CN106441591B - 一种星载高分辨率热红外影像几何定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载高分辨率热红外影像几何定位方法，包括以下步骤：近似热红外影像成像模式为等时间间隔采样；利用整景影像沿轨向像移标定成像起始时刻和成像周期；利用整景影像垂轨向像移标定成像起始角度和每扫描行的成像角度。本发明利用实际地面覆盖等比例换算为沿轨向和垂轨向像移，经过像面约束后，热红外影像的几何变形得以消除，实现星载高分辨率热红外影像精确定位。

Description

一种星载高分辨率热红外影像几何定位方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，具体是一种星载高分辨率热红外影像几何定位方法。

背景技术

星载高分辨率热红外影像能在较小的空间尺度上测量地表温度，与传统的低空间分辨率热红外卫星影像相比，具有信息量显著增加、目标温度及几何结构更加明显等特点。高分辨率热红外影像应用的前提是高精度几何定位，即建立影像上像点坐标与地面坐标的对应关系，以及消除成像过程中的误差来源。星载高分辨率热红外影像的成像机理是线阵TDICCD沿轨排列并绕飞行方向摆动，与常见星载光学影像不同，由于摆扫运动引入了两大误差，一是成像起始时刻和成像周期与实验室标定值不一致，二是成像起始角度和每扫描行的成像角度与理想情况不符。像面约束作为星载高分辨率热红外影像几何定位的关键，具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种星载高分辨率热红外影像几何定位方法，实现高分辨率热红外影像的实际应用。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

第一步：近似热红外影像成像模式为等时间间隔采样；

第二步：利用整景影像沿轨向像移标定成像起始时刻和成像周期；

第三步：利用整景影像沿垂向像移标定成像起始角度和每扫描行的成像角度。

其中，第一步所述的近似热红外影像成像模式为等时间间隔采样原理如下：

热红外影像采用摆动扫描成像，在一个摆扫周期T内，t₀为成像起始时刻，T₀为成像周期。实验室标定的起始成像时刻t₀存在偏差时，一景影像地面覆盖会随着沿轨方向整体移动，像方沿轨方向偏差为：

式中，L为连续两景影像同一摆扫行的同一探元成像点沿轨道方向的距离，ΔT为等时间间隔成像的时间误差，ΔL为ΔT引起的沿轨向偏差。若扫描镜在成像周期内，每个摆扫行成像时间相同，则：

T₀＝t₀+Δt·n (2)

式中，Δt为每个扫描行的行积分时间，n为摆扫行数。

从第一景影像计算，t₀在10^-9量级，可略去，综合式(1)及式(2)，得：

因此，确定摆扫成像可近似为等时间间隔采样。

第二步所述利用整景影像沿轨向像移标定成像起始时刻和成像周期方法如下：

①成像起始时刻t₀的标定可转换为整景影像在沿轨方向的残差，即将原始影像与重采样后的参考影像匹配，第一摆扫行的同名点在沿轨方向的差距为Δx_i(i＝1…n)，第一摆扫行的摆扫角速度为V₁，则

②整景影像的地面沿轨位移S_x由相机安装绕Z轴的旋转角、地球自转的偏流角和卫星飞行三者共同作用形成，可建立像面约束方程：

式中，V_X为卫星运动速度的沿轨向分量，γ_x为偏流角沿轨向的分量，K_Z为摆扫式相机绕Z轴的安装角。A_x代表沿轨方向的成图比例尺。p_x代表一个摆扫周期后，任意一个探元的沿轨位移。因此，在两个连续摆扫周期的原始影像上找到相同摆扫行上同一探元的位置，对应参考影像上的像点坐标为(x_1i,y_1i)和(x_2i,y_2i)，计算出像点畸变对上式进行最小二乘解算，即可得到成像周期T₀。

第三步所述利用整景影像沿轨向像移标定成像起始角度和每扫描行的成像角度方法如下：

①地面覆盖的比例规律可通过对参考影像重采样转换到像面上：摆扫影像上任意两个摆扫行的同一像元沿摆扫向坐标之差Δy与重采样后的参考影像上的匹配像元沿摆扫向坐标之差Δy'的比例代表这一段摆扫范围内平均摆扫角度与等角间隔Δα之比第一摆扫行的同名点在垂轨方向的差距为Δy_i(i＝1…n)，第一摆扫行的摆扫角速度为V₁，则

②采用分段模式对摆扫角度定标，认为在很小一段时间内，每个扫描行的摆扫角速度是不变的：将总扫描行数M分为N段，设各段的摆扫行数和摆扫角速度分别为M_iy，V_i(i＝1,……,N)，则可建立如下方程：

式中，γ_y为偏流角垂轨向的分量。将分段内的扫描行数M观测量，对上式进行最小二乘解算，即可得到第i段摆扫角速度的度量值，得到每段摆扫角度,从而得到每扫描行的成像角度。

本发明有益效果在于：利用沿轨像移量对成像起始时刻和成像周期定标，垂轨像移量对成像起始角度和每扫描行的成像角度定标，经过像面约束后，热红外影像的几何变形得以消除，实现星载高分辨率热红外影像精确定位。

附图说明

图1为星载高分辨率热红外影像几何定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明星载高分辨率热红外影像几何定位方法如图1所示，具体包括以下步骤：

第一步：热红外影像采用摆动扫描成像，近似热红外影像成像模式为等时间间隔采样。

一个摆扫周期T内，t₀为成像起始时刻，T₀为成像周期。在一个摆扫周期T结束时扫描镜返回初始机械限位，进行下一景影像成像。由于卫星入轨后机械工艺及控制系统的实际状态发生变化，实验室标定的起始成像时刻t₀存在偏差时，一景影像地面覆盖会随着沿轨方向整体移动，像方沿轨方向偏差为：

式中，L为连续两景影像同一摆扫行的同一探元成像点沿轨道方向的距离，ΔT为等时间间隔成像的时间误差，ΔL为ΔT引起的沿轨向偏差。若扫描镜在成像周期内，每个摆扫行成像时间相同，则：

T₀＝t₀+Δt·n (2)

式中，Δt为每个扫描行的行积分时间，n为摆扫行数。

从第一景影像计算，t₀在10^-9量级，可略去，综合式(1)及式(2)，得：

对于国产摆扫式相机，L为480个像素，n为10786行，当某一摆扫行时间偏差ΔT为1个行积分时间Δt时，引起的沿轨偏差仅为0.0445个像素。因此，确定摆扫成像可近似为等时间间隔采样。

第二步：利用整景影像沿轨向像移标定成像起始时刻和成像周期

由于扫描镜机械工艺及控制系统的实际状态与实验室标定状态存在偏差，导致一个摆扫周期的成像起始时刻和成像周期难以确定，从而引起影像在沿轨方向整体畸变。

①外定标后，姿轨测量及载荷安装等系统误差被消除，成像起始时刻t₀的标定可转换为整景影像在沿轨方向的残差，即将原始影像与重采样后的参考影像匹配，第一摆扫行的同名点在沿轨方向的差距为Δx_i(i＝1…n)，第一摆扫行的摆扫角速度为V₁，则

②整景影像的地面沿轨位移S_x由相机安装绕Z轴的旋转角、地球自转的偏流角和卫星飞行三者共同作用形成，可建立像面约束方程：

式中，V_X为卫星运动速度的沿轨向分量，γ_x为偏流角沿轨向的分量，K_Z为摆扫式相机绕Z轴的安装角。A_x代表沿轨方向的成图比例尺。p_x代表一个摆扫周期后，任意一个探元的沿轨位移。因此，在两个连续摆扫周期的原始影像上找到相同摆扫行上同一探元的位置，对应参考影像上的像点坐标为(x_1i,y_1i)和(x_2i,y_2i)，计算出像点畸变对上式进行最小二乘解算，即可得到成像周期T₀。

第三步：利用整景影像沿垂向像移标定成像起始角度和每扫描行的成像角度

由于扫描镜绕轴摆动采用机械限位和机械控制，星上下传的辅助数据中，没有记录每一扫描行的摆扫角度或者摆扫步距，当摆扫运动由于温度变形、器件工艺等因素出现初始位置限位不准，摆扫运动不均匀时，就会与理想等角摆扫产生偏差，导致起始摆扫角度和每个摆扫行的真实角度与实验室标定值不一致，从而引起成像几何模型对地指向产生垂轨方向的偏移。因此摆扫非线性定标可在摆扫时间一致性定标之后进行。不等角引起的畸变具有显著性，可以直接使用像面上垂轨方向的畸变量作为观测值纠正该误差。

①地面覆盖的比例规律可通过对参考影像重采样转换到像面上：摆扫影像上任意两个摆扫行的同一像元沿摆扫向坐标之差Δy与重采样后的参考影像上的匹配像元沿摆扫向坐标之差Δy'的比例代表这一段摆扫范围内平均摆扫角度与等角间隔Δα之比第一摆扫行的同名点在垂轨方向的差距为Δy_i(i＝1…n)，第一摆扫行的摆扫角速度为V₁，则

②采用分段模式对摆扫角度定标，认为在很小一段时间内，每个扫描行的摆扫角速度是不变的：将总扫描行数M分为N段，设各段的摆扫行数和摆扫角速度分别为M_i，V_i(i＝1,……,N)，则可建立如下方程：

式中，γ_y为偏流角垂轨向的分量。将分段内的扫描行数M观测量，对上式进行最小二乘解算，即可得到第i段摆扫角速度的度量值。

表1星载高分辨率热红外影像几何定位精度(单位/像素)

表1为使用2014-06-30安阳景数据进行实验，可以看出，经过摆扫时间定标后，沿轨向定位精度有了明显的提升，残差在整体和局部分布均匀，消除了由成像起始时刻和成像周期不准确导致的沿轨误差，经过摆扫角度定标后，垂轨向定位精度有了明显的提升，垂轨残差不再随垂轨方向呈现局部的规律性，消除了成像起始角度和每扫描行的成像角度不一致引起的垂轨畸变，因此采用像面约束法提高星载高分辨率热红外影像几何定位精度是有效的。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种星载高分辨率热红外影像几何定位方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，热红外影像采用摆动扫描成像，近似热红外影像成像模式为等时间间隔采样；

第二步，利用整景影像沿轨向像移标定成像起始时刻和成像周期，成像起始时刻t₀的标定可转换为整景影像在沿轨方向的残差，即将原始影像与重采样后的参考影像匹配，第一摆扫行的同名点在沿轨方向的差距为Δx_i(i＝1…n)，第一摆扫行的摆扫角速度为V₁，则整景影像的地面沿轨位移S_x由相机安装绕Z轴的旋转角、地球自转的偏流角和卫星飞行三者共同作用形成，可建立像面约束方程：式中，V_X为卫星运动速度的沿轨向分量，γ_x为偏流角沿轨向的分量，K_Z为摆扫式相机绕Z轴的安装角，A_x、代表沿轨方向的成图比例尺，p_x代表一个摆扫周期后，任意一个探元的沿轨位移，因此，在两个连续摆扫周期的原始影像上找到相同摆扫行上同一探元的位置，对应参考影像上的像点坐标为(x_1i,y_1i)和(x_2i,y_2i)，计算出像点畸变对上式进行最小二乘解算，即可得到成像周期T₀；

第三步，利用整景影像垂轨向像移标定成像起始角度和每扫描行的成像角度，地面覆盖的比例规律可通过对参考影像重采样转换到像面上：摆扫影像上任意两个摆扫行的同一像元沿摆扫向坐标之差Δy与重采样后的参考影像上的匹配像元沿摆扫向坐标之差Δy'的比例代表这一段摆扫范围内平均摆扫角度与等角间隔Δα之比第一摆扫行的同名点在垂轨方向的差距为Δy_i(i＝1…n)，第一摆扫行的摆扫角速度为V₁，则采用分段模式对摆扫角度定标，认为在很小一段时间内，每个扫描行的摆扫角速度是不变的：将总扫描行数M分为N段，设各段的摆扫行数和摆扫角速度分别为M_iy，V_i(i＝1,……,N)，则可建立如下方程：式中，γ_y为偏流角垂轨向的分量，将分段内的扫描行数M观测量，对上式进行最小二乘解算，即可得到第i段摆扫角速度的度量值，得到每段摆扫角度,从而得到每扫描行的成像角度。

2.根据权利要求1所述的星载高分辨率热红外影像几何定位方法，其特征在于第一步所述的近似热红外影像成像模式为等时间间隔采样如下：在一个摆扫周期T内，t₀为成像起始时刻，T₀为成像周期，实验室标定的起始成像时刻t₀存在偏差时，一景影像地面覆盖会随着沿轨方向整体移动，像方沿轨方向偏差为：式中，L为连续两景影像同一摆扫行的同一探元成像点沿轨道方向的距离，ΔT为等时间间隔成像的时间误差，ΔL为ΔT引起的沿轨向偏差；若扫描镜在成像周期内，每个摆扫行成像时间相同，则：T₀＝t₀+Δt·n，式中，Δt为每个扫描行的行积分时间，n为摆扫行数；从第一景影像计算，t₀为10^-9量级，可略去，综合和T₀＝t₀+Δt·n，可得：因此，确定摆扫成像可近似为等时间间隔采样。