禇 存,谢俊峰,3,刘 仁,莫 凡
(1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院,辽宁 阜新 123000;2.自然资源部国土卫星遥感应用中心,北京 100048;3.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)
随着我国全球地理信息资源建设步伐加快,面向境外或境内控制数据获取困难区域,仅依靠光学卫星影像难以满足大比例尺无控测图的高程精度要求。近年来,卫星激光测高仪作为新型测绘的重要利器,可实现高精度的地表高程测量,从而辅助提升无控条件下光学影像产品高程精度[1],已成为当前新型测绘地理信息技术的重要发展方向之一。
高分七号(GF-7)于2019年11月3日成功发射,卫星搭载的激光测高仪采用2波束、3Hz的重复频率对地观测[2]。经检校后高分七号卫星激光在平坦地区高程测量达到0.10 m[3]。资源三号03星(ZY3-03)继承和优化了资源三号02星的技术状态,其激光器采用多通道阈值法获取激光测高仪到地面距离。美国ICEsat-1卫星上搭载的GLAS(Cloud and Land Elevation Satellite)激光脉冲以每秒40HZ的频率在地球表面照出直径大约为70 m的亮斑,其高程精度达到15 cm[4]。
激光辅助光学影像联合处理对于提升高程精度起到至关重要的作用。近几年来许多科研工作者对此展开了较为深入的研究。王密[5]等将天绘一号卫星与GLAS联合平差,将影像高程精度由5.88 m提高至2.51 m。周平[6]等提取STRM高程数据辅助资源三号卫星影像进行联合,将高程精度从7.2 m提高到2 m。曹宁[7]等利用ZY3-02星激光辅助光学立体影像联合区域网平差实验,有效提升了光学立体影像的高程精度。以上学者主要采用单一卫星激光数据进行区域网平差实验。本文从全球测图应用需求出发,选取同一区域的资源三号立体光学影像和三颗卫星激光数据,分别进行联合平差试验,对比分析不同激光数据对提升资源三号卫星影像立体测图精度,为后续开展不同比例尺的全球激光与光学复合测绘提供精度参考。
2.1 有理函数模型
有理函数模型(Rational Function Model,RFM)作为各类传感器成像模型的一种更为广泛的表达,适用于各类传感器包括最新的航空或航天传感器。RFM模型用比值的形式将像点与地面点关联起来,定义公式如下:
(1)
其中,Pi(i=1,2,3,4)为多项式系数；
(rn,cn)和(Bn,Ln,Hn)分别为归一化后的像点坐标(r,c)和地面点坐标(B,L,H)。归一化公式为:
(2)
其中,r0,c0,P0,L0,H0为归一化的平移系数；
rs,cs,Ps,Ls,Hs为归一化的缩放系数。
2.2 基于有理函数模型的区域网平差
通常情况下,光学影像的RPC参数中残留一定的系统误差[8],需要采取误差补偿模型方案进行优化,利用高精度控制点可以纠正RPC参数的系统误差,纠正方法通常有两种:①是对全部的RPC参数进行修正,这种方法要求的地面控制点较多且待求参数存在相关性,导致求解相对困难;②在不改变原有RPC参数的基础上,增加对像点的仿射变换系数,该方法要求的控制点较少且补偿效果最好,因此本文选择第二种方法对仿射变换系数求解,该模型如下所示:
(3)
式中,(α0,α1,α2,β0,β1,β2)为影像的6个仿射变换系数,根据公式(3)按照泰勒展开式:
(4)
根据公式(4),可列出误差方程式:
V=Ax+Bt-l
(5)
其中,V为坐标观测值残差向量；
A为地面点坐标改正数对应的偏导矩阵；
B为仿射变换系数对应的偏导系数矩阵；
l为常数。求出仿射变换系数和连接点地面坐标改正数,通过设置阈值进行迭代,如果未知参数改正数大于限差,则对误差补偿模型系数和连接点地面坐标进行更新,进行新一轮的迭代计算,直到满足精度要求为止。
2.3 基于激光高程控制数据的区域网平差
传统的区域网平差是利用控制点的三维方向作为控制,而高程控制的区域网平差是建立卫星影像的高程方向平差。高程方向平差是指在平差过程中不求解加密点地面坐标值,仅计算补偿模型参数和加密点高程值的一种区域网平差方式。
当控制点为高程控制点时,可列出如下方程式:
(6)
将高程控制点、连接点的误差方程写成总误差方程为:
(7)
(8)
(9)
2.4 试验流程
本文基于卫星激光与光学影像区域网平差方法实验流程如图1所示。
图1 激光辅助光学影像高程精度评价流程图
根据上述流程,具体可以分为以下4个步骤:
(1)未加入激光高程控制点的平差处理:利用检查点点之记,分别在前视和后视影像上确定像点坐标,在激光控制点未加入前提下,开展自由网平差处理获取地面点坐标。
(2)提取激光高程控制点:为保证激光点高程精度,需要将三颗星在平坦地形的激光点筛选出来[9],其中GLAS数据直接提取14级产品中地面坐标。为了进一步保障激光点平面精度,首先将激光点Pi(Xi,Yi,Zi)投影至立体像对的pi点,由于pi不一定为地物特征点,因此以点pi为中心,在激光光斑对应的前视影像范围内提取特征点;其次在后视影像上找到同样位置点,通过前后视影像上的同名像点前方交会计算对应的pf地面点坐标Pc(Xf,Yf,Zf)最后利用激光高程点pi的高程点取代pf的高程坐标,形成地面高程控制点Pc(Xf,Yf,Zi),如图2所示。
图2 提取激光点示意图
(3)加入激光点的平高分离平差:分别将三颗卫星激光数据加入光学影像中平差,仿射变换参数初值为0,连接点的地面坐标初值为前方交会所得到的坐标值,通过最小二乘法不断迭代,直到改正数阈值满足要求,迭代结束。
(4)精度分析与对比:以外业实测控制点作为平差精度评定的检查点,评估激光未加入激光高程控制点的平差处理的三维精度以及比较不同激光点参与之后的平差精度。
3.1 实验数据
根据现有立体影像、三颗卫星激光数据可用情况,实验选取了天津地区ZY3-03星三线阵光学立体影像,数据获取时间是2021年1月30日,实验区域范围东经117.082586°～117.588833°,北纬38.83735°～39.168125°。按照激光点质量筛选条件,实验挑选了GF-7卫星第2086、2080轨激光,共10个点；
ZY3-03星第1925轨激光6个点和ICESat-1第0351、0155、1331轨激光10个点。数据分布如图3所示。
图3 实验区以及对应激光数据分布图
外业检查点为交叉路口或地物明显的操场边角,检查点像点坐标通过点之记在影像上通过人工量测所得,并保证量测精度优于0.5个像素,共有15个外业检查点。检查点实测地面坐标如表1所示。
表1 检查点实测地面坐标
3.2 实验分析
本实验首先对影像进行自由网平差处理,得到未加入任何激光点时的地面点坐标,随后利用实验区域内检查点进行精度验证,实验结果如表2所示。
表2 自由网平差结果
RFM模型前方交会精度如表3所示。
表3 RFM模型前方交会精度(单位:m)
本文分别在选定的光学影像中分别加入1、2、4、6、8、10个不同类型的激光点(ZY3-03星激光点仅有6个),开展区域网平差实验,用检查点验证对比分析。实验每次加入影像的激光点的分布如图4所示。图4(a)～(f)分别在实验区加入三种激光数据各1、2、4、6、8、10个分布图。
图4 实验区不同数量/类型激光点分布
加入不同激光点条件下对影像高程精度进行验证分析,得到结果如表4所示,对应的高程精度变化趋势图如图5所示。
图5 实验区高程精度随激光点个数变化情况
从表4可以看出,对单一卫星激光而言,随着激光点数量的增加,高程精度均有所提升,在加入1个GF-7、ZY3-03及GLAS激光点后,高程精度由原来的4.64 m分别提升到3.46 m、3.57 m、3.42 m,三种激光点提升效果相当。
表4 实验区高程精度对比分析
但是随着激光点数量的增加,不同卫星激光点的提升效果明显不同。如当影像中加入1～6个ZY3-03星激光点时,高程精度从3.57提升到了3.48 m,提升效果并不显著,而对比加入1～6个GF-7激光点与GLAS的结果来看,加入GF-7激光点之后影像的高程精度从3.46提升到2.45 m,GLAS从3.42提升到2.55 m并且达到最优,两种激光点的平差效果均好于ZY3-03星,原因在于两方面,1)资源三号03星激光点为单波束分布不入高分七号、GLAS激光点；
2)资源三号03星激光测高精度本身低于高分七号、GLAS激光点。结合图5和表4可以看出,随着GF-7与GLAS控制点的数量加入6～10个的时候,两颗卫星激光点参与后的平差精度变化程度较小,GLAS参与的高程精度没有继续提升而是略微降低。而GF-7参与后的平差精度依然在不断升高,但是提升效果不显著,在加入10个时,高程精度达到2.40 m,分析其原因在于GF-7号激光点经检校后的测高精度高于GLAS激光点。
综上,对比分析GF-7、ZY3-03、GLAS激光点加入ZY3-03星影像开展区域网平差试验来看,发现GF-7号激光点平差结果略优于GLAS测高数据,ZY3-03星激光点参与平差的效果相对较低。
本文将三类不同的星载激光高精度地面激光点作为高程控制点,参与ZY3-03星光学影像开展区域网平差,验证了星载激光点作为高程控制点提升光学影像高程经度的可行性。并通过实验,侧面分析了目前国内外现有三种卫星激光点高程精度。为后续星载激光参与开展全球无控制测图提供精度参考。主要结论如下:
(1)目前国内外主流的GF-7、ZY3-03、GLAS三颗卫星激光测高数据均可作为影像高程控制点,用于提高无控条件下光学影像测图精度。对比不同激光辅助ZY3-03星影像开展区域网平差实验后,ZY3-03星激光可提升影像精度到3.48 m；
GLAS可提升到2.55 m;GF-7可提升到2.40 m。
(2)由实验结果可知,激光点个数与光学影像的高程精度成正比关系,但是当影像中加入的激光点达到一定数量时,影像的高程精度波动较低,分析原因是受到激光点高程精度的限制。
(3)通过分析国内外三种激光数据辅助光学影像区域网平差之后影像精度,可知GF-7号卫星激光数据精度最好,GLAS略优于ZY3-03星。
由于受试验数据所限,本文仅对单景资源三号立体影像开展相关试验,后续将针对大区域联合平差开展试验,同时采用高分七号卫星立体影像、ATLAS激光点等数据参与平高控制分离平差实验。
猜你喜欢 控制点光学高程 滑轮组的装配初中生学习指导·中考版(2022年4期)2022-05-12海南省北门江中下游流域面积高程积分的应用资源信息与工程(2021年5期)2022-01-15光学常见考题逐个击破中学生数理化(高中版.高考理化)(2021年5期)2021-07-16顾及控制点均匀性的无人机实景三维建模精度分析全球定位系统(2021年1期)2021-03-268848.86m珠峰新高程当代陕西(2020年23期)2021-01-07基于二次曲面函数的高程拟合研究消费导刊(2017年8期)2018-01-18NFFD控制点分布对气动外形优化的影响北京航空航天大学学报(2017年4期)2017-11-23第2讲 光学知识专题复习中学生数理化·中考版(2016年2期)2016-09-10某垃圾中转站职业病危害预测和关键控制点分析安全(2015年6期)2016-01-19SDCORS高程代替等级水准测量的研究全球定位系统(2015年4期)2015-02-28