WorldView-1卫星影像处理方法初探

５２　・北京测绘・　２０１０年第１期　

ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星影像处理方法初探　

曲乔新　，王素敏２刘媛媛，，张帆　（６１５１２部队，北京１０００８８）　

［摘要］有理函数模型（ＲＦＭ）是与具体传感器无关的通用的模型。经试验结果得出，利用ＲＦＭ并辅以适　

量的ＧＣＰ能及时快速精准的处理ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１高分辨率遥感卫星影像，有利于发挥其在国民经济中的巨大潜　力。　［关键词］有理函数模型（ＲＦＭ）；ＷｏｄｄＶｉｅｗ一１高分辨率遥感卫星；地面控制点（ＧｃＰ）；精度。　【中图分类号］Ｐ２３６　［文献标识码］Ｂ　【文章编号】１００７—３０００（２０１０）０１—３　

１　ＷｏｒｉｄＶｉｅｗ一１卫星基本参数　高分辨率卫星是航天技术的发展和军事需要共　

同推动的产物。ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星是美国ＤｉｇｉｔａｌＧｌｏｂｅ　

公司继亚米级高分辨率Ｑｕｉｃｋｂｉｒｄ卫星发射之后，于　

２００７年９月１８号发射的又一颗高分辨率遥感卫星。　与Ｑｕｉｃｋｂｉｒｄ卫星相比较，ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星具有更　

高效、更精确、更大范围地获取地面高清晰影像的能　

力，是目前全球投入应用的分辨率最高、响应速度最　敏捷的商业成像卫星。ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星基本参数及　

其与Ｑｕｉｃｋｂｉｒｄ卫星参数对照表如表１。　

表１　ＷｏｒｉｄＶｉｅｗ与Ｑｕｉｃｋｂｉｒｄ卫星参数对照表　

２基于有理函数的通用传感器模型　近年来，国际市场上高分辨率商业遥感卫星影像　

发展迅速。自从１９９９年商业遥感市场上出现第一景　

ＩＫＯＮＯＳ卫星影像，ＱｕｉｃｋＢｉｒｄ、Ｏｒｂｖｉｅｗ、Ｗｏｒｌｄｖｉｅｗ一１　等高分辨率遥感卫星相继面世。从应用的角度，为了　

处理这些新型传感器数据，用户需要获取传感器的镜　头构造、成像方式及卫星轨道等信息，建立起严格的　

传感器物理模型以改进他们的软件或系统，这给用户　

带来诸多不便。况且，对于ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１这类亚米级　的高分辨率卫星影像，出于技术保密的目的，其传感　

器的镜头构造、成像方式及卫星轨道等信息并不公　开，用户不可能自己建立这些传感器的严格成像模　

型，只能依赖少数几个遥感图像处理软件的严格模型　

模块。要及时快速地处理ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１遥感数据，使　

用与具体传感器无关的通用模型取代严格卫星轨道　

模型是解决这一问题的有效途径。而有理函数数学模　

型因考虑了高程因素，纠正精度仅次于共线方程，因　

此基于有理函数的通用传感器模型已得到人们的普　

【收稿日期】２００９—０９—１６　【作者简介】曲乔新（１９８１一），女，汉族，山东龙口人，工程师，主要从事遥感影像处理Ｔ作。

　２０１０年第１期　・北京测绘・　５３　

遍关注和全面研究。　有理函数模型（Ｒａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ，简称　

ＲＦＭ）是将像点坐标（ｒ，ｃ）表示为以相应地面点空间　坐标（ｘ，Ｙ，ｚ）为自变量的多项式的比值，如下所示。　

—．　！　！　ｐ２（Ｘ　，Ｙ　，　

Ｃ　：　！　（２—１）　一ｐ　Ｙ　，　式（２—１）中的（　，Ｃ　）和（　，ｙ　，　）分别表示像素坐　

标（ｒ，ｃ）和地面点坐标（ｘ，Ｙ，ｚ）经平移和缩放后的标准　

化坐标，取值位于（一１．０～＋１．０）之间，其变换关系为　

—ｙ—ｌ，０　ｙ一』一　ｙ　

（２—２）　

ｒ　

Ｃｎ＝　二！Ｑ　Ｃ　其中，（　ｙ。，　Ｃ。）为标准化平移参数，（　ｙ　，五，　

，ｃ　）为标准化的比例参数。　多项式中每一项的各个坐标分量ｘ，Ｙ，ｚ的幂最　

大不超过３，每一项各个坐标分量的幂的总和也不超　过３（通常有１，２，３三种取值）。另外，分母项Ｐ　和Ｐ　

的取值可以有两种情况：ｐ：　（可以是一个多项式，也　

可以使常量１），ｐ２≠ｐ　。每个多项式的形式如下：　

Ｐ＝∑∑∑　＝ａｏ＋。　ｚ＋　ｙ＋　＋　ｙ＋　＋　ｉ＝０　ｊ＝ｏ　ｋ＝Ｏ　ａ６Ｙ　Ｘ＋ａｖＺＺ＋ａｓＹ　＋（　９　＋Ⅱ１　Ｙ　Ｘ＋ａ１ｌＺ２Ｙ＋ａｌ２ｚ２　Ｘ＋ａｌ３Ｙ　Ｚ＿＋　

ｌ４Ｙ　Ｘ＋ａＩ　Ｘ　１６ｙ　２＋　＋　ｌ８ｙ　＋　ｌ　（２—３）　

在公式（２—３）中，　是多项式的系数，称为有理函　数的系数（Ｒａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｃｏｅｆｆｃｉｅｎｔ，简称ＲＦＣ　ｏ　

有理函数的系数来源有两种：一种是影像数据分　发商将ＲＦＣ信息作为影像元数据的一部分提供给用　

户，用户可以使用有理函数信息来校正卫星影像（只　适用于带有ＲＰＣ影像支持数据的ＮＩＴＦ　２．０格式的影　像）。另外一种是采集一定量的控制点来解算ＲＦＣ。使　

用ＧＣＰ点将最终生成精度更高的正射影像。在实际　应用中，为充分保证ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星影像的纠正精　度，应采用采集适量的控制点来解算ＲＦＣ这一方法。　

３应用实例　

３．１数据准备　

选用安徽省马鞍山地区的一景ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１（１７．９　

公里ｘ１７．８公里）全色影像，地形平坦，摄影时间为２００８　年２月２２日，０．５０米像元分辨率，２Ａ级产品。　

３．２　ＧＰＳ实测地面控制点的选取及测定　由于ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１数据的分辨率较高，为满足精　

度要求，采用ＧＰＳ实测地面控制点。　

在影像上均匀布设１３个控制点，为使野外定位　精度更高，控制点尽量选择在宽度０．５ｍ左右的细小　

田埂和小道的交叉处，以保证野外测量准确定位。　

实测时采用天宝公司静态ＧＰＳ对每个控制点进　行观测。按照ｈ　ｌＯ　０００比例尺成图控制点测量精度要　

求，利用已知点为起算点进行野外实测，通过Ｔｒｉｍｂｌｅ　

Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ　Ｏｆｆｉｃｅ平差软件计算像控点的坐标。该测区　ＧＰＳ网中各个点经过平差后，最弱点点位中误差为　

０．２２３ｍ，允许－０．３５ｍ；最弱点高程中误差为０．３１ｍ，允　许－＋０．３５ｍ；最弱边相对中误差为１：６４１５５，允许１／　

４５０００；平差精度满足规范要求，可以作为对Ｗｏｒｌｄ—　

ｖｉｅｗ一１影像进行正射纠正的控制点。　３．３　ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１正射纠正　

使用ＰＣＩ　Ｇｅｏｍａｔｉｃａ　Ｖ　１０．１软件的ＯｒｔｈｏＥｎｇｉｎｅ　

模块中有理函数模型，采用适量控制点来解算有理函　数的系数ＲＰＣ，对影像进行平差，在ＤＥＭ的参与下进　

行影像正射纠正。ＤＥＭ采用国家基础地理信息中心　提供的１：５万标准分幅、２５米格网间距、ＡＤＦ格式的　

数字高程模型。　

３．４精度评定　

控制点平差后，控制点残差中误差、单点最大误　

差均不大于１个像元，符合规范要求。纠正后的控制　点点位在正射影像上的坐标与实测坐标进行对比，计　

算其点位误差，结果如表２。　上表说明：控制点的点位误差均小于０．５米，说明　

纠正后的影像具有很高的精度。　３．５实验中还注意到了以下几点　

…１当采用通过控制点来解算有理函数系数的方　

法时，控制点的数量与有理函数系数的关系为２ｎ一１　

（ｎ为有理函数系数的个数）。　

（２）由于有理函数数学模型考虑了高程因素，所　以它比多项式模型和样条函数模型更为精确，但它需　

要更多的地面控制点。理论上，采用的控制点个数越　多，解算出的系数越多，平差后控制点的残差就越小，　

影像的纠正精度相对较高。但控制点过多时，高阶　ＲＦＭ因参数过多会导致解的不稳定性。　

（３）由于有理函数的系数是利用ＧＣＰ数据通过最　小二乘法解算确定的，因此ＲＦＭ的函数关系只在　

ＧＣＰ上是较严格的，而在其他点则是近似的。因此，有　

理函数的模型精度与地面控制点的精度、分布和数量　

密切相关。　

４结论　

高分辨率卫星影像在遥感领域的发展与应用，大　

大缩小了卫星影像与航空影像之间分辨能力的差距，

　５４　・北京测绘・　２０１０年第１期　

打破了较大比例尺地图测绘只能依赖航空遥感的局　

面。ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星不仅是目前全球投入应用的分　

辨率最高、响应速度最敏捷的商业成像卫星，还具有　

超大容量的星载能力、数据下载速率等特点，其图像　产品可以广泛应用在地图测绘、城市与区域规划、油　

气开发、通信、汽车导航等众多领域，还可以满足灾害　

评估、环境监测等时效性较强的行业要求。我国已经　

将ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１卫星影像应用到四川汶川抗震救灾、　

第二次全国土地调查底图生产中。从高分辨率商业遥　

感卫星的图像中，也可获取有价值的军事情报，可以　确认机场和导弹基地、识别部队、监测兵力的集结和　动态变化、制作大比例尺的军用地图等。总之，　ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１高分辨率商业遥感卫星图像具有巨大　

的应用潜力。　

参考文献　

［１】张祖勋，张剑清．数字摄影测量学【Ｍ］．武汉：武汉测绘　科技大学出版社，１９９７．　［２］张永生，巩丹超，刘军，等．高分辨率遥感卫星应用【Ｍ】．　

北京：科学出版社，２００７．　

［３］ＷＷＷ．ＤｉｇｉｔａｌＧｌｏｂｅ．ｃｏｍ　［４］ｗｗｗ．ＡｐｏｌｌｏＴＧ．ｃｏｎ　

Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｍａｇｅｒｙ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ－１　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　

ＱＵ　ｑｉａｏ—ｘｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｓｕ—ｍｉｎ，ＬＩＵ　Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｆａｎ　（６１５　１２　ｕｎｉｔ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ（ＲＦＭ）ｉｓ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｉｒｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｄ　ｏｆ　ｃｅｒｔａｉｎ　ＧＣＰ，ＲＦＭ　ｃａｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ一１　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｉｍａｇｅｓ　ｔｉｍｅｌｙ，ｒａｐｉｄｌｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ，　

ｗｈｉｃｈ　ｈｅｌｐｓ　ｔｏ　ｓｈｏｗ　ｉｔｓ　ｇｒｅａｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｉｎ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｅｃｏｎｏｍｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ（ＲＦＭ）；ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ－１　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｒｅｍｏｔｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｉｍａｇｅｓ；Ｇｒｏｕｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｏｉｎｔｓ　

（ＧＣＰ）；Ａｃｃｕｒａｃｙ．　

（上接第２７页）　

Ｓｅｃｏｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚｑｔｉｏｎ　ｏｎ　ＧＩＳ　

ＷＡＮＧ　Ｃｈｏｎｇ－ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈａｏ—ｈａｎ　（Ｐｅｋｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｆｏｕｎｄｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌａｎｇ　Ｆａｎｇ，０６５００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ—ｂａｓｅｄ　ＧＩＳ　ｐｌａｙ　ａ　ｍａｉｎ　ｒｏｌｅ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｖｉｔａｌｉｔｙ．ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ＧＰＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｒｅａｓ；ｇｅｏ—ｓｐａｔｉａｌ　ｄａｔａｂａｓｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｏｆ　ｓｐａｔｉａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ—ｂａｓｅｄ　

ａｒｅａｓ　ｍａｊｏｒｉｔｙ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＡｒｃＥｎｇｉｎｅ，ｂｕｔ　ｉｔ　ｉｓ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｒｄ—ｐａｒｔｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｓ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｕｐ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＡｃｔｉｖｅＢａｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｂｕｔ