测绘学报 | 王建荣：高分十四号立体测绘卫星无控定位精度初步评估

引言

光学卫星摄影测量是获取全球地理空间数据的有效手段，光学摄影测量卫星已经实现了从返回型到传输型的跨越^[1^-2^]，正在向集成型和智能型方向发展^[3^]。为了实现全球无地面控制测绘，光学卫星通常搭载三线阵或两线阵立体相机采用“全球连续覆盖”摄影模式获取全球范围的立体影像，从而实现全球范围内重点地物的精确三维定位以及地理信息产品测制^[4^]。高分辨率商业遥感卫星采用单线阵相机摄影模式进行窄幅间断扫描成像，采用同轨侧摆成像或异轨成像构成立体像对用于大比例尺制图，受制于影像幅宽和立体成像能力等因素，很难进行全球摄影覆盖，如IKONOS、QuickBird、WorldView系列、SPOT-6/7及Pleiades卫星等^[5^-8^]。以三线阵CCD相机为有效载荷的“全球连续覆盖”摄影模式测绘卫星，从20世纪的美国的MAPSAT卫星方案^[9^]，到后来德国的MOMS-02、法国的SPOT-5、日本的ALOS-1以及我国的TH-1、ZY-3等，经30年时间取得了长足发展。国外的卫星MOMS-02、SPOT-5、ALOS-1等卫星起步较早，经过系统定位精度检测发现，无控定位精度均未满足1∶50 000比例尺测图要求，即未满足平面精度12 m(RMS)和高程精度6 m(RMS)的要求^[10^-12^], 不过国外测绘卫星的进步对我国测绘卫星的发展提供了有益的借鉴和重要参考。我国的TH-1卫星采用LMCCD相机和多功能等效框幅相片(EFP)光束法平差理论^[13^-14^]，经过TH-1的01和02星的反复实践，TH-1 03星无控定位精度达到平面3.70 m(RMS)和高程2.40 m(RMS)^[15^]，实现了高精度无控定位的工程目标。ZY-3卫星借助激光测距仪，经过大区域空三处理后，影像的平面和高程精度提高到5 m(RMS)，满足1∶50 000测图精度要求^[16^-18^]。

印度Cartosat-1卫星，以两线阵相机为有效载荷获取全球立体影像，其影像分辨率2.5 m，幅宽35 km，用于实现无控1∶50 000测绘目标。但经地面系统测试后无控工程目标并未实现，于是常采用至少6个地面控制点参与后期影像处理，并且指出Cartosat-1不适合全球DSM的生成^[19^-20^]。我国高分七号和高分十四号卫星均采用激光测高和两线阵相机的摄影体制^[21^]，采用“全球连续覆盖”摄影模式获取全球范围的立体影像，高分七号01星于2019年11月3日成功发射，主要用于有地面控制点条件下测制1∶10 000比例尺测绘产品^[22^-23^]。2020年12月6日发射的高分十四号卫星，是我国“高分辨率对地观测系统”专项“十三五”的收官星，用于实现无控高精度定位和1∶10 000比例尺测绘产品测制。同时，该卫星采用了先进的多载荷一体化对地观测技术，一次摄影可同步获取两线阵影像、多光谱影像及高光谱影像等，同时获取一定采样频率的全波形激光测距数据、足印影像以及星相机摄影数据。本文介绍了高分十四号卫星的有效载荷及其性能，论述了地面测绘处理流程，重点对卫星影像的无控定位精度进行了分析评估。

1 高分十四号卫星有效载荷

高分十四号卫星采用两台推扫式CCD测绘相机对地面景物进行成像，两台相机交会角为31°，其中前视相机+26°、后视相机为-5°，全色相机地面分辨率0.6 m，多光谱相机的地面分辨率2.4 m，幅宽均为40 km。高光谱相机可获取100个波段，其中可见近红外分辨率5 m，短波红外分辨率10 m，幅宽均为9.9 km。

为了提高高程精度，卫星上还搭载3波束激光测距系统，三束激光成品字形排列，激光测距仪用于在摄影时刻测量地球表面的3个倾斜距离，并记录未经滤波的回波波形。同时，激光测距仪还具有对激光地面足印区域的成像功能，将地面足印区域的图像与测绘相机获取的图像进行匹配，可以精确判断激光测距仪所测地面点的位置信息。卫星平台上还搭载2台高精度星相机(测量精度1″)和一套光轴位置测量装置，其中2台星相机分别观测星空的不同区域恒星图像，经过星图识别及姿态计算等实现单台星相机姿态计算，最后通过双星相机数据联合定姿在轨实现摄影时刻姿态角的精确计算。光轴位置测量装置用于获取前、后视相机和星相机相对于基准元件相互位置变化(三轴)以及前视、后视相机和星相机焦距变化数据，从而实现对在轨摄影期间相机夹角、焦距的实时变化测量及监测。

2 高分十四号卫星影像地面处理

2.1 地面处理流程

(1) 根据星上下传各类原始码流数据，完成对码流数据的解密、去压缩、解格式等实时处理，生成0级影像。

(2) 在0级影像基础上，进行辐射校正、CCD拼接处理以及光谱恢复等处理，生成1A级影像。

(3) 利用数字化标定场提供的控制点数据、测绘基础数据以及激光探测器接收数据等，进行激光测距系统及两线阵相机几何参数的几何标定，实现激光测距仪和相机参数的精确在轨标定。

(4) 利用1A级卫星影像、星相机数据、激光测距数据、全轨道GNSS数据、光轴位置记录仪数据、几何标定数据和辅助测量数据等，完成精密定轨、精密定姿、激光数据辅助空中三角测量平差处理等^[24^]，精确解算摄影时刻的外方位元素和地面加密点坐标。

(5) 对两线阵影像进行有理函数建模，利用精确解算出的外方位元素和加密点坐标，进行RPC参数解算、精化等，形成标准格式规范的1B级卫星影像产品。

基本流程如图 1所示。

图 1 高分十四号卫星地面处理流程Fig. 1 Ground processing flow of GF-14 satellite

图选项

2.2 地面测绘成果

基于两线阵立体影像，不仅可以生成常规的测绘产品(如DEM、DOM及DLG等)，还利用全色影像和多光谱影像融合生产各类彩色影像。本文给出部分测绘产品样图，其中图 2为2021年1月获取大兴机场全色影像与多光谱影像融合生成0.6 m分辨率彩色影像，图 3为2021年4月获取两线阵影像自动生成DSM后制作的三维晕渲图，图 4为生成的0.6 m分辨率全色正射影像，图 5为全色正射影像融合多光谱数据后生成的0.6 m分辨率彩色正射影像。同时利用高光谱影像数据，具备地物要素精细分类、典型区域地质要素属性信息解译等能力，图 6为2021年3月获取某机场高光谱影像及其对不同要素分类的结果。

图 2 大兴机场融合影像Fig. 2 Fusion image of Daxing airport

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图 3 DSM生成的晕渲图Fig. 3 Shaded map generated by DSM

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图 4 全色正射影像Fig. 4 Panchromatic orthophoto image

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图 5 彩色正射影像Fig. 5 Color orthophoto image

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图 6 高光谱影像及其分类结果Fig. 6 Hyperspectral images and their classification results

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3 高分十四号卫星无控定位精度检测

高分十四号卫星自2020年12月发射至2022年2月，已经获取全球范围内陆地4368万平方千米影像数据，约占全球陆地面积的30%。为客观评估高分十四号卫星影像的无控定位精度，开展了相机参数在轨标定和光束法平差处理。首先利用国内定标场数据对相机几何参数进行在轨标定，定标场基础控制数据为高精度DOM和DEM数据，均满足1∶2000比例尺制图精度要求。选用2021年2月12日获取的江苏盐城定标场影像，对相机参数进行在轨定标。同时，在宁夏区域布设5000个激光探测器，对激光测距参数进行在轨标定。基于两线阵相机和激光测距仪参数在轨标定结果，结合星上光轴位置实时记录数据(在轨相机焦距、夹角变化值)，综合进行光束法平差处理，从1A级生成1B级影像产品，基于1B级影像进行几何性能验证与分析。

3.1 国内区域精度检测

试验区域位于西藏自治区南部，面积约4000 km²，海拔为3700~6800 m，地形为丘陵和山地，2022年2月利用高分十四号卫星获取了该地区单航线和区域网立体影像，进行了单模型无控定位和区域网平差无控定位精度检测。

(1) 单模型无控定位精度检测。基于1B级影像构建立体模型，在1景影像范围内(40 km×40 km)选择9个高精度控制点作为检查点(图 7)，进行无控定位精度统计，统计结果见表 1。

图 7 单模型检查点分布Fig. 7 Distribution of check points in single model

图选项

表 1 单模型无控定位精度统计Tab. 1 Statistics of location accuracy without GCPs in single model m

注：ΔX为计算出地面点坐标与检查点坐标在X方向上的差值，ΔY为计算出地面点坐标与检查点坐标在Y方向上的差值，为平面方向差值，Δh计算出地面点坐标与检查点坐标间大地高差值，下同。表选项

(2) 区域网平差无控定位精度检测。利用两轨影像进行两景影像的区域网平差，选择13个高精度控制点作为检查点(分布如图 8所示)，进行无控定位精度统计，统计结果见表 2。

图 8 区域网平差检查点分布Fig. 8 Distribution of check points in block adjustment

图选项

表 2 区域网平差无控定位精度统计Tab. 2 Statistics of location accuracy without GCPs after block adjustment m

表选项

由表 1、表 2可知：高分十四号卫星影像单航线无控定位精度达到平面1.80 m(RMS)、高程0.80 m(RMS)，经过区域网平差后，无控定位精度达到平面2.27 m(RMS)、高程0.43 m(RMS)，高程精度从0.80 m(RMS)提高至0.43 m(RMS)，但平面精度有所下降，为0.47 m，特别是左边一景中整体平面误差都在2 m以上，个别点(如010、006等)平面误差大到3.27 m(RMS)。分析原因，可能与该航线影像摄影时卫星技术状态有关(如姿态测量精度、平台稳定度等)，也不排除个别地面控制点本身测量精度，但坐标不符值均小于2倍均方根误差，仍参与精度统计中。后续将针对多景影像区域网平差开展进一步试验研究。

此外，计算结果表明单航线无控定位精度与区域网平差后精度相当，表明高分十四号卫星在轨性能较为稳定，利用单航线影像就可以快速实现高精度定位，无须多次摄影构成区域网后提高定位精度。

3.2 国外区域精度检测

为了系统评估高分十四号卫星影像在境外地区的几何性能，在国外选择3个检测场进行单航线无控定位精度检测，检测区域摄影日期范围为2021年3月至2021年5月。基于1B级影像建立单模型，利用一定数量的控制点作为检测点，进行无控定位精度检测，统计结果见表 3。

表 3 无控定位精度统计Tab. 3 Statistics of location accuracy without GCPs

注：μ_p为平面位置均方根误差^[25^]，μ_h为大地高均方根误差，μ_XYh为三轴坐标综合均方根误差。

表选项

为了进一步分析误差的特性，选择2021年3月摄影检测场数据进行逐个点平面和高程误差的分析，各点位误差分布如图 9、图 10所示。

图 9 2021年3月17日摄影检测场平面误差分布Fig. 9 Distribution horizontal errors of test field photographed on March 17, 2021

图选项

图 10 2021年3月17日摄影检测场高程误差分布Fig. 10 Distribution vertical errors of test field photographed on March 17, 2021

图选项

从国外3个检测场单航线无控定位精度统计结果(表 1)看，高分十四号卫星国外地区无控定位精度平面1.76 m(RMS)、高程0.82 m(RMS)，与国内无控定位精度相当。结果表明：即使高分十四号卫星相机参数在轨标定时间与平差航线影像获取时间相差一年多，经过光轴位置记录器和激光测距数据联合处理后，无控摄影测量全球定位精度基本一致，无须国外建立标定场即可实现全球高精度测图。由图 9和图 10可知，所有检查点的高程误差都分布在0附近，说明高程误差中没有明显的系统误差，能够较可靠地反映高分十四号卫星影像的高程精度；平面精度虽然能够稳定在3 m(RMS)以内，但仍有大约1 m左右的系统误差存在，对于该系统误差的分析，将在后期工作中开展进一步研究。

4 结论

高分十四号卫星采用全球连续覆盖模式实施立体成像摄影，高稳定性、低畸变的两线阵立体相机是获取高质量影像的前提，高精度激光测距数据是保证高程精度的重要条件，光轴位置记录器数据可以有效保证平面精度及其全球定位精度的一致性。经过地面测绘处理中各类数据的综合运用及关键技术攻关，实现了所有设计指标。经国内外检测场定位精度检测，单航线无控定位精度国内平面1.80 m(RMS)、高程0.80 m(RMS)，国外平面1.76 m(RMS)、高程0.82 m(RMS)；经区域网平差后，无控定位精度平面2.27 m(RMS)、高程0.43 m(RMS)。结果表明，卫星无论有无地面控制点支持，高分十四号摄影测量均能满足测制1∶10 000比例尺测绘产品的精度要求^[26^-27^]，实现了我国全球连续覆盖模式的光学摄影测量卫星无控定位技术跨越，无控定位精度较高分七号卫星(平面3.57 m(RMS)、高程0.79 m(RMS)^[23^]) 和美国WorldView-3卫星(平面1.50 m(RMS)、高程1.60 m(RMS)^[8^])均有明显优势。同时，无论在国内区域还是国外区域，其定位精度基本保持一致，表明基于国内标定场数据，其定标结果适用于全球高精度定位，且有效保证精度的一致性^[27^]，无须国外建立定标场或通过多条带区域网平差，即可实现无控高精度定位。