CN104864852B - 一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，包括以下步骤：1)参考影像预处理；2)预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像的密集匹配；3)卫星姿态颤振的解算。与现有技术相比，本发明利用外部参考数据(数字正射影像DOM和数字高程模型DEM)的支持，能够准确地探测出卫星平台的姿态颤振现象，从而还原卫星在轨运动的真实状态，具有准确性高、探测精度高等优点。

Description

一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态颤振探测方法，尤其是涉及一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法。

背景技术

从90年代开始，对地观测卫星对精度和稳定性的要求越来越高，国内外开始重视和研究由各种原因造成的卫星平台的波动。与其他成像方式的传感器相比，线阵CCD传感器在推扫成像的过程中更容易受到卫星运动和旋转的影响。卫星本身的机械运动如太阳帆板、动量轮和天线等，星体的受热扭曲以及姿态控制等操作，都会引起姿态的变化。当卫星的测姿设备的测量频率低于姿态变化的频率时，无法从姿态观测数据中反演其高频的变化，导致卫星影像的几何处理精度降低。因此，在遥感影像的几何处理之前，必须先去除姿态波动造成的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够准确地探测出卫星平台的姿态颤振现象的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，包括以下步骤：

1)参考影像预处理；

2)预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像的密集匹配；

3)卫星姿态颤振的解算。

步骤1)中，所述预处理包括高斯滤波和降采样处理。

步骤2)中，所述密集匹配具体为：

201)从预处理后的参考影像中提取出待匹配特征点，并根据相应的DEM获得待匹配特征点的地面坐标，所述待匹配特征点的采点间隔小于5*5像素区域；

202)将所述待匹配特征点通过所述卫星影像的严格成像模型向后投影至卫星影像上，获得匹配点的初始值；

203)根据匹配点初始值使用最小二乘匹配的方法，得到卫星影像和预处理之后的参考影像之间的密集控制点。

所述密集匹配还包括：

采用相关系数阈值法和基于严格成像模型和仿射变换模型的几何约束条件的剔除策略剔除误匹配点。

所述严格成像模型为：

其中，(X,Y,Z)为地面点在物方空间坐标系中的坐标，(X_S,Y_S,Z_S)为卫星在在物方空间坐标系中的位置，λ为比例因子，(x,y)为像方空间坐标，f为相机焦距，是由地球惯性系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵，是由卫星轨道坐标系到地球惯性系的旋转正交矩阵，是由卫星本体坐标到卫星轨道坐标系的旋转正交矩阵，是由相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵。

所述步骤201)中，采用特征提取算子从参考影像中提取待匹配特征点。

所述步骤203)具体为：

设参考影像上的点g₁(x₁,y₁)和卫星影像上的点g₂(x₂,y₂)之间存在线性的辐射畸变和仿射几何畸变，则有

g₁(x₁,y₁)+n₁＝h₀+h₁g₂(x₂,y₂)+n₂

＝h₀+h₁g₂(a₀+a₁x₁+a₂y₁,b₀+b₁x₁+b₂y₁)+n₂

其中，(h₀,h₁)为辐射畸变参数，(n₁,n₂)为影像所包含的随机噪声，(a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂)为几何畸变参数，

将上式线性化，并根据像点匹配初值，迭代计算几何形变和辐射畸变参数，得到最佳匹配点位。

所述步骤3)具体为：

301)通过严格成像模型，将密集控制点后向投影至影像像方，迭代计算其像方像素坐标；

302)提取像方残差中周期性的残差分量(Δx′,Δy′)，并利用正弦函数拟合所述残差分量：

式中，分别表示拟合得到的沿轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和相位，分别表示拟合得到的垂轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和相位；

303)通过以下公式获得姿态颤振变化幅值：

式中，A_roll为翻滚角姿态颤振变化幅值，A_pitch为俯仰角姿态颤振变化幅值，n为线阵CCD探元的数量，persize为线阵CCD探元的大小，f为相机的焦距。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用外部参考数据(数字正射影像DOM和数字高程模型DEM)的支持，能够准确地探测出卫星平台的姿态颤振现象，从而还原卫星在轨运动的真实状态。

(2)本发明在对参考影像进行特征提取前对其进行预处理，减少影像中的高频成分，使得与卫星影像的特性较为接近，进一步提高了卫星平台姿态颤振探测的准确性。

(3)本发明在获取密集控制点时，采用相关系数阈值法和基于严格成像模型和仿射变换模型的几何约束条件的剔除策略进行误匹配点剔除，提高了方法的精度和卫星平台姿态颤振探测的准确性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为国产测绘卫星立体影像；

其中，(2a)为前视影像，(2b)为后视影像，(2c)为下视影像；

图3为图2中影像的密集控制点分布示意图；

其中，(3a)为前视影像的密集控制点分布，(3b)为后视影像的密集控制点分布，(3c)为下视影像的密集控制点分布；

图4为下视影像的像方残差示意图；

其中，(4a)为下视第2片CCD像方残差，(4b)为下视第3片CCD像方残差；

图5为前视影像的像方残差示意图；

其中，(5a)为前视第3片CCD像方残差，(5b)为前视第4片CCD像方残差；

图6为后视影像的像方残差示意图；

其中，(6a)为后视第3片CCD像方残差，(6b)为后视第4片CCD像方残差。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：参考影像预处理。

本实施例使用的参考影像为DOM影像，由于DOM参考影像分辨率高、图像细节信息丰富，在提取特征点之前，首先要对DOM影像进行预处理即低通滤波，尽量降低影像的细节层次，使得与卫星影像的特性较为接近。对滤波后的图像进行降采样，使其和卫星影像的空间分辨率保持一致。

高斯滤波用正态分布计算图像中每个像素的变换。在二维空间定义：

其中，σ是正态分布的标准偏差。由这个公式生成的曲面的等高线是一组从中心开始呈正态分布的同心圆。因此，中心即原始像素的值具有最大的权重，相邻像素距离中心像素越远权重就越小。这样得到的图像更高地保留了边缘效果。

步骤S2：预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像(三线阵影像)的密集匹配，具体为：

201)采用特征提取算子从预处理后的参考影像中提取出大量密集的待匹配特征点，并根据相应的DEM获得待匹配特征点的地面坐标。

202)将所述待匹配特征点通过所述卫星影像的严格成像模型向后投影至卫星影像上，获得匹配点的初始值。

严格成像模型为：

式中，(X,Y,Z)为地面点在物方空间坐标系中的坐标，(X_S,Y_S,Z_S)为卫星在在物方空间坐标系中的位置，λ为比例因子，(x,y)为像方空间坐标，f为相机焦距，是由地球惯性系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵，是由卫星轨道坐标系到地球惯性系的旋转正交矩阵，是由卫星本体坐标到卫星轨道坐标系的旋转正交矩阵，是由相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵。

203)根据匹配点初始值使用最小二乘匹配的方法，得到卫星影像和预处理之后的参考影像之间的密集控制点，具体为：

设参考影像上的点g₁(x₁,y₁)和卫星影像上的点g₂(x₂,y₂)之间存在线性的辐射畸变和仿射几何畸变，则有

g₁(x₁,y₁)+n₁＝h₀+h₁g₂(x₂,y₂)+n₂

(3)

＝h₀+h₁g₂(a₀+a₁x₁+a₂y₁,b₀+b₁x₁+b₂y₁)+n₂

其中，(h₀,h₁)为辐射畸变参数，(n₁,n₂)为影像所包含的随机噪声，(a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂)为几何畸变参数，包括相对移位和比例与旋转的变化，将式(3)线性化，并根据像点匹配初值，迭代计算几何形变和辐射畸变参数，根据相关系数得到最佳匹配点位。

所述密集匹配还包括：采用相关系数阈值法和基于严格成像模型和仿射变换模型的几何约束条件的剔除策略剔除误匹配点。

通过设定相关系数的阈值，剔除小于阈值的匹配点。然后，将剩余的匹配点按照影像的严格模型投影至卫星影像上，得到匹配点的像素坐标(x₁,y₁)，并与通过匹配得到的像素坐标(x₂,y₂)进行比较，两者之间的关系可以用仿射变换模型描述，如式(4)所示，(a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂)为仿射变换系数。

采用RANSAC算法估计式(4)中的模型参数，来剔除不满足模型的误匹配点。RANSAC(Random Sample Consensus)算法由Fischler和Bolles于1981年首次提出，它的优点是可以鲁棒地估计模型参数，采用迭代的方式从包含大量局外点的数据集中估计出高精度的参数。该方法是一种不确定性算法，在一定的概率下可以得出一个合理的结果，为了提高这个概率，必须提高迭代的次数。

步骤S3：卫星姿态颤振的解算，具体为：

301)通过严格成像模型，将密集控制点后向投影至影像像方，迭代计算其像方像素坐标；

302)提取像方残差中周期性的残差分量(Δx′,Δy′)，并利用正弦函数拟合所述残差分量：

式中，分别表示拟合得到的沿轨和垂轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和相位。

303)通过以下公式获得姿态颤振变化幅值：

式中，A_roll为翻滚角姿态颤振变化幅值，A_pitch为俯仰角姿态颤振变化幅值，n为线阵CCD探元的数量，persize为线阵CCD探元的大小，f为相机的焦距。

将上述方法应用于具体实验中，实验采用河南某地区的参考数据DOM、DEM以及该区域的国产测绘卫星同轨三视立体影像零级产品,拍摄时间为2012年2月。影像分辨率为下视为2.1m，前后视为3.5m，覆盖范围大约为51km×50km。三视立体影像如图2a，2b，2c所示。

表1 实验数据

采用特征提取算子在预处理后的参考影像上提取了25000个特征点，根据DOM影像和DEM的覆盖范围，落在前后视CCD3和CCD4影像以及下视CCD2和CCD3影像上的特征点数目分别为19308、18553和20056。经最小二乘匹配后，设置相关系数阈值为0.7，获得如表2所示的匹配点数目。采用严格成像模型和仿射变换模型为几何约束条件，采用RANSAC进行粗差探测剔除误匹配点，最终在前后下视影像上共获得3689、5437和3813个匹配点。

表2 密集控制点获取结果

图3所示为某卫星下视相机的第2片CCD和第3片CCD影像、前后视的第3片和第4片CCD影像与参考影像最终得到的密集控制点的分布，从图中可以看出获得的控制点分布均匀。图4到图6分别为密集控制点在下前后视影像上的像方残差分布。

提取出周期性的像方残差，并使用正弦函数拟合，拟合得到垂轨和沿轨方向的颤振幅值和频率如表3所示。

表3 姿态颤振探测结果

基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，利用外部参考数据的支持，能够准确地探测出卫星平台的姿态颤振现象，从而还原卫星在轨运动的真实状态。采用2012年河南省某地区的国产测绘卫星影像作为实验数据，应用提出的颤振探测方法进行颤振探测实验，结果表明其在沿轨和垂轨方向都存在频率约为0.65Hz、一定幅值的颤振现象。

Claims (6)

1.一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)参考影像预处理；

2)预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像的密集匹配，具体为：

201)从预处理后的参考影像中提取出待匹配特征点，并根据相应的数字高程模型获得待匹配特征点的地面坐标，所述待匹配特征点的采点间隔小于5*5像素区域；

202)将所述待匹配特征点通过所述卫星影像的严格成像模型向后投影至卫星影像上，获得匹配点的初始值；

203)根据匹配点初始值使用最小二乘匹配的方法，得到卫星影像和预处理之后的参考影像之间的密集控制点；

3)卫星姿态颤振的解算，具体为：

301)通过严格成像模型，将密集控制点后向投影至影像像方，迭代计算其像方像素坐标；

302)提取像方残差中周期性的残差分量(Δx′,Δy′)，并利用正弦函数拟合所述残差分量：

式中，A_xjitter、ω_x、分别表示拟合得到的沿轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和相位，A_yjitter、ω_y、分别表示拟合得到的垂轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和相位；

303)通过以下公式获得姿态颤振变化幅值：

$A_{roll}=A_{xjitter}*\arctan \left(\frac{n*persize}{2f}\right)/2n$

$A_{pitch}=A_{yjitter}*\arctan \left(\frac{n*persize}{2f}\right)/2n$

式中，A_roll为翻滚角姿态颤振变化幅值，A_pitch为俯仰角姿态颤振变化幅值，n为线阵CCD探元的数量，persize为线阵CCD探元的大小，f为相机的焦距。

2.根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，步骤1)中，所述预处理包括高斯滤波和降采样处理。

3.根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，所述密集匹配还包括：

采用相关系数阈值法和基于严格成像模型和仿射变换模型的几何约束条件的剔除策略剔除误匹配点。

4.根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，所述严格成像模型为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right]+{\mathrm{\λR}}_{J2000}^{WGS84}{R}_{orbit}^{J2000}{R}_{body}^{orbit}{R}_{camera}^{body}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ -f\end{array}\right]$

其中，(X,Y,Z)为地面点在物方空间坐标系中的坐标，(X_S,Y_S,Z_S)为卫星在在物方空间坐标系中的位置，λ为比例因子，(x,y)为像方空间坐标，f为相机焦距，是由地球惯性系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵，是由卫星轨道坐标系到地球惯性系的旋转正交矩阵，是由卫星本体坐标到卫星轨道坐标系的旋转正交矩阵，是由相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵。

5.根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，所述步骤201)中，采用特征提取算子从参考影像中提取待匹配特征点。

6.根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，所述步骤203)具体为：

设参考影像上的点g₁(x₁,y₁)和卫星影像上的点g₂(x₂,y₂)之间存在线性的辐射畸变和仿射几何畸变，则有

g₁(x₁,y₁)+n₁＝h₀+h₁g₂(x₂,y₂)+n₂

＝h₀+h₁g₂(a₀+a₁x₁+a₂y₁,b₀+b₁x₁+b₂y₁)+n₂

其中，(h₀,h₁)为辐射畸变参数，(n₁,n₂)为影像所包含的随机噪声，(a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂)为几何畸变参数，

将上式线性化，并根据像点匹配初值，迭代计算几何畸变参数和辐射畸变参数，得到最佳匹配点位。