资源三号卫星DSM精度评估_刘翔.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：刘翔，唐新明，祝小勇，等资源三号卫星 精度评估北京测绘，（）：，（）：收稿日期 基金项目 国家重点研发计划（）；高分测绘应用示范项目二期（）作者简介 刘翔（），男，山东莱西人，硕士在读，研究方向为摄影测量与遥感。：通信作者 祝小勇，：资源三号卫星 精度评估刘 翔，唐新明，祝小勇 丁健行 曲 典，（山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛；自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京）摘 要 本文主要验证资源三号卫星生产数字表面模型（）产品精度。利用整体精度评价指标对平差后 产品进行了精度评价。实验结果表明，、生产的 产品精度依次提高，均方根误差分别为 、；同一颗卫星 月比 月的立体像对生产的 数据精度高；基于前后视立体影像生产的 产品的高程精度明显优于基于前正视和基于后正视立体影像生产的产品。关键词 资源三号卫星；数字表面模型；精度评价；精度验证中图分类号 文献标识码 文章编号（）引言数字表面模型（，）描述的是地表高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通信、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。特别是随着实景三维项目的发展，对 提取精度有了新的要求。获取 可以直接实地测量、矢量地形图法、航空航天影像中提取或者从现有的地形图上采集。资源三号卫星（）由资源三号 星（）、资源三号 星（）、资源三号 星（）组成。是我国测绘手段从以航空为主转向航空和航天相互补充的大背景下推动建设的国内首个民用立体测绘卫星工程。是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星，卫星采用三线阵测绘方式，由具有一定交会角的前视、正视和后视相机对地面进行观测，正视分辨率为.，前后视分辨率为.。星是一颗高分辨率立体测图业务卫星，搭载三线阵测绘相机和多光谱相机等有效载荷，其中三线阵全色相机拍摄得到的立体像对可用于制作精度较高的数字高程模型（，）产品，在 的基础上进行优化，前后视分辨率由.提高到.，与 组星可使重访周期由 变为 。具备多角度立体观测和激光高程控制点测量能力，前后视分辨率为.，三颗星组网可使重访周期变为一天，大幅提高获取地物信息源能力。南希等以青藏高原东麓深切河谷区为研究区域，讨论了典型山区这一地形条件航天飞机雷达地形测绘计划（，）与先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型（，）数据的精度对比；张品等利 用 重 力 剖 面 的 全 球 定 位 系 统（，）数据，选取贵阳维西和北京测绘第 卷 第 期金川犍为两个重力剖面对 模型进行了垂直精度评估；张朝忙等选取我国境内 个省份地区的平原、丘陵、盆地、山地等地形区域作为典型研究区，通过 面误差可视化分析、面误差信息熵模型、中误差模型等方法对 数据高程精度质量做了分析。王晋等用 激光点辅助的卫星影像模型法立体区域网平差方法对山东省的天绘一号卫星立体影像进行了平差试验，无控高程精度提升至 以内。杜小平等利用 数据对中国的典型低海拔沿海平原地区山东半岛地区的 和 的垂直精度进行了对比研究，得出在海拔低于 的地区，和 的垂直精度分别达到.和.。在资源三号卫星影像和基础地理信息产品应用和精度评价方面：张浩等提出了以 产品作为控制基准，开展独立模型法的 区域网平差实验，获得 的定向参数和立体影像的成像几何模型参数，试验结果将资源三号正视全色影像的平面定向精度由.像素提高到.像素。李阳等以西藏墨竹工卡县测区为实验区，对不同数量控制点条件下的资源三号 提取结果进行了精度评定，分析了 精度与控制点的数量的关系。对上述国内外的研究现状的总结与分析，可以进一步发现，目前对 数据精度的评价研究方法较为集中，主要集中在引入的不同类型或不同精度的参考数据。本文对基于资源三号卫星三线阵立体影像生产的 产品的几何质量进行评价，特别是对高程精度进行检测，从而评估资源三号三线阵立体影像及基于其生产的 产品的质量。在质量评价和误差统计的实验结果上，对 产品的误差进行分析来验证资源三号卫星生产 数据精度。数据集本文使用资源三号卫星三颗星六景三线阵影像（、）进行实验，根据 个像对组合生产了 产品。参考 数据分辨率为 。实验对象为黑龙江肇东地区，实验区域六景影像均无云层覆盖。影像提供了标准源数据和有理多项式（，）文件。实验数据选取 月影像，以降低植被对 的高程精度影响，便于对地表起伏的表达更真实，影像数据信息见表。表 实验所用影像数据信息卫星时间轨道号 生成利用资源三号的前视、后视、正视三视全色影像，根据不同的像对组合共生产 个 进行后续实验，正视分辨率为.，前后视分辨率为.；正视分辨率为.，前后视 分 辨 率 为.；正 视 分 辨 率 为.，前后视分辨率为.。通过使用 模型对影像进行定位并生产，流程如图 所示。控制点信息连接点生成区域网平差同名点匹配解算地面点坐标核线影像生成DSM生成RFM参数参考DSM高程点ZY3三线阵影像图 生产流程 模型是直接采用数学函数将地面点大地坐标（，）与其对应的像点坐标（，第 卷 第 期刘翔，唐新明，祝小勇，等资源三号卫星 精度评估）用比值多项式关联起来的一种广义的遥感卫星传感器成像几何模型，模型比值多项式为Y（，）（，）（，）（，）|（）式中，（，）表示标准化后的经纬度和高程；（，Y）表示标准化后的像点坐标。基于 前方交会模型基于 模型前方交会是通过前后视像点坐标（，），（，）交会出地面点坐标（，），模型公式为 （，）（，）（，）（，）|（）式中，（，）表示在影像上直接量测的像点坐标；（，）表示经纬度、高程初始值标准化值；（，）、（，）可通过 文件获得。对于立体像对，左右像片同名点坐标（，），（，）误差方程为cc|（）式中，、表示左右影像实测的像点坐标；、通过标准化大地坐标近似值计算得到。误差方程简写成 （）平差结果为（）（）计算结果 为未知参数的改正数，经过改正后的未知参数需要代入公式进行迭代计算，获得最终结果，即初始值大地坐标（，）加上 中未知参数的改正数得到新的大地坐标，再代入误差方程中计算。基于 区域网平差模型影像上仿射变换公式（）Y （）Y Y （）式中，（，）表示控制点在影像上的量测坐标；（，Y）为地面控制点利用 投影到影像面的投影值；（，）为影像面的仿射变换参数。匹配算法在本文中，使用快速傅立叶变换相位匹配算法（，）从左右影像提取连接点。提取方法为半全局匹配算法（，），虽然名为半全局匹配，但实际上还是采用全局匹配算法中最优化能量函数的思想，即寻找每个像素的最优视差来使得整张影像的全局能量函数最小，从而在精度和效率上实现较好的平衡。像素采样间隔设置为，数字地面模型（，）采样像素输出像元精度为.，即每个像素在 左右。先对效果较差区域进行插值，再通过高程值自动滤波对 进行填充和滤波，以提高输出 质量。以均方根误差作为控制点和连接点的精度表征指标，控制点和连接点的精度符合要求，见表。均方根误差（）的计算为 （）（）（）式中，均方根误差里（）是各点的高程值；（）是参考 的高程值；是像素点个数。由于均方根误差将实验 与参考 联系起来，所以可以很好地作为标准去评价实验 的结果。表 控制点及连接点精度单位：像元卫星信息东西方向控制点精度南北方向控制点精度东西方向连接点精度南北方向连接点精度.北京测绘第 卷 第 期续表卫星信息东西方向控制点精度南北方向控制点精度东西方向连接点精度南北方向连接点精度.（）平均值对选取的实验区域各像素高程值与参考影像对应像素值做差值，然后计算各差值的算数平均值。可以大概了解差值的范围。（）式中，为各像素点差值；为选定区域内像素点个数。（）标准差 （）（）式中，为各像素点高程值；为生成 各像素点高程平均值，标准差主要用来查看各数据的离散情况。数值越大说明各数据越分散，数值越小，代表生成的各 高程值越集中，效果较稳定。（）峰度指数 （）（）（）峰度指数越大说明极端值越多，峰度指数越小说明极端值越少。所以峰度指数可以用来评价软件生成 的效率好坏。（）异常值百分比各点与平均值的差值，若超过三倍标准差则统计为异常值，异常值个数与总个数比值为异常值百分比。异常值百分比也可以说明生成 的效果。提取结果分析 生成概况实验利用六景三线阵影像共生成 个，在 个 内选取共同区域进行精度计算，各精度结果是在剔除实验 粗差后，与参考 做差计算所得。以参考 和实验 相互匹配的像素为最小做差单位，所有像素均参与计算。首先，在提取的 网格上与参考 将两者的高程做差，计算精度统计量平均值、标准差、均方根误差、峰度指数和可信度百分比。当提取的 高于参考 时偏差为负，反之为正。在每个 中，对于生产的 个 数据，本文计算了实验区 数据精度结果，并将，三颗卫星精度、同一颗卫星两景影像精度、同一景影像不同立体像对生产的 精度进行对比和分析，随后进行激光点符合验证。实验结果选取的实验区高程在 ，主要由厂房、高楼、矮平房和裸地构成，高程起伏较为平缓。表 展示了选取的实验区范围内的 精度指标计算结果，表 为三颗星均方根误差结果。表 整个实验区 精度指标卫星信息平均值 标准差 均方根误差 峰度指数 可信百分比.第 卷 第 期刘翔，唐新明，祝小勇，等资源三号卫星 精度评估续表卫星信息平均值 标准差 均方根误差 峰度指数 可信百分比.表 三颗星均方根误差结果单位：类型均方根误差.由实验结果可以看出，实验生产 与参考 差值平均值基本在 之内；标准差在.以内，由表 可以看出，三颗星 立体像对生成的 标准差在同一景影像下是最小的，表明 立体像对生成的 高程与参考 更接近，效果更稳定。由表 和表 可以看出，均方根误差最小，次之，均方根最大，生成 效果更好，其次 生成效果好于。由于在实际成像过程中，卫星内外方位元素均存在各种类型和性质的误差，导致影像存在较大的内部几何畸变和定位误差并且 月份裸地还存在部分种植作物对构造 细节有一定影响，三颗卫星 月份均方根误差结果明显比同卫星月份更好。同一景影像下，立体像对生产的 均方根误差最小，效果最好。由峰度指数和可信度百分比可以看出，各 异常值数量基本接近，实验区处于低海拔地区，高程起伏较为平缓，构造 时异常值数量偏少。为了更清楚地观察生成 的直观效果，并且更直观地了解三颗卫星 个 的质量，统计并绘制了实验 差值直方图，从图、图 中可以看出 个 差值峰值基本在，之间，说明在这个区间范围内差值数量最多，去除粗差的差值范围在，之间。每一行代表同一景影像的三个 分别为、，六列分别是三颗星六景影像。从图、图 横向对比可以看出，第一列的 峰值的最高值明显要比第二列第三列大，说明同一景影像 的生成 效果更好；纵向对比三颗星六景影像可以发现，同一颗星 月份影像峰值高度要比 月份峰值高度大，均方根误差最小，次之，均方根最大，生成 效果更好，其次 生成效果好于。差值范围差点值数量/(105)差点值数量/(105)差点值数量/(105)2.01.51.00.50-5052.01.51.00.50-5052.01.51.00.50-5052.01.51.00.50-5050510153210-505-5053210-5053210-5053210-505(a)ZY301 042646fb差值范围(b)ZY301 042646nb差值范围(c)ZY301 042646nf差值范围差点值数量/(105)差点值数量/(105)差点值数量/(105)(d)ZY302 029601fb差值范围(e)ZY302 029601nb差值范围(f)ZY302 029601nf差值范围差点值数量/(105)差点值数量/(105)差点值数量/(105)(g)ZY303 006782fb差值范围(h)ZY303 006782nb差值范围(i)ZY303 006782nf图 月份三颗星三景影像差值直方图北京测绘第 卷 第 期差点值数量/(105)024-505差值范围(a)ZY301 043475fb差点值数量/(105)024-505差值范围(g)ZY303 007603fb差点值数量/(105)0123-505差值范围(d)ZY302 030346fb差点值数量/(105)012-505差值范围(b)ZY301 043475nb差点值数量/(105)012-505差值范围(c)ZY301 043475nf差点值数量/(105)0123-505差值范围(e)ZY302 030346nb差点值数量/(105)0123-505差值范围(h)ZY303 007603nb差点值数量/(105)0123-505差值范围(i)ZY303 007603nf差点值数量/(105)012-505差值范围(f)ZY302 030346nf图 月份三颗星三景影像差值直方图 高程剖面图为了更直观清楚地展示实验 与参考 在高程上的差异，以 个 立体像对差值 为例随机取了 条剖面线，从图 到图 可以看出，个差值的渲染图大体范围在，。图 到图 的三个 中，渲染图效果优于 优于。各个差值 剖面线值都在，之间，符合精度要求。(a)渲染图(b)P1(c)P26420-2-4-6像素横坐标误差/m误差/m像素横坐标1 4401 5401 6401 740-2-1012 9762 8763 0763 176-2-101图 月份 差值 剖面线 高分七激光点高程验证为了验证实验生成 精度效果，在与参考 计算精度指标后选择高分七号激光点进一步进行验证。年 月 日成功发射的高分七号卫星是我国首颗民用亚米级光学传输型立(a)渲染图(b)P1(c)P26420-2-4-6-11201 6001 7001 8001 900 3 1153 2153 3153 415-1-210像素横坐标误差/m误差/m像素横坐标图 月份 差值 剖面线(a)渲染图(b)P1(c)P26420-2-4-6-1120-1101 6501 7501 8501 950 3 3103 4103 5103 610像素横坐标误差/m误差/m像素横坐标图 月份 差值 剖面线第 卷 第 期刘翔，唐新明，祝小勇，等资源三号卫星 精度评估体测绘卫星，为国产卫星地面高程控制点提供精确的三维坐标数据，高程精度可达.。本次实验选取了实验区内 个高分七号激光点，将实验生成 与 个激光点进行精度指标计算，计算结果如表 所示。实验生产 与参考 差值平均值基本在 之内；标准差在.以内，由表 可以看出三颗星 立体像对生成的 标准差在同一景影像下是最小的，立体像对生成的 高程与参考 更接近，效果更稳定；均方根误差最小，次之，均方根最大，生成 效果更好，其次 生成效果好于。同一景影像下，立体像对生产的 均方根误差最小，效果最好。综上所述，高分七号激光点精度可以验证实验 精度和参考 精度。表 实验 与高分七号激光点精度指标卫星信息平均值 标准差 均方根误差 峰度指数 可信百分比.结束语本文首先介绍了资源三号卫星从原始影像数据到基础地理信息产品的处理过程，包括对卫星成像模型的介绍、基于已知高程数据的立体区域网平差和基础地理信息产品生产等关键环节。在使用参考影像提取的高程点做控制点的情况下进行立体区域网平差，并利用整体精度评价指标对平差后 产品进行了整体精度评价，即对每个 进行全局分析，并计算其准确性统计指标（均差、标准差、均方根误差、异常值百分比、峰度指数）。在 生成方面，对实验区进行精度评估并利用 激光点进行精度验证。实验结果表明，、生产的 数据精度依次降低，均方根误差分别为.、.、.；通过分析同一颗卫星 月份比 月份的立体影像生产的 数据精度高；基于前后视立体影像生产的 产品的高程精度明显优于基于前正视和基于后正视立体影像生产的产品；产品的格网分辨率、地形等因素也会对产品的高程精度造成影响，在对 产品进行几北京测绘第 卷 第 期何质量评价实验时，仅选取了较为常见和理想的区域和格网分辨率。下一步工作需要根据上述几方面进行后续的实验和研究。参考文献 海翊，戴君，徐驰，等资源三号系列卫星及其应用概况卫星应用，（）：李德仁我国第一颗民用三线阵立体测图卫星 资源三号测绘卫星测绘学报，（）：南希，李爱农，边金虎，等典型山区 与 数据精度对比分析以青藏高原东麓深切河谷区为例地球信息科学学报，（）：张品，申重阳，杨光亮，等 垂直精度评价及其在重力地形改正中的适用性大地测量与地球动力学，（）：张朝忙，刘庆生，刘高焕，等中国地区 高程精度质量评价测绘工程，（）：王晋，张勇，张祖勋，等 激光高程点辅助的天绘一号卫星影像立体区域网平差 测绘学报，（）：杜小平，郭华东，范湘涛，等基于 数据的中国典型区域 与 高程精度评价地球科学（中国地质大学学报），（）：张浩，张过，蒋永华，等以 为控制的光学卫星遥感立体影像正射纠正 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