

(1)

式中

(2)

式中, b0和d0通常為1;(Pn, Ln, Hn)為正則化的地面坐標(biāo); (cn, rn)為正則化的影像坐標(biāo)

(3)

式中, LINE_OFF、SAMP_OFF、LONG_OFF、LAT_OFF、HEIGHT_OFF為正則化平移參數(shù); LINE_SCALE、SAMP_SCALE、LONG_SCALE、LAT_SCALE、HEIGHT_SCALE為正則化比例參數(shù)。上述式(2)中多項(xiàng)式的系數(shù)ai、bi、ci、di(0≤i≤19)和式(3)中的正則化系數(shù)稱為有理多項(xiàng)式系數(shù)(rational polynomial coefficient, RPC)。

綜合式(1)與式(3), 有理函數(shù)模型建立的像素坐標(biāo)(Sample, Line)與空間坐標(biāo)(P, L, H)的關(guān)系式如式(4)所示

(4)

2.2 模型法區(qū)域網(wǎng)平差

一般情況下, 衛(wèi)星影像的RPC參數(shù)是由在軌幾何標(biāo)定后的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算獲得, 雖然衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過在軌幾何標(biāo)定后精度有了很大提高, 但是依然會(huì)殘留一定的系統(tǒng)誤差, 所以由此擬合得到的RPC參數(shù)往往也具有系統(tǒng)誤差。研究表明, 該系統(tǒng)誤差可通過定義在像方的一個(gè)仿射變換來進(jìn)一步改正[20]

(5)

式中, Line和Sample是連接點(diǎn)或控制點(diǎn)的像方量測坐標(biāo); Line′和Sample′則是根據(jù)式(4)計(jì)算的連接點(diǎn)或控制點(diǎn)的投影坐標(biāo); a0、as、aL、b0、bs、bL為像方仿射變換參數(shù)。

衛(wèi)星影像立體區(qū)域網(wǎng)平差的目的在于:①消除衛(wèi)星影像立體像對內(nèi)部各影像之間的上下視差; ②使得不同立體像對之間的同名觀測具有相同的空間坐標(biāo); ③在有控的條件下, 平差解算的加密點(diǎn)空間坐標(biāo)與其控制點(diǎn)空間坐標(biāo)差異性最小。也就是通過平差調(diào)整衛(wèi)星影像的定向參數(shù), 使得同名光線相交至一致位置, 且與實(shí)際地面的差異性最小。

與文獻(xiàn)[20]提出的衛(wèi)星影像光束法區(qū)域網(wǎng)平差 *** 不同, 本文提出衛(wèi)星影像模型法立體區(qū)域網(wǎng)平差 *** 。其基本原理為:以衛(wèi)星立體像對(模型)為單元, 在原始RPC的基礎(chǔ)上, 通過空間前方交會(huì)計(jì)算連接點(diǎn)在所有立體像對中的空間坐標(biāo), 并將空間坐標(biāo)的均值作為其空間加密坐標(biāo), 然后使用式(5)逐一計(jì)算每張影像的像方仿射變換參數(shù); 重復(fù)以上過程, 直至前后兩次迭代的像點(diǎn)中誤差變化量小于一定的閾值為止。其原理示意如圖 2所示。

圖 2中3條紅線和黃線分別表示兩個(gè)三視衛(wèi)星立體像對的3張影像, 分別組成模型1和模型2。在平差之前, 對于兩個(gè)立體像對上的一個(gè)連接點(diǎn)利用原始RPC參數(shù)進(jìn)行空間前方交會(huì), 由于各影像的RPC參數(shù)具有一定系統(tǒng)誤差, 導(dǎo)致模型1和模型2中像點(diǎn)的對應(yīng)光線不能交會(huì)至一致位置。如圖 2(a)所示, 連接點(diǎn)在模型1和模型2中, 更優(yōu)交會(huì)空間點(diǎn)分別為P1和P2兩點(diǎn)。平差過程中, 計(jì)算P1和P2兩點(diǎn)的平均位置P, 并將其作為控制點(diǎn), 根據(jù)式(5)調(diào)整每張影像的定向參數(shù)(即像方的仿射變換參數(shù), 相當(dāng)于空間后方交會(huì)), 從而使得同名光線相交至點(diǎn)P所在位置。

衛(wèi)星影像模型法立體區(qū)域網(wǎng)平差的流程如圖 3所示。

該流程可概括為“空間前方交會(huì)”-“均值化連接點(diǎn)地面坐標(biāo)”-“單片定向”3個(gè)關(guān)鍵性步驟, 具體如下:

(1) 空間前方交會(huì):以立體模型為單位, 使用影像的原始RPC參數(shù)和仿射變換改正參數(shù)(每張影像的像方仿射變換改正參數(shù)初值為0), 對連接點(diǎn)進(jìn)行空間前方交會(huì), 計(jì)算連接點(diǎn)在每個(gè)模型中的空間坐標(biāo)(本文稱為模型坐標(biāo))。將式(3)代入式(1), 然后將其按照泰勒公式展開至一次項(xiàng), 得到式(6)

(6)

于是, 空間前方交會(huì)的誤差方程式為式(7), 利用多個(gè)像點(diǎn)觀測聯(lián)立方程式(7), 即可解算像點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)

(7)

(2) 均值化連接點(diǎn)地面坐標(biāo):由于不同立體模型的直接對地定位精度不同, 所以步驟(1)計(jì)算的同一連接點(diǎn)在不同模型中的前方交會(huì)坐標(biāo)各不相同。通過計(jì)算連接點(diǎn)在所有立體模型的模型坐標(biāo)均值, 并將其作為連接點(diǎn)的地面坐標(biāo), 從而逐步消除模型坐標(biāo)的不一致。在有控的情況下, 通過空間相似變換, 將連接點(diǎn)地面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對地面坐標(biāo)。由于測區(qū)范圍較大, 空間相似變換使用地心地固坐標(biāo)。

(3) 單片定向:根據(jù)式(5)可得單片定向的誤差方程式(8), 將步驟(2)得到的連接點(diǎn)作為“虛擬控制點(diǎn)”, 按式(8)逐影像進(jìn)行單片定向, 計(jì)算每張影像的仿射變換改正參數(shù)

(8)

式中, ΔL和ΔS為像點(diǎn)殘差。

采用迭代計(jì)算, 每次迭代結(jié)束后更新影像的仿射變換參數(shù)。計(jì)算相鄰兩次像點(diǎn)中誤差的變化值, 若中誤差變化小于預(yù)定閾值, 迭代結(jié)束。

從上述過程可以看出, 本文提出的衛(wèi)星影像模型法區(qū)域網(wǎng)平差的實(shí)質(zhì)為:通過一致化連接點(diǎn)在各立體模型中前方交會(huì)的地面坐標(biāo), 實(shí)現(xiàn)自由網(wǎng)定向(衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部一致性); 通過一致化連接點(diǎn)的地面坐標(biāo)與對應(yīng)控制點(diǎn)的外業(yè)坐標(biāo), 實(shí)現(xiàn)絕對定向(衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)與地面控制點(diǎn)間的外部一致性)。

2.3 ICESat激光高程點(diǎn)輔助的平差精化

ICESat激光高程點(diǎn)標(biāo)稱的高程精度為15 cm, 該精度是現(xiàn)有國內(nèi)外高分辨率立體衛(wèi)星影像無控定位所難以達(dá)到的。天繪一號(hào)01星的無控定位的平面和高程中誤差分別為10.3 m和5.7 m[21], 資源三號(hào)衛(wèi)星三線陣立體影像經(jīng)過在軌幾何標(biāo)定之后無控定位的平面和高程中誤差約為15 m和8 m[22-23], GeoEye-1衛(wèi)星GeoStereo級別立體像對無控定位的LE90精度為6 m[24]。因此, ICESat激光高程點(diǎn)可以用來作為高程控制進(jìn)行輔助衛(wèi)星影像的區(qū)域網(wǎng)平差。

ICESat激光高程點(diǎn)輔助的平差精化的核心是自動(dòng)提取ICESat高程控制點(diǎn)。考慮到ICESat光斑直徑約70 m, 平面精度為10.6±4.5 m[25], 當(dāng)衛(wèi)星影像(自由網(wǎng)平差后)平面精度較高(優(yōu)于15 m), 可認(rèn)為激光點(diǎn)與影像區(qū)域網(wǎng)平面位置套合較好, 此時(shí), 在平坦區(qū)域, 由于高程變化小, 可將激光點(diǎn)高程賦予其光斑范圍內(nèi)空三加密點(diǎn), 作為高程控制條件。本文提取ICESat高程控制點(diǎn)的原理如圖 4所示。

對于ICESat激光高程點(diǎn)Pi, 其地面坐標(biāo)為(Xi, Yi, Zi), 首先, 將其投影至基準(zhǔn)衛(wèi)星影像的pi點(diǎn), 由于點(diǎn)pi不一定為顯著特征點(diǎn), 因此以點(diǎn)pi為中心, 在ICESat激光高程點(diǎn)光斑對應(yīng)的影像范圍內(nèi)提取影像特征點(diǎn)pf; 其次, 通過影像匹配自動(dòng)獲取特征點(diǎn)pf在其他影像上的同名像點(diǎn), 通過多張影像的前方交會(huì)計(jì)算該同名像點(diǎn)對應(yīng)地面點(diǎn)Pf的坐標(biāo)(Xf, Yf, Zf); 最后, 使用ICESat激光高程點(diǎn)Pi的高程取代點(diǎn)Pf的高程, 形成地面控制點(diǎn)Pi_control(Xf, Yf, Zi)。

根據(jù)以上 *** 依次處理測區(qū)范圍內(nèi)的所有ICESat激光高程點(diǎn), 得到多個(gè)ICESat高程控制點(diǎn), 重新進(jìn)行有控條件下的區(qū)域網(wǎng)平差, 計(jì)算ICESat激光高程點(diǎn)輔助條件下的影像定向參數(shù)。

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

天繪一號(hào)是我國之一代傳輸型立體測繪衛(wèi)星, 主要用于科學(xué)研究、國土資源普查、地圖測繪等領(lǐng)域的科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)。天繪一號(hào)01星、02星、03星分別于2010年8月24日、2012年5月6日和2015年10月26日發(fā)射成功, 現(xiàn)已組網(wǎng)運(yùn)行。天繪一號(hào)衛(wèi)星采用GPS進(jìn)行定軌, 其中01星與02星采用單頻GPS, 定軌精度為2~3 m, 03星采用雙頻GPS, 定軌精度優(yōu)于1 m。

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)為天繪一號(hào)衛(wèi)星三線陣立體(正視與前后視之間的交會(huì)角為25°)影像數(shù)據(jù)和ICESat/GLAS激光測高數(shù)據(jù), 其中影像地面分辨率為5 m, 共2166張(包含01星、02星、03星3顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù), 初始定位精度不一致), 組成了722個(gè)立體模型。影像攝自2010年至2016年間, 涉及不同時(shí)相與不同季節(jié), 平均同一個(gè)地方有3次覆蓋, 地面范圍覆蓋整個(gè)山東省(約15.8萬km2)。試驗(yàn)區(qū)域地形復(fù)雜, 中部山地突起, 東部主要為丘陵, 西部主要為平原。為評定本文平差 *** 處理后影像的絕對定位精度, 通過外業(yè)GPS測量了96個(gè)高精度的野外控制點(diǎn)(平面精度與高程精度均優(yōu)于0.1 m), 作為檢查點(diǎn)使用。

天繪一號(hào)衛(wèi)星影像和ICESat/GLAS激光高程控制點(diǎn)的地理位置如圖 5所示, 其中藍(lán)色方框表示影像中心, 黑色實(shí)心點(diǎn)表示激光高程控制點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)方案

(1) 自動(dòng)匹配連接點(diǎn):采用多級金字塔物方連接點(diǎn)匹配 *** [26]匹配影像間的連接點(diǎn), 在匹配過程中使用SRTM數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助。SRTM的作用為:首先, 用于改正地形引起的影像幾何變形, 提高匹配的精度和成功率; 其次, 用于預(yù)測匹配點(diǎn)的初始位置, 對于兩張待匹配影像中基準(zhǔn)影像上的像點(diǎn), 將其前方交會(huì)至SRTM獲得地面點(diǎn)坐標(biāo), 然后再投影至匹配影像, 投影位置即為匹配位置的初值。

(2) 無控自由網(wǎng)平差:使用自動(dòng)匹配獲得連接點(diǎn), 進(jìn)行無控制條件下的模型法區(qū)域網(wǎng)平差, 計(jì)算影像像方仿射變換改正參數(shù)和連接點(diǎn)的地面坐標(biāo)(即空三加密坐標(biāo))。

(3) ICESat高程控制點(diǎn)自動(dòng)選取與輔助平差:按前文介紹的ICESat激光高程點(diǎn)輔助平差精化 *** , 自動(dòng)選擇ICESat高程點(diǎn)并將其高程賦予對應(yīng)連接點(diǎn), 作為控制點(diǎn), 進(jìn)行有控條件下的區(qū)域網(wǎng)平差。

(4) 精度驗(yàn)證:以外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)作為平差精度評定的檢查點(diǎn), 分別檢查無控條件和ICESat激光高程點(diǎn)輔助條件下兩種平差模式的高程精度。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 ICESat高程控制點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)

試驗(yàn)1:完全無控條件下的區(qū)域網(wǎng)平差。

試驗(yàn)2:ICESat高程控制點(diǎn)輔助的區(qū)域網(wǎng)平差。利用全測區(qū)內(nèi)自動(dòng)提取的1839個(gè)激光高程控制點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差。

以上兩組試驗(yàn)均使用96個(gè)外業(yè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度評定, 兩種情況下檢查點(diǎn)的高程殘差分布分別如圖 6與圖 7所示, 其中X軸為經(jīng)度, Y軸為緯度, 單位為度, 紅色方向表示高程殘差方向, 朝上為正(紅色), 朝下為負(fù)(藍(lán)色), 箭頭矢量長度表示高程殘差的大小。

兩種情況下檢查點(diǎn)的精度比較見表 2。

試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1) ICESat激光高程點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差可顯著提高高程定位精度。在完全無控條件下, 檢查點(diǎn)的平面精度X、Y方向分別為8.45 m和6.86 m, 高程精度為5.88 m; ICESat激光高程點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差后, 檢查點(diǎn)平面精度基本保持不變, 高程精度則有顯著改善, 提高至2.51 m。

(2) 可有效消除無控區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部扭曲。如圖 6所示, 在完全無控情況下, 測區(qū)左右兩端檢查點(diǎn)高程殘差為負(fù), 而中部檢查點(diǎn)高程殘差為正, 且殘差值較大, 說明在完全無控情況下, 區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部具有一定程度的扭曲; ICESat激光高程點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差后, 整個(gè)測區(qū)檢查點(diǎn)的高程殘差大小基本一致, 見圖 7, 且與所處的區(qū)域無關(guān), 由此說明區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部扭曲問題得到有效消除。

3.3.2 不同ICESat高程控制點(diǎn)布設(shè)方案的平差試驗(yàn)

采用不同的ICESat激光高程控制點(diǎn)布設(shè)方案, 采用23個(gè)GLAS條帶的激光高程點(diǎn)進(jìn)行輔助區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn)。提取了1839個(gè)激光高程點(diǎn), 垂直條帶方向以100 km間隔, 選取9個(gè)GLAS條帶, 對于每個(gè)條帶沿軌道方向按不同間隔選取激光高程點(diǎn), 共選取5個(gè)布設(shè)方案, 其點(diǎn)位分布情況和平差結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表 3, 高程殘差分布見圖 8。

表選項(xiàng)

從上述對比試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

(1) 在軌道兩端布點(diǎn)時(shí), 全測區(qū)高程控制點(diǎn)僅分布在測區(qū)邊緣, 雖然檢查點(diǎn)的高程精度從5.88 m提升至5.05 m, 但是提升幅度不大, 且由于測區(qū)內(nèi)部沒有高程控制點(diǎn), 平差后仍然會(huì)出現(xiàn)局部扭曲(圖 8(a)中部偏左處紅色箭頭區(qū)域)。

(2) 隨著ICESat激光高程點(diǎn)數(shù)量增多, 檢查點(diǎn)的高程精度將會(huì)提高(如圖 8(b)、(c)、(d)所示), 而且區(qū)域網(wǎng)的內(nèi)部扭曲也會(huì)得到抑制; 當(dāng)采用沿軌方向以20 km間隔均勻布點(diǎn)時(shí), 區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部扭曲基本消除。然而, 以上選點(diǎn)方案所能達(dá)到的高程精度都不及使用全測區(qū)所有的1839個(gè)激光高程點(diǎn)進(jìn)行整體平差的精度, 因此, 建議在實(shí)際生產(chǎn)中使用滿足質(zhì)量要求的所有ICESat激光高程點(diǎn)。

(3) 增加山區(qū)激光高程控制點(diǎn)對高程精度有較大改善作用。方案5在方案4基礎(chǔ)上增加了位于山區(qū)的激光高程點(diǎn), 檢查點(diǎn)的高程精度由3.46 m提升至3.18 m, 且區(qū)域網(wǎng)的局部扭曲得到進(jìn)一步抑制, 圖 8(d)中部偏下區(qū)域的更大正誤差(最長的紅色箭頭)在圖 8(e)中明顯變小。

為了改善衛(wèi)星影像無控區(qū)域網(wǎng)平差的高程精度, 本文使用ICESat/GLAS激光高程點(diǎn)作為輔助, 提出了一種ICESat激光高程點(diǎn)輔助的衛(wèi)星影像模型法立體區(qū)域網(wǎng)平差 *** , 并利用山東全省的天繪一號(hào)衛(wèi)星三線陣影像進(jìn)行了多組區(qū)域網(wǎng)平差試驗(yàn), 試驗(yàn)表明:①無控情況下, 檢查點(diǎn)高程精度為5.88 m; 利用測區(qū)內(nèi)自動(dòng)提取的1839個(gè)ICESat高程控制點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差時(shí), 高程精度可提升至2.51 m; ②在測區(qū)內(nèi)選擇布設(shè)ICESat高程控制點(diǎn)時(shí), 平坦地區(qū)沿軌道方向間隔80 km即可, 而在山區(qū)需要布設(shè)盡可能多的ICESat高程控制點(diǎn)。

本文 *** 對于未來改善國產(chǎn)高分辨率立體測繪衛(wèi)星無控測圖精度和提高生產(chǎn)效率具有參考價(jià)值。然而, 目前將激光測高數(shù)據(jù)用于高分辨率衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差仍然存在著一些問題, 例如, ICESat與天繪一號(hào)衛(wèi)星軌道不一致, 不能保證參與平差的激光高程控制點(diǎn)均勻分布。隨著未來ICESat-2衛(wèi)星和高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星的發(fā)射, 我們將有機(jī)會(huì)使用更多的激光測高數(shù)據(jù)和國產(chǎn)高分辨率立體測繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn), 以進(jìn)一步驗(yàn)證和提高本文 *** 的穩(wěn)定性。

之一作者簡介：王晉(1988-), 男, 博士生, 研究方向?yàn)楹娇铡⒑教鞌z影測量。E-mail:chdrs_wj@163.com

通信作者：張勇, E-mail:00008694@whu.edu