GF-6卫星WFV影像几何定位误差特性分析

李慧娜，吉笑笑，韩 杰，关小果

(1.许昌学院电气与机械工程学院，461000，河南，许昌；2.许昌学院城市与环境学院，461000，河南，许昌)

0 引言

卫星影像几何定位精度是决定基于卫星遥感数据开展高精度反演信息提取的重要因素，只有在准确掌握其几何定位特性后，才能有针对性的建立相关校正模型，消除其定位误差，进而提高空间信息提取精度。目前，众多学者针对国产高分辨率卫星传感器特点，开展了卫星影像几何定位精度评价研究。如刘其悦等人建立了基于地基数据和参考影像数据的卫星影像几何产品真实性检验流程[1]。韩杰和谢勇以ZY-3卫星传感器校正产品为参考，对GF-1卫星WFV传感器四相机影像几何定位精度进行长时间序列评价，并开展了相关的定位误差补偿理论探讨[2]。黄世存等人以1:5万比例尺数字正射影像为参考，对GF-1卫星PMS影像在平原和山区的几何定位精度进行评价[3]。樊文锋等人在对正射纠正后的GF-2卫星影像几何定位精度进行评价后，验证了在少量控制点的辅助下，GF-2卫星影像可以满足全地形1:1万和山地1:5万比例尺地形图的更新要求[4]。徐文等人针对静止轨道GF-4卫星面阵成像特点，在构建其几何成像模型后，评价了该卫星影像数据的几何定位精度[5]。同时，徐文等人通过对ZY-3卫星三线阵TLC影像进行几何精度评价，证明其在无控的状态下，定位精度优于6个像素[6]。

高分六号(GF-6)卫星自2018年6月2日于酒泉卫星发射中心成功发射后，其搭载的宽幅盖WFV传感器凭借单相机超大幅宽成像(优于800 km)和新增特征波段(红边波段1：0.69～0.73 μm，红边波段2：0.73～0.77 μm，紫波段：0.40～0.45 μm和黄波段：0.59～0.63 μm)的特点，已经成为环境保护、作物估产、农业资源调查、森林火灾监测等领域研究的重要数据源[7-9]。由于WFV传感器采用单相机超大幅宽成像，其单景影像大小超过13 GB，这会对数据传输及处理带来不便。因此，WFV单景影像采用分块存储方式，即分为左、中、右3块子影像，其中中间子影像覆盖范围及影像大小约为两侧子影像的2倍[10]。同样在利用该数据进行上述研究和应用前，需要对该数据几何定位特性进行综合分析。虽然相关学者已经对GF-1、GF-2、GF-4、ZY-3等国产卫星影像进行几何定位精度评价，但是GF-6卫星WFV影像超大幅宽成像及分块分发的特点是否对其几何定位精度有影响，长时间序列影像几何定位特性如何，仍需要开展进一步的分析与研究。

本文将华北地区作为实验区，以谷歌地球影像为参考，通过比对谷歌地球影像和WFV影像中同名点坐标，对WFV单景分块影像及长时间序列影像几何定位精度进行评价。本文研究结果将为后续几何定位误差源分析和几何校正模型构建提供重要参考信息。

1 数据介绍

以华北地区为研究区，通过中国资源卫星应用中心陆地观测卫星数据服务平台，检索自卫星发射至2021年4月间云量较少的GF-6卫星WFV影像，共检索得到可用WFV影像47景。因为前期有关谷歌地球影像几何定位精度的研究结果表明，其影像定位精度能够满足WFV影像(空间分辨率16 m)几何定位精度评价要求[11-12]。因此，本文将谷歌地球影像作为WFV影像几何定位精度评价的参考数据。在谷歌地球影像中，选取能够在WFV影像中可识别的几何检查点，共计79个，如图1所示。虽然可用WFV影像集中影像覆盖范围有所差异，但是本文在进行几何定位精度检验时，保证了每景影像至少均匀覆盖25个以上的检查点。

图1 检查点分布位置

2 研究方法

本研究将谷歌地球影像作为几何参考，将GF-6卫星WFV传感器所获得的研究区影像作为研究对象，对其单景影像以及长时间序列影像的定位精度进行分析。本文所采取的研究方法主要包括以下4个部分：1)利用ENVI软件分别打开左、中、右3块子影像，编辑影像头文件信息，使其关联各自有理多项式参数(Rational Polynomial Coefficients, RPCs)；2)基于SRTM DEM数据和WFV影像RPCs参数，对WFV影像进行正射校正[13-14]，其中SRTM DEM高程精度引起的平面最大误差约为9 m，相当于WFV影像的0.56个像素，不会对正射校正精度产生影响[15]；3)将谷歌地球影像和WFV影像中同名点坐标转换成通用墨卡托投影坐标[16]；4)比对同名点通用墨卡托投影坐标差异，统计误差平均值和标准差，绘制误差分布图，评价影像几何定位精度。本文技术流程图如图2所示。

图2 本文技术流程图

3 实验结果与分析

3.1 单景影像几何定位误差分析

根据上述几何定位精度评价方法，对单景WFV影像几何定位精度分析。以景号为312708、338701、382955和406694的影像为例，对评价结果进行展示，其成像时间分别为2020年3月17日、6月3日、11月10日和2021年1月31日。由于单景影像覆盖范围会涉及到跨带现象，本文以左侧子影像带号为基准，对中间和右侧子影像坐标进行换算。

从图3所展示的定位误差分布图(箭头指向表示误差方向，箭头长度表示误差大小，下同)可以看出，单景影像均出现了明显的系统误差，其几何定位误差方向大致均朝向西侧，即跨轨方向的误差明显大于沿轨方向的误差。从表1可看出，4景WFV影像平均平面定位误差约为659.87 m，左、中、右3块子影像平均平面误差约为244.96 m、570.61 m和1 318.92 m，即定位误差大小逐渐增加。与此同时，从图3和表1还可以看出，沿轨方向的误差在左侧子影像中呈现负值，而在中间和右侧子影像中呈现正值，且该值逐渐增加。上述单景影像几何定位误差分布特性，将为后续该影像几何定位误差源分析及校正模型构建提供重要的参考依据。

表1 单景影像定位误差统计结果

(a)景号312708 (b)景号338701

3.2 长时间序列影像几何定位误差分析

由于本文对其它成像时刻的WFV影像进行几何定位精度评价后，发现这些影像也具有相似的几何定位特性。因此，在开展长时间序列影像几何定位误差分析时，选取每景影像平面平均误差作为评价指标进行分析。

从图4和表2中可以得出以下结论：1)无论是左、中、右子影像还是整景影像，跨轨方向的误差均比沿轨方向的误差大，且波动更为剧烈，即跨轨方向的平均误差和标准差更大；2)左、中、右侧子影像中沿轨方向的误差平均值分别为-40.75 m、40.49 m和326.88 m，即沿轨方向的误差由负值变为正值，且右侧子影像的沿轨方向误差明显大于其它2块子影像；3)左、中、右侧子影像平均平面误差分别为307.89 m、563.81 m和1 188.21 m，即平均平面误差逐渐增加；4)中间子影像无论在沿轨、跨轨还是平面方向的定位误差波动性最小，左侧子影像次之，右侧子影像波动最大，中间子影像的沿轨、跨轨和平面方向定位误差的标准差分别为29.91 m、80.95 m和83.15 m。

(a)左侧子影像 (b)中间子影像

表2 长时间序列影像平均定位误差统计结果

4 结束语

1)本文针对GF-6卫星WFV传感器超大幅宽成像和分块分发的特点，以谷歌地球影像为参考，对华北地区该卫星单景影像和长时间序列影像的几何定位误差进行分析评价。研究结果表明，GF-6卫星单景WFV影像呈现出明显的系统误差，其误差方向均朝向西侧，且左、中、右侧子影像平均平面误差逐渐增加。同时，长时间序列影像几何定位误差研究结果还表明对于整景WFV影像而言，具有较好的定位稳定性，其平面几何定位误差标准差82.74 m(约5个像素)。

2)由于本文采用的是人工刺点的方式完成同名点信息提取，这可能会对评价精度产生一定的影响，后续将考虑选取与WFV影像空间分辨率相近的Landsat8卫星OLI传感器全色影像(空间分辨率15 m)为参考，采用高精度影像匹配方法实现同名点信息提取，降低人为因素的影响。

3)由于本文仅对WFV影像几何定位误差特性进行了系统分析，并未进一步探讨是何种因素导致了该误差特性。因此，后续将在分析误差源的基础上，构建适用于WFV影像几何精校正模型。

致谢：感谢中国资源卫星应用中心为本文研究提供GF-6卫星WFV影像数据，谷歌地球提供参考影像！