CN103310487A - 一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，包括以下步骤：建立该遥感卫星的严密成像几何模型；确定待计算卫星遥感影像的各个有时间标记的行号与相应扫描行成像时间之间的对应关系；建立一个求解卫星遥感影像的任意行号与相应扫描行成像时间的分段线性求解函数；得到每条扫描行的归一化成像时间，并建立扫描行与归一化成像时间的关系；根据严密成像几何模型构建均匀分布的虚拟控制点格网；将拟控制点格网中像方的扫描行转化为归一化成像时间；拟合时间变量的通用成像几何模型；生成基于时间变量的通用成像几何模型；采用模型参数进行卫星遥感影像定位与几何处理。本发明可以广泛应用于航天及深空探测线阵推扫式光学卫星影像时间变量的通用成像几何模型生成过程中。

Description

一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法

技术领域

本发明涉及摄影成像技术领域，特别是关于一种适用于航天及深空探测线阵推扫式光学卫星遥感影像的基于时间变量的通用成像几何模型生成方法。

背景技术

在卫星遥感影像的应用中，为了进行遥感影像的定位及各种影像和地形产品的生产，需要构建遥感影像的成像几何模型，即建立影像的像点坐标与地面点坐标的一一对应关系。从光学成像的原理出发，忽略一些小误差因素而建立成像过程中光线传播的数学模型称为物理成像几何模型，此模型由于较为严密，通常也被称为严密成像几何模型。但是随着各种遥感卫星不断发展，各种新轨道器和传感器不断涌现，传感器成像形式多样化使得严密成像几何模型形式日益复杂，构建难度也不断增加，加大了用户使用难度，提高了用户使用专业门槛，从而限制了卫星遥感影像的使用和发展。

另外构建严密成像几何模型所需的卫星平台和有效载荷等关键技术参数是航天大国的技术机密，高分辨率传感器核心信息和卫星轨道参数等并未公开，因此无法利用严密成像几何模型进行处理。通用成像几何模型是一种与传感器无关的成像几何模型，在软件框架设计时就不必为现有或将来可能会出现的各种类型的传感器确定其严格几何模型的形式，而统一采用通用模型进行处理，大大降低了程序设计和用户使用的复杂性，而且该模型与传感器的物理参数无关，不会存在泄露航天技术机密的问题。特别是在同时处理多源卫星遥感影像数据时，通用成像几何模型更能显示出其优势。

现有技术中常见的通用成像几何模型有以下几种：多项式、直接线性变换、仿射变换、有理函数模型（RFM）等。其中，RFM是卫星遥感影像最常用的通用成像几何模型，它适用于各类传感器，包括最新的航空和航天传感器模型。基于RFM的成像模型并不要求了解传感器的实际特性和成像过程，是一种能够获得和严密成像模型近似一致精度且形式简单的广义成像模型。RFM具体定义关系式如下：

$X=\frac{{\mathrm{Num}}_L(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_L(P,L,H)}$

$Y=\frac{{\mathrm{Num}}_s(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_s(P,L,H)}$

式中，(X,Y)为归一化的影像坐标，(P,L,H)为归一化的地面点坐标，

Num_L(P,L,H)、Den_L(P,L,H)、Num_s(P,L,H)、Den_s(P,L,H)是关于P、L和H的三次多项式：

Num_L(P,L,H)＝a₁+a₂L+a₃P+a₄H+a₅LP+a₆LH+a₇PH+a₈L²+a₉P²

+a₁₀H²+a₁₁PLH+a₁₂L³+a₁₃LP²+a₁₄LH²+a₁₅L²P+a₁₆P³+a₁₇PH²

+a₁₈L²H+a₁₉P²H+a₂₀H³

Den_L(P,L,H)＝b₁+b₂L+b₃P+b₄H+b₅LP+b₆LH+b₇PH+b₈L²+b₉P²

+b₁₀H²+b₁₁PLH+b₁₂L³+b₁₃LP²+b₁₄LH²+b₁₅L²P+b₁₆P³+b₁₇PH²

+b₁₈L²H+b₁₉P²H+b₂₀H³

Num_s(P,L,H)＝c₁+c₂L+c₃P+c₄H+c₅LP+c₆LH+c₇PH+c₈L²+c₉P²

+c₁₀H²+c₁₁PLH+c₁₂L³+c₁₃LP²+c₁₄LH²+c₁₅L²P+c₁₆P³+c₁₇PH²

+c₁₈L²H+c₁₉P²H+c₂₀H³

Den_s(P,L,H)＝d₁+d₂L+d₃P+d₄H+d₅LP+d₆LH+d₇PH+d₈L²+d₉P²

+d₁₀H²+d₁₁PLH+d₁₂L³+d₁₃LP²+d₁₄LH²+d₁₅L²P+d₁₆P³+d₁₇PH²

+d₁₈L²H+d₁₉P²H+d₂₀H³

式中，三次多项式的系数a₁,...,a₂₀，b₁,...,b₂₀，c₁,...,c₂₀，d₁,...,d₂₀是有理函数模型参数（RPC），由RPC文件提供，b₁和d₁通常为1。

所谓归一化，是一项处理无限大、发散以及一些不合理表示式的方法，其方法引入一项辅助性的概念—“归一化因子”，在RFM中运用这种方法对地面点和影像点的坐标进行处理。归一化地面点坐标定义公式为

$P=\frac{\mathrm{Latitude}-\mathrm{LAT}\_\mathrm{OFF}}{\mathrm{LAT}\_\mathrm{SCALE}}$

$L=\frac{\mathrm{Longitude}-\mathrm{LONG}\_\mathrm{OFF}}{\mathrm{LONG}\_\mathrm{SCALE}}$

$H=\frac{\mathrm{Height}-\mathrm{HEIGHT}\_\mathrm{OFF}}{\mathrm{HEIGHT}\_\mathrm{SCALE}}$

式中，归一化因子LAT_OFF、LAT_SCALE、LONG_OFF、LONG_SCALE、HEIGHT_OFF、HEIGHT_SCALE是RPC文件中包含的地面点坐标归一化模型参数。Latitude表示经度、Longitude表示纬度、Height表示高程（某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，通常称为绝对高程或海拔）此三项代表地面点的空间坐标。

归一化影像坐标定义公式为：

$X=\frac{\mathrm{Sample}-\mathrm{SAMP}\_\mathrm{OFF}}{\mathrm{SAMP}\_\mathrm{SCALE}}$

$Y=\frac{\mathrm{Line}-\mathrm{LINE}\_\mathrm{OFF}}{\mathrm{LINE}\_\mathrm{SCALE}}$

式中，归一化因子SAMP_OFF、SAMP_SCALE、LINE_OFF、LINE_SCALE也是RPC文件中包含的影像坐标归一化模型参数，Sample表示影像列坐标，line表示影像行坐标。

由于RFM具有模拟精度高，通用性好，应用方便，计算量小等等优点，是目前航天摄影测量中应用较为广泛的一种通用成像几何模型。目前已有的通用成像几何模型，均是建立影像像点坐标与对应的地面点坐标之间的关系，随着新的探测任务和新型传感器的涌现，出现了一些光学推扫式卫星成像几何模型无法使用现有的通用成像几何模型拟合的现象，例如利用RFM拟合嫦娥二号卫星的严密成像几何模型时，在拟合长度为15000行时拟合中误差便超过0.7个像素，无法满足后续几何处理的需求。

另外，在利用通用成像几何模型进行遥感卫星遥感影像定位时，需要对模型进行精化处理，通过研究可知，成像几何模型存在的误差与时间相关，传统的CCD线阵扫描相机扫描行行号与时间具有线性关系，因此模型精化时误差可以由关于扫描行line的函数来描述，然而针对如资源三号、嫦娥二号这类存在成像积分时间跳变的卫星，扫描行与时间的关系在长条带卫星遥感影像处理中不再有线性关系，如果再使用已有的通用成像几何模型进行模型精化时不符合误差规律特性，使得精化的精度不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，该模型能够有效解决因积分时间跳变而产生的卫星遥感影像无法被已有的通用成像几何模型拟合和已有通用成像几何模型模型精化时误差无法由扫描行行号来表征的瓶颈。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，其包括以下步骤：1）读取通过某一遥感卫星拍摄的卫星遥感影像的成像参数及载荷参数，建立该遥感卫星的严密成像几何模型；2）根据遥感卫星相机成像时每一行探元的积分时间和积分起始时间，确定待计算卫星遥感影像的各个有时间标记的行号与相应扫描行成像时间之间的一一对应关系，并将上述对应关系存储到相机成像参数中；3）读取相机成像参数中各个有时间标记的行号与相应扫描行成像时间的对应关系，建立一个求解卫星遥感影像的任意行号与相应扫描行成像时间的分段线性求解函数，通过分段线性求解函数对卫星遥感影像扫描行所对应的成像时间进行求解；4）根据卫星遥感影像的初始成像时间和结束时间对扫描行成像时间进行归一化运算，得到扫描行的归一化成像时间，并根据步骤2）和3）建立的扫描行成像时间与扫描行的对应关系，建立扫描行与归一化成像时间的关系；5）根据严密成像几何模型构建均匀分布的虚拟控制点格网；6）利用步骤4）建立的扫描行与归一化成像时间的关系，将步骤5）虚拟控制点格网中像方的扫描行转化为归一化成像时间；7）根据卫星遥感影像的列坐标、归一化成像时间与三维坐标组成的最终立体格网，拟合时间变量的通用成像几何模型，其中，三维坐标由大地经纬坐标和高程组成；8）根据步骤7）所计算的有理函数模型参数，得到基于时间变量的通用成像几何模型参数、归一化成像时间与扫描行对应关系的模型参数文件，生成基于时间变量的通用成像几何模型；9）采用模型参数文件进行卫星遥感影像定位与几何处理。

所述步骤5）根据严密成像几何模型构建均匀分布的虚拟控制点格网，包括以下步骤：①根据卫星遥感影像的大小，在卫星遥感影像上以设定的像素间隔建立平面格网；②利用全球数字高程模型，计算出卫星遥感影像覆盖范围内的最小和最大高程，并根据设定的高程分层数和平面格网建立初步立体格网；③根据建立的严密成像几何模型和物方高程分层，计算像方平面格网中每个格网点对应的大地经纬度坐标，从而建立均匀分布的虚拟控制点格网，即利用像点坐标(line,sample)和高程Height，计算格网点对应的大地经纬度坐标(Latitude,Longitude)。

所述步骤7）中的拟合时间变量的通用成像几何模型为：

$X=\frac{{\mathrm{Num}}_L(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_L(P,L,H)}$

$t=\frac{{\mathrm{Num}}_s(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_s(P,L,H)}$

式中，(X,t)为归一化的影像列坐标和归一化成像时间，(P,L,H)为归一化的地面点坐标，Num_L(P,L,H)、Den_L(P,L,H)、Num_s(P,L,H)、Den_s(P,L,H)是关于P、L和H的三次多项式。

所述步骤8）的模型参数文件包括扫描行行号与归一化成像时间索引、归一化参数和有理函数多项式系数。

模型精化公式为：

F_x＝pr₀+pr₁·sample+pr₂·t+sample-x＝0

F_t＝pc₀+pc₁·sample+pc₂·t+t-t′＝0

式中，t为与卫星遥感影像扫描行相对应的归一化成像时间，sample为卫星影像点列坐标，t′为误差改正后影像行坐标对应的归一化成像时间，x为误差改正后的影像列坐标，pr₀，pr₁，pr₂，pc₀，pc₁，pc₂为误差改正参数，F_x为像方列方向误差，F_t为像方行方向误差换算成归一化成像时间后的值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据卫星遥感影像的列坐标、归一化成像时间与三维坐标组成的最终立体格网，拟合基于时间变量的通用成像几何模型，由于采用了归一化成像时间作为通用成像几何模型的参数，因此使得该通用成像几何模型有效解决了因积分时间跳变而产生的RFM拟合严密成像模型精度不高的问题，而且由于本发明所生成的模型参数文件包括卫星影像扫描行行号与归一化成像时间索引、归一化参数和有理函数多项式系数，该模型参数文件所记载的信息也不会泄露航天技术参数。2、由于归一化成像时间与扫描行成像时间具有线性关系，因此本发明建立了归一化成像时间与误差的精化模型，有效地表征了误差与卫星影像扫描时间之间的相关性，精化精度高，在进行模型精化时优于传统的通用成像几何模型。本发明可以广泛应用对地观测和深刻探测的卫星遥感影像几何处理中。

附图说明

图1本发明通用成像几何模型生成方法流程示意图；

图2是本发明严密成像几何模型示意图；

图3是本发明时间变量格网生成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，包括以下步骤：

1、读取通过某一遥感卫星拍摄的卫星遥感影像的成像参数及载荷参数，建立该遥感卫星的严密成像几何模型，即建立卫星遥感影像上任意一点影像坐标(line,sample)在任意一个虚拟高层面Height与大地经纬度坐标(Latitude,Longitude)之间的数学关系，line表示该点影像所在行坐标，sample表示该点影像所在列坐标；其中，成像参数包括遥感卫星成像时的位置、姿态、影像每条扫描行的成像时间（由于影像每条扫描行的成像积分时间为一时间段，本发明中将该每条扫描行积分时间段的中间时刻定义为影像每条扫描行的成像时间）；载荷参数包括相机安装矩阵和相机的内方位元素。

大地经纬度坐标的含义：在大地坐标系中某点的大地经度是通过该点的子午面与本初子午面所构成的二面角。由本初子午面起算，向东为正，称为东经，向西为负，称为西经，该点的法线与赤道面的夹角，叫做大地纬度，由赤道面起算，向北为正，称为北纬，向南为负，称为南纬。由大地经度和大地纬度所表示的地面点坐标为大地经纬度坐标，根据大地经纬度坐标和高程可以标注地面点的三维坐标。

如图2所示，建立被观测星球的星固坐标系，以星球质心O_T为原点，星球的赤道面为基本平面，Z轴垂直于基本平面指向北极（即星球自转轴方向），X轴指向经度原点方向，Y轴垂直于X轴和Z轴，构成右手笛卡尔直角坐标系。图2中，黑色实线圆圈表示基准球面，虚线圆圈表示虚拟高程值为Height的球面，S(X_S,Y_S,Z_S)为遥感卫星相机的摄影中心，A(X_A,Y_A,Z_A)为影像上任一像点对应的物方点。

根据摄影测量成像原理，摄影中心S、像方点与对应物方点在成像时三点位于同一条摄影光线

上，对某一像方点，若设定不同的虚拟高程面，可以由摄影光线和高层面相交得到不同的物方点，假设位于某高层面Height上的物方点A的坐标为(X_A,Y_A,Z_A)，则：

$\stackrel{\→}{\mathrm{SA}}=\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}-\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}={[X_A-X_S,Y_A-Y_S,Z_A-Z_S]}^T$

摄影光线

在像空间辅助坐标系（像空间辅助坐标系是以摄影中心S为原点，x轴和y轴与像平面坐标系的x、y轴平行，z轴与主光轴重合而定义的右手空间直角坐标系）的坐标为(x,y,-f)，将其转换到星固坐标系中：

$\stackrel{\→}{\mathrm{SA}}=R_{\mathrm{ol}}{R}_{b0}{R}_{\mathrm{ib}}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right],$

式中，R_ib是相机安装矩阵，指的是由相机安装时相机坐标系与本体（遥感卫星）坐标系的坐标轴之间产生的三个偏置角计算得到的旋转矩阵；R_bo是本体坐标系到轨道系的旋转矩阵（本体坐标系通常定义为原点在遥感卫星质心，X轴沿遥感卫星纵轴指向前，Y轴垂直于纵对称平面，指向右，Z轴在纵对称平面内，垂直于纵轴，指向下），R_ol是轨道坐标系到星固坐标系的旋转矩阵，由遥感卫星的位置和速度计算得到。

严密成像几何模型可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_A-X_S\\ Y_A-Y_S\\ Z_A-Z_S\end{array}\right]=\mathrm{\λ}{R}_{\mathrm{ol}}{R}_{\mathrm{bo}}{R}_{\mathrm{ib}}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right]=\mathrm{\λR}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，λ为比例系数，R为R_olR_boR_ib的乘积。

以月球为例求解上述模型，由球体公式可得：X_A ²+Y_A ²+Z_A ²＝(r_m+Height)²，式中r_m为月球半径。将严密成像几何模型代入球体公式：

(λu₁+X_S)²+(λu₂+Y_S)²+(λu₃+Z_S)²＝(r_m+Height)²   （2）

式中u₁、u₂、u₃组成的向量 $\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\\ u_3\end{array}\right]$ 为 $R\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right]$ 的归一化向量，（2）式展开即为：

λ²+2(X_Su₁+Y_Su₂+Z_Su₃)λ+(X_S ²+Y_S ²+Z_S ²)-(r_m+Height)²＝0   （3）

计算得到：

$\mathrm{\λ}=-(X_S{u}_1+Y_S{u}_2+Z_S{u}_3)\±\sqrt{{(X_S{u}_1+Y_S{u}_2+Z_S{u}_3)}^2-({X_S}^2+{Y_S}^2+{Z_S}^2)+{(r_m+\mathrm{Height})}^2}---\left(4\right)$

将λ代入公式（1）即可求得物方点A的大地经纬度坐标，从而建立了卫星遥感影像上任意一像点坐标(line,sample)和给定高程值Height与大地经纬度坐标(Latitude,Longitude)之间的数学关系。

2、根据遥感卫星相机成像时每一行探元（成像器件）的积分时间和积分起始时间（即某一段卫星遥感影像的开始拍摄时间），确定待计算卫星遥感影像的各个有时间标记的行号与相应扫描行的成像时间之间的一一对应关系Time＝f₁(line)及line＝f₂(Time)，并将上述对应关系存储到相机成像参数中，其中，line为待计算卫星遥感影像所在的行坐标，Time为待计算卫星遥感影像所在扫描行成像时间。

3、读取相机成像参数中各个有时间标记的行号与相应扫描行成像时间的对应关系，建立一个求解卫星遥感影像的任意行号与相应扫描行成像时间的分段线性求解函数，通过分段线性求解函数对各个有时间标记的行号之间的扫描行所对应的成像时间进行求解。

由于卫星遥感影像行的成像时间是根据整行号或一定的行号间隔预先记录的，例如记录了第7行的成像时间为t₁，第8行的成像时间为t₂，那么第7.5行的成像时间可以线性内插为（t₁+t₂）/2。

4、根据卫星遥感影像的初始成像时间（即某一段卫星遥感影像的开始拍摄时间）和结束时间（即某一段卫星遥感影像的结束拍摄时间）对每条扫描行成像时间进行归一化运算，得到每条扫描行的归一化成像时间t，并根据步骤2和3建立的扫描行成像时间与扫描行的对应关系，建立扫描行与归一化成像时间的关系。

建立归一化成像时间与扫描行成像时间的对应关系即为：

$t=\frac{\mathrm{Time}-\mathrm{Time}\_\mathrm{OFF}}{\mathrm{Time}\_\mathrm{SCALE}}---\left(5\right)$

式中，Time_OFF＝(Time_strat+Time_end)/2，Time_SCALE＝(Time_end-Time_strat)/2，Time_strat和Time_end分别是扫描行的初始成像时间和结束时间。

5、如图3所示，根据严密成像几何模型构建均匀分布的虚拟控制点格网，具体过程为：

1）根据卫星遥感影像的大小，在卫星遥感影像上以设定的像素间隔建立平面格网；

卫星遥感影像的像幅大小可以通过给定的输入得知，在卫星遥感影像上建立平面格网点，平面隔网点采用阵列形式，每行/每列相邻格网点间隔可以根据卫星遥感影像大小进行设定，通常列方向30个格网点以上即可，行方向格网间隔可以与列方向的间隔相等，但是不限于此，可以根据实际需要进行设定。

2）利用现有技术已发布的全球数字高程模型（DEM）（地球、月球、火星等均有已发布的全球DEM），计算出卫星遥感影像覆盖范围内的最小和最大高程，并根据设定的高程分层数（h1…hn）和平面格网建立初步立体格网；

根据从记录影像中若干像点对应的月面位置等信息的辅助文件中读入的月面位置信息，可以获得卫星遥感影像覆盖的大致经纬度范围，然后利用全球DEM求取该范围内的最小和最大高程，并将求取的高程范围按照设定的高程间隔进行分层用于建立物方虚拟三维点立体格网，层数可以根据实际需要进行设定，在此不作限制，本发明实施例中层数为4层。

3）根据建立的严密成像几何模型和物方高程分层，计算像方平面格网中每个格网点对应的大地经纬度坐标，从而建立均匀分布的虚拟控制点格网，即利用像点坐标(line,sample)和高程Height，计算格网点对应的大地经纬度坐标(Latitude,Longitude)。

6、利用步骤4建立的扫描行与归一化成像时间的关系，将步骤5虚拟控制点格网中像方的扫描行转化为归一成像化时间；

首先根据公式Time＝f₁(line)将扫描行转换为扫描行成像时间，然后根据公式（5）将扫描行转换为归一化成像时间。

7、根据卫星遥感影像的列坐标sample、归一化成像时间与三维坐标组成的最终立体格网，拟合基于时间变量的通用成像几何模型，其中三维坐标由大地经纬坐标和高程组成。

基于时间变量的通用成像几何模型采用现有的有理函数模型，本发明利用归一化时间作为参数，具体为：

$\begin{array}{c}X=\frac{{\mathrm{Num}}_L(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_L(P,L,H)}\\ t=\frac{{\mathrm{Num}}_s(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_s(P,L,H)}\end{array}---\left(6\right)$

式中，（X,t）为归一化的影像列坐标和归一化成像时间，(P,L,H)为归一化的地面点坐标，Num_L(P,L,H)、Den_L(P,L,H)、Num_s(P,L,H)、Den_s(P,L,H)的具体求解公式为现有技术如背景技术所示，在此不再赘述。

误差方程为：

V＝Bx-l,W   （7）

$B=\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{cccc}\frac{\∂F_x}{\∂a_i}& \frac{\∂F_x}{\∂b_j}& \frac{\∂F_x}{\∂c_i}& \frac{\∂F_x}{\∂d_j}\\ \frac{\∂F_t}{\∂a_i}& \frac{\∂F_t}{\∂b_j}& \frac{\∂F_t}{\∂c_i}& \frac{\∂F_t}{\∂d_j}\end{array}\right)& (i=\mathrm{0,1},...,19,j=\mathrm{1,2},...19)\end{array}---\left(8\right)$

$\begin{array}{cc}\text{l=}\left(\begin{array}{c}-F_x^0\\ -F_t^0\end{array}\right),x=\left(\begin{array}{cccc}{a}_i& b_j& c_i& d_j\end{array}\right)& \end{array}(i=\mathrm{0,1},...,19,j=\mathrm{1,2},...19)---\left(9\right)$

其中，B为误差方程系数矩阵，l为常数项，W为权矩阵，(a_i b_j c_i d_j)为有理函数模型参数（PRC）系数。

根据最小二乘原理对x＝(B^TB)^-1B^Tl进行求解可以计算出所有有理函数模型参数。若实施时由于模型参数的相关性，使得求解过程中方程出现病态（即对系数矩阵B和常数项l做微小扰动时，解x的值会发生较大的变化），采用岭参数估计法解决。

8、根据步骤7所计算的有理函数模型参数，得到基于时间变量的通用成像几何模型参数、归一化成像时间与扫描行的模型参数文件，生成基于时间变量的通用成像几何模型。其中，模型参数文件包括扫描行行号与归一化成像时间索引、归一化参数和有理函数多项式系数，具体的数据存储结构如表一下：

表一模型参数文件存储结构

9、模型参数文件记录了构建基于时间变量的通用几何模型所需的全部参数（包括扫描行行号与归一化成像时间索引、归一化参数和有理函数多项式系数），采用模型参数文件进行卫星遥感影像定位与几何处理，例如对于卫星遥感影像，在无需获得相机各种成像参数的情况下，可以采用模型参数文件通过卫星遥感影像像点定位物点信息，获取的物点信息可以用于各种精密制图或进行符合精度要求的物方三维地形的生成卫星遥感影像定位。

上述实施例中，由于卫星的通用成像几何模型是拟合卫星严密成像几何模型获得，而卫星的严密成像几何模型构建时所用到的轨道、姿态、安装角、内方位元素等都含有各种测量误差，使得利用通用成像几何模型进行定位时存在误差，因此需要求解的通用成像几何模型进行精化处理。在精化处理中，在像方建立变换模型来表述误差（基于像方的处理）是一种有效的方法，以像方仿射变换为例：

F_x＝pr₀+pr₁·sample+pr₂·line+sample-x＝0

F_y＝pc₀+pc₁·sample+pc₂·line+line-y＝0

式中，(line,sample)为影像点坐标，（x,y）为误差改正后的影像点坐标，pr₀，pr₁，pr₂，pc₀，pc₁，pc₂为误差改正参数，F_x为像方列方向误差，F_y为像方行方向误差。

根据误差特性分析可知，误差往往具有与时间相关的特性，当卫星探元积分时间存在跳变时，扫描行号line与时间不再具有线性关系，所以上述误差不能再有效表示与时间相关的误差。

对于本发明的基于时间变量的通用几何成像模型而言，上式中像点坐标(line,samp)l由e（t,sample）代替，其中t为与卫星遥感影像扫描行相对应的归一化成像时间，则模型精化公式为：

F_x＝pr₀+pr₁·sample+pr₂·t+sample-x＝0

F_t＝pc₀+pc₁·sample+pc₂·t+t-t′＝0

式中，t′为改正后影像行坐标对应的归一化成像时间，F_x为像方列方向误差，F_t为像方行方向误差换算成归一化成像时间后的值，该精化模型包含了随时间变化的误差项，有效地表征了误差与卫星影像扫描时间之间的相关性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，其包括以下步骤：

1）读取通过某一遥感卫星拍摄的卫星遥感影像的成像参数及载荷参数，建立该遥感卫星的严密成像几何模型；

2）根据遥感卫星相机成像时每一行探元的积分时间和积分起始时间，确定待计算卫星遥感影像的各个有时间标记的行号与相应扫描行成像时间之间的一一对应关系，并将上述对应关系存储到相机成像参数中；

3）读取相机成像参数中各个有时间标记的行号与相应扫描行成像时间的对应关系，建立一个求解卫星遥感影像的任意行号与相应扫描行成像时间的分段线性求解函数，通过分段线性求解函数对卫星遥感影像扫描行所对应的成像时间进行求解；

4）根据卫星遥感影像的初始成像时间和结束时间对扫描行成像时间进行归一化运算，得到扫描行的归一化成像时间，并根据步骤2）和3）建立的扫描行成像时间与扫描行的对应关系，建立扫描行与归一化成像时间的关系；

5）根据严密成像几何模型构建均匀分布的虚拟控制点格网；

6）利用步骤4）建立的扫描行与归一化成像时间的关系，将步骤5）虚拟控制点格网中像方的扫描行转化为归一化成像时间；

7）根据卫星遥感影像的列坐标、归一化成像时间与三维坐标组成的最终立体格网，拟合时间变量的通用成像几何模型，其中，三维坐标由大地经纬坐标和高程组成；

8）根据步骤7）所计算的有理函数模型参数，得到基于时间变量的通用成像几何模型参数、归一化成像时间与扫描行对应关系的模型参数文件，生成基于时间变量的通用成像几何模型；

9）采用模型参数文件进行卫星遥感影像定位与几何处理。

2.如权利要求1所述的一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，其特征在于：所述步骤5）根据严密成像几何模型构建均匀分布的虚拟控制点格网，包括以下步骤：

①根据卫星遥感影像的大小，在卫星遥感影像上以设定的像素间隔建立平面格网；

②利用全球数字高程模型，计算出卫星遥感影像覆盖范围内的最小和最大高程，并根据设定的高程分层数和平面格网建立初步立体格网；

③根据建立的严密成像几何模型和物方高程分层，计算像方平面格网中每个格网点对应的大地经纬度坐标，从而建立均匀分布的虚拟控制点格网，即利用像点坐标(line,sample)和高程Height，计算格网点对应的大地经纬度坐标(Latitude,Longitude)。

3.如权利要求1或2所述的一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，其特征在于：所述步骤7）中的拟合时间变量的通用成像几何模型为：

$X=\frac{{\mathrm{Num}}_L(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_L(P,L,H)}$

$t=\frac{{\mathrm{Num}}_s(P,L,H)}{{\mathrm{Den}}_s(P,L,H)}$

式中，(X,t)为归一化的影像列坐标和归一化成像时间，(P,L,H)为归一化的地面点坐标，Num_L(P,L,H)、Den_L(P,L,H)、Num_s(P,L,H)、Den_s(P,L,H)是关于P、L和H的三次多项式。

4.如权利要求1到3任一项所述的一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，其特征在于：所述步骤8）的模型参数文件包括扫描行行号与归一化成像时间索引、归一化参数和有理函数多项式系数。

5.如权利要求1到4任一项所述的一种基于时间变量的通用成像几何模型生成方法，其特征在于：模型精化公式为：

F_x＝pr₀+pr₁·sample+pr₂·t+sample-x＝0

F_t＝pc₀+pc₁·sample+pc₂·t+t-t′＝0

式中，t为与卫星遥感影像扫描行相对应的归一化成像时间，sample为卫星影像点列坐标，t′为误差改正后影像行坐标对应的归一化成像时间，x为误差改正后的影像列坐标，pr₀，pr₁，pr₂，pc₀，pc₁，pc₂为误差改正参数，F_x为像方列方向误差，F_t为像方行方向误差换算成归一化成像时间后的值。

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