CN111044037B - 一种光学卫星影像的几何定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学卫星影像的几何定位方法及装置，属于卫星成像定位技术领域。本发明采用虚拟外方位元素描述卫星数据的成像几何关系，通过连接点和控制点在大地坐标系下的视线向量以及卫星运行的轨道高度值确定虚拟外方位元素，通过在误差源空间建立改正模型的方式来进行系统误差补偿，避免了目前只能针对窄视场角相机数据的使用限制，提高了大视场角、大姿态角误差以及弱交会角等复杂成像环境下光学卫星数据的几何定位精度。

Description

一种光学卫星影像的几何定位方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光学卫星影像的几何定位方法及装置，属于卫星成像定位技术领域。

背景技术

现阶段，光学卫星影像几何定位通常基于有理函数模型进行，而目前提升有理函数模型定位精度比较有效可行的方法是建立像方或者物方的系统误差补偿模型，在此基础上构建原始有理函数模型的误差方程，然后利用一定数量控制点对误差方程进行求解后得到系统误差补偿参数，将系统误差补偿参数应用于原始有理函数模型进行补偿，得到修正后的有理函数模型，从而实现影像定位精度的提升。

现有的系统误差补偿方法基本都是在有理函数模型基础上建立像方或者物方的附加参数模型。不管附加参数模型形式如何，其本质都是对系统误差产生的结果进行近似拟合，对有理函数模型进行附加参数修正。这种从系统误差结果的角度进行补偿的方法存在技术短板，当残差情况比较复杂时，不能对系统误差进行有效吸收。现有方法的建模空间只能选择在物方空间或者像方空间，由于内、外方位元素之间的强相关性，补偿模型仅仅是对窄视场相机(视场角小于5°)、平台轨道和姿态误差相对比较小(小于2″)的情况下的近似，现有的系统误差补偿方法只有在这种近似条件下才能取得比较理想的效果，对于大视场角、大姿态角误差以及弱交会角等复杂成像环境下，系统误差补偿效果不理想，导致定位精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学卫星影像的几何定位方法及装置，以解决目前光学卫星影像几何定位精度低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种光学卫星影像的几何定位方法，该定位方法包括以下步骤：

1)获取光学卫星影像，对存在重叠区域的光学卫星影像进行连接点提取；

2)根据连接点的像素坐标、每幅影像上的控制点的像素坐标以及给定的高程值计算通过各点的成像光线在大地坐标系下的视线向量；

3)根据视线向量和卫星运行的轨道高度值建立物方空间和摄影空间之间的位置关系，确定虚拟外方位元素；

4)构建观测条件方程和虚拟外方位元素的误差补偿模型，并根据观测条件方程和误差补偿模型建立区域网平差误差方程，求解该误差方程，得到外方位元素的误差补偿量，根据补偿后的外方位元素实现定位。

本发明还提供了一种光学卫星影像的几何定位装置，该定位装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明的光学卫星影像的几何定位方法。

本发明采用虚拟外方位元素描述卫星数据的成像几何关系，通过连接点和控制点在大地坐标系下的视线向量以及卫星运行的轨道高度值确定虚拟外方位元素，通过在误差源空间建立改正模型的方式来进行系统误差补偿，避免了目前只能针对窄视场角相机数据的使用限制，提高了大视场角、大姿态角误差以及弱交会角等复杂成像环境下光学卫星数据的几何定位精度。

进一步地，为了实现对连接点的提取，所述步骤1)采用SIFT的点特征提取算法进行连接点提取。

进一步地，所述步骤2)中通过各点的视线向量的确定过程如下：

A.获取任一控制点或连接点的像素坐标p(s,l)；

B.根据给定的两个不相等的高程值通过有理函数模型计算出对应地面点大地坐标，根据得到的地面点大地坐标计算通过像素坐标p(s,l)的成像光线在大地坐标系下的视线向量。

进一步地，所述步骤2)中连接点的视线向量的坐标为(X₂-X₁,Y₂-Y₁,H₂-H₁)，其中(X₁,Y₁,H₁)为连接点在第一高程值下的坐标，(X₂,Y₂,H₂)为连接点在第二高程值下的坐标。

进一步地，所述步骤4)中构建的观测条件方程为：

其中

和

分别为补偿后的外方位元素中的经度、纬度和大地高；

和

分别为补偿后的成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角；X_S、Y_S和H_S分别表示补偿前成像时刻传感器的经度、纬度和大地高；ψ_X、ψ_Y和ψ_Z分别表示补偿前成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角。

进一步地，所述步骤4)虚拟外方位元素的误差补偿模型为：

其中

(X_S,Y_S,H_S,ψ_X,ψ_Y,ψ_Z)表示由轨道高度值恢复出来的初始虚拟外方位元素；，X_S、Y_S和H_S分别表示补偿前成像时刻传感器的经度、纬度和大地高，ψ_X、ψ_Y和ψ_Z分别表示补偿前成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角，

和

分别为补偿后的外方位元素中的经度、纬度和大地高，

和

分别为补偿后的成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角，(ΔX_S,ΔY_S,ΔH_S,Δψ_X,Δψ_Y,Δψ_Z)表示虚拟外方位元素改正数，a_i,b_i,c_i,d_i,e_i,f_i(i＝0,1,2)是多项式系数，sample、line分别表示像点坐标s和l。

进一步地，所述步骤4)采用最小二乘法迭代求解所述区域网平差误差方程。

附图说明

图1是本发明光学卫星影像的几何定位方法的流程图；

图2是本发明物方空间与摄影空间之间的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

方法实施例

本发明的几何定位方法采用虚拟外方位元素的概念描述卫星数据的成像几何关系，通过在误差源空间建立改正模型的方式来进行系统误差补偿。首先提取重叠影像连接点，然后计算连接点和控制点的像元视线向量，再根据像元视线向量建立以虚拟外方位元素描述的像方点和物方点之间的几何对应关系，最后根据几何对应关系构建观测条件方程，基于虚拟外方位元素的误差补偿模型，并根据该误差补偿模型建立区域网平差误差方程，求解该误差方程，得到外方位元素的误差补偿量，根据补偿后的外方位元素实现定位。该方法的流程如图1所示，具体实现过程如下。

1.提取连接点。

连接点指的是各幅影像中存在重叠区域影像中的点，一般会提取重叠区域影像中有一定意义的点，例如存在于多幅影像上的道路交叉口、地物角点等。本发明采用SIFT点特征算法进行连接点的提取。过程如下：

首先，利用SIFT或者其它点特征提取算法，对存在重叠区域的影像提取初始连接点；然后采用随机抽样一致性RANSAC算法对初始连接点进行粗差去除；最后采用最小二乘匹配对筛选得到的SIFT连接点坐标位置进行精化。

2.计算视线向量。

控制点指的是影像上的已知点，即其像素坐标和物方坐标都是已知的，连接点指的是通过步骤1的方式提取出的点，其像素坐标是已知的。下面根据连接点和各幅影像上的控制点计算各点对应的视线向量。

对于任一控制点或连接点，假设其像点的像素坐标为p(s,l)，给定两个不相等的高程值H₁和H₂，结合有理函数模型，计算出对应的地面点大地坐标P₁(X₁,Y₁,H₁)和P₂(X₂,Y₂,H₂)，根据这两点坐标计算各连接点和控制点的成像光线在大地坐标系下的视线向量(X₂-X₁,Y₂-Y₁,H₂-H₁)。具体过程为：

1)选取有理函数模型文件中的最低高程和最高高程值作为计算视线向量的两个高程值。

2)地面点大地坐标由控制点或连接点的像素坐标和高程值根据有理函数模型计算可得，有理函数模型的计算公式如下：

式中，Num_s(U,V,W)、Den_s(U,V,W)、Num_l(U,V,W)、Den_l(U,V,W)都是如下式所示形式的多项式，

p＝a₁+a₂V+a₃U+a₄W+a₅VU+a₆VW+a₇UW+a₈V²+a₉U²+a₁₀W²+a₁₁UVW+a₁₂V³+a₁₃VU²+a₁₄VW²+a₁₅V²U+a₁₆U³+a₁₇UW²+a₁₈V²W+a₁₉U²W+a₂₀W³

(U,V,W)和(s_n,l_n)分别表示经过标准化后的物方坐标和像方坐标，可利用标准化参数

和

根据以下公式计算得到：

(1)多项式系数a₁,a₂......a₂₀和标准化参数

和

均由有理函数模型文件提供。

3.恢复虚拟外方位元素。

将得到的视线向量采用指向角的方式描述，根据卫星运行的轨道高度值，建立物方空间和摄影空间之间的位置关系，如图2所示，从而确定出成像时刻的位置信息和姿态信息，根据得到的位置关系的几何示意图，可知：

X_S＝X₁+H_S·ψ_X

Y_S＝Y₁+H_S·ψ_Y

摄影中心和物方点之间的关系还需要一个旋偏角来进行描述，用标识ψ_Z表示，对于高分辨卫星而言，其对应的值非常小，可以将其初值设为0。至此，表示摄影空间和物方空间对应关系的虚拟外方位元素(X_S,Y_S,H_s,ψ_X,ψ_Y,ψ_Z)已完全恢复。

从几何意义上对恢复的虚拟外方位元素进行分析，其三个线元素(X_S,Y_S,H_s)分别代表的是成像时刻传感器的经度、纬度和大地高，三个角元素(ψ_X,ψ_Y,ψ_Z)则表示成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角。虽然与真实的外方位元素表示方式存在区别，但其本质都是能够描述传感器成像时刻的位置和姿态。

4.构建误差方程并求解。

假设某像点p(s,l)对应于物方某点为(X,Y,H)，其成像时刻对应的虚拟外方位元素真值为

则可以建立如下所示的等式关系：

消去上式中的比例因子λ，可以得到观测条件方程：

根据视线向量和轨道高度恢复的虚拟外方位元素并不准确，还需要对其进行误差建模：

其中(X_S,Y_S,H_S,ψ_X,ψ_Y,ψ_Z)表示由轨道高度值恢复出来的初始虚拟外方位元素，(ΔX_S,ΔY_S,ΔH_S,Δψ_X,Δψ_Y,Δψ_Z)表示虚拟外方位元素改正数，对于线阵推扫视卫星影像，可将虚拟外方位元素改正数表示为如下所式的多项式模型：

其中a_i,b_i,c_i,d_i,e_i,f_i(i＝0,1,2)是多项式系数，sample、line分别表示像点坐标。

对于每一个控制点或者连接点，都可以确定出其对应的观测条件方程，将对应的虚拟外方位元素改正模型带入观测条件方程即可得到基于视线向量修正的卫星的影像区域网平差的数学模型，该模型是关于所要求解未知数的非线性表达式，需要进行线性化处理后才可用于最小二乘平差。

首先按照泰勒公式将该模型展开到一次项，以得到区域网平差误差方程式的矩阵形式，如下：

V＝AX₁+BX₂-L

其中，X₁表示多项式参数的改正数向量，表示X₂表示地面点坐标的改正数向量，L表示为残差向量，A和B为分别为X₁和X₂对应未知数的系数矩阵，如下所示：

式中各未知数偏倒数均可以按照偏微分法则计算得到：

根据各未知数的偏导数采用边法化边消元的方法解算出虚拟外方位元素补偿模型参数，根据解算出的虚拟外方位元素改正数和初始虚拟外方位元素得到成像时刻的虚拟外方位元素。

根据上述过程，可得到每幅影像的虚拟外方位元素，根据得到的虚拟外方位元素，可以实现对每幅影像的精准几何定位。

装置实施例

本发明的光学卫星影像的几何定位装置包括存储器和处理器，以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器与存储器相耦合，处理器执行计算机程序时实现如本发明的光学卫星影像的几何定位方法，具体的实现过程已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

Claims (7)

1.一种光学卫星影像的几何定位方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤：

1)获取光学卫星影像，对存在重叠区域的光学卫星影像进行连接点提取；

2)根据连接点的像素坐标、每幅影像上的控制点的像素坐标以及给定的高程值计算通过各点的成像光线在大地坐标系下的视线向量；

3)根据视线向量和卫星运行的轨道高度值建立物方空间和摄影空间之间的位置关系，确定虚拟外方位元素；

4)构建观测条件方程和虚拟外方位元素的误差补偿模型，并根据观测条件方程和误差补偿模型建立区域网平差误差方程，求解该误差方程，得到外方位元素的误差补偿量，根据补偿后的外方位元素实现定位；

所述步骤4)中构建的观测条件方程为：

其中

和

分别为补偿后的外方位元素中的经度、纬度和大地高；

和

分别为补偿后的成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角；X_S、Y_S和H_S分别表示补偿前成像时刻传感器的经度、纬度和大地高；ψ_X、ψ_Y和ψ_Z分别表示补偿前成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角。

2.根据权利要求1所述的光学卫星影像的几何定位方法，其特征在于，所述步骤1)采用SIFT点特征提取算法进行连接点提取。

3.根据权利要求1所述的光学卫星影像的几何定位方法，其特征在于，所述步骤2)中通过各点的视线向量的确定过程如下：

A.获取任一控制点或连接点的像素坐标p(s,l)；

B.根据给定的两个不相等的高程值，通过有理函数模型计算出对应地面点大地坐标，根据得到的地面点大地坐标计算通过像素坐标p(s,l)的成像光线在大地坐标系下的视线向量。

4.根据权利要求1或3所述的光学卫星影像的几何定位方法，其特征在于，所述步骤2)中连接点的视线向量的坐标为(X₂-X₁,Y₂-Y₁,H₂-H₁)，其中(X₁,Y₁,H₁)为连接点在第一高程值下的坐标，(X₂,Y₂,H₂)为连接点在第二高程值下的坐标。

5.根据权利要求1所述的光学卫星影像的几何定位方法，其特征在于，所述步骤4)虚拟外方位元素的误差补偿模型为：

其中

(X_S,Y_S,H_S,ψ_X,ψ_Y,ψ_Z)表示由轨道高度值恢复出来的初始虚拟外方位元素；X_S、Y_S和H_S分别表示补偿前成像时刻传感器的经度、纬度和大地高，ψ_X、ψ_Y和ψ_Z分别表示补偿前成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角，

和

分别为补偿后的外方位元素中的经度、纬度和大地高，

和

分别为补偿后的成像光线在大地坐标系下的指向角以及摄影中心和物方点之间的旋偏角，(ΔX_S,ΔY_S,ΔH_S,Δψ_X,Δψ_Y,Δψ_Z)表示虚拟外方位元素改正数，a_i,b_i,c_i,d_i,e_i,f_i是多项式系数,i＝0,1,2，sample、line分别表示像素坐标s和l。

6.根据权利要求1所述的光学卫星影像的几何定位方法，其特征在于，所述步骤4)采用最小二乘法迭代求解所述区域网平差误差方程。

7.一种光学卫星影像的几何定位装置，其特征在于，该定位装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的光学卫星影像的几何定位方法。

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