引用本文
刘荣杰, 张杰, 李晓敏, 马毅. ZY-3影像在我国海岸带区域的定位精度评价[J]. 国土资源遥感, 2014,26(3): 141-145
LIU Rongjie, ZHANG Jie, LI Xiaomin, MA Yi. Position precision evaluation of ZY-3 satellite image in the coastal zone of China[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2014,26(3): 141-145  
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ZY-3影像在我国海岸带区域的定位精度评价
刘荣杰, 张杰, 李晓敏, 马毅
国家海洋局第一海洋研究所,青岛 266061

第一作者简介: 刘荣杰(1981-),男,助理研究员,主要从事海岛海岸带遥感测绘方面的研究工作。Email:liurj@fio.org.cn。

收稿日期: 2013-07-03
基金: 国家海洋局青年海洋科学基金项目(编号: 2013441)、国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项资金项目(编号: 2013G37)以及国家科技支撑计划项目(编号: 2012BAB16B01)共同资助
摘要

以我国海岸带为研究对象,从北往南依次选取了覆盖山东青岛、江苏盐城和浙江温州海岸带的6景资源三号(ZY-3)传感器校正产品,利用实测像控点开展了影像自主定位精度评价,并将其结果与覆盖相同区域的SPOT5影像进行了比较。在此基础上,利用实测地面控制点和国家1:5万比例尺DEM产品对覆盖青岛和温州的全色影像进行了正射校正实验,分析控制点数量与分布对校正精度的影响。研究发现: 在无控制点情况下,ZY-3全色影像的平面校正精度平均为19.6 m,多光谱影像的平面校正精度为23.0 m,均优于SPOT5卫星影像的校正精度; 用 1个角点作为控制点,可达到优于2个像元的校正精度,用4个角点作为控制点,校正精度在1个像元左右; 以向陆一侧的2个角点作为控制点,可达到优于3 m的校正精度,但采用3个控制点时,校正精度较低,特别是向海一侧影像的校正精度更低。上述研究结果表明,ZY-3影像在少量控制点下即可达到较高的校正精度,能够满足海岸带遥感调查工作的精度要求。

关键词: 资源三号(ZY-3); 传感器校正产品; 定位精度; 海岸带
中图分类号:P237 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2014)03-0141-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2014.03.23
Position precision evaluation of ZY-3 satellite image in the coastal zone of China
LIU Rongjie, ZHANG Jie, LI Xiaomin, MA Yi
The First Institute of Oceanography, State Ocean Administration, Qingdao 266061, China
Abstract

With China’s coastal zone as the research area, 6 ZY-3 sensor corrected products were chosen for evaluation, which covered Qingdao of Shandong, Yancheng of Jiangsu and Wenzhou of Zhejiang from north to south. The authors used high accuracy GPS points to evaluate the autonomous positioning precision in comparison with SPOT5 images. Then DOMs were generated with high accuracy GPS points as ground control points(GCPs)and national 1:50 000 DEM products, and the influences of the quantity and distribution of GCPs were analyzed.The results show that the average autonomous positioning precision of ZY-3 panchromatic image and that of multispectral image are 19.6 m and 23.0 m, respectively. The autonomous positioning precisions of ZY-3 panchromatic image and multispectral image are better than the precision of SPOT5 images. With 1 GCP at the four corners, the positioning precision of DOM is less than 2 pixels. With 4 GCPs, the positioning precision of DOM is about 1 pixel. With 2 landside corner GCPs, the positioning precision of DOM is less than 3 m. With 3 landside GCPs , the positioning precision of DOM is lower than that of 2 landside GCPs, especially at the seaside. The results show that, with a few GCPs, ZY-3 DOM can reach high accuracy and satisfy the need of coastal zone remote sensing survey.

Keyword: ZY-3; sensor corrected image product; position precision; coastal zone
0 引言

资源三号(ZY-3)卫星于2012年1月9日发射升空, 搭载有三线阵立体相机和多光谱相机, 是我国自主设计和发射的第一颗民用高分辨率立体测图卫星。该卫星可获取分辨率为2.1 m的全色和分辨率为5.8 m的多光谱影像数据, 以及分辨率为3.5 m的前视和后视全色影像, 能够应用于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利和生态环境监测等领域, 应用前景广泛[1]。

随着ZY-3卫星影像应用领域的拓宽, 研究人员已经初步开展了影像质量评价和精度评估工作。相关的研究工作有: 唐新明等研究了ZY-3卫星三线阵成像几何模型, 并进行了精度初步验证, 结果表明, 在试验区四角布设像控点的情况下, DOM平面校正精度优于3 m, DSM高程精度优于2 m[2]; 李德仁院士对ZY-3卫星进行了在轨几何定标, 并对定标结果进行了试验验证, 结果表明, 基于高精度几何定标场定标后, ZY-3卫星可以获得很高的无地面控制点下的定位精度以及少量控制点下的平面和高程精度, 完全可以满足 1︰5万比例尺测图精度的要求[3]; 刘斌等人选择同时具有平地和山地的ZY-3卫星影像, 开展了传感器校正产品定位精度分析, 结果表明, 其定位精度能够满足1︰5万比例尺DEM及DOM制作要求, 并可用于1︰25 000比例尺地形图的修测[4]; 徐文等建立了针对外方位角元素的系统误差补偿模型与相机视向量几何检校模型, 利用该模型处理后的ZY-3影像的无控制点几何定位精度优于6个像元[5]; 马志等研究了ZY-3影像的定位精度, 探讨了其在1︰5万比例尺地理信息产品生产中的可行性和适用性[6]。

从上述文献可知, 相关领域专家已经就ZY-3影像的定位精度开展了研究工作。然而, 已有的研究工作主要是针对陆地, 而在卫星稳定运行后专门针对海岸带区域的定位精度评价尚未涉及; 另外, 已有的工作大多只针对一个研究区, 多个地区影像精度评估工作则较少涉及。为此, 本文以我国海岸带为研究对象, 从北往南依次选取了覆盖山东青岛、江苏盐城和浙江温州海岸带的ZY-3影像进行定位精度评价, 以期为该卫星影像在海岸带的应用提供支撑。

1 试验数据与评价方法
1.1 试验数据

为了使评估结果全面、客观, 并且具有代表性, 本文从北往南选取了6景分别覆盖山东青岛、江苏盐城和浙江温州海岸带地区的ZY-3传感器校正产品(指经辐射校正和传感器校正处理, 但未作系统几何纠正的影像产品)开展定位精度评估。卫星影像的获取时间分别为2012年4月23日、2012年4月28日和2012年3月25日。研究区地形类型丰富, 有山地(青岛)、丘陵(温州)和平原(盐城)。

评估所用的地面控制点为现场测量的43个高精度GPS点, 测量仪器为美国NAVCOM公司的SF-2050G, 测量平面精度为0.15 m, 高程精度为0.3 m, 地面控制点的刺点精度能达到子像素级。所挑选的影像及控制点(GCPs)和检查点(CKPs)的分布如图1所示。

图1 ZY-3影像及控制点和检查点的分布Fig.1 ZY-3 images and distribution of GCPs and CKPs

影像正射校正所采用的DEM数据为国家1︰5万比例尺基础地理信息数字产品。

1.2 评价方法

ZY-3卫星为三线阵立体测绘卫星, 包含正视影像和前后视影像。本文只对正视影像(全色和多光谱)进行定位精度评价。评价内容包括粗校正影像精度评价和正射校正影像精度评价。

1.2.1 粗校正影像精度评价

首先利用ZY-3传感器校正产品自带的RPC参数对影像进行粗几何纠正; 然后根据影像轮廓和地物特点, 选取一定数量且分布均匀的GCPs计算粗纠正影像坐标与真实坐标的偏移量; 最后通过计算得到均方根误差。

1.2.2 正射校正影像精度评价

首先利用含有海上控制点的青岛和温州影像进行正射校正; 然后根据影像轮廓和地物特点, 选取一定数量且分布均匀的CKPs计算正射校正影像坐标与真实坐标的偏移量; 最后通过计算得到均方根误差。

2 结果分析
2.1 自主定位精度评价与比较

2.1.1 自主定位精度评价

分别利用影像自带的RPC文件对覆盖青岛、盐城和温州的6景全色和多光谱影像进行几何粗纠正, 将GCPs坐标与影像上同名点坐标进行比对, 计算得到了影像同名点与评估点的最大偏移量和均方根误差(表1)。

表1 ZY-3影像自主定位精度评价 Tab.1 ZY-3 image autonomous position precision

从表1可知, ZY-3全色影像自主定位精度较高, 平均为18.9 m, 最大偏移量为 22.9 m。覆盖不同区域的影像自主定位精度略有差异, 山东青岛和江苏盐城的全色影像自主定位精度相近, 在22 m以内; 浙江温州的影像自主定位精度较高, 为15.2 m。ZY-3多光谱影像自主定位精度平均为25.5 m, 与全色影像相差不大, 说明ZY-3全色和多光谱影像空间位置匹配较好; 覆盖不同区域的多光谱影像自主定位精度略有差异, 山东青岛和江苏盐城的多光谱影像较温州的自主定位精度低。

图2为ZY-3传感器校正产品影像位置偏移矢量图。从图上可以看出, ZY-3全色粗校正产品在各个检查点处偏移的大小和方向基本一致, 说明ZY-3影像的内部精度一致性较好。

图2 ZY-3传感器校正产品影像位置偏移矢量(图中横、纵坐标分别表示在UTM投影下影像中各点的位置, 单位为km; 箭头表示偏离方向和大小, 单位为m)Fig.2 ZY-3 sensor corrected products location offset vector

2.1.2 与SPOT5影像自主定位精度比较

本文利用与ZY-3影像空间分辨率相近且在海岸带地区应用较广的SPOT5卫星影像进行比较。选取了覆盖同一区域的6景SPOT5影像, 成像时间分别为2003年11月3日、2003年10月24日和2005年10月16日。首先利用影像自带的DIM文件对影像进行粗校正, 然后利用实测控制点对粗校正后的SPOT5影像进行精度评价(表2)。图3为SPOT5影像位置偏移矢量图。

表2 SPOT5影像自主定位精度评价 Tab.2 SPOT5 image autonomous position precision

图3 SPOT5 1A产品影像位置偏移矢量(图中横、纵坐标分别表示在UTM投影下影像中各点的位置, 单位为km; 箭头表示偏离方向和大小, 单位为m)Fig.3 SPOT5 1A products location offset vector

从表2可知, 与ZY-3影像相似, SPOT5全色影像的自主定位精度较多光谱影像的要高; 覆盖不同区域影像的自主定位精度不同。SPOT5全色影像的自主定位精度平均为33.5 m, 其中温州地区影像的自主定位精度较差, 为54.6 m; 多光谱影像的自主定位精度在不同的区域差别较大, 青岛地区的多光谱影像自主定位精度最高, 为24.5 m, 而江苏盐城的多光谱影像自主定位精度最低, 为114.9 m。

对比表1和表2发现, ZY-3的自主定位精度优于SPOT5的。ZY-3全色影像自主定位精度在22 m以内, 不仅优于相近空间分辨率的SPOT5影像, 而且优于更高空间分辨率的QuickBird影像的(定位精度23 m)[7]。相比而言, ZY-3全色和多光谱影像较SPOT5匹配的好, 未出现全色和多光谱影像偏移较大的情况。

由图3可知, SPOT5影像内部精度一致性较ZY-3影像的差, 且不同区域的影像略有差异。

2.2 ZY-3影像的正射校正精度

为了评估ZY-3影像在少量控制点下的正射校正精度, 选取了包含海上控制点在内的覆盖青岛和温州试验区的ZY-3全色影像, 利用覆盖上述试验区的国家1:5万比例尺DEM产品和实测控制点数据对ZY-3全色影像进行正射校正实验, 分析在少量控制点情况下, 控制点分布对影像校正精度的影响。实验时, 针对同一景影像分别利用1个(分别是影像4个角点和中心点)、2个(影像向陆一侧的上下角点)、3个(影像向陆一侧的上中下点)和4个控制点(影像4个角点)对影像进行正射校正, 并利用剩余像控点对校正后的影像进行精度评价, 评价结果见表3。

表3 正射校正产品精度评价 Tab.3 DOM position precision

从表3可知, ZY-3影像具有较高的定位精度, 当选用4个角点中的1个作为控制点时, 校正精度优于2个像元, 以影像中心点作为控制点时, 校正精度稍差, 但也优于3个像元; 以向陆一侧2个角点作为控制点时, 影像校正精度有所提高, 能够达到优于3 m的精度; 当选用向陆一侧上、中、下3个点作为控制点时, 影像精度有较大幅度的下降, 特别是对于向海一侧的区域; 当选用4个角点作为控制点时, 校正精度较2个控制点时要高, 校正后影像平面精度可达2.4 m, 接近1个像元的精度。从上述结果可知, ZY-3影像能够在较少的控制点下获得较高的定位精度, 特别适用于控制点分布不均的海岸带地区, 且满足海岛海岸带遥感调查1:5万比例尺定位精度优于10 m的要求[8]。

3 结论与讨论

本文以我国海岸带区域为研究区, 从北往南分别选取了6景ZY-3卫星传感器校正产品(包括全色和多光谱)进行自主定位精度评价及正射校正实验。结果表明: ZY-3影像具有较高的无控制点平面校正精度, 无控制点校正精度优于SPOT5影像; ZY-3影像内部精度一致性较好; 全色影像在少控制点和控制点分布不均的情况下, 可达到较高的校正精度, 能够满足海岸带遥感调查精度要求。

本文试验区分布范围广, 地形类型丰富, 实验数据充分, 其结论可为ZY-3海岸带应用提供参考。从自主定位结果可以看出, 不同区域的ZY-3和SPOT5影像的自主定位精度略有差异, 这种差异可能是由于试验区距离检校场的距离不同而导致的, 究竟是否为这个原因, 还需要进一步研究证实。另外, 以影像中心附近点作为控制点, 影像的校正精度低于用4个角点作为控制点的原因还需进一步探究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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