CN104764443A - 一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法 - Google Patents

一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法。本发明光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法包括以下步骤：利用光学遥感卫星相机的设计参数、在轨标定参数、相机与卫星的安装关系确定光学遥感卫星的像点坐标与卫星的几何关系；利用光学遥感卫星搭载的GPS、激光角反射器的观测数据及其的安装关系确定卫星影像的摄影位置；利用光学遥感卫星搭载的星敏感器、陀螺的观测数据及其安装关系确定卫星影像的摄影角度，构建光学遥感卫星各像点的共线方程，形成光学遥感卫星影像的严密成像几何模型。本发明是光学遥感卫星影像后续几何处理应用的基础。

Description

一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法
技术领域
本发明属于摄影成像测量技术领域，特别涉及一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法。
背景技术
在摄影成像测量技术中，严密成像几何模型是与传感器紧密相关的，对于不同类型的传感器需要不同的成像模型。随着各种新型航空和航天传感器的出现，从应用的角度，为了处理这些新型传感器的数据，用户需要改变他们的软件或者增加新的传感器成像模型到他们的系统中，这给用户带来诸多不便。另外，严密成像模型并非总能得到，因为严密成像模型的建立需要了解传感器物理特性以及航空和航天传感器影像的成像机理。尤其是，难以构建光学遥感卫星严密成像几何模型。
发明内容
本发明目的在于提出一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，用于构建适用于光学遥感卫星影像处理的严密成像几何模型，为光学遥感卫星影像的高精度几何处理提供基础模型，从而在实现光学遥感卫星影像的高精度平面、立体几何处理时，建立了影像像点坐标与地面坐标的严密几何关系。
根据本发明提出的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法包括以下步骤：步骤1.1，建立光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系；步骤1.2，建立光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的转换关系；步骤1.3，建立针对光学遥感卫星相机系统、光学遥感卫星姿态测量系统的安装所导致的光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系和光学遥感卫星姿态测量坐标系的转换关系误差的误差补偿模型；步骤1.4，根据光学遥感卫星姿态测量系统观测值，确定光学遥感卫星整星基准在地理坐标系下的旋转关系；步骤1.5，根据光学遥感卫星轨道测量系统观测值，确定光学遥感卫星整星基准在地理坐标系下的位置关系；以及步骤1.6，根据步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的计算结果，构建形成光学遥感卫星影像坐标到地面三维坐标的精确转换关系。
利用本发明提出的一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，能够构建光学遥感卫星的严密成像几何模型，该成像几何模型针对光学遥感卫星搭载的有效载荷的特点进行高精度几何处理，所得到的像点三维几何坐标能真实准确地描述像点坐标在相机系统下的三维几何关系。
附图说明
图1是推扫式成像几何原理的示意图；
图2是根据本发明的图像坐标系(O－XY)的示意图；
图3是根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建原理的示意图；
图4是根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图3是根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建原理的示意图。如图3所示，通过获取光学遥感卫星相机内像点位置和相机安装关系来计算内方位元素，并且通过获取光学遥感卫星摄影位置和摄影角度来计算外方位元素，利用计算出的内方位元素和外方位元素来建立共线方程，由此得到光学遥感卫星严密成像几何模型。
以下是本发明具体实施方式所涉及的一些概念。
在光学遥感卫星中，单线阵推扫式成像传感器是逐行以时序方式获取二维图像的。一般是先在像面上形成一条线图像，然后卫星沿着预定的轨道向前推进，逐条扫描后形成一幅二维影像，成像方式如图1所示。影像上每一行像元在同一时刻成像且为中心投影，整个影像为多中心投影。另外，本发明中的光学遥感卫星的传感器包括相机，相机具有CCD器件。
图1是推扫式成像几何原理的示意图。图1中的各符号：pk为影像上任一像点，xk为扫描线k上影像点的x坐标，c为传感器主距，Ok为扫描线k的投影中心，ok为扫描线k的主点，lk为扫描线k从投影中心Ok发出的光线。
卫星基准
卫星基准即卫星本体坐标系，其定义如下：
原点0:位于星体分离面
轴OX：垂直于星体分离面，沿卫星的纵轴方向，指向同纵轴；
轴OZ；位于星体分离面，指向卫星正常飞行对地方向
轴OY：位于星体分离面，与OX轴、OZ轴构成右手系。
相机测量坐标系
原点0:以相机CCD线阵上视主点为坐标原点
轴OZ；过原点，沿视轴指向相机进光口方向为+Z向；
轴OY：过原点，沿线阵指向卫星+Y向为与+Y向；
轴OX：与OY轴、OZ轴构成右手系。
图像坐标系统
图2是根据本发明的图像坐标系(O－XY)的示意图。图2所示的图像坐标系以影像的左上角为原点，沿着扫描线方向为X轴，垂直于扫描线方向为Y轴。
轨道坐标系
轨道坐标系的原点在卫星质心，Z轴指向地心反向，Y轴在卫星轨道面上指向卫星运动的方向，X轴按照右手规则确定(Gunter,1998)。
空间固定惯性参考系
空间固定惯性参考系(CIS)，常常用来描述卫星的运动，一般卫星星历的计算都是在该坐标系下完成的。CIS坐标系的原点为地球质心，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴按照右手规则确定。由于地球绕太阳运动，春分点和北极点都是变化的(Gunter,1998)。因此，国际组织规定以某个时刻的春分点、北极点为基准，建立协议空间固定惯性系统。在本发明中，可优选地采用J2000坐标系作为空间固定惯性参考系。
地球固定地面参考系
地球固定地面参考系(CTS)用于描述观测站的位置和卫星观测结果。CTS坐标系的原点亦在地球质心，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平子午线与地球赤道的交点，Y轴按照右手规则确定。
地理坐标系
地理坐标系，通常选取参考椭球面为基本参考面，选取一参考点为大地测量的起算点(大地原点)，利用大地原点的天文观测值可以确定参考椭球在地球内部的位置和方向。由此确定的参考椭球中心一般不与地球质心重合。这种原点位于地球质心附近的坐标系称为地球参心坐标系，通常称为地理坐标系。其原点位于参考椭球的中心O，Z轴平行于参考椭球的旋转轴，X轴指向起始大地子午面与参考椭球赤道的交点，Y轴按照右手规则确定。地面上任何一点的坐标都可以用(B,L,H)T或来表示，其中，L为地面点所在的大地子午面与起始子午面所构成的二面角，B为地面点所对应椭球的法线与赤道面的夹角，H为椭球高，即地面点沿法线到椭球面的距离。在本发明中，可优选地采用WGS84坐标系作为地理坐标系。
图4是根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法的流程图。图4所示的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法利用了图3所示的光学遥感卫星严密成像几何模型构建原理。
图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法包括以下步骤：
步骤1.1，建立光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系；
步骤1.2，建立光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的转换关系；
步骤1.3，建立针对光学遥感卫星相机系统、光学遥感卫星姿态测量系统的安装所导致的光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系和光学遥感卫星姿态测量坐标系的转换关系误差的误差补偿模型；
步骤1.4，根据光学遥感卫星姿态测量系统观测值，确定光学遥感卫星整星基准在地理坐标系下的旋转关系；
步骤1.5，根据光学遥感卫星轨道测量系统观测值，确定光学遥感卫星整星基准在地理坐标系下的位置关系；以及
步骤1.6，根据步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的计算结果，构建形成光学遥感卫星影像坐标到地面三维坐标的精确转换关系。
以下将参照优选实施方式进一步描述图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中的各个步骤。
在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，步骤1.1、1.2和1.3对应于图3所示的计算内方位元素的步骤，步骤1.4和1.5对应于图3所示的计算外方位元素的步骤，而步骤1.6对应于图3所示的建立共线方程的步骤，由此可以得到光学遥感卫星严密成像几何模型。
优选地，在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，步骤1.1还包括以下步骤：
步骤1.1.1，根据光学遥感卫星相机焦面安装关系，确定像点坐标与视主点坐标在相机测量坐标系的理论的三维几何关系，求出像点坐标在相机测量坐标系下的三维坐标
其中，在相机测量坐标系中，为视主点在X轴上的坐标，为视主点在Y轴上的坐标，为视主点在Z轴上的坐标，为像点与视主点在X轴上的坐标距离，为像点与视主点在Y轴上的坐标距离，为像点与视主点在Z轴上的坐标距离；
步骤1.1.2，根据光学遥感卫星相机光学系统畸变模型以及CCD器件的安装装调在轨变形，计算出相机测量坐标系下的像点坐标处的畸变量
其中，为像点坐标在X轴上的畸变量，为像点坐标在Y轴上的畸变量，为像点坐标在Z轴上的畸变量；
步骤1.1.3，据步骤1.1.1、1.1.2的计算结果计算得到光学遥感卫星影像的像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系
其中，为相机后节点在相机测量坐标系X轴上的坐标，为相机后节点在相机测量坐标系Y轴上的坐标，为相机后节点在相机测量坐标系Z轴上的坐标。
优选地，在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，步骤1.2还包括以下步骤：
步骤1.2.1，根据相机测量坐标系坐标原点与卫星整星基准坐标原点，确定光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的平移关系
其中，为相机测量坐标系与卫星整星基准在X轴上的坐标平移距离，为相机测量坐标系与卫星整星基准在Y轴上的坐标平移距离，为相机测量坐标系与卫星整星基准在Z轴上的坐标平移距离；
步骤1.2.2，根据相机测量坐标系各坐标轴与卫星整星基准坐标轴的角度关系，确定光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的旋转关系
在步骤1.2中，确定了光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的平移关系和旋转关系，也就建立了光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的转换关系。
优选地，在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，步骤1.3，建立针对光学遥感卫星相机系统、光学遥感卫星姿态测量系统的安装所导致的光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系和光学遥感卫星姿态测量坐标系的转换关系误差的误差补偿模型(例如，R补偿模型＝[R俯仰 R横滚 R偏航]T)。优选地，可以利用安装关系补偿系数R安装关系补偿来对光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系和光学遥感卫星姿态测量坐标系的转换关系误差进行补偿，以建立误差补偿模型。
优选地，在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，当采用J2000坐标系作为空间固定惯性参考系并采用WGS84坐标系作为地理坐标系时，步骤1.4还包括以下步骤：
步骤1.4.1，根据光学遥感卫星星敏感器观测值星敏感器与整星基准的转换关系确定光学遥感卫星整星基准在J2000坐标系下的转换关系；
步骤1.4.2，根据光学遥感卫星陀螺观测值陀螺与整星基准的转换关系确定光学遥感卫星整星基准在J2000坐标系下的转换关系；
步骤1.4.3，采用步骤1.4.1和1.4.2的计算结果进行联合处理以高精度地确定光学遥感卫星整星基准在J2000坐标系下的转换关系
步骤1.4.4，通过计算J2000坐标系与WGS84坐标系的转换关系确定光学遥感卫星整星基准在WGS84坐标系下的旋转关系其中，m是比例因子。
优选地，在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，当采用WGS84坐标系作为地理坐标系时，步骤1.5还包括以下步骤：
步骤1.5.1，根据光学遥感卫星双频GPS观测值光学遥感卫星双频GPS与整星基准的位置关系确定光学遥感卫星整星基准在WGS84坐标系下的位置关系，其中，分别是GPS相位中心在WGS84坐标系的X轴、Y轴、Z轴上的坐标， 分别是整星基准与GPS相位中心在X轴、Y轴、Z轴上的距离；
步骤1.5.2，根据光学遥感卫星卫星激光测距SLR基准镜观测值光学遥感卫星SLR基准镜与整星基准的位置关系确定光学遥感卫星整星基准在WGS84坐标系下的位置关系，其中，分别是光学遥感卫星SLR基准镜在WGS84坐标系的X轴、Y轴、Z轴上的坐标， 分别是整星基准与光学遥感卫星SLR基准镜在X轴、Y轴、Z轴上的距离；
步骤1.5.3，采用1.5.1和1.5.2的计算结果进行联合处理以高精度地确定光学遥感卫星整星基准在WGS坐标系下的位置关系
优选地，在图4所示的根据本发明的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，步骤1.6，根据步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的计算结果，构建形成光学遥感卫星影像坐标到地面三维坐标的精确转换关系。
本领域技术人员可以理解，通过利用上述步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的计算结果可以以各种方式构建形成光学遥感卫星影像坐标到地面三维坐标的精确转换关系。优选地，可在步骤1.6中构建共线方程如下：
本领域技术人员可以理解，在本发明光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法中，利用光学遥感卫星相机的设计参数、在轨标定参数、相机与卫星的安装关系确定光学遥感卫星的像点坐标与卫星的几何关系；利用光学遥感卫星搭载的GPS、激光角反射器的观测数据及其的安装关系确定卫星影像的摄影位置；利用光学遥感卫星搭载的星敏感器、陀螺的观测数据及其安装关系确定卫星影像的摄影角度，构建光学遥感卫星各像点的共线方程，形成光学遥感卫星影像的严密成像几何模型。而且，该严密成像几何模型针对光学遥感卫星搭载的有效载荷的特点进行高精度几何处理，所得到的像点三维几何坐标能真实准确地描述像点坐标在相机系统下的三维几何关系。本发明是光学遥感卫星影像后续几何处理应用的基础。
本领域技术人员还可以理解，上述步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6的具体内容都仅仅是示例性的优选实施方式，本领域技术人员根据本发明技术方案的原理可以采用其它实施方式来执行步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6中的每一个以实现本发明的目的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.1，建立光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系；
步骤1.2，建立光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的转换关系；
步骤1.3，建立针对光学遥感卫星相机系统、光学遥感卫星姿态测量系统的安装所导致的光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系和光学遥感卫星姿态测量坐标系的转换关系误差的误差补偿模型；
步骤1.4，根据光学遥感卫星姿态测量系统观测值，确定光学遥感卫星整星基准在地理坐标系下的旋转关系；
步骤1.5，根据光学遥感卫星轨道测量系统观测值，确定光学遥感卫星整星基准在地理坐标系下的位置关系；以及
步骤1.6，根据步骤1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的计算结果，构建形成光学遥感卫星影像坐标到地面三维坐标的精确转换关系。
2.根据权利要求1所述的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，步骤1.1还包括以下步骤：
步骤1.1.1，根据光学遥感卫星相机焦面安装关系，确定像点坐标与视主点坐标在相机测量坐标系的理论的三维几何关系，求出像点坐标在相机测量坐标系下的三维坐标
其中，在相机测量坐标系中，为视主点在X轴上的坐标，为视主点在Y轴上的坐标，为视主点在Z轴上的坐标，为像点与视主点在X轴上的坐标距离，为像点与视主点在Y轴上的坐标距离，为像点与视主点在Z轴上的坐标距离；
步骤1.1.2，根据光学遥感卫星相机光学系统畸变模型以及CCD器件的安装装调在轨变形，计算出相机测量坐标系下的像点坐标处的畸变量
其中，为像点坐标在X轴上的畸变量，为像点坐标在Y轴上的畸变量，为像点坐标在Z轴上的畸变量；
步骤1.1.3，据步骤1.1.1、1.1.2的计算结果计算得到光学遥感卫星影像的像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系
其中，为相机后节点在相机测量坐标系X轴上的坐标，为相机后节点在相机测量坐标系Y轴上的坐标，为相机后节点在相机测量坐标系Z轴上的坐标。
3.根据权利要求1所述的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，步骤1.2还包括以下步骤：
步骤1.2.1，根据相机测量坐标系坐标原点与卫星整星基准坐标原点，确定光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的平移关系
其中，为相机测量坐标系与卫星整星基准在X轴上的坐标平移距离，为相机测量坐标系与卫星整星基准在Y轴上的坐标平移距离，为相机测量坐标系与卫星整星基准在Z轴上的坐标平移距离；
步骤1.2.2，根据相机测量坐标系各坐标轴与卫星整星基准坐标轴的角度关系，确定光学遥感卫星相机测量坐标系与光学遥感卫星整星基准的旋转关系
4.根据权利要求1所述的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，在步骤1.3中，利用安装关系补偿系数R安装关系补偿来对光学遥感卫星影像各像点坐标在相机测量坐标系的三维坐标关系和光学遥感卫星姿态测量坐标系的转换关系误差进行补偿，以建立误差补偿模型。
5.根据权利要求1所述的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，当采用J2000坐标系作为空间固定惯性参考系并采用WGS84坐标系作为地理坐标系时，步骤1.4还包括以下步骤：
步骤1.4.1，根据光学遥感卫星星敏感器观测值星敏感器与整星基准的转换关系确定光学遥感卫星整星基准在J2000坐标系下的转换关系；
步骤1.4.2，根据光学遥感卫星陀螺观测值陀螺与整星基准的转换关系确定光学遥感卫星整星基准在J2000坐标系下的转换关系；
步骤1.4.3，采用步骤1.4.1和1.4.2的计算结果进行联合处理以高精度地确定光学遥感卫星整星基准在J2000坐标系下的转换关系
步骤1.4.4，通过计算J2000坐标系与WGS84坐标系的转换关系确定光学遥感卫星整星基准在WGS84坐标系下的旋转关系其中，m是比例因子。
6.根据权利要求1所述的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，当采用WGS84坐标系作为地理坐标系时，步骤1.5还包括以下步骤：
步骤1.5.1，根据光学遥感卫星双频GPS观测值光学遥感卫星双频GPS与整星基准的位置关系确定光学遥感卫星整星基准在WGS84坐标系下的位置关系，其中，分别是GPS相位中心在WGS84坐标系的X轴、Y轴、Z轴上的坐标， 分别是整星基准与GPS相位中心在X轴、Y轴、Z轴上的距离；
步骤1.5.2，根据光学遥感卫星卫星激光测距SLR基准镜观测值光学遥感卫星SLR基准镜与整星基准的位置关系确定光学遥感卫星整星基准在WGS84坐标系下的位置关系，其中，分别是光学遥感卫星SLR基准镜在WGS84坐标系的X轴、Y轴、Z轴上的坐标， 分别是整星基准与光学遥感卫星SLR基准镜在X轴、Y轴、Z轴上的距离；
步骤1.5.3，采用1.5.1和1.5.2的计算结果进行联合处理以高精度地确定光学遥感卫星整星基准在WGS坐标系下的位置关系
7.根据权利要求1至6任一项所述的光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法，其特征在于，步骤1.6构建共线方程如下：
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