CN105740624A - 复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权方法及系统，根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型；解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值；由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为观测误差方程的权矩阵中所有同名像点的权，返回由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。根据不同连接点的光线交会角确定不同权，能自适应不同平差模型和情形，充分体现了不同贡献的平差量应取定不同权的原则，提高了平差结果的可靠性。本发明可行、有效，平差解算结果稳定、可靠。

Description

复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权方法及系统

技术领域

本发明属于遥感影像处理领域，涉及光学卫星区域网平差过程中在复杂交会条件下连接点自适应定权的方法。

背景技术

连接点是进行区域网平差的重要载体。由于光学卫星影像区域网覆盖范围广，区域网中影像数量大，相互重叠，交会关系复杂，这些复杂的影像间相对定向关系都要通过连接点反映。在普通的平差解算方法中，由于连接点是匹配得到，没有经过人工量测，因此认为各连接点像点观测值是等权观测值，这样的设定在区域网范围小、网中连接点数量较少的情况下对平差结果影响不大。然而光学卫星影像具有覆盖范围广、数量多、交会复杂的特点，经自动匹配出来的连接点对区域网平差贡献差别很大，不再适用等权观测的假定，通过改变区域网平差模型中连接点像点观测值的权矩阵可以解决这一问题。但尚未有相关技术方案出现。

发明内容

本发明所要解决的问题是一种光学卫星区域网平差过程中连接点观测值自适应定权技术方案。

本发明的技术方案提供一种复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权方法，包括以下步骤：

步骤1，根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型；

设像点坐标为(s,l)，构建的平差模型公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}l+\mathrm{\Δ}l=F_x(Lat,Lon,Height)\\ s+\mathrm{\Δ}s=F_y(Lat,Lon,Height)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}l=a_0+a_{1}l+a_{2}s\\ \mathrm{\Δ}s=b_0+b_{1}s+b_{2}s\end{array}\right.$

其中，F_x(Lat,Lon,Height)、F_y(Lat,Lon,Height)分别为沿轨方向和垂轨方向的像点坐标函数模型，Δl、Δs分别为沿轨方向和垂轨方向的像方附加参数模型，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为仿射变换参数；

步骤2，解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值，包括对于连接点物方坐标其赋予初值并进行线性化处理得到观测误差方程，进行一次平差解算；

步骤3，判断是否收敛，是则输出平差结果，否则进入步骤4；

步骤4，由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为观测误差方程的权矩阵中所有同名像点的权，返回步骤2由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。

而且，权矩阵初始给定为单位阵I。

本发明相应提供一种复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权系统，包括以下模块：

第一模块，用于根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型；

设像点坐标为(s,l)，构建的平差模型公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}l+\mathrm{\Δ}l=F_x(Lat,Lon,Height)\\ s+\mathrm{\Δ}s=F_y(Lat,Lon,Height)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}l=a_0+a_{1}l+a_{2}s\\ \mathrm{\Δ}s=b_0+b_{1}s+b_{2}s\end{array}\right.$

其中，F_x(Lat,Lon,Height)、F_y(Lat,Lon,Height)分别为沿轨方向和垂轨方向的像点坐标函数模型，Δl、Δs分别为沿轨方向和垂轨方向的像方附加参数模型，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为仿射变换参数；

第二模块，用于解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值，包括对于连接点物方坐标其赋予初值并进行线性化处理得到观测误差方程，进行一次平差解算；

第三模块，用于判断是否收敛，是则输出平差结果，否则命令第四模块工作；

第四模块，用于由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为观测误差方程的权矩阵中所有同名像点的权，命令第二模块工作，由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。

而且，权矩阵初始给定为单位阵I。

本发明的优点在于：根据不同连接点的光线交会角确定不同权，能自适应不同平差模型和情形，充分体现了不同贡献的平差量应取定不同权的原则，提高了平差结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明中交会角大小与高程误差关系示意图；

图3为本发明中交会角计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明具体实施方式。

本发明提出一种根据连接点反映的光线交会角大小来更新同名像点观测值权矩阵的方法。根据不同贡献的平差量取不同权的原则，在一次平差解算完成后，以物方点作为标准将所有像点归类，即把所有对应同一物方点的像点归为一类，然后结合平差得到的物方点三维坐标，计算这类像点中每组同名像点两两之间的交会角，取最大交会角作为下次平差中这类像点观测值的权。这种方法能在区域网平差解算过程中自适应计算权矩阵，可应对不同区域网情况，提高了平差结果的可靠性。

参见图1，实施例的流程具体实现如下：

1.构建区域网平差模型并解算

影像序列中有多副影像1、2、…m，首先构建自由网平差模型，然后进行连接点物方坐标解算，接着可以判断是否收敛，是则输出平差结果，否则进入第2部分。

对于单景卫星影像，根据初始RPC模型建立以影像仿射变换参数和连接点物方空间坐标为参数的连接点像点观测值的误差方程。

平差过程中应用的RPC模型为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\β}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\γ}=0}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{Sn}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}\mathrm{\γ}}{U}^a{V}^{\mathrm{\β}}{W}^{\mathrm{\γ}}}{\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\β}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\γ}=0}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{Sd}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}\mathrm{\γ}}{U}^a{V}^{\mathrm{\β}}{W}^{\mathrm{\γ}}}\\ y=\frac{\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\β}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\γ}=0}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{Ln}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}\mathrm{\γ}}{U}^a{V}^{\mathrm{\β}}{W}^{\mathrm{\γ}}}{\underset{\mathrm{\α}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\β}=0}{\overset{3}{\Σ}}\underset{\mathrm{\γ}=0}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{Ld}}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}\mathrm{\γ}}{U}^a{V}^{\mathrm{\β}}{W}^{\mathrm{\γ}}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，Sn_αβγ,Sd_αβγLn_αβγ,Ld_αβγ表示有理多项式系数(rationalpolynomialcoefficients,RPC)，(U^α,V^β,W^γ)简化记为(U,V,W)，(U,V,W)和(x,y)分别表示正则化的地面点大地坐标和像点坐标，它们与非正则化的地面点大地坐标(Lat,Lon,Height)和像点坐标(s,l)之间的关系如公式(2)，其中，LAT_OFF、LAT_SCALE、LON_OFF、LON_SCALE、H_OFF和H_SCALE为地面坐标的正则化参数；S_OFF、S_SCALE、L_OFF和L_SCALE为影像坐标的正则化参数。

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}V=\frac{Lat-LAT\_OFF}{LAT\_SCALE}\\ U=\frac{Lat-LON\_OFF}{LON\_SCALE}\\ W=\frac{Height-H\_OFF}{H\_SCALE}\end{array}& \begin{array}{c}y=\frac{s-S\_OFF}{s\_SCALE}\\ x=\frac{l-L\_OFF}{l\_SCALE}\end{array}\end{array}---\left(2\right)$

附加影像仿射变换参数模型后，则平差模型公式为：

$\left\{\begin{array}{c}l+\mathrm{\Δ}l=F_x(Lat,Lon,Height)\\ s+\mathrm{\Δ}s=F_y(Lat,Lon,Height)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}l=a_0+a_{1}l+a_{2}s\\ \mathrm{\Δ}s=b_0+b_{1}s+b_{2}s\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，F_x(Lat,Lon,Height)、F_y(Lat,Lon,Height)分别为沿轨方向和垂轨方向的像点坐标函数模型，Δl、Δs分别为沿轨方向和垂轨方向的像方附加参数模型，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为仿射变换参数。

对于连接点物方坐标(Lat,Lon,Height)而言，式为一非线性方程，需要对其赋予初值(Lat,Lon,Height)⁰并进行线性化处理得到观测误差方程：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_l=F_x{\left(Lat,Lon,Height\right)}^0+\frac{\∂F_x}{\∂\left(Lat,Lon,Height\right)}{|}_{{\left(Lat,Lon,Height\right)}^0}d\left(Lat,Lon,Height\right)-l-\mathrm{\Δ}l\\ v_s=F_y{\left(Lat,Lon,Height\right)}^0+\frac{\∂F_y}{\∂\left(Lat,Lon,Height\right)}{|}_{{\left(Lat,Lon,Height\right)}^0}d\left(Lat,Lon,Height\right)-s-\mathrm{\Δ}s\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，v_l、v_s分别为影像上沿轨和垂轨方向的改正数，写成矩阵形式即：

V＝Ax+Bt-LP(7)

其中，V代表像点坐标观测值残差向量；x＝[X₁…X_i…X_m]^T(i＝1,2…m)代表各景影像RPC像方附加模型参数向量，X_i＝(a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂)_i代表影像Img_i的RPC模型像方附加参数向量，m代表待平差影像数；t＝[T₁…T_j…T_n]^T(j＝1,2…n)代表各连接点物方坐标改正值向量，T_j＝d(Lat,Lon,Height)_j代表连接点TP_j的物方坐标改正数，n代表连接点个数；A、B则分别为对应未知数的偏导数系数矩阵，L和P分别为相应的常向量和权矩阵。

具体实施时，本领域技术人员可自行预先设定初值(Lat,Lon,Height)⁰，或者设定初值求取规则，可采用现有技术，例如使用初始定向参数，采用前方交会的方式确定初值。其中连接点像点观测值的权矩阵为P，初始给定为单位阵I，平差过程中根据平差结果更新变化。观测误差方程建立完成后即可进行一次平差解算，计算待解参数 $\left[\begin{array}{c}x\\ t\end{array}\right]$ 的法方程为：

$\left[\begin{array}{cc}{A}^{T}A& A^{T}B\\ B^{T}A& B^{T}B\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}^{T}L\\ B^{T}L\end{array}\right]---\left(8\right)$

依照矩阵运算法则即可求出待解参数改正数。

2.计算各连接点对应同名光线间的最大交会角，更新连接点像点观测值权矩阵，然后可重新迭代进行连接点物方坐标解算

连接点在多张影像上有同名像点，多条同名光线两两之间相交。如图2所示，L为左片上一像点坐标，该点与右片上的点R1，R2为可能为同名像点，同名光线的交会角分别为θ1,θ2，左片的像点L有一像方误差dx，该误差在物方引起的误差分别为dh1，dh2，由图2可知θ1＜θ2，dh1>dh2。

同名光线之间的交会角越大，同名像点交会到物方点时由像点误差带来的物方点高程误差越小，越能提高平差模型的可靠性，故而应该让交会角大的连接点参与平差的贡献大，即令其观测值权值与交会角成正相关。多个交会角中取最大交会角来评估反映该连接点在平差模型中贡献值。

在计算交会角时，如图3所示：

假定左片上的L点与右片的R为同名像点，在该左右同名点对应的物方点以下1000m或者某一固定高差H的高程面上有交会点，通过左片RPC模型求出在假定的高程面上的物方点坐标，再由右片RPC模型反求出该物方点在右片上的像点R'的像点坐标，与在右片上本来的同名像点R计算坐标差(dl,ds)，则可认为H高差导致的像点位移dr为：

$dr=\sqrt{{\mathrm{dl}}^2+{\mathrm{ds}}^2}---\left(9\right)$

则该交会角θ的正弦值为：

$sin\mathrm{\θ}=\frac{dr}{H}cos\mathrm{\κ}---\left(10\right)$

其中角κ为左片同名光线与空间中垂直方向的夹角，在以某张为左片分别计算其它与之有重叠的影像的同名光线夹角时，该角可视为不变。由于连接点观测值权值为一个相对值，反映之间权重比例即可，因此可以取定为该连接点待定权值取值。

计算某个连接点观测值权值可按照以下步骤进行：

a.排列该连接点所有有对应像点的影像，设该连接点在n张影像上有对应像点，并编号为1,2,…n；

b.以第i张影像为左片，按照上述方法分别计算第j张影像为右片时，交会角θ的值，并取出最大的作为第i张影像对应的值；(其中i＝1,2…n-1，j＝i+1,i+2…n)

c.取所有影像对应值中最大的作为该连接点的权值，并把权矩阵中所有该连接点对应像点观测值的权值均更新为该权值

进行超大规模光学卫星影像区域网平差时，可以利用本发明所提供技术方案，结合更新后的权矩阵重新求解平差模型的结果，并循环迭代计算出最终结果。

流程可设计为如下步骤：

步骤1，根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型，并给定初始观测值权矩阵为单位阵；

步骤2，解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值；

步骤3，判断是否收敛，是则输出平差结果，否则进入步骤4；

步骤4，由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为新的权矩阵中所有同名像点的权，更新权矩阵，返回步骤2由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，也可采用模块化方式实现相应系统。本发明实施例相应提供一种复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权系统，包括以下模块：

第一模块，用于根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型；

设像点坐标为(s,l)，构建的平差模型公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}l+\mathrm{\Δ}l=F_x(Lat,Lon,Height)\\ s+\mathrm{\Δ}s=F_y(Lat,Lon,Height)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}l=a_0+a_{1}l+a_{2}s\\ \mathrm{\Δ}s=b_0+b_{1}s+b_{2}s\end{array}\right.$

其中，F_x(Lat,Lon,Height)、F_y(Lat,Lon,Height)分别为沿轨方向和垂轨方向的像点坐标函数模型，Δl、Δs分别为沿轨方向和垂轨方向的像方附加参数模型，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为仿射变换参数；

第二模块，用于解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值，包括对于连接点物方坐标其赋予初值并进行线性化处理得到观测误差方程，进行一次平差解算；

第三模块，用于判断是否收敛，是则输出平差结果，否则命令第四模块工作；

第四模块，用于由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为观测误差方程的权矩阵中所有同名像点的权，命令第二模块工作，由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。

各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型；

设像点坐标为(s,l)，构建的平差模型公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}l+\mathrm{\Δ}l=F_x(Lat,Lon,Height)\\ s+\mathrm{\Δ}s=F_y(Lat,Lon,Height)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}l=a_0+a_{1}l+a_{2}s\\ \mathrm{\Δ}s=b_0+b_{1}s+b_{2}s\end{array}\right.$

其中，F_x(Lat,Lon,Height)、F_y(Lat,Lon,Height)分别为沿轨方向和垂轨方向的像点坐标函数模型，Δl、Δs分别为沿轨方向和垂轨方向的像方附加参数模型，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为仿射变换参数；

步骤2，解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值，包括对于连接点物方坐标其赋予初值并进行线性化处理得到观测误差方程，进行一次平差解算；

步骤3，判断是否收敛，是则输出平差结果，否则进入步骤4；

步骤4，由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为观测误差方程的权矩阵中所有同名像点的权，返回步骤2由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。

2.如权利要求1所述复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权方法，其特征在于：权矩阵初始给定为单位阵I。

3.一种复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权系统，其特征在于，包括以下模块：

第一模块，用于根据卫星影像初始RPC模型，以影像仿射变换参数和像点物方坐标作为参数构建区域网平差模型；

设像点坐标为(s,l)，构建的平差模型公式如下，

$\left\{\begin{array}{c}l+\mathrm{\Δ}l=F_x(Lat,Lon,Height)\\ s+\mathrm{\Δ}s=F_y(Lat,Lon,Height)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}l=a_0+a_{1}l+a_{2}s\\ \mathrm{\Δ}s=b_0+b_{1}s+b_{2}s\end{array}\right.$

其中，F_x(Lat,Lon,Height)、F_y(Lat,Lon,Height)分别为沿轨方向和垂轨方向的像点坐标函数模型，Δl、Δs分别为沿轨方向和垂轨方向的像方附加参数模型，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂为仿射变换参数；

第二模块，用于解算区域网平差模型，得到连接点物方空间坐标的平差值，包括对于连接点物方坐标其赋予初值并进行线性化处理得到观测误差方程，进行一次平差解算；

第三模块，用于判断是否收敛，是则输出平差结果，否则命令第四模块工作；

第四模块，用于由连接点所对应的各影像上同名像点，计算连接点对应同名光线之间的最大交会角，并以该交会角作为观测误差方程的权矩阵中所有同名像点的权，命令第二模块工作，由新的权矩阵重新解算平差模型，直到平差结果收敛。

4.如权利要求3所述复杂交会条件下区域网平差连接点自适应定权系统，其特征在于：权矩阵初始给定为单位阵I。