CN108489468A - 三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法 - Google Patents

三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法，属于摄影测量与遥感技术领域。本发明根据传输型三线阵卫星在轨运行的特点，以摄影基线1/n大小为间距，确定EFP时刻，在正视影像EFP时刻扫描线上选取定向点和连接点，利用立体观测或影像匹配的手段在前视、后视影像上获取其同名像点坐标。在平差中，根据立体影像上下视差差分数据，对立体影像进行自动分段；在此基础上，对不同段的外方位元素平滑方程赋以不同权值，共同参与光束法平差。解决了实际卫星工程中，姿态测定系统突变导致处理航线中上下视差发生较大变化及定位精度变差的难题，保证了卫星影像在无地面控制点条件下的高精度定位。

Description

三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法
技术领域
本发明涉及三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法，属于摄影测量与遥感技术领域。
背景技术
卫星摄影测量中,利用星敏感器和Global Navigation Satellite System(简称GNSS)测定的外方位元素初值(位置和姿态数据),是影响卫星影像几何定位精度的重要因素。外方位元素的精度,不仅取决于姿态和轨道测定系统的精度,在实际卫星工程中,还与卫星平台稳定度密不可分。因此，地面数据处理所使用的外方位元素数据中也含有随卫星平台稳定度变化的误差项，共同影响线阵卫星影像的上下视差和定位精度。
光束法平差是实现线阵卫星影像无控定位的有效途径之一，航天三线阵影像光束法平差中，通常采用定向片法或EFP(Equivalent Frame Photo，等效框幅像片)法予以实现。“定向片法”和“EFP法”都是将外方位元素的解算离散为只求解“定向时刻”或“EFP时刻”外方位元素。但定向片原理应用于模拟计算时，要求外方位元素观测值和地面控制点参与平差，未能实现无地面控制点的高精度定位。在EFP法光束法平差中，为了加强平差中各三角锁的连接条件，在平差方程中增加统一的外方位元素平滑条件，带固定权值参与EFP光束法平差计算，实现了无地面控制点条件下的高精度定位。随着对大量在轨数据的分析发现，外方位元素观测值会发生突变现象，出现频率较少，无规律性，但影响无地面控制条件下的摄影测量处理精度。
发明内容
本发明的目的是：为了解决卫星姿态测定系统发生突变对定位精度影响问题，本发明提出一种三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法。
本发明的技术方案是：三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法，包括如下步骤：
步骤一：参阅图1，将一条基线范围内的正视影像均分为n等份，得到n+1组定向点对应的拍摄时刻，即EFP时刻EFPi,i＝1,2,…,n+1，在每个EFP时刻对应的扫描线上分别取上、中、下三个点，得到3·(n+1)个定向点，以及3·(n+1)个定向点的像坐标(xvpi,yvpi),i＝1,2,…,3·(n+1)；在每相邻两个EFP时刻对应的扫描线之间分别取上、中、下三个点，得到3·n个连接点，以及3·n个连接点的像坐标(xvsi,yvsi),i＝1,2,…,3·n；
步骤二：在前视、后视影像上自动匹配正视影像上定向点和连接点的同名像点，得到前视影像上定向点的像坐标(xlpi,ylpi),i＝1,2,…,3·(n+1)，前视影像上连接点的像坐标(xlsi,ylsi),i＝1,2,…,3·n，后视影像上定向点的像坐标(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,3·(n+1)，后视影像上连接点的像坐标(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,3·n；
步骤三：根据连接点的像坐标(xlsi,ylsi)、(xvsi,yvsi)、(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,3·n及相应的外方位元素，得到3·n个连接点对应的地面点三维坐标(Xsi,Ysi,Zsi),i＝1,2,…,3·n；根据定向点的像坐标(xlpi,ylpi)、(xvpi,yvpi)、(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,3·(n+1)及相应的外方位元素，得到3·(n+1)个定向点对应的地面点三维坐标(Xpi,Ypi,Zpi),i＝1,2,…,3·(n+1)；
步骤四：根据连接点和定向点的同名像点坐标，得到上下视差一阶差分值dpyi,i＝1,2,…,2·n+1；根据差分值对航线影像进行分段，分为m段，建立外方位元素平滑方程并赋不同权值；
步骤五：根据3·(n+1)个定向点的地面坐标(Xpi,Ypi,Zpi),i＝1,2,…,3·(n+1)、
3·n个连接点对应的地面坐标(Xsi,Ysi,Zsi),i＝1,2,…,3·n、
3·(n+1)个定向点的同名像点坐标(xlpi,ylpi)、(xvpi,yvpi)、(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,3·(n+1)、
3·n个连接点的同名像点坐标，(xlsi,ylsi)、(xvsi,yvsi)、(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,3·n
加入外方位元素自适应平滑方程，得到EFP时刻EFPi,i＝1,2,…,n+1对应的外方位元素改正数
步骤六：计算新的外方位元素值：
其中，为当前的外方元素值。
判断外方位元素改正数δi中是否小于设定值
如果是，则新的外方位元素值
为最终值，
否则，将新的外方位元素值代入步骤三。
本发明的有益效果是：本发明根据摄影测量卫星在轨运行的特点，在全三线交会EFP光束法平差理论基础上，提出在光束法平差中外方位元素自适应分段平滑策略及其数学模型。即根据立体影像上下视差差分数据，对立体影像进行自动分段；在此基础上，对不同段的外方位元素平滑方程赋以不同权值，共同参与光束法平差。解决了实际卫星工程中，姿态测定系统突变导致处理航线中上下视差发生较大变化及定位精度变差的难题，保证了卫星影像在无地面控制点条件下的高精度定位。
附图说明
图1是实施例中平差定向点和连接点的分布图
具体实施例
以天绘一号传输型卫星三线阵影像为例，进行三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法计算，算例数据中包括220公里长的卫星三线阵CCD影像、卫星影像的轨道数据、姿态数据和相机摄影参数等。
本实施例中三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法，包括如下步骤：
步骤一：参阅图1，将220公里的正视影像均分为11等份，得到12组定向点对应的EFP时刻EFPi,i＝1,2,…,12，在每个EFP时刻对应的扫描线上分别取上、中、下三个点，得到36个定向点，以及36个定向点的像坐标(xvpi,yvpi),i＝1,2,…,36；在每相邻两个EFP时刻对应的扫描线之间分别取上、中、下三个点，得到33个连接点，以及33个连接点的像坐标(xvsi,yvsi),i＝1,2,…,33；
步骤二：在前视、后视影像上自动匹配正视影像上定向点和连接点的同名像点，得到前视影像上定向点的像坐标(xvpi,yvpi),i＝1,2,…,36，前视影像上连接点的像坐标(xlsi,ylsi),i＝1,2,…,33，后视影像上定向点的像坐标(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,36，后视影像上连接点的像坐标(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,33；
得到的数据如下表所示：数据单位：像素。
序号i xlpi ylpi xvpi yvpi xrpi yrpi
1 11034.2 717.7 11126.5 664.2 11008.7 626.2
2 5952.7 773.1 6009.1 723.5 5936.8 689.3
3 715.9 722.2 734.9 700.0 709.9 691.8
4 11091.9 5329.1 11184.9 5275.2 11067.0 7473.4
5 5948.9 5308.3 6004.8 5265.5 5932.9 7467.3
6 812.9 5307.6 831.8 5279.5 806.6 7521.8
…… …… …… …… …… …… ……
序号i xlsi ylsi xvsi yvsi xrsi yrsi
1 11123.8 3036.2 11216.5 2975.3 11098.5 2930.9
2 5847.4 3020.1 5902.7 2973.5 5831.2 2942.0
3 783.9 2976.2 802.7 2949.6 777.8 2937.6
4 11185.9 7579.2 11279.5 7517.9 11160.4 7473.4
5 6046.4 7550.2 6103.3 7500.9 6030.5 7467.3
6 784.2 7558.2 803.1 7532.3 778.2 7521.8
…… …… …… …… …… …… ……
步骤三：根据连接点的像坐标(xlsi,ylsi)、(xvsi,yvsi)、(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,33及相应的外方位元素，得到33个连接点对应的地面点三维坐标(Xsi,Ysi,Zsi),i＝1,2,…,33；根据定向点的像坐标(xlpi,ylpi)、(xvpi,yvpi)、(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,36及相应的外方位元素，得到36个定向点对应的地面点三维坐标(Xpi,Ypi,Zpi),i＝1,2,…,36；
本实施例中得到的数据如下表
序号i Xpi(米) Ypi(米) Zpi(米)
1 -694177.3 -5272971.5 3509173.8
2 -718448.5 -5266996.5 3513356.0
3 -743322.6 -5260442.0 3517887.3
4 -700258.9 -5284656.5 3490427.8
5 -724721.3 -5278373.5 3494911.5
6 -749177.5 -5272131.5 3499274.5
…… …… …… ……
序号i Xsi(米) Ysi(米) Zsi(米)
1 -696948.4 -5278962.5 3499767.8
2 -722049.9 -5272519.5 3504317.3
3 -746103.4 -5266226.0 3508738.5
4 -702914.9 -5290450.0 3481273.5
5 -727343.9 -5284146.5 3485781.8
6 -752415.3 -5277721.5 3490139.0
…… …… …… ……
步骤四：根据11个连接点和12个定向点的同名像点坐标，得到上下视差一阶差分值dpyi,i＝1,2,…,23；根据差分值对航线影像进行分段，分为3段，建立外方位元素平滑方程并赋不同权值；
本实施例中得到的数据如下表
步骤五：根据36个定向点的地面坐标(Xpi,Ypi,Zpi)、
33个连接点对应的地面坐标(Xsi,Ysi,Zsi)、
36个定向点在正视影像上像坐标(xvpi,yvpi)、前视影像上像坐标(xlpi,ylpi)、后视影像像坐标(xrpi,yrpi)、
33个连接点在正视影像上像坐标(xvsi,yvsi)、前视影像上像坐标(xlsi,ylsi)、后视影像像坐标(xrsi,yrsi)、
初始外方位元素值，不同段的外方位元素平滑方程共同参与光束法平差，得到EFP时刻EFPi,i＝1,2,…,12对应的外方位元素改正数
步骤六：计算新的外方位元素值：
其中，为当前的外方元素值。
判断外方位元素改正数δi中是否小于设定值本实施例中，设定值
如果是，则新的外方位元素值
为最终值，
否则，将新的外方位元素值代入步骤三。
本实施例中，经过20次循环后，得到最终的外方位元素值如下表：
对本实施例中的三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法方法进行了效果比较。利用外方位元素平滑方程权值固定和自适应分段权值调整的EFP光束法平差技术进行平差处理，在220公里范围内选择30个地面控制点作为检查点，统计平滑方程自适应光束法平差后的定位精度，统计结果如下表所示。

Claims (1)

1.三线阵影像外方位元素平滑方程自适应光束法平差方法，包括如下步骤：
步骤一：参阅图1，将一条基线范围内的正视影像均分为n等份，得到n+1组定向点对应的拍摄时刻，即EFP时刻EFPi,i＝1,2,…,n+1，在每个EFP时刻对应的扫描线上分别取上、中、下三个点，得到3·(n+1)个定向点，以及3·(n+1)个定向点的像坐标(xvpi,yvpi),i＝1,2,…,3·(n+1)；在每相邻两个EFP时刻对应的扫描线之间分别取上、中、下三个点，得到3·n个连接点，以及3·n个连接点的像坐标(xvsi,yvsi),i＝1,2,…,3·n；
步骤二：在前视、后视影像上自动匹配正视影像上定向点和连接点的同名像点，得到前视影像上定向点的像坐标(xlpi,ylpi),i＝1,2,…,3·(n+1)，前视影像上连接点的像坐标(xlsi,ylsi),i＝1,2,…,3·n，后视影像上定向点的像坐标(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,3·(n+1)，后视影像上连接点的像坐标(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,3·n；
步骤三：根据连接点的像坐标(xlsi,ylsi)、(xvsi,yvsi)、(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,3·n及相应的外方位元素，得到3·n个连接点对应的地面点三维坐标(Xsi,Ysi,Zsi),i＝1,2,…,3·n；根据定向点的像坐标(xlpi,ylpi)、(xvpi,yvpi)、(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,3·(n+1)及相应的外方位元素，得到3·(n+1)个定向点对应的地面点三维坐标(Xpi,Ypi,Zpi),i＝1,2,…,3·(n+1)；
步骤四：根据连接点和定向点的同名像点坐标，得到上下视差一阶差分值dpyi,i＝1,2,…,2·n+1；根据差分值对航线影像进行分段，分为m段，建立外方位元素平滑方程并赋不同权值；
步骤五：根据3·(n+1)个定向点的地面坐标(Xpi,Ypi,Zpi),i＝1,2,…,3·(n+1)、
3·n个连接点对应的地面坐标(Xsi,Ysi,Zsi),i＝1,2,…,3·n、
3·(n+1)个定向点的同名像点坐标(xlpi,ylpi)、(xvpi,yvpi)、(xrpi,yrpi),i＝1,2,…,3·(n+1)、
3·n个连接点的同名像点坐标，(xlsi,ylsi)、(xvsi,yvsi)、(xrsi,yrsi),i＝1,2,…,3·n
加入外方位元素自适应平滑方程，得到EFP时刻EFPi,i＝1,2,…,n+1对应的外方位元素改正数
步骤六：计算新的外方位元素值：
其中，为当前的外方元素值。
判断外方位元素改正数δi中是否小于设定值
如果是，则新的外方位元素值
为最终值，
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