《測繪學報》
構建與學術的橋樑 拉近與權威的距離
高分六號寬幅相機在軌幾何定標及精度驗證
王密1, 郭貝貝1
, 龍小祥
1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430079;
2. 中國資源衛星應用中心, 北京 100094;
3. 中國航天科工集團八五一一研究所, 江蘇 南京 210007;
4. 中國科學院電子學研究所, 北京 100190
收稿日期：2019-06-26；修回日期：2019-10-28
基金項目：國家重點研究發展計劃（2016YFB0501402）；國家傑出青年科學基金（61825103）；國家自然科學基金（41971422）
第一作者簡介：王密(1974-), 男, 博士, 教授, 研究方向為高分辨率光學遙感衛星數據處理。E-mail:[email protected]
通信作者：郭貝貝, E-mail: [email protected]
摘要：高分六號寬幅相機能夠實現單相機成像幅寬優於800 km，對大尺度地表觀測和環境監測具有獨特優勢。在軌幾何定標是光學遙感衛星幾何處理的關鍵環節，直接影響影像的幾何質量。本文充分考慮高分六號寬幅相機超大視場的畸變特性以及多譜段的成像特點，提出寬幅相機在軌幾何定標方法，採用基於探元指向角的幾何定標模型補償寬幅相機系統誤差，通過絕對定標和相對定標方法聯合估計各波段的內外定標參數。利用Landsat 8影像、資源三號DSM為參考數據，對寬幅相機進行絕對定標處理，再利用ASTER GDEM為參考數據進行相對定標處理，其幾何定標結果表明，高分六號寬幅影像絕對定位精度在3像素左右，內部幾何精度能穩定在1像素，且波段間配準精度在0.3像素以內，表明在軌幾何定標後高分六號寬幅影像幾何質量得到了明顯的提升。
關鍵詞：寬幅相機 絕對定標 相對定標 定位精度 配準精度
On-orbit geometric calibration and accuracy verification of GF-6 WFV camera
WANG Mi1, GUO Beibei1, LONG Xiaoxiang2, XUE Lin1, CHENG Yufeng3, JIN Shuying1, ZHOU Xiao4
1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
2. China Center for Resources Satellite Date and Application, Beijing 100094, China;
3. China Aerospace Science & Industry Corp 8511 Research Institute, Nanjing 210007, China;
4. Institute of Electrics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Foundation support: The National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0501402); The National Science Fund for Distinguished Young Scholars (No. 61825103); The National Natural Science Foundation of China (No. 41971422)
First author: WANG Mi(1974—), male, PhD, professor, majors in high-resolution optical satellite imagery data processing.E-mail:[email protected].
Corresponding author: GUO Beibei, E-mail: [email protected].
Abstract: The wide field of view(WFV) camera on GF-6 satellite can achieve the swath width up to 800 km by single camera, which has unique advantages for large-scale surface observation and environmental monitoring. On-orbit geometric calibration is a key technology of optical remote sensing satellite geometric processing, and directly affects the geometric quality of images. Considering the distortion characteristics of the ultra-large field of view and the imaging characteristics of multi-spectral bands for WFV camera, this paper proposes a method of on-orbit geometric calibration for WFV camera. The system errors of WFV camera are compensated by a geometric calibration model based on detector direction angle, and the calibration parameters of each band are estimated jointly by absolute calibration and relative calibration methods. Using Landsat 8 digital orthophoto image, ZY-3 digital surface modeland ASTER GDEM as reference data, the absolute calibration and relative calibration of WFV camera are processed. The geometric calibration results show that the absolute positioning accuracy of WFV image is about 3 pixels, the internal geometric accuracy is within 1 pixel, and the band-to-band registration accuracy is better than 0.3 pixels, which show that the geometric quality of GF-6 WFV camera has been significantly improved after on-orbit geometric calibration.
Key words: WFV camera absolute calibration relative calibration positioning accuracy registration accuracy
高分六號(GF-6)衛星是中國高分專項規劃中的一顆光學遙感衛星，是中國首顆精準農業觀測的高分衛星，結合了高分辨率和寬視場的成像特點。衛星於2018年6月2日在中國酒泉發射中心成功發射，運行在高度約644.5 km的太陽近極地圓形軌道。星上搭載了兩臺相機，一臺2 m全色/8 m多光譜高分辨率相機和一臺16 m多光譜中分辨率寬視場成像相機(寬幅相機)。GF-6衛星發射後與高分一號(GF-1)衛星組網，其不同於GF-1衛星4臺相機形成800 km的成像幅寬
[1]，GF-6衛星寬幅相機能夠實現單相機成像幅寬優於800 km，為國際同類衛星觀測幅寬的最高水平，對大尺度地表觀測和環境監測具有獨特優勢。衛星發射及運行過程中空間環境複雜多變，造成幾何成像參數的實驗室檢校值與在軌真實值存在較大的誤差[2]，直接影響影像的幾何處理精度，難以保證後續遙感應用的準確性。在軌幾何定標可對內外方位元素重新進行精確標定，旨在消除和補償衛星平臺外部系統誤差和相機內部系統誤差，是光學遙感衛星實現高精度幾何定位的關鍵環節[3-9]。資源一號(ZY-1)02B/02C[10-11]、資源三號(ZY-3)[12]、IKONOS[13] 、ALOS[14]、OrbView3[15]等國內外衛星均採用相機安裝矩陣和探元指向角模型分別描述和補償外部和內部系統誤差，通過基於定標場的在軌幾何定標方法對在軌運行時的幾何成像參數進行了精確標定，可消除和補償內外系統誤差，進而實現了高精度的幾何定位。這種定標方法依賴於高精度的定標場數據，對於多光譜相機，如果採用這種基於定標場的幾何定標方法對各波段分別進行定標，分時成像的各波段成像狀態不同，難以保證波段間的配準精度。文獻[16]提出一種無需地面實際定標場的相對定標方法。該方法選擇一個已定標的波段作為參考，對波段間的相對幾何畸變進行標定和補償，基於幾何關係實現了ZY-3衛星多光譜相機波段間高精度配準，相較於圖像匹配的像方配準方法，這種基於幾何的物方配準方法不受限於影像質量，且在理論上具有嚴密性[16-17]。而GF-6衛星寬幅相機成像視場大，採用八譜合一的焦面設計，各波段間存在較大的輻射差異，波段間同名點難以匹配，使得單一參考波段的傳統相對定標方法難以適用。如何對GF-6寬幅相機進行幾何定標，保證影像高精度的幾何質量，是本文解決的關鍵問題。
針對GF-6衛星寬幅相機的成像特點，本文采用絕對定標和相對定標結合的方法，實現寬幅相機各波段內外定標參數的在軌幾何標定，並充分驗證了影像的幾何精度。
1 高分六號寬幅相機成像特點
GF-6衛星寬幅相機採用新型超大視場的離軸四反射式光學系統結構形式，視場角達到65.64°，受鏡頭畸變的影響，中心成像和邊緣成像的幾何特性存在較大的區別。相機焦面設計如圖 1，相機共8個波段(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，各個波段光譜範圍見表 1，每個波段由8片互補金屬氧化物半導體探測器(CMOS)光學拼接而成。寬幅相機的8個波段在焦平面上沿軌方向平行排列，在相機測量座標系下，寬幅相機各波段視場中心像元靠近像主點邊緣垂直線陣方向的指向角(離軸角)不同，B1波段和B8波段離軸角差異最大，分別為13.763 6°和14.796 4°，最大成像距離差達到10.2 km。線陣推掃成像方式導致不同波段間的影像成像時間存在時間延遲。同時相機安裝時充分考慮了光學系統成像畸變、地球曲率、光軸傾斜引入的投影畸變等因素，為保證各波段成像幾何模型最優，而採用焦面傾斜的方式，使寬幅相機光軸與衛星本體+Z軸之間的夾角為9.05°。寬幅相機在軌成像時，相機焦面各譜段像元對應物方景物方位如圖 2所示，像方各片CMOS與實際地物方位相反。
圖 1 寬幅相機焦面設計與安裝Fig. 1 Alignment of CMOS-chips on the focal plane and illustration of WFV camera installation in satellite imaging coordinate system
圖選項
表 1 GF-6衛星寬幅相機主要參數Tab. 1 The detailed information of WFV camera on GF-6 satellite
<table><thead>綠波段(B2):0.52~0.59
紅波段(B3):0.63~0.69
近紅外波段(B4):0.77~0.89
紅邊波段1(B5):0.69~0.73
紅邊波段2(B6):0.73~0.77
紫波段(B7):0.40~0.45
黃波段(B8):0.59~0.63
相鄰CMOS重疊120像元
表選項
圖 2 寬幅相機成像幾何關係Fig. 2 Imaging diagram of WFV camera
圖選項
2 高分六號寬幅相機在軌幾何定標方法2.1 在軌幾何定標模型
GF-6衛星發射前對寬幅相機幾何成像參數進行了嚴格的實驗室標定。然而，受發射和運行過程中空間複雜環境的影響，導致各參數實驗室值與在軌真實值間存在偏差。光學遙感衛星成像鏈路極其複雜，使得幾何誤差種類多樣，在軌幾何定標可對系統誤差進行標定與補償，通過相機安裝矩陣對外部系統誤差進行標定，並採用探元指向角模型對內部系統誤差進行描述[2]。
探元指向角模型如圖 3所示，像元P(x,y,f)在相機座標系下的指向角為(φx, φy)，像元指向Vimage 可表示為
圖 3 探元指向角模型Fig. 3 The diagram of detector direction angle model
圖選項
(1)
式中，s表示寬幅相機線陣CMOS像元探元號。採用三次多項式對Vimage像元指向進行擬合
(2)
式中，(a0,a1,
a2,a3,b0,b1,b2,b3)為多項式係數，將其作為內定標參數。基於探元指向角模型構建寬幅相機的幾何定標模型如下
(3)
式中，B=B1, B2, …, B8，表示波段序號；n=1, 2, …, 8，表示CMOS的片號；Rbodycam代表衛星本體座標系到相機座標系的旋轉矩陣；(pitch, roll, yaw)為相機安裝角，作為外定標參數，為內定標參數的解算提供參考相機座標系[11]。
2.2 絕對定標方法
以高精度的數字正射影像(DOM)和數字高程模型(DEM)為參考數據，通過絕對定標確定參考波段的相機參數。參考波段是後續對其他波段進行定標的參考基準，選擇合適的參考波段至關重要。考慮到本文以Landsat 8全色波段的正射影像為絕對定標的參考DOM，其光譜範圍為0.50~0.68 μm[18]，能夠完全覆蓋GF6衛星寬幅相機B2波段的光譜範圍(表 1)，兩者的輻射特性最接近，使得參考DOM與待定標的B2波段影像更容易匹配到足夠多的同名點，從而能夠在解算定標參數時提供更多的約束，保證參數解算的精度。因此對於GF-6衛星寬幅相機，本文選取B2波段為絕對參考波段。B2波段由8片CMOS拼接而成，考慮到寬幅相機超大視場會造成嚴重的鏡頭畸變，導致各片CMOS具有不同的成像特性，因此需要對B2波段的8片CMOS分別進行定標。而外部定標參數為內定標確定了廣義的相機座標系，同一個相機的各片CMOS共用一組外部定標參數，因此只需對B2波段的一片CMOS進行外部定標。相機焦面中間部分受鏡頭畸變影響最小，為了避免外定標參數引入額外的誤差，選擇視場中間片(如圖 1中的第4片或第5片，本文將CMOS4作為中間片)用於外定標。基於中間片確定的外定標參數，對8片CMOS分別進行內定標，確定各片的內部定標參數。
絕對定標具體的處理步驟如圖 4。利用各項輔助數據和實驗室定標參數構建B2第4片CMOS影像的幾何定標模型，基於與DOM和DEM參考數據匹配得到的控制點信息，採用最小二乘法[19]解算B2波段第4片CMOS的內、外定標參數。利用解算的外定標參數、實驗室內部參數及輔助數據構建其他各片的定標模型，基於匹配的控制點信息解算其他各片的內定標參數，完成絕對參考波段的幾何定標。
圖 4 絕對參考波段的定標流程Fig. 4 Absolute calibration for WFV camera
圖選項
2.3 相對定標方法
相對定標以一個波段作為參考數據，基於波段間的同名像點信息，對波段間的相對幾何畸變進行標定。寬幅相機8個譜段間輻射差異較大，難以匹配同名點，單一參考波段的相對定標方法不再適用。B7和B8波段以絕對定標的B2波段為參考基準時，實際情況下的匹配效果不好，控制點在數量和分佈上都不能滿足相對定標的要求，因此本文選擇寬幅相機的B2和B6作為參考波段，B1到B6波段以B2為參考波段，B7和B8波段以B6為參考波段。具體的定標流程見圖 5，由於寬幅相機的超大視場會造成嚴重的鏡頭畸變，導致每個波段的8片CMOS具有不同的畸變特性，為了精確標定待定標波段各片CMOS相對於參考波段的各項內部畸變，需要對待定標波段的8片CMOS分別進行相對定標。首先以B2為參考波段，依次對B1、B3、B4、B5和B6波段各片進行相對定標，以確定各片的內部定標參數；再以B6波段為參考，對B7和B8波段各片進行相對定標，實現波段間的配準。對待定標波段的各片分別執行以下步驟。
圖 5 寬幅相機相對定標方法與流程Fig. 5 Relative calibration for WFV camera
圖選項
(1) 利用標定的外部參數、實驗室內部參數及各項輔助數據構建相對定標模型。
(2) 獲取相對定標控制點，對參考波段和待定標影像匹配特徵點，得到連接點像方座標，利用已標定的參考波段構建嚴格成像模型，在DEM上內插連接點的物方座標，即可建立連接點在待定標波段上的像方座標與物方座標的映射關係。
(3) 利用得到的控制點信息，採用最小二乘平差解算各項內部參數。
3 試驗與分析3.1 試驗數據
本文試驗首先對基於定標景的定標參數進行精度分析，再利用其他非定標景影像作為測試景進行幾何精度驗證。所採用的試驗數據均為經輻射、幾何處理後的寬幅相機一級標準產品，其中用於絕對幾何定標的寬幅影像覆蓋中國北部(圖 6(a))；用於相對定標的影像覆蓋紋理特徵豐富的荒漠地區(圖 6(b))，使波段間能匹配到足夠多的連接點，保證參數解算的精度；用於精度測試的影像成像時間、成像狀態不同，可驗證定標參數的可靠性和穩定性。
圖 6 定標景覆蓋範圍Fig. 6 The coverage areas of the images used for calibration
圖選項
由於寬幅影像幅寬過大，沒有能夠完全覆蓋8片CMOS全部探元的大範圍高精度地面定標場數據，因此絕對定標時選取的參考DOM不是傳統的地面定標場數據，而是Landsat 8全色波段生產的正射影像，其地面分辨率為15 m，平面幾何精度優於12 m[20]；選取對應的DEM數據為資源三號(ZY-3)生產的數字表面模型(DSM)，其地面分辨率為2 m，高程精度優於5 m
[21]。相對定標時選取的參考DEM為ASTER GDEM提供的高程數據，其地面分辨率為30 m，高程精度優於17 m[22]。同時Landsat 8正射影像和ASTER GDEM也作為測試景的參考數據，用於驗證測試景的幾何精度。選取的參考數據的精度對寬幅相機幾何定標的影響是亞像素級的，其中ZY-3生產的DSM數據的分辨率(2 m)和精度(5 m)均小於寬幅相機的0.3像元；Landsat 8全色正射影像的精度(12 m)對絕對定標的影響小於寬幅相機的1像元，且後續的亞像素級的內部精度測試結果也表明選取Landsat 8全色影像作為參考影像是可行的；根據文獻[17]中有關高程誤差對配準誤差的影響分析可得到，對於寬幅相機，相對定標時採用ASTER GDEM的高程精度(17 m)對寬幅相機波段間定標的影響也遠小於0.3像元。此外，用於解算幾何定標參數的控制點是基於影像匹配自動量測得到的，同名點的匹配精度也會影響幾何定標的精度，本文采用的高精度SIFT算法能夠實現優於0.3像元的匹配精度[23]，因此可以保證定標的精度。
寬幅相機8波段合成的8片CMOS拼接的整景影像數據量過大(約13 GB)，不便於後續處理，因此寬幅相機傳感器校正
[24]後的實際標準產品為分塊的影像。如圖 7所示，寬幅相機一級標準產品分為左、中、右3塊，第7、8片CMOS影像構成第1塊，第3、4、5、6片CMOS影像構成第2塊，第1、2片CMOS影像構成第3塊。本文試驗有關整景的測試均分為3塊進行。
圖 7 寬幅相機一級標準產品影像分塊圖(絕對定標景為例)Fig. 7 The 3 blocks of the WFV first level image
圖選項
3.2 定標精度分析
3.2.1 絕對定標精度
將絕對定標景B2波段的第4片中間片作為主片，以Landsat8全色波段正射影像為參考DOM，將B2波段第4片影像與參考DOM匹配同名點，同名點的物方座標可在參考DOM和DEM上直接獲取，試驗中得到54 384個同名點作為控制點來解算內外定標參數。為保證解算的精度，使這些控制點在垂軌方向上覆蓋每個探元，在沿軌方向儘可能分佈在較小的一段區域內[25]。利用匹配的控制點信息解算得到的外定標參數如表 2所示。
表 2 外定標參數標定前後統計Tab. 2 External calibration parameters of WFV camera
<table><thead>表選項
基於外定標參數確定的廣義相機安裝矩陣，依次對B2波段的8片CMOS進行內部參數的標定，補償內部系統畸變誤差。基於B2波段定標的相機參數，生產絕對定標景的一級標準產品，對其B2波段3塊影像的定位精度進行測試，結果見表 3，其垂軌和沿軌方向的定位精度均在1個像素以內，表明寬幅相機外部系統誤差和B2波段的內部畸變誤差得以精確的標定和補償。
表 3 絕對定標景B2波段3塊影像定位精度Tab. 3 The positioning accuracy of 3 blocks of B2 after absolute calibration
<table><thead>表選項
3.2.2 相對定標精度
以絕對定標後的B2為參考波段，ASTER GDEM為參考DEM，基於外部定標參數確定的廣義相機安裝矩陣，依次對B1、B3、B4、B5和B6波段各片進行相對定標，再以相對定標後的B6為參考波段，依次對B7和B8波段各片進行相對定標，得到各波段各片的內定標參數。基於8個波段的定標參數，測試相對定標景一級標準產品的波段配準精度，結果見表 4，3塊影像波段間配準精度均優於0.3像素，表明波段間的相對幾何畸變得以消除和補償。
表 4 相對定標景3塊影像波段配準精度Tab. 4 The registration accuracy of 3 blocks of calibration image
<table><thead>像
緯度
角
波段
波段
對
定
標
景
34.5°N)
表選項
對相對定標後定標景波段間的配準效果進行目視評價，如圖 8所示，配準效果均以B2波段為參考進行對比，從中能看出各波段均能與B2波段很好地配準。雖然理論上B6波段以B2為參考相對定標後的誤差會累積到B7/B8以B6為參考的相對定標中，但從實際的配準效果圖(圖 8(f)和圖 8(g))可以觀察得到，這種影響十分微小，進一步說明本文相對定標方法可以實現高精度的波段配準。
圖 8 相對定標後寬幅相機波段間配準局部效果(以B2波段為參考，灰色顯示)Fig. 8 The local effect of band-to-band registration of WFV camera after relative calibration
圖選項
3.3 幾何精度驗證
上述試驗分析了用於確定定標參數的定標景的幾何精度，為保證定標結果的可靠性和適用性，有必要對其他非定標影像的幾何精度進行驗證。本文隨機選取10景不同時間成像的影像進一步驗證寬幅影像幾何定標參數的精度。其中6景用於測試幾何定位精度，4景用於測試波段間配準精度。10景測試影像均為基於幾何定標參數生產的一級標準產品。
GF-6寬幅相機的幾何定標是對焦面上8×8片CMOS分別進行的，在測試整景的幾何精度之前，有必要先對相鄰片間重疊區的定位一致性進行測試，以驗證分片定標是否能保證相鄰片間的無縫拼接。利用相鄰片間重疊區的相對定位誤差測試得到的片間拼接精度結果見表 5，能看出在垂軌(X)和沿軌(Y)方向上左右相鄰片間的拼接誤差均小於0.2像素，能滿足無縫拼接的精度要求。
表 5 測試景相鄰片間的拼接精度Tab. 5 The mosaicking accuracy between adjacent CMOS of test image
<table><thead>表選項
由於用單景影像進行絕對定標時，定標參數會不可避免地補償一些隨機誤差[11]，而對於其他不同成像時間、不同成像狀態的非定標影像來說，這些被消除的隨機誤差會成為非定標景的系統誤差，因此在分析非定標影像的定位精度時，分為絕對定位精度和內部幾何精度，絕對定位精度可直觀地反映影像與參考影像間的定位誤差；而內部幾何精度是對影像進行仿射變換後的定位殘差[19]，表示影像內部畸變的相對誤差。表 6列出了6景影像各塊的定位精度，可看出絕對定位精度在3像素左右(平面精度)，最大定位誤差為4.054像素，最小定位誤差為1.966像素，複雜運行環境引起影像存在隨機誤差，導致絕對定位精度在不同的成像時間存在微小的波動；而消除隨機誤差後這6景測試影像的內部幾何精度基本穩定在1像素，表明幾何定標有效地補償了影像內部畸變。
表 6 測試景影像的幾何定位精度Tab. 6 The positioning accuracy of test images
<table><thead>編號
時間
緯度/(°)
角/(°)
33.6°N)
12.9°N)
40.2°N)
38.0°N)
31.3°N)
40.2°N)
表選項
利用選取的其他4景影像測試波段間的配準精度，如圖 9列出4景影像各塊的配準精度，可看出波段間的配準精度同定標景的精度一致，也在0.3像素以內(平面精度)，表明採用的相對定標方法能夠有效地消除波段間的相對畸變誤差，實現寬幅相機高精度的波段配準。
圖 9 測試景的波段配準精度Fig. 9 The registration accuracy of test images
圖選項
4 總結
本文針對高分六號寬幅相機的成像特點，提出寬幅相機在軌幾何定標方法，首先採用絕對定標對參考波段的內外定標參數進行標定，再以已定標的波段為參考，採用相對定標方法對其他波段的內定標參數進行標定，實現了寬幅相機各波段幾何成像參數的在軌定標。通過試驗分別分析了絕對定標和相對定標的精度，定標結果表明寬幅相機內外部系統誤差和波段間相對幾何畸變誤差均得到了精確的標定和補償；並隨機選取了不同成像時間、不同成像狀態的多組測試景進一步驗證幾何定標參數的幾何精度，多組測試影像均具有較高的定位精度和波段配準精度，測試結果充分驗證了本文在軌幾何定標方法的有效性和可靠性。
致謝:本文試驗用到的數據由中國資源衛星應用中心提供，在此表示衷心感謝！
【引文格式】王密, 郭貝貝, 龍小祥, 等. 高分六號寬幅相機在軌幾何定標及精度驗證. 測繪學報，2020，49(2)：171-180. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190265
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