CN111238541A - 一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，通过借鉴辐射领域交叉定标的思想，提出了几何交叉检校，通过构建同名点定位一致性约束条件来实现几何定标。本方法采用卫星以非常相近的姿态角对同一地物进行成像或两个同类卫星对同一地物进行成像的方式，生成两次成像结果，建立几何定位模型，采用偏执矩阵消除轨道、姿态误差，采用前一次成像的内方位元素对后一次成像结果进行内定标，根据同名点定位一致性原则多次迭代获取符合要求的定标参数，完成几何交叉定标。

Description

一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法。

背景技术

在轨几何检校是提升卫星几何定位精度的关键技术。目前，国内外针对几何定标原理方法的研究较为成熟，并已在SPOT、Pleiades、IKONOS、WorldView、ALOS、ZY3等高分卫星上得到了充分验证，但传统方法均是利用高精度几何定标场的控制数据来实现检校，这在实际应用中暴露出如下问题：1)常规几何定标依赖几何定标场的高精度控制数据，无法满足紧急响应的快速高精度几何定位需求；2)以国内实际情况而言，可用高精度几何定标场数量少且几何定标场控制影像数据的生成时间与卫星影像获取时间相隔较远，辐射差异、地物变化会增加定标控制点获取难度，降低几何检校精度。

现有技术中，解决上述问题的已有方法包括：1)建立一定数量、全球覆盖的几何定标场，并及时更新定标场控制影像；2)依靠卫星出色的敏捷机动性能，研究不依赖定标场的高精度几何检校方法。

本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：

其中，方法1)成本高昂，建设周期过长；而方法2)对卫星的敏捷机动性能要求过高，通用性不强。

综上可知，现有技术中的方法由于过于依赖的高精度定标场控制数据的约束，而灵活性不佳的技术问题。

发明内容

本发明提出一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，用于解决或者至少部分解决现有技术中的方法由于过于依赖的高精度定标场控制数据的约束，而灵活性不佳的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，包括：

S1：利用卫星以相近的姿态角连续两次拍摄同一区域，根据两次下传的轨道、姿态数据以及卫星内方位元素数据建立几何定位模型，其中，几何定标模型包括前次成像影像几何定标模型和后次成像影像几何定标模型；

S2：将前次成像的影像几何定标模型作为经过内方位元素定标后的模型，对后次成像图像进行内方位元素定标；

S3：将卫星后次成像相邻CCD线阵上同名点交于地面同一位置做几何约束，并根据对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型，得到内方位元素平差模型；

S4：对两次成像结果进行影像匹配获取预设数量的同名点，根据对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型、内方位元素平差模型以及同名点定位一致性的原理，更新内方位元素平差模型的定标参数，当定标参数达到设定的阈值，完成几何交叉定标。

在一种实施方式中，S1包括：

根据前次成像时的像点p₀和后次成像时的像点p₁都定位于地面同一位置S的约束，对两次成像建立几何成像模型如下：

式1的上部分为前次成像影像几何定标模型，下部分为后次成像影像几何定标模型，(X Y Z)^T表示S点的地面坐标，

为前次成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

为后次成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

表示相机坐标系与卫星本体坐标系的转换矩阵，

表示卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换矩阵，

表示J2000坐标系与WGS84坐标系的转换矩阵，m_A表示前次成像时卫星的成像比例，m_B表示后次成像时卫星的成像比例，(ψ_x,ψ_y)为探元指向角，是相机内方位元素的综合表示。

在一种实施方式中，S2包括：

S2.1：根据前次成像图像得到的内方位元素定标参数，利用参数建立内方位元素模型，如式(2)所示：

其中，(ψ_x,ψ_y)表示探元指向角，是相机内方位元素的综合表示，a_i,b_i为每片CCD的系数，s为影像列；

S2.2：基于式(2)中的内方位元素模型和式(1)对后次成像图像进行内方位元素定标，得到对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型，为式(3)：

式3中，R_u、a_i,b_i均为待求参数，i,j≤5，其中：

其中，R_u为正交旋转矩阵，分别绕y轴、x轴、z轴旋转角度

ω_u、κ_u后得到。

在一种实施方式中，S3包括：

S3.1：将卫星后次成像相邻CCD线阵上同名点交于地面同一位置做几何约束，根据式(3)和已知的R_u，将式(3)转化为式(4)的形式：

S3.2：根据式(4)得到内方位元素平差模型，如式(5)所示：

在一种实施方式中，S4包括：

S4.1：获取卫星后次成像的影像与卫星前次成像进行影像匹配的同名点(x,y)、(x',y')，利用卫星前次成像的影像几何定标模型及预先获取的SRTM-DEM数据计算同名点(x',y')对应的地面坐标(X,Y,Z)，并得到卫星后次成像的影像控制点坐标为(x,y,X,Y,Z)

S4.2：利用步骤S4.1中的控制点坐标(x,y,X,Y,Z)，以式3中的a_i,b_i为已知值，求解式3中的偏置矩阵Ru；

S4.3：以式3中的Ru为已知值，利用步骤S4.1中控制点求解式3中a_i,b_i；

S4.4：采用步骤S4.2中获取的定标参数偏置矩阵Ru和步骤S42.3获取的定标参数a_i,b_i，更新内方位元素平差模型，计算其相邻CCD线阵上的同名点对(x_l,y_l)、(x_r,y_r)对应的地面坐标(X_l,Y_l,Z_l)、(X_r,Y_r,Z_r)，其中高程从SRTM-DEM中获取；令

则获得控制点(x_l,y_l,X',Y',Z')、(x_r,y_r,X',Y',Z')；

S4.5：利用步骤S2.4中获得的控制点与步骤2.1中控制点，重新计算式3中的偏置矩阵Ru和a_i,b_i，更新卫星后次成像的定标参数；

S4.6：重复执行步骤S4.3～S4.5，直至前后两次获取的内方位元素定标参数小于设定的阈值；

S4.7：基于S4.6得到的定标参数进行几何交叉定标。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

由于本发明在构建几何定标模型后，将前次成像的影像几何定标模型作为经过内方位元素定标后的模型，得到了定标参数，用来对后次成像的影像几何定标进行约束，可以保证后次成像模型的内定标的精度，并加入内定标平差模型，可以使得内定标更加完善，基于此，对两次成像结果进行影像匹配获取预设数量以上同名点，根据同名点定位一致性的原理，更新定标参数，当定标参数达到设定的阈值，完成几何交叉定标。本发明基于构建同名点定位一致性约束条件来实现几何定标，能够克服常规几何定标方法依赖的高精度定标场控制数据的约束，采用构建基于同名点的几何交叉定标模型，可以适用于多星交叉定标和单行多时相交叉定标，增加了在轨几何定标的灵活性和时效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中同名点交会示意图。其中A为前次成像，B为后次成像。p₀为前次成像时的像点，p₁为后次成像的像点，t₀为前次成像时刻，t₁为后次成像时刻，θ₀和θ₁为前后两次成像的姿态角，H为卫星二点飞行高度，S为观测的地面点，ΔS为由于误差导致的地面点的偏差，Δh为高程误差。

具体实施方式

本发明提出了一种基于同名点一致性的几何交叉定标方法，该方法借鉴辐射领域交叉定标的思想，提出几何交叉定标方法，通过构建同名点定位一致性约束条件来实现几何定标，解决了常规几何定标方法对定标场控制数据的严重依赖，对保障卫星在轨定标的高精确性和高时序性具有十分重要的意义。

本发明主要构思如下：

通过借鉴辐射领域交叉定标的思想，提出了几何交叉检校，通过构建同名点定位一致性约束条件来实现几何定标。本方法采用卫星以非常相近的姿态角对同一地物进行成像或两个同类卫星对同一地物进行成像的方式，生成两次成像结果，建立几何定位模型，采用偏执矩阵消除轨道、姿态误差，采用前一次成像的内方位元素对后一次成像结果进行内定标，根据同名点定位一致性原则多次迭代获取符合要求的定标参数，完成几何交叉定标。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

提供一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，采用卫星以非常相近的姿态角对同一地物S进行成像或两个同类卫星对同一地物S进行成像的方式，生成两次成像结果，设卫星前次成像(或者A卫星)的姿态角为θ₀，成像于CCD线阵上的像元p₀处；卫星后次成像(或者B星卫)的姿态角为θ₁，成像于CCD线阵上的像元p₁处。根据两个成像结果几何参数，其中包括测量的轨道、姿态和相机内方位元素等，建立两个成像结果的几何定位模型。由于存在内方位元素误差和外方位元素误差，p₀和p₁难以定位于地面同一点。根据p₀和p₁应该定位于地面同一点的实际情况，进行几何交叉定标，得到定标参数。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，该方法包括：

S1：利用卫星以相近的姿态角连续两次拍摄同一区域，根据两次下传的轨道、姿态数据以及卫星内方位元素数据建立几何定位模型，其中，几何定标模型包括前次成像影像几何定标模型和后次成像影像几何定标模型；

S2：将前次成像的影像几何定标模型作为经过内方位元素定标后的模型，对后次成像图像进行内方位元素定标；

S3：将卫星后次成像相邻CCD线阵上同名点交于地面同一位置做几何约束，并根据对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型，得到内方位元素平差模型；

S4：对两次成像结果进行影像匹配获取预设数量的同名点，根据对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型、内方位元素平差模型以及同名点定位一致性的原理，更新内方位元素平差模型的定标参数，当定标参数达到设定的阈值，完成几何交叉定标。

具体来说，S1中相近的姿态角可以预先设置的前后拍摄姿态角的相差范围来选取。

S2是将前次成像的影像几何定标模型视为经过内方位元素定标后的模型，从而可以得到前次成像影像的内方位定标参数，用于对后次成像的影像几何定标模型进行约束。

S4中，更新内方位元素平差模型的定标参数，其中的内方位元素平差模型是根据后次成像影像几何定标模型得到的。

在一种实施方式中，S1包括：

根据前次成像时的像点p₀和后次成像时的像点p₁都定位于地面同一位置S的约束，对两次成像建立几何成像模型如下：

式1的上部分为前次成像影像几何定标模型，下部分为后次成像影像几何定标模型，(X Y Z)^T表示S点的地面坐标，

为前次成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

为后次成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

表示相机坐标系与卫星本体坐标系的转换矩阵，

表示卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换矩阵，

表示J2000坐标系与WGS84坐标系的转换矩阵，m_A表示前次成像时卫星的成像比例，m_B表示后次成像时卫星的成像比例，(ψ_x,ψ_y)为探元指向角，是相机内方位元素的综合表示。

在一种实施方式中，S2包括：

S2.1：根据前次成像图像得到的内方位元素定标参数，利用参数建立内方位元素模型，如式(2)所示：

其中，(ψ_x,ψ_y)表示探元指向角，是相机内方位元素的综合表示，a_i,b_i为每片CCD的系数，s为影像列；

S2.2：基于式(2)中的内方位元素模型和式(1)对后次成像图像进行内方位元素定标，得到对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型，为式(3)：

式3中，R_u、a_i,b_i均为待求参数，i,j≤5，其中：

其中，R_u为正交旋转矩阵，分别绕y轴、x轴、z轴旋转角度

ω_u、κ_u后得到。

具体来说，根据对卫星的外方位元素误差的分析，采用偏置矩阵同时消除轨道、姿态误差对同名点交会的影响：设前次成像图像经过了内方位元素定标，得到了内方位元素定标参数，利用前次的定标参数建立式(2)所示的内方位元素模型，然后基于式(2)中的模型对后次成像图像进行内方位元素定标，即对后次成像模型进行约束，得到式(3)的形式。

在一种实施方式中，S3包括：

S3.1：将卫星后次成像相邻CCD线阵上同名点交于地面同一位置做几何约束，根据式(3)和已知的R_u，将式(3)转化为式(4)的形式：

S3.2：根据式(4)得到内方位元素平差模型，如式(5)所示：

具体来说，将式3下部分方程以R_u作为已知值，可转化为式(4)的形式。由于式1建立的几何定位模型存在内外方位元素误差，所以不能直接进行定标，通过S2,1设定前次成像以及经过了内定标，得到了对应的定标参数，用来对后次成像的几何模型进行约束(S2.2)，得到式3，再通过S3.1和S3.2用于保障后次成像的内定标的精度，加入内定标平差模型，得到了式4。

在一种实施方式中，S4包括：

S4.1：获取卫星后次成像的影像与卫星前次成像进行影像匹配的同名点(x,y)、(x',y')，利用卫星前次成像的影像几何定标模型及预先获取的SRTM-DEM数据计算同名点(x',y')对应的地面坐标(X,Y,Z)，并得到卫星后次成像的影像控制点坐标为(x,y,X,Y,Z)

S4.2：利用步骤S4.1中的控制点坐标(x,y,X,Y,Z)，以式3中的a_i,b_i为已知值，求解式3中的偏置矩阵Ru；

S4.3：以式3中的Ru为已知值，利用步骤S4.1中控制点求解式3中a_i,b_i；

S4.4：采用步骤S4.2中获取的定标参数偏置矩阵Ru和步骤S42.3获取的定标参数a_i,b_i，更新内方位元素平差模型的定标参数，计算其相邻CCD线阵上的同名点对(x_l,y_l)、(x_r,y_r)对应的地面坐标(X_l,Y_l,Z_l)、(X_r,Y_r,Z_r)，其中高程从SRTM-DEM中获取；令

则获得控制点(x_l,y_l,X',Y',Z')、(x_r,y_r,X',Y',Z')；

S4.5：利用步骤S2.4中获得的控制点与步骤2.1中控制点，重新计算式3中的偏置矩阵Ru和a_i,b_i，更新卫星后次成像的定标参数；

S4.6：重复执行步骤S4.3～S4.5，直至前后两次获取的内方位元素定标参数小于设定的阈值；

S4.7：基于S4.6得到的定标参数进行几何交叉定标。

具体来说，S2.2的作用是求出是3中的未知矩阵Ru，而ai和bi为卫星CCD的系数，可由卫星方提供。同理，步骤S2.3则以矩阵为已知，求解卫星zz的CCD系数。

其中，S4.1与S4.4中的控制点均为同名点，需要两片影像对同一地物成像才能同名点，其中，S4.1中的控制点卫前次成像与后次成像的同名点，而S4.4中的控制点是一次成像时相邻CCD的同名点。S4.5中更新卫星后次成像的定标参数，是更新式(5)中的参数。

S4.6之前的步骤所得到的定标参数由于不满足阈值约束，因此会不断更新，当达到步骤S4.6的阈值时，定标参数才是符合要求的结果，进而可以进行几何交叉定标。

总体来说，本发明相对于现有技术来说，具有如下优点或者有益技术效果，

1、本发明公开的一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，基于构建同名点定位一致性约束条件来实现几何定标，能够克服常规几何定标方法依赖的高精度定标场控制数据的约束。

2、本发明公开的一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，采用构建基于同名点的几何交叉定标模型，可以适用于多星交叉定标和单行多时相交叉定标，增加了在轨几何定标的灵活性和时效性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于同名点定位一致性的几何交叉定标方法，其特征在于，包括：

S1：利用卫星以相近的姿态角连续两次拍摄同一区域，根据两次下传的轨道、姿态数据以及卫星内方位元素数据建立几何定位模型，其中，几何定标模型包括前次成像影像几何定标模型和后次成像影像几何定标模型；

S2：将前次成像的影像几何定标模型作为经过内方位元素定标后的模型，对后次成像图像进行内方位元素定标；

S3：将卫星后次成像相邻CCD线阵上同名点交于地面同一位置做几何约束，并根据对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型，得到内方位元素平差模型；

S4：对两次成像结果进行影像匹配获取预设数量的同名点，根据对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型、内方位元素平差模型以及同名点定位一致性的原理，更新内方位元素平差模型的定标参数，当定标参数达到设定的阈值，完成几何交叉定标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S1包括：

根据前次成像时的像点p₀和后次成像时的像点p₁都定位于地面同一位置S的约束，对两次成像建立几何成像模型如下：

式1的上部分为前次成像影像几何定标模型，下部分为后次成像影像几何定标模型，(XY Z)^T表示S点的地面坐标，

为前次成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

为后次成像时卫星GPS测量的WGS84坐标系下的位置矢量，

表示相机坐标系与卫星本体坐标系的转换矩阵，

表示卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换矩阵，

表示J2000坐标系与WGS84坐标系的转换矩阵，m_A表示前次成像时卫星的成像比例，m_B表示后次成像时卫星的成像比例，(ψ_x,ψ_y)为探元指向角，是相机内方位元素的综合表示。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2包括：

S2.1：根据前次成像图像得到的内方位元素定标参数，利用参数建立内方位元素模型，如式(2)所示：

其中，(ψ_x,ψ_y)表示探元指向角，是相机内方位元素的综合表示，a_i,b_i为每片CCD的系数，s为影像列；

S2.2：基于式(2)中的内方位元素模型和式(1)对后次成像图像进行内方位元素定标，得到对后次成像图像进行内方位元素定标后的模型，为式(3)：

式3中，R_u、a_i,b_i均为待求参数，i,j≤5，其中：

其中，R_u为正交旋转矩阵，分别绕y轴、x轴、z轴旋转角度

ω_u、κ_u后得到。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，S3包括：

S3.1：将卫星后次成像相邻CCD线阵上同名点交于地面同一位置做几何约束，根据式(3)和已知的R_u，将式(3)转化为式(4)的形式：

S3.2：根据式(4)得到内方位元素平差模型，如式(5)所示：

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，S4包括：

S4.1：获取卫星后次成像的影像与卫星前次成像进行影像匹配的同名点(x,y)、(x',y')，利用卫星前次成像的影像几何定标模型及预先获取的SRTM-DEM数据计算同名点(x',y')对应的地面坐标(X,Y,Z)，并得到卫星后次成像的影像控制点坐标为(x,y,X,Y,Z)

S4.2：利用步骤S4.1中的控制点坐标(x,y,X,Y,Z)，以式3中的a_i,b_i为已知值，求解式3中的偏置矩阵Ru；

S4.3：以式3中的Ru为已知值，利用步骤S4.1中控制点求解式3中a_i,b_i；

S4.4：采用步骤S4.2中获取的定标参数偏置矩阵Ru和步骤S42.3获取的定标参数a_i,b_i，更新内方位元素平差模型，计算其相邻CCD线阵上的同名点对(x_l,y_l)、(x_r,y_r)对应的地面坐标(X_l,Y_l,Z_l)、(X_r,Y_r,Z_r)，其中高程从SRTM-DEM中获取；令

则获得控制点(x_l,y_l,X',Y',Z')、(x_r,y_r,X',Y',Z')；

S4.5：利用步骤S2.4中获得的控制点与步骤2.1中控制点，重新计算式3中的偏置矩阵Ru和a_i,b_i，更新卫星后次成像的定标参数；

S4.6：重复执行步骤S4.3～S4.5，直至前后两次获取的内方位元素定标参数小于设定的阈值；

S4.7：基于S4.6得到的定标参数进行几何交叉定标。

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