CN110017833A - 基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法。该方法具体步骤为：首先计算航摄区域对应图像的像元分辨率；并根据基准点和目标点的像面坐标以及航摄方位角，计算基准点与目标点在纬线和经线方向上的地面距离；然后根据地球海表面椭球模型下基准点处的子午圈和卯酉圈的曲率半径，计算经过基准点的等效地球海表面椭球模型下基准点处的子午圈和卯酉圈的曲率半径；最后根据目标点和基准点的相对位置关系，解算每一个像素点对应地面目标点的经纬度。本发明不需要复杂的坐标系误差标校，而且非垂直下视航摄定位，可以对更远距离或无法直抵区域的目标进行定位；另外，本发明能够一次性对像面内的所有目标点进行定位，目标定位更高效。

Description

基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法

技术领域

本发明属于基于图像的机载光电系统目标地理定位技术领域，尤其涉及一种基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法。

背景技术

近年来，察打一体无人攻击机技术的迅速发展，要求机载光电平台不仅要实现高清晰远距离目标成像和角度测量，而且要具有高精度目标位置解算和识别跟踪能力。实现航摄目标的精确自主定位，是完善和提高无人机系统的战术指标、快速获取战场情报和取得作战胜利的重要保证。

全屏像点地理坐标定位方法属于多目标定位范畴，即一次定位可以获取所有像素点对应地面目标的位置信息。目前，机载光电系统多目标定位方法主要有两种：一种是基于坐标系转换的多目标定位技术，另一种是基于垂直下视条件下的航摄多目标定位。

传统的基于坐标系转换的多目标定位技术，利用目标点与已知点之间的像素偏差，通过一系列空间坐标系转换得到目标的地理坐标。但该方法需要在光电系统惯导基准、减震基座和光电平台之间进行复杂的外方位元素标校。由于坐标系之间的标校误差，以及惯导测量的姿态和位置误差，使得定位结果精度较低。

基于垂直下视条件下的航摄多目标定位，通过计算垂直下视航摄条件下目标区域航拍图像的像元分辨率，根据像面上目标点和地面基准点间的相对距离，结合基准点的经纬度即可准确地解算出像面内所有目标点的地理经纬坐标。该方法无需进行光电系统复杂标校，但是在实际中，考虑到光电平台航摄姿态的控制、长焦相机的地面收容范围、特殊的待定位目标(如对无法直抵区域的目标进行定位)等因素，基于垂直下视条件下的航摄目标定位已经不能满足远距离倾斜摄影目标定位和无法直抵区域下的应用要求，其受外部限制因素太多。

发明内容

为解决非垂直下视条件下的倾斜航摄多目标定位问题，本发明借助地面基准点，提出一种基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法，通过建立适用于任意条件下更一般化的摄影测量像元类地模型，使基于航摄测量的多目标定位方法更符合实际的应用需求，且能提高机载光电系统多目标定位的精度，以实现远距离、快速、便捷、高精度的目标地理定位。

本发明的技术方案为：

所述一种基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法，，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：控制机载光电系统，使光电系统指向待定位多个地面目标所在的地面区域，并对当前光电系统视场内的地面目标区域进行成像；

步骤2：以像面中心为坐标原点建立像面坐标系(i，j)，然后计算当前航摄条件下，计算航拍的目标区域图像每一个像元在俯仰向和方位向上的像元分辨率GRD_j和GRD_i：

其中ΔH＝H_b-h_c为载机相对地面高度，e为航摄相机像元尺寸，f’为航摄相机焦距；载机海拔高度为H_b，目标区域基准点海拔高度为h_c，载机惯导测量的影像外方位元素俯仰角为横滚角为ω；m和n分别为航摄相机方位向和俯仰向的像元个数；

步骤3：将以像面中心为坐标原点的像面坐标系下的像元分辨率GRD(i，j)转换到以像面左上角为原点的像面坐标系下的像元分辨率GRD’(i，j)：

步骤4：根据基准点像面坐标(i_c,j_c)和目标点像面坐标(i_T,j_T)，以及载机惯导测量的影像外方位元素方位角κ，分别计算基准点与每一个像素点对应地面目标点在纬线方向和经线方向上的地面距离：

步骤5：根据基准点的经度L_c和纬度B_c，在地球海表面椭球数学模型下，利用地球椭球理论分别求解基准点处子午圈和卯酉圈的曲率半径：

其中，R_e为地球长半轴，R_p为地球短半轴，ε为地球椭球的第一偏心率：

步骤6：在地球海表面椭球数学模型下，将基准点的地理坐标(L_c，B_c，h_c)转化到地心坐标(x_c，y_c，z_c)，即：

步骤7：将基准点的地心坐标代入经过基准点且与原地球椭球模型具有相同偏心率的地球椭球方程计算等效后的地球海表面椭球数学模型下地球长轴半径和短轴半径：

步骤8：在等效后的地球海表面椭球数学模型下，根据椭球理论，分别计算基准点处子午圈和卯酉圈的曲率半径：

步骤9：由基准点的经度L_c和纬度B_c，根据目标点和基准点在经线和纬线方向上的相对位置关系，计算每一个像素点对应地面目标点的经纬度：

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有益效果

本发明的有益效果体现在以下方面：

(1)本发明的全屏像点地理坐标定位方法与传统的基于坐标系转换的多目标定位方法相比，不需要复杂的坐标系间的误差标校，目标定位更便捷和准确；

(2)本发明的全屏像点地理坐标定位方法，建立和推导更一般化的摄影测量像元类地模型，该模型不仅适用于垂直下视条件下的多目标定位，也适用于非垂直下视条件下的倾斜航摄多目标定位，使基于航摄测量的多目标定位方法更符合实际的应用需求，可以对更远距离或无法直抵区域的目标进行定位；且可以一次性对像面内的所有地面目标点进行定位，定位效率高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的目标定位原理图；

图2是本发明的目标定位流程图；

图3是本发明的像元类地模型计算示意图；

图4是本发明的具体实施例中计算得到像元分辨率结果图；

图5是本发明的等效地球海表面椭球数学模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1，本发明基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法，原理如下：

已知当前航摄目标区域基准点C的经纬度(L_c,B_c)，像片内基准点C的像面坐标(i_c,j_c)和目标点的像面坐标为(i_T,j_T)。首先在当前航摄条件(载机海拔高度为H_b，基准点海拔高度为h_c，惯导测量的影像外方位元素俯仰角为横滚角为ω)下，计算航拍的目标区域图像每一个像元在俯仰向和方位向上的像元分辨率GRD_j和GRD_i；并结合像面上基准点和目标点在俯仰向和方位向上相距的像元个数，即可得到地面水平面上目标点和基准点之间在俯仰向和方位向上的地面距离；根据惯导测量的方位角κ，则可计算得到基准点与目标点之间在纬线方向和经线方向地面距离；然后在地球椭球模型下，计算得到基准点与目标点之间的距离分别在纬线方向和经线方向上跨越的角度；最后由基准点的经纬度，以及目标点和基准点之间的相对位置关系，即可解算得到目标点的经纬度。

参照图2，本发明基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法，具体步骤如下：

步骤1：控制机载光电系统，使光电系统指向待定位多个地面目标所在的地面区域，并对当前光电系统视场内的地面目标区域进行成像；

步骤2：如图3所示，以像面中心为坐标原点建立像面坐标系(i，j)，然后计算当前航摄条件下，计算航拍的目标区域图像每一个像元在俯仰向和方位向上的像元分辨率GRD_j和GRD_i：

其中ΔH＝H_b-h_c为载机相对地面高度，e为航摄相机像元尺寸，f’为航摄相机焦距；载机海拔高度为H_b，目标区域基准点海拔高度为h_c，载机惯导测量的影像外方位元素俯仰角为横滚角为ω；m和n分别为航摄相机方位向和俯仰向的像元个数；

步骤3：将以像面中心为坐标原点的像面坐标系下的像元分辨率GRD(i，j)转换到以像面左上角为原点的像面坐标系下的像元分辨率GRD’(i，j)：

本实施例中已知载机海拔高度为H_b＝12km，基准点海拔高度为H_c＝1000m，惯导测量俯仰角为横滚角为ω＝5°，探测器像元尺寸e＝5.5μm，航摄相机焦距f’＝768mm。可得当前航摄条件下，目标区域对应的航拍图像的俯仰向像元分辨率GRD_j和方位向像元分辨率GRD_i，如图4所示。

步骤4：根据基准点C像面坐标(i_c,j_c)和目标点T像面坐标(i_T,j_T)，以及载机惯导测量的影像外方位元素方位角κ，分别计算基准点C与目标点T在纬线方向和经线方向上的地面距离：

本实施例中已知像面坐标系中基准点C的坐标(i_c,j_c)和目标点T坐标(i_T,j_T)分别为(36，1012)和(438，385)，惯导测量的外方位元素方位角κ为30°。可得基准点C与目标点T在纬线方向和经线方向距离分别为和

步骤5：根据基准点的经度L_c和纬度B_c，在地球海表面椭球数学模型下，利用地球椭球理论分别求解基准点C处子午圈和卯酉圈的曲率半径：

其中，R_e为地球长半轴，R_p为地球短半轴，ε为地球椭球的第一偏心率：

本实施例中已知地球海表面椭球数学模型的椭球长轴半径和短轴半径分别R_e＝6378137m和R_p＝6356752m，基准点的经度和纬度分别为L_c＝116.380°和B_c＝40.112°。可得基准点C处子午圈和卯酉圈的曲率半径分别为R_M＝6361938.95m和R_N＝6387017.58m，地球椭球的第一偏心率ε＝0.08181979。

步骤6：在地球海表面椭球数学模型下，将基准点的地理坐标(L_c，B_c，h_c)转化到地心坐标(x_c，y_c，z_c)，即：

步骤7：将基准点的地心坐标代入经过基准点且与原地球椭球模型具有相同偏心率的地球椭球方程根据计算等效后的地球海表面椭球数学模型下地球长轴半径和短轴半径：

本实施例中已知基准点C的地理坐标(L_c，B_c，h_c)为(116.38°,40.112°,1000)。可得过基准点C的等效地球海表面椭球数学模型下的地球长轴半径和短轴半径分别为R'_e＝6379138.39m和R'_p＝6382916.85m。

步骤8：在等效后的地球海表面椭球数学模型下，根据椭球理论，分别计算基准点C处子午圈和卯酉圈的曲率半径：

本实施例中可得等效后的地球海表面椭球数学模型下，基准点C处子午圈和卯酉圈的等效曲率半径分别为R'_M＝6362937.80m和R'_N＝6388020.37m。

步骤9：由基准点C的经度L_c和纬度B_c，根据目标点和基准点在经线和纬线方向上的相对位置关系，计算每一个像素点对应地面目标点的经纬度：

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本实施例中可得其中一个目标点T的经度和纬度分别为L'_T＝116.394°和B'_T＝40.113°。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种基于像元类地模型的全屏像点地理坐标定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：控制机载光电系统，使光电系统指向待定位多个地面目标所在的地面区域，并对当前光电系统视场内的地面目标区域进行成像；

步骤2：以像面中心为坐标原点建立像面坐标系(i，j)，然后计算当前航摄条件下，计算航拍的目标区域图像每一个像元在俯仰向和方位向上的像元分辨率GRD_j和GRD_i：

其中ΔH＝H_b-h_c为载机相对地面高度，e为航摄相机像元尺寸，f’为航摄相机焦距；载机海拔高度为H_b，目标区域基准点海拔高度为h_c，载机惯导测量的影像外方位元素俯仰角为横滚角为，m和n分别为航摄相机方位向和俯仰向的像元个数；

步骤3：将以像面中心为坐标原点的像面坐标系下的像元分辨率GRD(i，j)转换到以像面左上角为原点的像面坐标系下的像元分辨率GRD’(i，j)：

步骤4：根据基准点像面坐标(i_c,j_c)和目标点像面坐标(i_T,j_T)，以及载机惯导测量的影像外方位元素方位角κ，分别计算基准点与每一个像素点对应地面目标点在纬线方向和经线方向上的地面距离：

步骤5：根据基准点的经度L_c和纬度B_c，在地球海表面椭球数学模型下，利用地球椭球理论分别求解基准点处子午圈和卯酉圈的曲率半径：

其中，R_e为地球长半轴，R_p为地球短半轴，ε为地球椭球的第一偏心率：

步骤6：在地球海表面椭球数学模型下，将基准点的地理坐标(L_c，B_c，h_c)转化到地心坐标(x_c，y_c，z_c)，即：

步骤7：将基准点的地心坐标代入经过基准点且与原地球椭球模型具有相同偏心率的地球椭球方程计算等效后的地球海表面椭球数学模型下地球长轴半径和短轴半径：

步骤8：在等效后的地球海表面椭球数学模型下，根据椭球理论，分别计算基准点处子午圈和卯酉圈的曲率半径：

步骤9：由基准点的经度L_c和纬度B_c，根据目标点和基准点在经线和纬线方向上的相对位置关系，计算每一个像素点对应地面目标点的经纬度：

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