中国测绘科学研究院

3、天绘一号卫星影像定位精度分析

3.1、天绘一号卫星影像数据无控制交叉定位试验

试验中，我们通过国际上可公开获得的中高分辨率卫星遥感影像数据（ETM 15米分辨率纠正影像，UTM坐标系统）和DEM数据（SRTM 90米数据，WGS84坐标系）作为控制参考数据，来模拟试验境外目标区域国产天绘一号卫星遥感数据的交叉定位技术，从而为国产卫星遥感数据的无控制点几何精校正提供技术依据：

（1）首先采用人工量测方法，对比ETM 15米分辨率纠正影像量测一定数量的控制点，利用国产天绘一号卫星提供的有理函数模型RFM参数，进行国产天绘一号卫星2.0米分辨率全色影像数据的定位试验。在使用少于4个控制点定向时，定位精度在25-40米左右，且定向误差有较明显的系统性（主要表现为旋转特性）；在多于4个控制点时，天绘卫星影像的定位精度与量测控制点数量基本无关，可以达到10米左右的相对定位精度，即4-6像素。需注意的是，此时由于天绘一号卫星2.0米分辨率全色影像和作为控制影像的ETM 15米分辨率纠正影像之间存在较大的分辨率差异（差7.5倍），因此，同名点量测的精度对定向结果有较大影响。

图3：采用PixelGrid-SAT系统的全自动高精度影像匹配方式自动提取的控制点。其中左边为天绘5.0米分辨率三线阵影像数据；右边为ETM 15米分辨率纠正影像。自动提取的控制点数量为3572个，(相对)定位中误差为0.97像素，X方向最大误差为3.3像素；Y方向最大误差为3.1像素。

（2）采用PixelGrid-SAT系统的基于尺度/旋转不变性特征的全自动高精度影像匹配方式，对比ETM 15米分辨率纠正影像自动量测一定数量的控制点，利用天绘卫星提供的有理函数模型RFM参数，进行天绘 5.0米分辨率三线阵影像数据的全自动定位试验，试验结果见图3所示。由此我们可以看出，利用该方法，两套数据均可自动匹配足够数量且分布比较均匀的控制点，定位精度可以达到1像素（相对定位中误差），即5米左右的精度。

（3）采用PixelGrid-SAT系统的基于尺度/旋转不变性特征的全自动高精度影像匹配方式，对比ETM 15米分辨率纠正影像自动量测一定数量的控制点，利用天绘卫星提供的有理函数模型RFM参数，进行天绘 10米分辨率多光谱影像数据的全自动定位试验，试验结果见图4所示。由此我们可以看出，利用该方法，两套数据均可自动匹配足够数量且分布比较均匀的控制点，天绘10米分辨率多光谱影像数据的定位精度可以达到0.7个像素（相对定位中误差），即7.0米左右的精度。

图4：采用PixelGrid-SAT系统的全自动高精度影像匹配方式自动提取的控制点。其中左边为天绘卫星10米分辨率多光谱影像数据；右边为ETM 15米分辨率纠正影像。自动提取的控制点数量为4483个，(相对)定位中误差为0.69像素，X方向最大误差为2.2像素；Y方向最大误差为2.0像素。

3.1、天绘一号卫星影像稀少控制定位试验

我院在陕甘区域曾经进行过SPOT-5 HRS稀少控制区域网平差的试验，在该试验区内由陕西省第三测绘工程院于2006年共施测了GPS D级控制点68个，控制点平面坐标采用1980西安坐标系（第18投影带），高程采用1985国家高程基准；其平面精度优于1米，高程（正常高）精度优于1.2米。所测得像控点在试验区内均匀分布，地面间隔在30～50公里左右，且大多位于道路交叉口的中心，易于在影像中精确量测。

但是，由于我们所获得的天绘一号卫星影像覆盖范围较之SPOT-5来说要小得多，经分析后发现在天绘卫星影像覆盖范围内仅有2个地面控制点，因此，我们采用了如下方式进行天绘卫星影像的稀少控制区域网平差试验：

（1）利用SPOT-5 HRS进行全区域稀少控制区域网平差，并在所获得的天绘一号卫星影像覆盖范围内由人工量测分布均匀的加密点并计算这些加密点的坐标。在实验中，我们采所有的68个控制点进行SPOT-5 HRS的区域网平差，SPOT-5 HRS区域网平差精度为：RMSE-X = 3.48米；RMSE-Y = 3.90米；RMSE-Z = 1.40米。

（2）利用第一步获取的加密点进行天绘一号卫星影像的稀少控制区域网平差试验，加密点的分布和区域网平差精度见下表。需指出的是，由于所使用的SPOT-5 HRS和天绘卫星三线阵影像存在很大的时相差异，这些加密点的量测比较困难且精度不高，因此这里仅仅是初步对天绘卫星影像区域网平差的精度做出了评价，在后续工作中我们需要在试验区内根据天绘卫星影像数据布设并实测一定数量的控制点，以便进行进一步的精度分析。

图5(a)：试验中所量测的一个加密点，这些点一般为道路交叉口的中心，易于在影像中精确量测。

　　

图5(b)：试验中所量测的加密点的分布情况略图。其中左图为仅使用1个控制点进行区域网平差时各点上的误差矢量，由此可看出，各点的残差存在较大的系统性；右图为仅使用所有控制点进行区域网平差时各点上的误差矢量。

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控制点(检查点)数目　控制点残差（米）　检查点残差（米）

RMSE-X　RMSE-Y　RMSE-Z　RMSE-X　RMSE-Y　RMSE-Z

1（19）　--　--　--　17.15　23.35　20.04

5（14）　4.74　4.26　1.79　8.41　5.82　4.91

19（0）　6.15　5.31　3.41　--　--　--

4、天绘一号卫星三线阵影像DEM自动提取

PixelGrid-SAT系统的DEM/DSM自动提取模块采用了独特的基于多基线（多目视觉）、多重匹配特征的高精度匹配算法，且可以在多核心CPU环境下进行分布式并行处理。在试验中，我们使用一台8 CPU核心的普通图形工作站同时匹配2景天绘卫星三线阵立体影像，试验区全区25.0米DEM在试验程序运行约3.7小时后自动生成。在此过程中，充分利用天绘卫星三线阵立体影像的特点，共匹配特征点约3.2千万，特征线数目为近5百万，相当于在原始影像上匹配了一个3?3像素的密集格网，从而有利于25米间隔DEM的生成。由于在算法中将自动匹配的大量特征点、线进行融合并在局部影像范围内进行微细地貌的自动提取及匹配，因此获得的DEM不但很好的表达了成像地区的总体地形，也清晰准确的表达了地形较为破碎地区的微细地貌。试验结果可参见图6。

试验中，我们将自动匹配的DEM换算为影像坐标并在立体显示条件下将其叠加到立体影像对上进行人工目视检查，检查结果显示所提取的DEM与立体影像套合极好，几乎不需要对自动生成的DEM进行人工编辑。由于目前在试验区参考资料较为缺乏，我们无法得到该区精确的DEM数据作为精度评定，因此我们下一步将搜集试验区1：5万DEM数据作为参考进行自动提取DEM的精度分析。

图6(a)：全试验区25米间隔DEM晕渲图。成像地区为陕甘交界，该区域为黄土高原西北部，属典型的黄土地貌，黄土塬、梁、峁十分发育，地貌破碎。由此可看出获得的DEM很好的表达了成像地区的总体地形，也清晰准确的表达了地形较为破碎地区的微细地貌。

图6(b)：试验区局部25米间隔DEM晕渲图。由此可看出获得的DEM不但很好的表达了成像地区的总体地形，也清晰准确的表达了地形较为破碎地区的微细地貌。

图6(c)：试验区局部25米间隔DEM晕渲图。由此可看出获得的DEM不但很好的表达了成像地区的总体地形，也清晰准确的表达了地形较为破碎地区的微细地貌。

5、天绘一号卫星数据试验初步结论：

（1）天绘卫星可提供真正的5.0米分辨率同轨三线阵立体成像，前后视基线高度比约为0.6，且影像质量较好，有利于立体观察和自动影像匹配，但建议采用一定的影像预处理算法对原始影像进行增强处理。

（2）天绘卫星为国产测绘卫星，数据存档情况较好，现势性较好；其中高分辨率影像分辨率为2.0米。有利于进行1：50000数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）的内业采集。

（3）从试验结果可以看出，对于天绘三线阵标准景影像（60?60km2），需要至少4个像控点，且应尽量分布于影像的四角；从初步的试验结果来看，其区域网平差精度应可以满足我国1：50000测图的要求。

（4）天绘一号三线阵影像数据的分辨率较高，因此可以获得更高分辨率的DEM数据（理论上最高可获得25.0米间隔DEM），从天绘卫星影像数据中得到的DEM对地貌细节的表达好，精度高，有利于1：50000 DEM数据的自动采集。