CN112461204A - 卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法，属于光电成像技术领域。为了克服传统测量对地面控制点分布和数量的限制的技术问题，本发明方法包括以下步骤：确定卫星前视成像或后视成像以及卫星正视成像时对同一动态飞行目标在焦平面上的两个不同像点间的相对距离，及两个所述像点相对于相机光心点的夹角；根据投影及三角几何关系推算出动态飞行目标的航行高度；按前述步骤推算下一时刻动态飞行目标的航行高度，实现实时测量航行高度。本方法可以不受地面站测量区域和未知目标的先验知识的限制，实时计算出动态飞行目标的航行高度。消除了计算过程中对地面控制点的依赖，对测量环境具有更多的适应性。

Description

卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及卫星多视角对动态飞行目标成像计算航行高度的方法。

背景技术

航空摄影测量技术是利用航空飞行器结合结合摄影仪器，以实现高空对地面地形的拍摄从而获取基础地理信息的主要手段。对于光学遥感卫星而言，一个非常重要的功能是准确地获取地面目标的位置信息。传统的航空摄影测量技术离不开对地面控制点的依赖。地面控制点是在地球表面上利用具有已知位置的视觉或其他可检测标记来标记的点，是对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。它的数量、质量和分布等指标直接影响了影像纠正的精确性和可靠性。

而对于动态飞行目标的航行高度的测量来说，一方面由于动态目标飞行方向不确定、相对速度较快，使计算复杂度较大；另一方面，由于受到地面控制点的限制，对于敏感地区的飞行目标无法进行测量。特别是在某些特殊地区如境外、边境等，测绘人员无法达到现场，更不可能获取地面控制点。

发明内容

本发明为了克服传统测量对地面控制点分布和数量的限制的技术问题，提供卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法。

卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、前一时刻及同一卫星轨道高度下，卫星正视成像时动态飞行目标p通过相机光心点s形成对应的在焦平面上的第一动态飞行目标像点o′，同时卫星前视成像或后视成像成像倾角为θ时所述动态飞行目标通过所述相机光心点s形成对应的在焦平面上的第二动态飞行目标像点p′，计算所述第一动态飞行目标像点o′与所述第二动态飞行目标像点p′进行焦平面图像相应叠加后对应的相对距离d；

步骤二、计算前一时刻所述动态飞行目标航行高度；

根据几何关系，计算所述第一动态飞行目标像点o′与所述第二动态飞行目标像点p′相对于所述相机光心点s的夹角α的正切值，用公式表示为:

tana＝d/f

式中，f为相机焦距；

在所述步骤一中卫星前视成像或后视成像时，构建所述动态飞行目标p、所述相机光心点s、及所述动态飞行目标p在地面的垂直投影o形成的三角形sop，并根据正弦定理、以及三角形三角之和等于180°推算得到所述动态飞行目标的航行高度h用公式表示为：

式中，H为卫星飞行高度；

步骤三、后一时刻及同一卫星轨道高度下，卫星正视成像时动态飞行目标p₁通过相机光心点s₁形成对应的在焦平面上的第一动态飞行目标像点Q′，同时卫星前视成像或后视成像成像倾角为γ时所述动态飞行目标通过所述相机光心点s₁形成对应的在焦平面上的第二动态飞行目标像点p₁′，计算所述第一动态飞行目标像点Q′与所述第二动态飞行目标像点p₁′进行焦平面图像相应叠加后对应的相对距离d₁；

步骤四、计算后一时刻所述动态飞行目标航行高度；

根据几何关系，计算所述第一动态飞行目标像点Q′与所述第二动态飞行目标像点p₁′相对于所述相机光心点s₁的夹角α₁的正切值，用公式表示为:

tana₁＝d₁/f

式中，f为相机焦距；

在所述步骤一中卫星前视成像或后视成像时，构建所述动态飞行目标p₁、所述相机光心点s₁、以及所述动态飞行目标p₁在地面的垂直投影点Q形成的三角形s₁Qp₁，并根据正弦定理、以及三角形三角之和等于180°推算得到所述动态飞行目标的航行高度h₁用公式表示为：

式中，H为卫星飞行高度。

进一步的，所述步骤一和步骤三中通过中值法确定像点在焦平面上的位置。

进一步的，当所述步骤一中卫星为前视成像时所述步骤三中卫星为后视成像；当所述步骤一中卫星为后视成像时所述步骤三中卫星为前视成像。

本发明的有益效果：

为实现对未知动态飞行目标的航行高度的测量，本发明提出了卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法。现有计算目标高度的方法大多是对静止目标比如高楼和树木进行测量，没有对动态飞行目标的高度测量的方法。而本方法通过卫星对动态目标进行多视角成像，构建了动态飞行目标的航行高度计算模型，此方法可以不受地面站测量区域和未知目标的先验知识的限制，实时计算出动态飞行目标的航行高度。另外本方法对计算静态目标高度同样适用，消除了计算过程中对地面控制点的依赖，对测量环境具有更多的适应性，方法简单易行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的卫星对动态飞行目标前视成像计算航行高度模型示意图；

图2为本发明所述的卫星对动态飞行目标后视成像计算航行高度模型示意图；

图3为本发明所述的前一时刻焦平面上目标的相关像点位置坐标示意图；

图4为本发明所述的后一时刻焦平面上目标的相关像点位置坐标示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

本发明的卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法需要已知的基本计算参数有：卫星飞行高度H，相机焦距f，相机像元大小a，以及前一时刻卫星前视成像或后视成像倾角θ和后一时刻卫星前视成像或后视成像倾角γ。卫星的光学载荷光轴偏离由相机光心点及相机光心点的垂直地面投影点形成的直线所形成的锐角为成像倾角，也就是光学载荷光轴偏离与与卫星飞行方向垂直方向形成的锐角。

本发明的设计思想是根据单一视角下的卫星获得的飞行动态目标图像，仅有动态飞行目标通过相机光心点的对应的动态飞行目标像点的在图像上的位置信息，不能反映出动态飞行目标的航行高度信息。而利用卫星在同一时间在同一轨道下在不同视角下拍摄相同的目标在焦平面上得到的像点位置不同。

即卫星正视拍摄动态飞行目标时，在焦平面上不管动态飞行目标的高度信息是多少都无法反应出来，只能确定第一动态飞行目标像点，也是动态飞行目标在地面的垂直投影点通过相机光心点的对应投影点像点的在图像上的位置信息；因为正视拍摄时，卫星和动态飞行目标和动态飞行目标在地面的垂直投影点三者在同一直线上，飞行目标像点和投影点像点在图像上重合。

但是，当光学载荷光轴相对动态飞行目标有一定角度(卫星前视或后视拍摄时)，光学载荷光轴始终指向动态飞行目标在地面的垂直投影点，图像上就会相对正视拍摄到的第一动态飞行目标像点产生了第二动态飞行目标像点，即新的飞行目标像点，由第一动态飞行目标像点，也就是动态飞行目标在地面的垂直投影点像点和第二动态飞行目标像点之间的相对像点距离可以反演出目标的航行高度信息。

通过在相机光心点、动态飞行目标、动态飞行目标的垂直底面投影点、卫星正视拍摄动态飞行目标时在焦平面上得到的第一动态飞行目标像点、以及卫星前视成像或后视成像拍摄动态飞行目标时在焦平面上得到的第二动态飞行目标像点之间建立计算模型；利用遥感影像目标物像间的几何关系及三角形几何关系，反演出被测动态飞行目标的航行高度信息。首先在前一时刻，对动态目标正视成像获取第一动态飞行目标像点位置以及前视或后视成像获取第二动态飞行目标像点位置，通过计算得到动态飞行目标的航行高度。然后在后一时刻，对动态飞行目标正视成像获取第一动态飞行目标像点位置以及前视或后视成像获取第二动态飞行目标像点位置，通过计算得到动态飞行目标的航行高度。实现对动态飞行目标的航行高度实时测量。

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法，该方法由以下步骤实现：

1.确定t时刻，第一动态飞行目标像点o′与第二动态飞行目标像点p′的相对距离。

如图1所示，根据卫星对动态飞行目标p正视成像时，动态飞行目标p通过相机光心点s在焦平面上形成的对应的第一动态飞行目标像点o′在图像上的坐标位置；以及同一时刻和同一轨道高度下，根据卫星前视成像倾角为θ时，动态飞行目标p通过相机光心点s形成的对应的第二动态飞行目标像点p′在图像上的坐标位置，计算第一动态飞行目标像点o′与第二动态飞行目标像点p′的相对距离d。

具体的，先定义焦平面图像的二维坐标系：以影像的左上角为坐标原点，沿着卫星飞行方向为X轴，Y轴正方向垂直X轴，沿着扫描线方向；该坐标系的坐标单元为相机像元a。第一动态飞行目标像点o′与第二动态飞行目标像点p′采用同一焦平面图像的二维坐标系，坐标原点需要对应在图像的同一位置，将两个不同视角成像的图像进行叠加，得到同一个坐标系下不同像点的相对距离d。

图3中，焦平面图像上的第一动态飞行目标像点o′(x₀,y₀)为t时刻卫星正视拍摄时焦平面上的动态飞行目标的位置信息，第二动态飞行目标像点p′(x,y)为t时刻卫星前视成像倾角大小为θ时拍摄的动态飞行目标的位置信息，因动态飞行目标在焦平面上的位置随机分布在各个像元，因此先需要采用卫星成像领域的公知的对图像上的像点进行预处理的方法，得到高精度的第一动态飞行目标像点和第二动态飞行目标像点坐标位置。后根据预处理得到的第一动态飞行目标像点o′和第二动态飞行目标像点p′坐标，计算出两像点间的距离d用公式表达为:

2.t时刻动态飞行目标航行高度h的计算：

如图1，根据成像的几何投影关系可知在卫星前视成像三角形p′o′s中，并且结合三角形几何关系，第一动态飞行目标像点o′和第二动态飞行目标像点p′相对于相机镜头光心点s的夹角α的正切值用公式表示为:

tana＝d/f

在图1中，在步骤一中卫星前视成像时，构建动态飞行目标p、相机光心点s、以及动态飞行目标p的地面的垂直投影点o形成的三角形sop，根据正弦定理有：

其中通过动态飞行目标p和相机光心点s的线段sp和通过动态飞行目标p和投影点o的线段po之间的夹角为β；L为卫星与投影点o之间的距离；也就是，

又根据三角形三角之和等于180°，也就是如下公式关系：

β＝π-θ-α

所以得到:

通过三角变换后，动态飞行目标的航行高度h用公式表示为:

由上述航行高度计算公式可知，动态目标的航行高度h与卫星轨道高度H、卫星前视成像倾角θ、以及同一动态飞行目标p在卫星正视成像和卫星前视成像时分别获得的焦平面上的不同像点经过图像叠加后的俩个像点之间相对距离d有关。

步骤1和步骤2所解释的方法对卫星对于测量静止目标的离地高度的方法同样适用，本文不再赘述。

3.确定t₁时刻，第一动态飞行目标像点Q′与第二动态飞行目标像点p₁′的相对距离。

如图2所示，根据卫星对动态飞行目标p₁正视成像时，动态飞行目标p₁通过相机光心点s₁在焦平面上形成的对应的第一动态飞行目标像点Q′在图像上的坐标位置；以及同一时刻和同一轨道高度下，根据卫星后视成像倾角为γ时，动态飞行目标p₁通过相机光心点s₁形成的对应的第二动态飞行目标像点p₁′在图像上的坐标位置，计算第一动态飞行目标像点Q′与第二动态飞行目标像点p₁′的相对位置距离d₁。

具体的，先定义焦平面图像的二维坐标系：以影像的左上角为坐标原点，沿着卫星飞行方向为X轴，Y轴正方向垂直X轴，沿着扫描线方向；该坐标系的坐标单元为相机像元a。第一动态飞行目标像点Q′与第二动态飞行目标像点p₁′采用同一焦平面图像的二维坐标系，坐标原点需要对应在图像的同一位置，将两个不同视角成像的图像进行叠加，得到同一个坐标系下不同像点的相对距离d₁。

图4中，焦平面图像上的第一动态飞行目标像点Q′(x₀,y₀)为t₁时刻卫星正视拍摄时在焦平面上动态飞行目标的位置信息，第二动态飞行目标像点p₁′(x,y)为t₁时刻卫星后视成像倾角大小为γ时拍摄的在焦平面上的动态飞行目标的位置信息，因动态飞行目标在焦平面上的位置随机分布在各个像元，因此先需要采用卫星成像领域的公知的对图像进行预处理的方法，得到更高精度的第一动态飞行目标像点Q′和第二动态飞行目标像点p₁′位置。后根据预处理得到的第一动态飞行目标像点Q′和第二动态飞行目标像点p₁′坐标，计算出两像点间的距离d₁用公式表达为:

4.t₁时刻动态目标航行高度h₁的计算

如图2，根据成像的几何投影关系可知在卫星后视成像三角形p₁′Q′s₁中，并且结合三角形几何关系，第一动态飞行目标像点Q′和第二动态飞行目标像点p₁′相对于相机镜头光心点s₁的夹角α₁的正切值用公式表示为:

tana₁＝d₁/f

在图2中，在步骤一中卫星后视成像时，构建动态飞行目标p₁、相机光心点s₁、以及动态飞行目标p₁在地面的垂直投影点Q形成的三角形s₁Qp₁，根据正弦定理有：

其中通过动态飞行目标p₁和相机光心点s₁的线段s₁p₁和通过动态飞行目标p₁和投影点Q的线段p₁Q之间的夹角为β₁；L₁为卫星与投影点Q之间的距离，也就是，

又根据三角形三角之和等于180°，也就是如下公式关系：

β₁＝π-γ-α₁，

所以得到:

通过三角变换后，动态飞行目标的航行高度h₁用公式表示为:

由上述航行高度计算公式可知，动态目标的航行高度h₁与卫星轨道高度H、卫星后视成像倾角γ、以及同一动态飞行目标p₁在卫星正视成像和卫星后视成像时分别获得的焦平面上的不同像点经过图像叠加后的俩个像点之间相对距离d₁有关。

由于动态飞行目标在焦平面上的位置随机分布在各个像元原因，可以采用本领域技术人员公知的图像处理方法，例如统一投影方式的几何校正法或是辐射校正等方式提高成像质量，来确定焦平面上的像点位置。优选的，选取中值法对动态飞行目标的像点进行求取，中值法是基于目标二维分布的某个一维累积分布函数进行定义的，也称面积相等法。是一种将图像的中心定义为在x方向和y方向面积相等点的图像分割方法。具体的方法可参见申请日为2018年7月10日，申请号为CN201810750402.1，发明名称为《双线阵TDI空间相机对动态飞机运动特性的分析方法》的中国发明申请文件，这里不再赘述。

优选的，当步骤一中卫星为前视成像时步骤三中卫星为后视成像；当步骤一中卫星为后视成像时步骤三中卫星为前视成像。这样可以对动态飞行目标立体成像，而不是对动态飞行目标的单一侧面成像，获得更全面的图像信息和航行高度。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法的实施例：

1.计算第一动态飞行目标像点o′与第二动态飞行目标像点p′的相对距离。

设第一动态飞行目标像点o′坐标为(0,0)，通过中值法确定的卫星前视时拍摄的第二动态飞行目标像点p′位置坐标为x＝2000a，y＝3000a，其中焦平面像元尺寸为a＝7μm。由此可得两个像点之间的距离d为:

2.t时刻动态飞行目标航行高度的计算。

相机焦距为f＝3.5m,第一动态飞行目标像点o′和第二动态飞行目标像点p′相对于相机镜头光心点s的夹角α的正切值为:

卫星的飞行高度为H＝500km，卫星前视成像倾角θ为20°。根据航行高度h计算公式：

将已知参数H、θ和推导的tanα代入上式，得到：

最后，计算得到在t时刻，动态目标的航行高度为10972m。

3.计算第一动态飞行目标像点Q′与第二动态飞行目标像点p₁′的相对距离。

设第一动态飞行目标像点Q′坐标为(0,0)，通过中值法确定的卫星前视时拍摄的第二动态飞行目标像点p₁′位置坐标为x₁＝1000a，y₁＝2000a，其中焦平面像元尺寸为a＝7μm。由此可得两个像点之间的距离d₁为:

4.t₁时刻动态飞行目标航行高度的计算。

相机焦距为f＝3.5m,第一动态飞行目标像点Q′和第二动态飞行目标像点p₁′相对于相机镜头光心点s₁的夹角α₁的正切值为:

卫星的飞行高度为H＝500km，卫星后视成像倾角γ为10°。根据航行高度h₁计算公式：

将已知参数H、γ和推导的tanα₁代入上式，得到

最后，计算得到在t时刻，动态目标的航行高度为12745m。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (3)

1.卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法，其特征在于：

卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法包括以下步骤：

步骤一、前一时刻及同一卫星轨道高度下，卫星正视成像时动态飞行目标p通过相机光心点s形成对应的在焦平面上的第一动态飞行目标像点o′，同时卫星前视成像或后视成像成像倾角为θ时所述动态飞行目标通过所述相机光心点s形成对应的在焦平面上的第二动态飞行目标像点p′，计算所述第一动态飞行目标像点o′与所述第二动态飞行目标像点p′进行焦平面图像相应叠加后对应的相对距离d；

步骤二、计算前一时刻所述动态飞行目标航行高度；

根据几何关系，计算所述第一动态飞行目标像点o′与所述第二动态飞行目标像点p′相对于所述相机光心点s的夹角α的正切值，用公式表示为:

tan a＝d/f

式中，f为相机焦距；

在所述步骤一中卫星前视成像或后视成像时，构建所述动态飞行目标p、所述相机光心点s、及所述动态飞行目标p在地面的垂直投影o形成的三角形sop，并根据正弦定理、以及三角形三角之和等于180°推算得到所述动态飞行目标的航行高度h用公式表示为：

式中，H为卫星飞行高度；

步骤三、后一时刻及同一卫星轨道高度下，卫星正视成像时动态飞行目标p₁通过相机光心点s₁形成对应的在焦平面上的第一动态飞行目标像点Q′，同时卫星前视成像或后视成像成像倾角为γ时所述动态飞行目标通过所述相机光心点s₁形成对应的在焦平面上的第二动态飞行目标像点p₁′，计算所述第一动态飞行目标像点Q′与所述第二动态飞行目标像点p₁′进行焦平面图像相应叠加后对应的相对距离d₁；

步骤四、计算后一时刻所述动态飞行目标航行高度；

根据几何关系，计算所述第一动态飞行目标像点Q′与所述第二动态飞行目标像点p₁′相对于所述相机光心点s₁的夹角α₁的正切值，用公式表示为:

tan a₁＝d₁/f

式中，f为相机焦距；

在所述步骤一中卫星前视成像或后视成像时，构建所述动态飞行目标p₁、所述相机光心点s₁、以及所述动态飞行目标p₁在地面的垂直投影点Q形成的三角形s₁Qp₁，并根据正弦定理、以及三角形三角之和等于180°推算得到所述动态飞行目标的航行高度h₁用公式表示为：

式中，H为卫星飞行高度。

2.根据权利要求1所述的卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法，其特征在于，所述步骤一和步骤三中通过中值法确定像点在焦平面上的位置。

3.根据权利要求1所述的卫星对动态飞行目标多视角成像联合计算航行高度的方法，其特征在于，当所述步骤一中卫星为前视成像时所述步骤三中卫星为后视成像；当所述步骤一中卫星为后视成像时所述步骤三中卫星为前视成像。

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