CN106873004A - 基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法 - Google Patents

Abstract

基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法，步骤1，从控制点数据库中控制点，在待定标影像上控制点自动量测，获取控制点量测信息；所述控制点选取满足10*10格网范围至少有一个控制点；步骤2，构建高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型；步骤3，利用步骤1自动量测的控制点信息，采用分步、分级迭代解求策略，求解步骤2中二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数；步骤4，通过对不同经纬度区域、不同成像时刻、不同太阳高度角条件下进行太阳高度角自适应误差补偿模型构建及参数解算；步骤5：将在轨检校几何模型参数和太阳高度角自适应误差补偿模型参数作为最终的严格成像模型构建参数对检校影像进行重新生产，并对重新生产的影像内外部精度进行校验。

Description

基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法

技术领域

本发明属于遥感影像在轨几何检校与处理领域，涉及一种基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机高精度在轨几何检校方法。

背景技术

卫星在轨几何检校是光学遥感卫星实现高精度几何定位的关键环节，直接影响卫星影像的内外部几何精度。虽然卫星在发射前都会进行严格的实验室标定，但是由于发射过程中的震动、材料放气、在轨运行时成像条件的改变以及器件的老化等因素的影响，使得卫星几何成像参数发生改变，地面的检校值不能满足高精度几何处理的需要，因此需要对卫星进行在轨检校。

目前，针对近景相机、航空相机、以及光学线阵推扫式卫星的几何定标、多线阵光学推扫式卫星进行联合几何定标已经开展了大量的研究与实践工作，但是由于目前国内外高轨卫星除了分辨率公里级的气象卫星外，没有分辨率百米量级的高轨面阵相机，所以对于高轨面阵相机在轨几何检校的研究则较少，尚未真正形成成熟的理论与方法。

并且，由于静止轨道空间环境较低轨卫星变化更为剧烈，特别是温度变化导致的外定标参数变化趋势和规律均未知，为了保证向用户提供影像产品的外部定位精度、内部几何精度、融合精度、波段配准精度，所以亟待解决高轨面阵相机高精度在轨几何检校这项技术难题，因此必须针对高轨面阵相机的结构以及成像特点，构建合适的高轨面阵相机在轨几何检校模型与方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法。

本发明的技术解决方案是：基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法，包括以下步骤：

步骤1，从控制点数据库中控制点，在待定标影像上控制点自动量测，获取控制点量测信息；所述控制点选取满足10*10格网范围至少有一个控制点；

步骤2，利用卫星辅助数据以及实验室定标参数，构建高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型；

步骤3，利用步骤1自动量测的控制点信息，采用分步、分级迭代解求策略，求解步骤2中二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数；

步骤4，通过对不同经纬度区域、不同成像时刻、不同太阳高度角条件下进行太阳高度角自适应误差补偿模型构建及参数解算；

步骤5：根据步骤3求得的二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数，和步骤4中求得的太阳高度角自适应误差补偿模型参数，作为最终的严格成像模型构建参数对检校影像进行重新生产，并对重新生产的影像内外部精度进行校验，从而完成基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校工作。

步骤2高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型如下，

式中，(X_g,Y_g,Z_g)与(X_gps,Y_gps,Z_gps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标；分别代表WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；(B_X,B_Y,B_Z)_body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量在卫星本体坐标系下的坐标；(t)表示当前参数是一个随时间变化的量；(ψ_x(s,l),ψ_y(s,l))代表探元s在相机坐标系下的指向角，s代表探元列号，l代表探元行号；

在以上几何定标模型中，待定标参数分为外定标参数X_EC和内定标参数X_IC，外定标参数pitch、roll、yaw分别为俯仰、翻滚以及偏航方向夹角，Δpitch、Δroll、Δyaw分别为随太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航方向夹角；内定标参数为X_IC＝(a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈,b₉)，X_IC＝(a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈,b₉)为二维三次曲面探元指向角内定标模型的系数。

步骤3的实现方式为：

步骤3.1，设在待定标影像上自动分块量测了N个地面控制点，各地面控制点对应的物方点和像方点分别记为GCPG_i和GCPM_i，物方点GCPG_i的WGS84地心直角坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，像方点GCPM_i的影像坐标为(s_i,l_i)；

步骤3.2，对步骤2中得到的高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨内检校几何模型中的外定标参数X_EC和内定标参数X_IC赋初值

步骤3.3，将内定标参数X_IC的当前值视为真值，将外定标参数X_EC视为待求的未知参数，利用最小二乘平差解算外定标参数X_EC；

步骤3.4，将步骤3.3所得外定标参数X_EC的当前值视为真值，而内定标参数X_IC则视为待求的未知参数，利用最小二乘平差解算内定标参数X_IC。

步骤4的实现方式：

首先，按下式建立太阳高度角自适应误差补偿模型：

y＝A₀*sin(ωT+μ₀)

式中，y为随太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航方向夹角Δpitch、Δroll、Δyaw：A₀为太阳高度角自适应的幅值，ω为太阳高度角自适应的相位，T为太阳高度角，μ₀为太阳高度角自适应的初始相位；

然后，根据步骤3所得的内外定标参数X_EC、X_IC，通过对不同经纬度区域、不同成像时刻、不同太阳高度角条件下卫星影像定位精度进行计算；

最后，利用最小二乘进行模型参数求解，从而获取太阳高度角自适应误差补偿模型参数。

本发明与现有技术相比有益效果为：

由于传统相机在轨几何检校方法均针对光学线阵推扫式相机、近景相机或航空相机；而高轨面阵相机均为分辨率公里级的气象卫星系列无须在轨检校，所以，目前对于高轨面阵相机在轨几何检校的研究则较少；

本发明在充分吸收光学线阵推扫式相机在轨几何检校理论和方法的基础上，针对高轨面阵相机的结构以及成像特点，构建的基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法即解决了高轨面阵相机基在轨几何检校模型构建和求解的问题，有效保证了最总影像产品的内部几何精度、多光谱波段间配准精度、全色多光谱与中波红外间配准精度，又解决了高轨卫星由于环境变化更为剧烈，特别是温度变化导致的外定标参数影响的问题，构建了太阳高度角自适应误差补偿模型，从而有效保证了最终影像产品的外部定位精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为探元指向角示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明。如图1所示，基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，从控制点数据库中控制点，在待定标影像上控制点自动量测，获取控制点量测信息；为了保证在轨几何检校结果的解算精度，对于所量测的控制点在数量以及分布上提供了建议：在待定标影像中，所量测的控制点在沿轨方向和垂轨方向应均匀覆盖整个CCD范围，并且，应在待定标影像中均匀分布，每个区域内控制点数量相近。控制点数量方面，在合理成本的前提下尽可能多，建议控制点选取满足10*10格网范围至少有一个控制点。

步骤2，利用卫星辅助数据以及实验室定标参数，构建高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型如下式(1)；

式中，(X_g,Y_g,Z_g)与(X_gps,Y_gps,Z_gps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标；分别代表WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；(B_X,B_Y,B_Z)_body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量在卫星本体坐标系下的坐标；(t)表示当前参数是一个随时间变化的量；(ψ_x(s,l),ψ_y(s,l))代表探元s在相机坐标系下的指向角，s代表探元列号，l代表探元行号，如图2所示；

在以上几何定标模型中，待定标参数分为外定标参数X_EC和内定标参数X_IC，外定标参数其中，pitch、roll、yaw分别为俯仰、翻滚以及偏航方向夹角，用于补偿相机安装角误差，恢复相机坐标系在空间中的指向，为内定标参数的解算确定参考基准；Δpitch、Δroll、Δyaw分别为随太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航方向夹角，用于补偿高轨卫星由于太阳高度角变化引起的外定标参数变化；内定标参数为X_IC＝(a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈,b₉)，为二维三次曲面探元指向角内定标模型的系数，则用于补偿由于面阵相机内部各种畸变导致的像点误差，确定面阵相机CCD各探元在相机坐标系(参考基准)下的指向角。内定标参数与外定标参数两者共同恢复面阵相机CCD各探元在空间中的绝对指向。

步骤3，利用步骤1自动量测的控制点信息，采用分步、分级迭代解求策略，求解步骤2中二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数；

步骤3.1，设在待定标影像上自动分块量测了N个均匀分布的高精度地面控制点，各地面控制点对应的物方点和像方点分别记为GCPG_i和GCPM_i，物方点GCPG_i的WGS84地心直角坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，像方点GCPM_i的影像坐标为(s_i,l_i)；

步骤3.2，令式(1)中：

式(1)转化为式(2)：

上式中，矢量为物方矢量U，代表从相机投影中心到物方点的矢量在本体坐标系下的坐标；a₁,b₁,c₁a₂,b₂,c₂a₃,b₃,c₃分别代表相机安装矩阵的9个元素；F_x(X_EC,X_IC)、F_y(X_EC,X_IC)分别为沿轨指向角残差与垂轨指向角残差；

步骤3.3，对外定标参数X_EC和内定标参数X_IC赋初值

步骤3.4，将内定标参数X_IC的当前值视为真值，将外定标参数X_EC视为待求的未知参数，将内定标参数X_IC和外定标参数X_EC的当前值代入式(2)，对每个定向点，对式(2)进行线性化处理，建立误差方程(3)，

V_i＝A_iX-L_i，权为P_i (3)

其中

式中，L_i是利用内外定标参数当前值代入式(2)计算得到的误差向量；A_i是误差方程式的系数矩阵；X代表外定标参数改正数dX_EC＝(dpitch,droll,dyaw)，d代表改正数符号；P_i是当前定向点RP_i的像点量测精度对应的权；F_xi和F_yi分别为沿轨指向角残差F_x(X_EC,X_IC)、垂轨指向角残差F_y(X_EC,X_IC)的函数模型，微分后得到相应误差方程；

按式(4)计算法方程系数矩阵，

上式中，矩阵矩阵矩阵

利用最小二乘平差计算X，如式(5)，

X＝(A^TPA)^-1(A^TPL) (5)

利用式(6)更新外定标参数X_E的当前值，然后返回执行步骤4迭代计算，迭代停止后进入步骤3.4；

步骤3.5，解算内定标参数，将步骤3.4所得外定标参数X_EC的当前值视为真值，而内定标参数X_I则视为待求的未知参数，将内定标参数X_IC和外定标参数X_EC的当前值代入公式(2)，对每个定向点，对式(2)进行线性化处理，建立误差方程(7)，

V_i＝B_iY-L_i 权为P_i (7)

其中，

Y＝dX_IC＝[da₀ da₁ da₂ da₃ da₄ da₅ da₆ da₇ da₈ da₉ db₀ db₁ db₂ db₃ db₄ db₅db₆ db₇ db₈ db₉]^T

式中，L_i是利用内外定标参数当前值代入公式(2)计算得到的误差向量；B_i是误差方程式的系数矩阵；Y代表内定标参数改正数dX_IC，d代表改正数符号；P_i是当前定向点的像点量测精度对应的权；F_xi和F_yi分别为沿轨指向角残差F_x(X_EC,X_IC)、垂轨指向角残差F_y(X_EC,X_IC)的函数模型，微分后得到相应误差方程；

按式(8)计算法方程系数矩阵；

上式中，

利用最小二乘平差计算Y，如式(9)；

Y＝(B^TPB)^-1(B^TPL) (9)

利用式(10)更新内定标参数X_I的当前值，然后返回执行步骤5迭代计算，迭代停止后进入步骤3.6；

步骤4，通过对不同经纬度区域、不同成像时刻、不同太阳高度角条件下进行太阳高度角自适应误差补偿模型构建及参数解算；

按式(11)进行太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航角变化建模。

y＝A₀*sin(ωT+μ₀) (11)

式中，y为公式(1)中随太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航方向夹角Δpitch、Δroll、Δyaw：A₀为太阳高度角自适应的幅值，ω为太阳高度角自适应的相位，T为太阳高度角，μ₀为太阳高度角自适应的初始相位。

步骤5：根据步骤3求得的二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数，和步骤4中求得的太阳高度角自适应误差补偿模型参数，作为最终的严格成像模型构建参数对检校影像进行重新生产，并对重新生产的影像内外部精度进行校验，从而完成基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校工作。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，从控制点数据库中控制点，在待定标影像上控制点自动量测，获取控制点量测信息；所述控制点选取满足10*10格网范围至少有一个控制点；

步骤2，利用卫星辅助数据以及实验室定标参数，构建高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型；

步骤3，利用步骤1自动量测的控制点信息，采用分步、分级迭代解求策略，求解步骤2中二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数；

步骤4，通过对不同经纬度区域、不同成像时刻、不同太阳高度角条件下进行太阳高度角自适应误差补偿模型构建及参数解算；

步骤5：根据步骤3求得的二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型参数，和步骤4中求得的太阳高度角自适应误差补偿模型参数，作为最终的严格成像模型构建参数对检校影像进行重新生产，并对重新生产的影像内外部精度进行校验，从而完成基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校工作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨检校几何模型如下，

$\left(\begin{array}{c}\tan \left({\mathrm{\ψ}}_x\right(s,l\left)\right)\\ \tan \left({\mathrm{\ψ}}_y\right(s,l\left)\right)\\ 1\end{array}\right)={\mathrm{\λR}}_{body}^{cam}(pitch+\mathrm{\Δ}pitch,roll+\mathrm{\Δ}roll,yaw+\mathrm{\Δ}yaw)\left(R_{J2000}^{body}{R}_{wgs}^{J2000}{\left[\begin{array}{c}{X}_g-X_{gps}\left(t\right)\\ Y_g-Y_{gps}\left(t\right)\\ Z_g-Z_{gps}\left(t\right)\end{array}\right]}_{wgs}-{\left[\begin{array}{c}{B}_x\\ B_y\\ B_z\end{array}\right]}_{body}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_y(l,s)=a_0+a_{1}l+a_{2}s+a_{3}l*s+a_4{l}^2+a_5{s}^2+a_6{l}^2*s+a_{7}l*s^2+a_8{l}^3+a_9{s}^3\\ {\mathrm{\ψ}}_x(l,s)=b_0+b_{2}l+b_{2}s+b_{3}l*s+b_4{l}^2+b_5{s}^2+b_6{l}^2*s+b_{7}l*s^2+b_8{l}^3+b_p{s}^3\end{array}\right.$

式中，(X_g,Y_g,Z_g)与(X_gps,Y_gps,Z_gps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标；分别代表WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；(B_X,B_Y,B_Z)_body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量在卫星本体坐标系下的坐标；(t)表示当前参数是一个随时间变化的量；(ψ_x(s,l),ψ_y(s,l))代表探元s在相机坐标系下的指向角，s代表探元列号，l代表探元行号；

在以上几何定标模型中，待定标参数分为外定标参数X_EC和内定标参数X_IC，外定标参数pitch、roll、yaw分别为俯仰、翻滚以及偏航方向夹角，Δpitch、Δroll、Δyaw分别为随太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航方向夹角；内定标参数为X_IC＝(a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈,b₉)，X_IC＝(a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈,a₉,b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇,b₈,b₉)为二维三次曲面探元指向角内定标模型的系数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3的实现方式为：

步骤3.1，设在待定标影像上自动分块量测了N个地面控制点，各地面控制点对应的物方点和像方点分别记为GCPG_i和GCPM_i，物方点GCPG_i的WGS84地心直角坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，像方点GCPM_i的影像坐标为(s_i,l_i)；

步骤3.2，对步骤2中得到的高轨面阵相机基于二维三次曲面探元指向角的在轨内检校几何模型中的外定标参数X_EC和内定标参数X_IC赋初值

步骤3.3，将内定标参数X_IC的当前值视为真值，将外定标参数X_EC视为待求的未知参数，利用最小二乘平差解算外定标参数X_EC；

步骤3.4，将步骤3.3所得外定标参数X_EC的当前值视为真值，而内定标参数X_IC则视为待求的未知参数，利用最小二乘平差解算内定标参数X_IC。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4的实现方式：

首先，按下式建立太阳高度角自适应误差补偿模型：

y＝A₀*sin(ωT+μ₀)

式中，y为随太阳高度角自适应的俯仰、翻滚以及偏航方向夹角Δpitch、Δroll、Δyaw：A₀为太阳高度角自适应的幅值，ω为太阳高度角自适应的相位，T为太阳高度角，μ₀为太阳高度角自适应的初始相位；

然后，根据步骤3所得的内外定标参数X_EC、X_IC，通过对不同经纬度区域、不同成像时刻、不同太阳高度角条件下卫星影像定位精度进行计算；

最后，利用最小二乘进行模型参数求解，从而获取太阳高度角自适应误差补偿模型参数。