CN109115218A - 一种无地面控制点的遥感影像定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无地面控制点的遥感影像定位方法，其整体步骤为：采用外定标获取定轨定姿数据，即用于描述摄影中心的空间坐标值和像片面的空间姿态；构建严密几何模型以及二次多项式外方位元素模型；前方交会获取连接点地面坐标值；后方交会结合自适应权值结算外方位元素；拟合RPC参数；精化外方位和RPC参数。本发明在没有地面控制点条件下，仅利用卫星下传数据即可满足目标定位精度要求的目的，具有操作更加简便、工作量明显降低的优点。

Description

一种无地面控制点的遥感影像定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种无地面控制点的遥感影像定位方法。

背景技术

为了利用遥感方法识别地面目标，并确定其地理空间坐标，需要将获取到的遥感影像进行正射纠正。通常，遥感影像正射纠正需要依赖已知大地坐标的地面控制点(GroudControl Points，简称GCP)。地面控制点是目前对航空像片和卫星遥感影像进行各种几何纠正和地理定位的重要数据源，其数量、质量和分布等指标对影像纠正的精确性和可靠性都具有直接影响。然而，地面控制点的选取会占用遥感影像处理的大量工作量，而且获取足够数量的地面控制点通常是十分困难的，能够替代野外测量的大比例尺地形图也很难得到，因此，研究无地面控制点条件下的卫星遥感影像的高精度几何处理就成为一项紧迫的任务。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种无地面控制点的遥感影像定位方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无地面控制点的遥感影像定位方法，其整体步骤为：

S1、采用外定标获取定轨定姿数据，即用于描述摄影中心的空间坐标值和像片面的空间姿态(X_Si,Y_Si,Z_Si,ω_i,κ_i)，其中i表示第i扫描行；通过像点坐标量测获取线阵影像连接点坐标值(x,y)；

S2、模型构建

Ⅰ、构建严密几何模型

通过推扫式成像的线阵CCD传感器获取连续的影像条带；每一扫描行影像与被摄物体之间具有严格的中心投影关系，并且都有各自的外方位元素；以扫描行方向为x、飞行方向为y建立瞬时像平面坐标系，设第i扫描行的外方位元素为X_Si,Y_Si,Z_Si,ω_i,κ_i，则瞬时构像方程式为：

其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为像点坐标对应的姿态角元素计算的旋转矩阵元素；f为摄影中心到像片的垂距；x₀,y₀为像主点；

b₁＝cosω_isinκ_i

b₂＝cosω_icosκ_i

b₃＝-sinω_i

Ⅱ、构建二次多项式外方位元素模型

线阵CCD影像在同一摄影时刻具有相同的外方位元素，由于星载CCD传感器所在的航天器受外界阻力小，飞行轨道平稳，姿态变化小，因此在某一范围内近似认为外方位元素是时间的低阶函数；采用如下数学模型对摄影时刻t的角元素加以表示：

其中，φ₀,φ₁,φ₂,ω₀,ω₁,ω₂,k₀,k₁,k₂为二次多项式系数；

利用行时信息以及外定标获取的定姿数据，根据公式2最小二乘法拟合二次多项式系数，构建出二次多项式模型，为后续提供初始姿态角元素；

S3、前方交会

根据构建的模型，利用连接点坐标值(x,y)，读取对应的行时信息，结合已经获取的二次多项式外方位元素模型，求解连接点对应的姿态角元素ω_i,κ_i，联合定轨参数X_Si,Y_Si,Z_Si，组成六个外方位元素；

将瞬时构像方程式进行整理，得：

式中：

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为根据公式2结合连接点坐标对应的行时信息求解初始姿态角元素ω_i,κ_i构建的旋转矩阵元素；

若n幅影像含有同一空间点，则总共有n个如公式3的方程组求解地面坐标值(X,Y,Z)；根据最小二乘原理，求解连接点地面坐标值；

S4、后方交会

将前方交会获取的所有连接点地面坐标值(X,Y,Z)视为真值，保持不变，而把相应的像点坐标值(x,y)视为观测值，加入相应的改正数v_x,v_y，代入共线方程式公式1，并结合二次多项式外方位元素模型公式2，泰勒展开取一次项，使之线性化得到误差方程式的一般形式：

用矩阵形式表示为：

V＝AX-l 公式5

式中：v＝[v_x v_y]^T

l＝[l_x l_y]^T

A矩阵为公式1对二次多项式外方位元素模型公式2系数求偏导；

其中，每一对连接点的像方坐标值均可列出如公式4的方程组；

根据最小二乘间接平差原理，可构成法方程式，为：

A^TP AX＝A^TPL 公式6

式中，P为观测值的权矩阵；x方向权值通过连接点像方x方向的残差值v_x与所有残差v_x的中误差值σ₀确定，原理为：残差大权值小，残差小权值大；

同理，y方向权值采用残差值v_y和同上述原理确定；式中k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，设初始权矩阵P＝E，E为单位矩阵，v为各像点的残差，由后方交会解算得到并作为下一次求权的依据，以达到剔除粗差的目的；

根据公式6式，求得：

X＝(A^TP A)^-1A^TPL 公式8

根据公式8，利用逐渐迭代趋近的方法，解算改正数X；结合公式2中的模型，获取修正后的外方位姿态角元素。

本发明在没有地面控制点条件下，仅利用卫星下传数据即可满足目标定位精度要求的目的，具有操作更加简便、工作量明显降低的优点。

附图说明

图1为本发明的整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一、

图1所示的一种无地面控制点的遥感影像定位方法，其整体流程为：

S1、采用外定标(即热红外波段定标法)获取定轨定姿数据，即获取用于描述摄影中心的空间坐标值和像片面的空间姿态(X_Si,Y_Si,Z_Si,ω_i,κ_i)，其中i表示第i扫描行；通过像点坐标量测获取线阵影像连接点坐标值(x,y)。本实施例以WGS-84坐标系为坐标基准。

S2、模型构建

Ⅰ、构建严密几何模型

线阵CCD传感器采用推扫式成像，获取连续的影像条带。每一扫描行影像与被摄物体之间具有严格的中心投影关系，并且都有各自的外方位元素。以扫描行方向为x方向，飞行方向为y方向，建立瞬时像平面坐标系，设第i扫描行的外方位元素为X_Si,Y_Si,Z_Si,ω_i,κ_i，则瞬时构像方程式为：

其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为像点坐标对应的姿态角元素计算的旋转矩阵元素；f为摄影中心到像片的垂距；x₀,y₀为像主点。

b₁＝cosω_isinκ_i

b₂＝cosω_icosκ_i

b₃＝-sinω_i

Ⅱ、构建二次多项式外方位元素模型

线阵CCD影像在同一摄影时刻具有相同的外方位元素，由于星载CCD传感器所在的航天器受外界阻力小，飞行轨道平稳，姿态变化小，因此在某一范围内，可以近似认为外方位元素是时间的低阶函数。可采用如下数学模型对摄影时刻t的角元素加以表示。

其中，φ₀,φ₁,φ₂,ω₀,ω₁,ω₂,k₀,k₁,k₂为二次多项式系数。

本发明利用行时信息以及外定标获取的定姿数据，根据公式2最小二乘法拟合二次多项式系数，构建出二次多项式模型，为后续提供初始姿态角元素，无需对外定标获取的定轨数据进行修正。

S3、前方交会

根据构建的模型，利用连接点坐标值(x,y)，读取对应的行时信息，结合已经获取的二次多项式外方位元素模型(公式2)，求解连接点对应的姿态角元素ω_i,κ_i，联合定轨参数X_Si,Y_Si,Z_Si，组成六个外方位元素。

将瞬时构像方程式(公式1)进行整理，得：

式中：

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为根据公式2结合连接点坐标对应的行时信息求解初始姿态角元素ω_i,κ_i构建的旋转矩阵元素。

若n幅影像含有同一空间点，则总共有n个形如公式3的方程组求解地面坐标值(X,Y,Z)。根据最小二乘原理，求解连接点地面坐标值。

S4、后方交会

将前方交会获取的所有连接点地面坐标值(X,Y,Z)视为真值，保持不变，而把相应的像点坐标值(x,y)视为观测值，加入相应的改正数v_x,v_y，代入共线方程式公式1，并结合二次多项式外方位元素模型公式2，泰勒展开取一次项，使之线性化得到误差方程式的一般形式：

用矩阵形式表示为：

V＝AX-l 公式5

式中：v＝[v_x v_y]^T

l＝[l_x l_y]^T

A矩阵为公式1对二次多项式公式2系数求偏导。

其中，每一对连接点的像方坐标值即可列出如公式4的方程组。

根据最小二乘间接平差原理，可构成法方程式，为：

A^TP AX＝A^TPL 公式6

式中，P为观测值的权矩阵。x方向权值可使用连接点像方x方向的残差值v_x与所有残差v_x的中误差值σ₀确定，采用残差大权值小，残差小权值大的原理：

同理，y方向权值采用残差值v_y和同上述原理确定。式中k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，设初始权矩阵P＝E(E为单位矩阵)，v为各像点的残差，可由后方交会解算得到并作为下一次求权的依据，以达到剔除粗差的目的。

根据公式6式，求得：

X＝(A^TP A)^-1A^TPL 公式8

根据公式8，利用逐渐迭代趋近的方法，解算改正数X。结合公式2中的模型，获取修正后的外方位姿态角元素。

为下面对本实施例的技术效果作进一步验证：

对北京山东、新疆、江西广东、黑龙江吉林(1)、安徽、黑龙江吉林(2)、重庆7个区自标定的定轨定姿数据和几何定标数据，通过二次多项式构建外方位元素随时间变化的物理模型，基于共线条件方程式，获取连接点地面坐标值以及利用最小二乘法迭代求解外方位元素，拟合获得各区RPC处理结果。利用控制点计算定位精度，各测区定位精度如表1所示。

表1天绘一号无地面控制点定位精度结果

其中，XY为高斯投影，h为大地高，单位为米。

本发明的关键创新点以及优势在于：

(1)首先利用标定后的高精度定姿定轨数据拟合二次多项式外方位元素模型系数，结合共线条件方程和线阵影像之间的连接条件，获取连接点地面坐标值。之后，利用该连接点信息后方交会，并结合自适应权值分配剔除粗差点，精确获取摄影区域的外方位元素，提高定位精度。

(2)将连接点地面坐标值视为真值，避免平差对绝对定位精度的影响，保证绝对定位精度与几何定标精度一致。该技术利用定姿定轨数据和连接条件，获取连接点地面坐标值，并将其视为真值，保持不变，将相应的像点坐标视为观测值，为后方交会求解外方元素提供坐标参数。

(3)后方交会结合自适应权值分配剔除粗差点，消除影像连接点的上下视差，提高外方位元素精度。由于观测值的真误差不知，可使用连接点像方残差值确定权值，根据权值分配剔除粗差点，保证使用残差较小的连接点后方交会获取外方位元素。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种无地面控制点的遥感影像定位方法，其特征在于：所述方法的整体步骤为：

S1、采用外定标获取定轨定姿数据，即用于描述摄影中心的空间坐标值和像片面的空间姿态其中i表示第i扫描行；通过像点坐标量测获取线阵影像连接点坐标值(x,y)；

S2、模型构建

Ⅰ、构建严密几何模型

通过推扫式成像的线阵CCD传感器获取连续的影像条带；每一扫描行影像与被摄物体之间具有严格的中心投影关系，并且都有各自的外方位元素；以扫描行方向为x、飞行方向为y建立瞬时像平面坐标系，设第i扫描行的外方位元素为则瞬时构像方程式为：

其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为像点坐标对应的姿态角元素计算的旋转矩阵元素；f为摄影中心到像片的垂距；x₀,y₀为像主点；

b₁＝cosω_i sinκ_i

b₂＝cosω_i cosκ_i

b₃＝-sinω_i

Ⅱ、构建二次多项式外方位元素模型

线阵CCD影像在同一摄影时刻具有相同的外方位元素，由于星载CCD传感器所在的航天器受外界阻力小，飞行轨道平稳，姿态变化小，因此在某一范围内近似认为外方位元素是时间的低阶函数；采用如下数学模型对摄影时刻t的角元素加以表示：

其中，φ₀,φ₁,φ₂,ω₀,ω₁,ω₂,k₀,k₁,k₂为二次多项式系数；

利用行时信息以及外定标获取的定姿数据，根据公式2最小二乘法拟合二次多项式系数，构建出二次多项式模型，为后续提供初始姿态角元素；

S3、前方交会

根据构建的模型，利用连接点坐标值(x,y)，读取对应的行时信息，结合已经获取的二次多项式外方位元素模型，求解连接点对应的姿态角元素联合定轨参数X_Si,Y_Si,Z_Si，组成六个外方位元素；

将瞬时构像方程式进行整理，得：

式中：

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为根据公式2结合连接点坐标对应的行时信息求解初始姿态角元素构建的旋转矩阵元素；

若n幅影像含有同一空间点，则总共有n个如公式3的方程组求解地面坐标值(X,Y,Z)；根据最小二乘原理，求解连接点地面坐标值；

S4、后方交会

将前方交会获取的所有连接点地面坐标值(X,Y,Z)视为真值，保持不变，而把相应的像点坐标值(x,y)视为观测值，加入相应的改正数v_x,v_y，代入共线方程式公式1，并结合二次多项式外方位元素模型公式2，泰勒展开取一次项，使之线性化得到误差方程式的一般形式：

用矩阵形式表示为：

V＝AX-l 公式5

式中：v＝[v_x v_y]^T

l＝[l_x l_y]^T

A矩阵为公式1对二次多项式外方位元素模型公式2系数求偏导；

其中，每一对连接点的像方坐标值均可列出如公式4的方程组；

根据最小二乘间接平差原理，可构成法方程式，为：

A^TP AX＝A^TPL 公式6

式中，P为观测值的权矩阵；x方向权值通过连接点像方x方向的残差值v_x与所有残差v_x的中误差值σ₀确定，原理为：残差大权值小，残差小权值大；

同理，y方向权值采用残差值v_y和同上述原理确定；式中k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，设初始权矩阵P＝E，E为单位矩阵，v为各像点的残差，由后方交会解算得到并作为下一次求权的依据，以达到剔除粗差的目的；

根据公式6式，求得：

X＝(A^TPA)^-1A^TPL 公式8

根据公式8，利用逐渐迭代趋近的方法，解算改正数X；结合公式2中的模型，获取修正后的外方位姿态角元素。