CN104807477B - 一种基于靶标控制点的卫星ccd阵列影像几何检校方法 - Google Patents
一种基于靶标控制点的卫星ccd阵列影像几何检校方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法，该方法包括：基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐标信息；利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵RU；将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解相机畸变参数，完成卫星CCD阵列几何检校。采用本发明的技术方案，能够很好地消除卫星成像中外姿态测量设备、相机设备的系统性安装误差，精确计算出相机内部包含物理意义的畸变误差参数，提高影像系统定位和内部几何精度，提升卫星影像的几何质量，以便于后续处理应用。
Description
技术领域
本发明属于摄影成像测绘技术领域，尤其涉及一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法。
背景技术
卫星影像的几何精度是后续应用的重要基础，几何精度直接代表影像地物信息的位置准确性。如果卫星影像的几何精度较低，在后续影像处理的时候就会需要大量的控制点进行纠正，因此需要大量的人力、物力和财力，进而会导致影像销量降低。
目前，国内研制的国产卫星在图像视觉效果和辐射质量上都得到提高，但是几何质量仍与国外同类卫星相比存在较大的差距。例如，国产卫星的无控制点定位精度都在百米以上，而国外卫星的定位精度多数仅在几十米量级；在存在足够控制点的条件下，国外卫星影像正射纠正的精度约为1个像元，而国产卫星影像正射纠正的精度为3-4像元。
卫星在轨运行时，由于外界物理环境的变化，会导致载荷安装值偏离发射前的地面标定值，造成几何定位的系统偏差；另外，针对卫星成像误差的研究表明，在卫星成像的较短时段内，姿态、轨道误差引起的几何定位偏差呈现系统性，且两者具有较强的相关性。为此，仅在星历姿态上引入偏置矩阵，综合补偿载荷安装、姿态轨道误差，便可大幅度地提高卫星影像的无控制点定位精度。
相机内参数误差(镜头畸变、CCD排列变形等)是影响卫星影像正射纠正精度(内部精度)的主要因素。目前，针对内畸变造成的像点偏移研究非常多，并且建立了各种误差模型，如像主点偏移、主距误差、CCD阵列缩放旋转等线性模型，偏心畸变、径向畸变等非线性模型。但是对于某颗特定卫星传感器，由于人们无法预先掌握其相机内畸变情况，难以正确选择合适的模型表述其像点偏移；另外，对于相机内部可能存在的非线性模型，也很难正确选择模型阶数，因此容易因为选择阶数过高而造成参数过度化，引起解的不稳定性。镜头光学畸变差是指相机物镜系统设计、制作和装配及其它原因引起的像点偏离其理想位置的点位误差，通常分为径向畸变、偏心畸变等，其中，径向畸变是由镜头形状引起的，它使像点沿径向产生偏差，径向畸变是对称的，对称中心与主点并不完全重合，但通常将主点视为对称中心；偏心畸变主要是由光学系统光心与几何中心不一致造成的，即镜头器件的光学中心不能严格共线。
可见，在严密几何模型中引入偏置矩阵，可以很好的补偿由于载荷安装偏差、姿轨偏差引起的几何定位误差，建立准确的包含物理意义的畸变标定模型，并求解畸变参数，具有较强的针对性和较高的应用效率。为了尽可能正确地解求各个畸变参数，要求具备一定数量的具有精确坐标的地面控制点。利用地面布设的靶标和靶标中心点的地理坐标，使用高精度靶标提取算法提取出靶标中心在影像上的精确位置，即可获得满足需求的控制点，以进一步进行畸变标定。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法，其实现了对于卫星在轨运行时相机内部变化的准确描述，使影像内部各探元的相对几何关系排列准确，提升了影像几何精度，降低了后续控制点数量的需求，以便于后续几何处理应用。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐标信息；
步骤2，利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵RU；
步骤3，将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解相机畸变参数完成卫星CCD阵列几何检校。
可选地，所述步骤1进一步包括以下步骤：
步骤1.1，根据靶标方形对顶角的特性搜索靶标概略位置，确定像素精度上的靶标像点坐标；
步骤1.2，基于靶标高反射率和低反射率的过渡灰度分布信息，通过拟合确定靶标过渡中心的坐标，并基于靶标横向和纵向的边界特征确定靶标中心点的像点坐标；
步骤1.3，将靶标中心点的像点坐标和地面坐标组合形成靶标控制点坐标信息。
可选地，所述步骤1.2中，采用玻尔兹曼曲线进行拟合。
可选地，所述步骤2中，对于所述偏置矩阵RU的计算包括以下步骤：
步骤2.1，根据卫星平台运动欧拉角运动规则，确定偏置矩阵RU的表示式；
步骤2.2，通过误差方程求得偏置矩阵RU的角元素，进而得到所述偏置矩阵RU。
可选地，所述偏置矩阵RU表示为：
其中，φ、ω、κ分别表示偏置矩阵RU的俯仰、横滚、偏航三个角元素。
可选地，所述步骤2.2进一步包括以下步骤：
步骤2.2.1，确定偏置矩阵误差方程；
步骤2.2.2，基于所述偏置矩阵误差方程，利用最小二乘原理计算得到所述偏置矩阵的三个角元素，从而得到所述偏置矩阵。
可选地，对同一相机不同CCD分别执行所述步骤3，以得到相应的相机畸变参数。
可选地，所述步骤3进一步包括以下步骤：
步骤3.1，建立畸变模型，其中，所述畸变模型的参数至少包括偏移量、旋转量、缩放比例、径向畸变和偏心畸变；
步骤3.2，通过误差方程求得所述畸变模型的参数。
可选地，所述步骤3.1中，首先将严密成像几何模型表示为：
其中，，Rbody2WGS84表示卫星本体坐标系在WGS84坐标系下的旋转矩阵，通过卫星搭载的姿态测量设备获得，Rcamera2body为载荷在卫星本体坐标下的安装矩阵，表示像点对应的地物点在WGS84坐标系下的地面坐标，为成像时刻卫星在WGS84坐标系下的坐标，(x，y)为像点坐标，即像平面坐标，f为焦距，(Δx，Δy)为卫星发射前测量的相机畸变值；
然后，建立畸变模型如下：
其中，(x,y)为像平面坐标,(x0，y0)表示主点坐标，Δx0、Δy0表示主点偏移量，θ为CCD在焦平面内的旋转角度，sy为缩放比例，k1,k2为径向畸变系数，p1,p2为偏心畸变系数。
可选地，所述步骤3.2进一步包括以下步骤：
步骤3.2.1，确定畸变模型误差方程；
步骤3.2.2，基于所述畸变模型误差方程，利用最小二乘原理计算得到相机畸变参数。
采用本发明的技术方案，能够很好地消除卫星成像中外姿态测量设备、相机设备的系统性安装误差，精确计算出相机内部包含物理意义的畸变误差参数，提高影像系统定位和内部几何精度，提升卫星影像的几何质量，以便于后续处理应用。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法的流程图。
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。
本发明针对卫星CCD阵列影像，采用高精度靶标提取算法提取靶标中心位置从而获得控制点，通过在严密几何成像模型中引入偏置矩阵来补偿姿轨外方位元素误差、求解相机畸变参数，消除影响几何定位精度的外方位元素、内方位元素系统误差，提高卫星几何定位精度。
图1是根据本发明一实施例的基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法流程图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1，基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐标信息；
所述步骤1进一步包括以下步骤：
步骤1.1，根据靶标方形对顶角的特性搜索靶标概略位置，确定像素精度上的靶标像点坐标；
步骤1.2，基于靶标高反射率和低反射率的过渡灰度分布信息，通过拟合确定靶标过渡中心的坐标，并基于靶标横向和纵向的边界特征确定靶标中心点的像点坐标；
在本发明一实施例中，采用玻尔兹曼曲线来进行拟合。
步骤1.3，将靶标中心点的像点坐标(x，y)和地面坐标组合形成靶标控制点坐标信息。
步骤2，利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵RU，以补偿载荷安装误差、姿态和轨道系统误差；
其中，对于所述偏置矩阵RU的计算包括以下步骤：
步骤2.1，根据卫星平台运动欧拉角运动规则，确定偏置矩阵RU的表示式：
其中，φ、ω、κ分别表示偏置矩阵RU的俯仰、横滚、偏航三个角元素。
步骤2.2，通过误差方程求得偏置矩阵RU的角元素，进而得到所述偏置矩阵RU。
所述步骤2.2进一步包括以下步骤：
步骤2.2.1，确定偏置矩阵误差方程；
该步骤中，首先将严密几何成像模型表示为：
其中，(ψx、ψy)表示成像探元在卫星坐标系下的二维指向角度，在本发明一实施例中，采用卫星发射前的实验室测量值，m表示成像比例，RU表示偏置矩阵，Rbody2WGS84用于描述卫星成像角度，由卫星定姿设备测量数据获得，表示像点对应的地物点在WGS84坐标系下的地面坐标，为成像时刻卫星在WGS84坐标系下的坐标，由卫星轨道测量数据获得。
然后，令并将偏置矩阵RU的表达式代入至严密几何成像模型中，展开有：其中，fx表示像点x的等式函数，fy表示像点y的等式函数。
最后，由上得到偏置矩阵误差方程：V＝Bx-l,W，
式中， W为权矩阵，表示展开式在初始值参数情况下的等式值。
步骤2.2.2，基于所述偏置矩阵误差方程，利用最小二乘原理：x＝(BTB)-1BTl，计算得到所述偏置矩阵的三个角元素(φ,ω,κ)，从而得到所述偏置矩阵。
其中，若实施时由于参数的相关性使得求解过程中方程出现病态，可采用谱修正迭代估计法来解决。
步骤3，将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解相机畸变参数；
其中，对同一相机不同CCD分别执行所述步骤3，以求得不同的主点偏移量Δx0,Δy0、旋转角度θ和缩放比例sy，以及不同的径向畸变参数k1,k2和偏心畸变参数p1,p2。
所述步骤3进一步包括以下步骤：
步骤3.1，建立畸变模型；
其中，所述畸变模型的参数包括但不限于偏移量、旋转量、缩放比例、径向畸变和偏心畸变等参数，所述偏移量代表CCD间的相对几何位置，旋转量代表CCD间的相对旋转角度，缩放比例代表焦距、器件整体缩放关系，径向畸变和偏心畸变代表相机光学系统的理想像高和真实像高之间的变化关系。
该步骤中，首先将严密成像几何模型表示为：
其中，Rbody2WGS84表示卫星本体坐标系在WGS84坐标系下的旋转矩阵，由姿态测量数据获得，Rcamera2body为载荷在卫星本体坐标下的安装矩阵，描述载荷与卫星本体的相对关系，其值会在卫星发射前进行精密测量，表示像点对应的地物点在WGS84坐标系下的地面坐标，为成像时刻卫星在WGS84坐标系下的坐标，由卫星轨道测量数据获得，(x y)为像点坐标，即像平面坐标，f为焦距，(Δx，Δy)为卫星发射前测量的相机畸变值。
由于焦距f与缩放比例存在很强的相关性，因此可只求解缩放比例，不求解f改正量。
然后，建立畸变模型如下(x为沿轨向，y为垂轨向)：
并将其写成：
其中，(x,y)为像平面坐标,(x0，y0)表示主点坐标，Δx0、Δy0表示主点偏移量，θ为CCD在焦平面内的旋转角度，sy为缩放比例，k1,k2为径向畸变系数，p1,p2为偏心畸变系数。
步骤3.2，通过误差方程求得所述畸变模型的参数。
所述步骤3.2进一步包括以下步骤：
步骤3.2.1，确定畸变模型误差方程；
该步骤中，首先将严密成像几何模型转换为：
则有：其中，
令
则
设则
设
则
令
令
然后，由上得到所述畸变模型误差方程：V＝BX-L,W，
其中，
，X＝[φ ω κ Δx0 Δy0 sy θ k1 k2 p1 p2]T，L＝[lfx lfy]T，lfx表示函数fx的值，lfy表示函数fy的值，W为权矩阵。
步骤3.2.2，基于所述畸变模型误差方程，利用最小二乘原理：X＝(BTB)-1BTL，计算得到相机畸变参数：主点偏移量Δx0,Δy0、旋转角度θ、缩放比例sy、径向畸变系数k1,k2和偏心畸变系数p1,p2。
步骤4，根据得到的相机畸变参数进行卫星CCD阵列几何检校。
该部分内容属于本领域技术人员熟知的内容，本发明对其不作赘述。
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 (8)
1.一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐标信息；
步骤2，利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵RU；
步骤3，将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解相机畸变参数，完成卫星CCD阵列几何检校；
所述步骤3进一步包括以下步骤：
步骤3.1，建立畸变模型，其中，所述畸变模型的参数至少包括偏移量、旋转量、缩放比例、径向畸变和偏心畸变；
步骤3.2，通过误差方程求得所述畸变模型的参数；
所述步骤3.1中，首先将严密成像几何模型表示为：
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<mfenced open = "[" close = "]">
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其中，m表示成像比例，Rbody2WGS84表示卫星本体坐标系在WGS84坐标系下的旋转矩阵，通过卫星搭载的姿态测量设备获得，Rcamera2body为载荷在卫星本体坐标下的安装矩阵，表示像点对应的地物点在WGS84坐标系下的地面坐标，为成像时刻卫星在WGS84坐标系下的坐标，(xy)为像点坐标，即像平面坐标，f为焦距，(Δx，Δy)为卫星发射前测量的相机畸变值；
然后，建立畸变模型如下：
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其中，(x,y)为像平面坐标,(x0，y0)表示主点坐标，Δx0、Δy0表示主点偏移量，θ为CCD在焦平面内的旋转角度，sy为缩放比例，k1,k2为径向畸变系数，p1,p2为偏心畸变系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括以下步骤：
步骤1.1，根据靶标方形对顶角的特性搜索靶标概略位置，确定像素精度上的靶标像点坐标；
步骤1.2，基于靶标高反射率和低反射率的过渡灰度分布信息，通过拟合确定靶标过渡中心的坐标，并基于靶标横向和纵向的边界特征确定靶标中心点的像点坐标；
步骤1.3，将靶标中心点的像点坐标和地面坐标组合形成靶标控制点坐标信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.2中，采用玻尔兹曼曲线进行拟合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，对于所述偏置矩阵RU的计算包括以下步骤：
步骤2.1，根据卫星平台运动欧拉角运动规则，确定偏置矩阵RU的表示式；
步骤2.2，通过误差方程求得偏置矩阵RU的角元素，进而得到所述偏置矩阵RU。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏置矩阵RU表示为：
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其中，φ、ω、κ分别表示偏置矩阵RU的俯仰、横滚、偏航三个角元素。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2.2进一步包括以下步骤：
步骤2.2.1，确定偏置矩阵误差方程；
步骤2.2.2，基于所述偏置矩阵误差方程，利用最小二乘原理计算得到所述偏置矩阵的三个角元素，从而得到所述偏置矩阵。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对同一相机不同CCD分别执行所述步骤3，以得到相应的相机畸变参数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3.2进一步包括以下步骤：
步骤3.2.1，确定畸变模型误差方程；
步骤3.2.2，基于所述畸变模型误差方程，利用最小二乘原理计算得到相机畸变参数。
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