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Pleiades卫星影像测图能力与精度分析试验研究

2016-05-19 10:39:46来源:测绘与空间地理信息 编辑:kin浏览:

近年来,航天遥感技术的发展日新月异。特别是传感器技术的发展,使得卫星遥感影像在空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率上不断提高;同时,影像获取越来越方便快捷,成本也在逐步降低。这使其应用越来越广泛,发挥的作用越来越大。在摄影测量领域,空间分辨率达到米级/亚米级的卫星遥感图像,已有能力替代传统用于1∶50000和1∶10000比例尺地形图测绘或地理信息更新的航空影像。相比于航空摄影,卫星遥感具有重复拍摄周期短、覆盖面积大、成图所需外业控制点较少、整景影像色调一致、大面积获取成本低、如有存档数据获取速度快等优点。采用卫星遥感影像获取高质量的地理空间信息成为必然趋势, 也是当前国内外的研究热点之一。

1 Pleiades卫星影像简介

法国的SPOT系列是应用比较多的商业卫星影像,Pleiades是其下一代光学遥感卫星。Pleiades高分辨率卫星星座由2颗完全相同的卫星Pleiades 1和Pleiades 2组成,分别于2011年12月17日、2012年12月1日成功发射并开始商业运营,双星配合可实现全球任意地区的每日重访。分辨率为50cm的超高空间分辨率并且幅宽达到了20km×20km,具有全色及蓝、绿、红、近红外四个波段的多光谱影像。

卫星采用TDI(Time Delayed and Integration)CCD(即时间延迟积分CCD)新型光电传感器。TDI-CCD是基于对同一目标多次曝光, 它具有响应度高、动态范围宽等优点。在光线较暗的场所也能输出一定信噪比的信号,可大大改善环境条件恶劣引起信噪比太低这一不利因素。它允许在限定光强时提高扫描速度,或在常速扫描时减小照明光源的亮度,减小了功耗,降低了成本。此外,还有一个突出优点就是在推扫方式成像时,可以在很大程度上消除像移。

卫星全色波段采用5组TDI单元,每组6000个探测器,共同组成一条30000个像元的数据行,采样时间为103.5μs,对应星下点0.7m/像元;多光谱波段采用5组CCD单元,每组1500个探测器,共同组成一条7500个像元的数据行,星下点像元大小为2.8m。为在现有像元尺寸传感器的基础上实现高分辨率成像,Pleiades采用了亚像元拼接的方式进行超分辨焦平面设计,将两个CCD芯片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1/2个像元,此种方式可在积分时间不变的情况下,提高地面像元分辨率(GSD) 至原来的1/2,即达到:

2 生产试验

2.1 试验资料

1)影像资料

试验区PLEIADES影像时相为2012年10月,包含前视、后视、下视三线阵全色及多光谱影像,全色影像分辨率为0.5m,多光谱影像分辨率为2.0m,包含红、绿 、蓝、红外4个波段。影像像幅为20km×20km。

2)像控资料

收集到野外实测像控点18个,2000国家大地坐标系,分布情况如图1所示。

3)其他资料

外业实测平面检测点27个,高程检测点61个; 另外,还收集到试验区1∶10000DLG等资料。

2.2 试验设备

试验使用的硬件设备为高配置微机,软件为VirtuoZoSAT。

2.3 定向研究

在VirtuoZoSAT软件中利用Pleiades前、后视影像创建立体模型,均匀分布量测一些连接点,并分别按不同方案量测控制点,然后进行定向计算,利用其他像控点作精度检测。

首先进行无控制定向,只利用轨道参数定向,像控点全部用于精度检测。然后选取1个定向点(中心)进行定向,再逐步增加至2个(两个对角)、3个(三个角)、4个(四角)、5个(四角加中心)定向点,其余像控点作为检查点进行平差解算。具体定向情况见表 1。

表1 不同控制点定向精度情况

无控制及中心一点定向误差分布如图2所示,其他不同数量及分布的控制点定向误差分布与中心一点相似。

图2无控制(左)及中心一点(右)定向误差分布图(红色三角符号为控制点,蓝色为圆圈为检测点,红线为平面误差,绿线为高程误差)

2.4 立体测图及精度检测

定向后建立立体模型进行测图。立体像对影像质量较好,1∶10000要素清晰可见。测图成果如图3所示。

图 3 立体测图成果

由于PLEIADES影像前、后、下视均有0.5m分辨率的全色影像和2.0m分辨率的多光谱影像,故可将其经融合处理制作成彩色影像,并建立立体模型进行测图。

彩色立体模型使用的影像是由全色影像融合所得,影像纹理与全色影像一致,空三结果未改变,所以其立体采集精度相对于全色立体模型没有发生变化;影像质量相对于全色立体模型清晰度有所下降,但涵盖色彩信息更丰富,尤其对植被、水系、建筑物等地物判读更准确。全色立体模型与彩色立体模型的对比图如图4所示(可立体观测)。

图4全色立体模型(左)与彩色立体模型(右)

分别采用以下几种方法对立体测图成果进行精度检测:

1)1∶10000DLG选点检测

从基础测绘1∶10000DLG数据选取15个平面检测点和26高程检查点做检测,其平面中误差为3.08m,高程中误差为0.744m。

2)27点平面精度检测

外业实地测量了27个平面检测点,该批检测点均在房角位置,只提供平面坐标,没有高程信息,利用进行平面精度检测,中误差为0.768m。

3)61个路面点高程精度检测

利用外业实测的61个路面点检测高程精度,中误差为0.904m;其中有3个点误差大于2m,应为粗差点,去掉之后剩余58个检测点的中误差为0.621m。以上检测结果汇总见表2。

表2 DLG精度检测结果统计

3 结束语

从定向精度情况分析,PLEIADES影像无控制定向时有系统误差,精度不能保证,只在特殊情况下可以利用;利用稀少控制点进行定向,一个控制点平面即可达到较高精度,高程在四个点后达到较高精度,控制点数量再增加对精度的影响变弱; 利用四个角点定向是比较经济可靠的做法。

PLEIADES影像立体测图的平面精度可以满足1∶10000要求;高程精度可以满足丘陵地、山地要求, 但不能满足平地精度要求。与标称精度基本相符。全色与多光谱融合生成的彩色影像质量相对于全色立体模型清晰度有所下降,但涵盖色彩信息更丰富,尤其对植被、水系、建筑物等地物判读更准确,可以利用进行立体测图。

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