CN103438865A - 一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法，首先确定遥感图像景内相对畸变指标的误差源；图像景内相对畸变主要受卫星测量系统的随机误差、卫星成像时标随机误差、卫星平台颤振和卫星在轨内检校精度影响；其次通过计算各个独立的误差源分别在沿轨方向和穿轨方向引起的图像景内相对畸变值，得到各误差源各自引起的光学遥感图像相对景内畸变；最后利用各误差源各自引起的光学遥感图像相对景内畸变值，得到各误差源对光学遥感图像相对景内畸变的综合影响，预估图像景内相对畸变。本发明指出了影响图像景内相对畸变的各个要素，并给出了各个独立的影响因素量化计算方法以及预估图像景内相对畸变的方法。

Description

一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法

技术领域

本发明涉及一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法，特别是一种针对无控制点时图像景内相对畸变指标的获取方法。

背景技术

随着光学遥感技术的发展，用户对遥感器图像质量的要求越来越高，提出的指标也越来越细化，无控制点图像景内相对畸变指标是用户近期提出的控制图像质量的指标。图像景内相对畸变主要由卫星测量系统随机误差、卫星平台颤振等因素引起。由于其影响因素主要为随机误差，地面应用阶段无法通过定期的几何检校去除。如当前影像上无高精度控制点或控制点数量较少时，图像景内相对畸变无法去除，会直接影响图像的后续应用。

在卫星设计阶段应针对用户提出的无控制点图像景内相对畸变指标进行合理的指标分配和计算，结合卫星研制阶段的各项验证试验结果和图像景内相对畸变指标的分配约束，对卫星相关分系统进行闭环优化设计，以保证卫星在轨获取的图像质量满足用户的需求。

图像相对景内畸变的定义为：在一景图像内，对于选定的两目标点A和B，以A点作为该景图像坐标系的原点，B点的实际位置坐标为（Xb,Yb），通过卫星影像的求得的坐标为（Xb′,Yb′），则向量

表示目标点Ａ和Ｂ间的相对定位精度，如图1所示。则A和B两点的图像景内相对畸变值为：

$\stackrel{\→}{|\mathrm{BB}\′|}=\sqrt{{(\mathrm{Xb}\′-\mathrm{Xb})}^2+{(\mathrm{Yb}\′-\mathrm{Yb})}^2}.$

光学遥感图像几何质量是指遥感图像正确描述目标的几何形状、位置精度的能力，具体可以分为有控制点的图像定位精度、目标的几何变形情况、多幅图像的配准精度等。目前，卫星总体进行总体设计和研制时，针对有控制点的图像定位精度、目标几何变形、图像配准等指标要求，展开设计和验证工作，卫星入轨后，经定期的在轨检校和系统几何校正，对遥感系统的固定误差进行消除，以满足卫星图像几何质量满足用户要求。用户近期提出的无控制点图像景内相对畸变指标与上述指标不同，该指标影响因素主要为随机误差，要去除该项误差，卫星只能在有高精度控制点或大量控制点的区域成像，否则会直接影响图像的使用。因此，以提高卫星成像质量前提时，若卫星设计阶段对该项指标没有设计保证，将会大大影响卫星景内成像质量和使用效能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法，该方法给出了图像景内相对畸变的影响因素，为卫星在轨获取高质量的图像提供了保障。

本发明的技术解决方案：一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法，步骤如下：

1）获得卫星测量系统内姿态测量系统随机误差σ₁引起的沿轨方向相对畸变σ_1-pitch=H×tan(e)，获得卫星测量系统内姿态测量系统随机误差σ₁引起的穿轨方向相对畸变σ_1-roll=H×tan(e)；从而得到卫星测量系统内姿态测量随机误差σ₁引起的总的图像相对畸变

其中H为卫星轨道高度，e为星敏感器的测量误差；

2）获得卫星测量系统内轨道确定系统随机误差σ₂引起的沿轨方向相对畸变

获得卫星测量系统内轨道确定系统随机误差σ₂引起的穿轨方向相对畸变

从而得到卫星测量系统内轨道测量随机误差σ₂引起的总的图像相对畸变

其中ΔP为GPS接收机三轴综合测量随机误差；

3）获得卫星测量系统内卫星成像时标随机误差σ₃引起的沿轨方向相对畸变σ_3-pitch=ν×Δt_s；获得卫星测量系统内卫星成像时标随机误差σ₃引起的穿轨方向相对畸变σ_3-roll为0；从而得到卫星测量系统内卫星成像时标随机误差σ₃引起的总的图像相对畸变

其中ν为卫星星下点线速度；Δt_s为成像时标随机误差；

4）获得卫星测量系统内卫星平台颤振σ₄引起的沿轨方向相对畸变σ_4-pitch=H×tan(J_p)；获得卫星测量系统内卫星平台颤振σ₄引起的穿轨方向相对畸变σ_4-roll=H×tan(J_r)；从而得到卫星测量系统内卫星平台颤振σ₄引起的总的图像相对畸变其中H为卫星轨道高度，J_r和J_p分别为滚动和俯仰方向上的颤振幅值；

5）获得卫星测量系统内卫星在轨内检校精度σ₅引起的沿轨方向相对畸变σ_5-pitch=p×GSD；获得卫星测量系统内卫星在轨内检校精度σ₅引起的穿轨方向相对畸变σ_5-roll=p×GSD；从而得到卫星测量系统内轨内检校残差σ₅引起的总的图像相对畸变

其中p为在轨内检校的残差，GSD为光学遥感器地面像元分辨率；

6）根据步骤1）至步骤5）得到的由姿态测量系统随机误差σ₁、轨道确定系统随机误差σ₂、卫星成像时标随机误差σ₃、卫星平台颤振σ₄和卫星在轨内检校精度σ₅引起的相位图像相对畸变，获得图像景内相对畸变指标 $\mathrm{\σ}=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2+{{\mathrm{\σ}}_3}^2+{{\mathrm{\σ}}_5}^2.}$

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明给出了一种在卫星设计阶段对光学遥感图像相对景内畸变进行预估的方法，可以用来指导卫星研制过程中各阶段的设计工作，优化研制流程，使卫星入轨后获取的遥感图像能够满足用户提出的图像景内相对畸变指标要求。

（2）本发明明确了引起光学遥感图像景内相对畸变的影响因素，即误差源，为图像景内相对畸变的计算提供输入。在无控制点条件下，图像景内相对畸变主要受卫星测量系统的随机误差、卫星成像时标随机误差、卫星平台颤振和卫星在轨内检校精度的影响。

（3）本发明给出了光学遥感图像景内相对畸变的计算公式，根据计算公式，可对该指标进行定量的分析。影响图像景内相对畸变指标的误差源彼此独立，对图像景内相对畸变的影响因子权重不同，根据景内相对畸变的计算结果，可对误差源进行优化设计和闭环控制。

（4）本发明通过对遥感图像景内相对畸变指标的误差源的分解和综合影响的预估，以及研制过程中对各分解指标的量化分析与控制，能进一步提高光学遥感卫星动态成像的成像质量和使用效能。利用卫星设计时的图像相对畸变指标预估值，对卫星在无高精度控制点或少量控制点的成像区域获取的图像进行相对畸变校正，能进一步提升卫星的成像质量和使用效能。

附图说明

图1相对定位精度定义示意图；

图2图像景内相对畸变计算过程；

图3颤振引起的姿态变化示意图；

图4卫星典型工况下卫星平台颤振示意图；

图5卫星在轨内检校残差示意图。

具体实施方式

本发明一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标分析方法，指出了影响图像景内相对畸变的各个要素，并给出了通过各个独立的影响因素计算、预估图像景内相对畸变的方法。

在无控制点条件下，图像景内相对畸变主要受卫星测量系统的随机误差、卫星成像时标随机误差、卫星平台颤振和卫星在轨内检校精度影响，在确定各误差源时，应结合上述误差进行分析。

卫星测量系统主要分为：姿态测量系统和轨道测量系统。对于高分辨率光学遥感卫星，其姿态测量系统多为星敏感器，所以姿态测量随机误差来源为星敏感器测量的随机误差；轨道测量系统国内光学遥感卫星多采用单频（双频）GPS接收机，所以轨道测量随机误差来源为GPS接收机定轨的随机误差。

对于卫星成像时标随机误差，由于星上时间系统源一般均采用晶体振荡器，成像时标随机误差来源为晶体振荡器。

卫星平台颤振主要由星上转动部件引起，包括：动量轮、陀螺和帆板驱动机构等。

卫星在轨内检校的精度主要受地面检校场内控制点的数量的精度来决定。

在计算总的相对景内畸变时，由于各误差项来源不同，相互之间独立，根据误差传播定律可以使用如下公式计算图像景内相对畸变：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2+{{\mathrm{\σ}}_3}^2+{{\mathrm{\σ}}_4}^2+{{\mathrm{\σ}}_5}^2}$

其中：

σ₁为姿态测量系统随机误差引起的定位误差；

σ₂为轨道确定系统随机误差引起的定位误差；

σ₃为成像时标随机误差引起的定位误差；

σ₄为卫星平台颤振引起的定位误差；

σ₅为卫星在轨内检校残差。

本发明方法中图像相对景内畸变的计算过程分为：各误差源的确定、各误差源各自引起的相对景内畸变的计算和各误差源对相对景内畸变的综合影响计算三个过程，下面结合图2进行具体说明。

1)姿态测量随机误差引起的相对畸变计算

三轴稳定对地观测卫星的姿态常用三个绕卫星本体坐标轴X_b，Y_b，Z_b的转角来描述，顺次为滚动角、俯仰角和偏航角。卫星本体坐标系O_bX_bY_bZ_b原点O_b位于星箭对接面上的几何中心；O_bX_b与卫星纵轴重合，在卫星飞行状态下与飞行方向同向；O_bZ_b与O_bX_b垂直，在卫星飞行状态下指向地心；O_bY_b与Z_b轴、X_b轴满足右手系。光学遥感卫星姿态测量系统多采用星敏感器，星敏感器的测量误差分为：

Bias Error（固定偏移误差）、BS（Bias Stability，或称热弹性误差ThermoElastic Error）、HFSE（High Frequency Spatial Error，或称像素空间误差，Pixel Spatial Error）、LFSE（Low Frequency Spatial Error，或称视场空间误差，FOV Spatial Error）和TE（Temporal Error，或称热噪声）。

由于图像景内相对畸变仅需要考虑一景成像内星敏感器多次测量间的相对误差，所以仅HFSE和TE两项误差对景内相对畸变产生影响。

所以姿态测量随机误差为：

$e=\sqrt{{\mathrm{HFSE}}^2+{\mathrm{TE}}^2}$

姿态测量随机误差引起的沿轨方向（along-track）相对畸变为：

σ_1-pitch=H×tan(e)

其中H为卫星轨道高度。

姿态测量随机误差引起的穿轨方向（cross-track）相对畸变为：

σ_1-roll=H×tan(e)

姿态测量随机误差引起的总的图像相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_{1-\mathrm{pitch}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{1-\mathrm{roll}}}^2}$

2)轨道确定系统随机误差引起的相对畸变计算

轨道确定系统随机误差可直接由GPS接收机设计指标求得，如GPS接收机三轴综合测量随机误差，则轨道确定系统随机误差引起的沿轨方向相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_{2-\mathrm{pitch}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\sqrt{3}}$

轨道确定系统随机误差引起的穿轨方向相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_{2-\mathrm{roll}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\sqrt{3}}$

轨道确定系统随机误差引起的总的图像相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_2=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_{2-\mathrm{pitch}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{2-\mathrm{roll}}}^2}$

3)成像时标随机误差引起的相对畸变计算

成像时标随机误差的主要来源为晶振，一般晶振的频率误差来自3个参数，第一是受温度影响的频率偏差σ_t、第二是受老化影响的频率偏差σ_a，第三就是频率的短时抖动偏差σ_s。其中，σ_t和σ_a为缓变量，在计算对相对畸变影响时仅需考虑σ_s，如晶振的σ_s为30ppm，则其引起的成像时标随机误差Δt_s为30μs。

成像时标随机误差引起的沿轨方向相对畸变为：

σ_3-pitch=ν×Δt_s

其中：

ν为卫星星下点线速度；Δt_s为光学遥感器成像时标随机误差。

成像时标随机误差引起的穿轨方向相对畸变σ_3-roll为0。

成像时标随机误差引起的总的图像相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_3=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_{3-\mathrm{pitch}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{3-\mathrm{roll}}}^2}$

4)卫星平台颤振引起的相对畸变计算

卫星在轨摄像期间，其活动部件的各种运动影响均会引起相机镜头的振动响应，从而对图象质量产生一定影响。这种在抖动响应中不能依靠控制系统进行测量并加以抑制的成份称为颤振响应，颤振引起的姿态变化如图3所示。在卫星设计阶段需要进行颤振分析，通过颤振分析获得在卫星成像典型工况下卫星在滚动、俯仰和偏航轴上的颤振幅值，图4给出了卫星颤振分析给出的结果。

若卫星在滚动和俯仰方向上的颤振幅值分别为J_r和J_p，则平台颤振引起的沿轨方向相对畸变为：

σ_4-pitch=H×tan(J_p)

平台颤振引起的穿轨方向相对畸变为：

σ_4-roll=H×tan(J_r)

卫星平台颤振引起的总的图像相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_4=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_{4-\mathrm{pitch}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{4-\mathrm{roll}}}^2}$

5)卫星在轨内检校残差引起的相对畸变计算

卫星在轨内检校残差主要由内检校采用的几何标校场相关，在卫星研制阶段，如果其发射后采用的几何标校场确定，则能达到的内检校的精度是确定的，在轨内检校残差如图5所示。如已知卫星光学遥感器的地面像元分辨率GSD（Ground Sample Distance，地面采样间距），在轨内检校的残差为p（单位为像元），则其引起的沿轨方向相对畸变为：

σ_5-pitch=p×GSD

内检校残差引起的穿轨方向相对畸变为：

σ_5-roll=p×GSD

在轨内检校残差引起的总的图像相对畸变为：

${\mathrm{\σ}}_5=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_{5-\mathrm{pitch}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{5-\mathrm{roll}}}^2}$

6)总的相对畸变计算

在各误差项各自引起相对畸变确定后，则引起的总的相对畸变计算公式如下所示：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2+{{\mathrm{\σ}}_3}^2+{{\mathrm{\σ}}_4}^2+{{\mathrm{\σ}}_5}^2}$

给出具体算例如下：

如某卫星为太阳同步轨道，卫星轨道高度为645km，光学遥感器对应地面像元分辨率为2m，星敏测量HFSE(像素空间误差)为1.2''，星敏测量TE（热噪声）为0.5''，轨道测量随机误差为4m，成像时标随机误差为30μs，卫星在滚动和俯仰方向上的颤振幅值均为0.6''，在轨内检校精度为0.5个像元，则遥感器图像景内相对畸变预估值如下表所示：

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种光学遥感卫星图像景内相对畸变指标的获取方法，其特征在于步骤如下：

1）获得卫星测量系统内姿态测量系统随机误差σ₁引起的沿轨方向相对畸变σ_1-pitch=H×tan(e)，获得卫星测量系统内姿态测量系统随机误差σ₁引起的穿轨方向相对畸变σ_1-roll=H×tan(e)；从而得到卫星测量系统内姿态测量随机误差σ₁引起的总的图像相对畸变

其中H为卫星轨道高度，e为星敏感器的测量误差；

2）获得卫星测量系统内轨道确定系统随机误差σ₂引起的沿轨方向相对畸变

获得卫星测量系统内轨道确定系统随机误差σ₂引起的穿轨方向相对畸变从而得到卫星测量系统内轨道测量随机误差σ₂引起的总的图像相对畸变

其中ΔP为GPS接收机三轴综合测量随机误差；

3）获得卫星测量系统内卫星成像时标随机误差σ₃引起的沿轨方向相对畸变σ_3-pitch=ν×Δt_s；获得卫星测量系统内卫星成像时标随机误差σ₃引起的穿轨方向相对畸变σ_3-roll为0；从而得到卫星测量系统内卫星成像时标随机误差σ₃引起的总的图像相对畸变

其中ν为卫星星下点线速度；Δt_s为成像时标随机误差；

4）获得卫星测量系统内卫星平台颤振σ₄引起的沿轨方向相对畸变σ_4-pitch=H×tan(J_p)；获得卫星测量系统内卫星平台颤振σ₄引起的穿轨方向相对畸变σ_4-roll=H×tan(J_r)；从而得到卫星测量系统内卫星平台颤振σ₄引起的总的图像相对畸变

其中H为卫星轨道高度，J_r和J_p分别为滚动和俯仰方向上的颤振幅值；

5）获得卫星测量系统内卫星在轨内检校精度σ₅引起的沿轨方向相对畸变σ_5-pitch=p×GSD；获得卫星测量系统内卫星在轨内检校精度σ₅引起的穿轨方向相对畸变σ_5-roll=p×GSD；从而得到卫星测量系统内轨内检校残差σ₅引起的总的图像相对畸变

其中p为在轨内检校的残差，GSD为光学遥感器地面像元分辨率；

6）根据步骤1）至步骤5）得到的由姿态测量系统随机误差σ₁、轨道确定系统随机误差σ₂、卫星成像时标随机误差σ₃、卫星平台颤振σ₄和卫星在轨内检校精度σ₅引起的相位图像相对畸变，获得图像景内相对畸变指标 $\mathrm{\σ}=\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2+{{\mathrm{\σ}}_3}^2+{{\mathrm{\σ}}_4}^2+{{\mathrm{\σ}}_5}^2.}$

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