CN112802118B

CN112802118B - 一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法

Info

Publication number: CN112802118B
Application number: CN202110006763.7A
Authority: CN
Inventors: 曹金山; 叶志伟; 杨航; 王志林; 刘熊峰
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-01-05
Also published as: CN112802118A

Abstract

本发明公开了一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法，包括：以光学卫星传感器的中间片CCD/CMOS作为基准片，以其余片CCD/CMOS作为非基准片，依次对基准片进行外定标和内定标处理；在基准片外定标的基础上，分别对每一片非基准片进行内定标处理；从基准片开始，分别向左右两侧CCD/CMOS延伸，依次以相邻两片CCD/CMOS为一个定标单元，并以该单元中离基准片近的CCD/CMOS作为参考片、另一片作为非参考片，计算参考片和非参考片之间的片间错位量；根据片间错位量和成像探元大小，更新非参考片的内定标参数。本发明可以大大减小光学卫星传感器在轨几何定标对地面定标场幅宽的要求，从而减少定标场参考数据制作与更新过程中投入的人力、物力和财力，实现经济化在轨几何定标。

Description

一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法

技术领域

本发明属于光学遥感卫星数据几何处理技术领域，特别涉及一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法。

背景技术

光学卫星传感器在轨几何定标旨在于获取传感器的精确成像参数，包括相机主点、主距、镜头畸变和相机安置角等，是光学卫星传感器实现多片/多相机无缝拼接、全色与多光谱影像精确配准、多光谱波段影像精确配准、高精度目标定位的前提和基础。

针对光学卫星传感器高精度在轨几何定标的应用需求，目前通常采用基于地面定标场的在轨几何定标方法，即：通过覆盖定标场的待定标影像和定标场参考DOM/DEM数据的密集匹配来获得大量控制点，并利用控制点精确求解出定标参数。该方法要求所有分片CCD/CMOS影像为同一时间段内采集的影像，且要求定标场参考数据在卫星影像幅宽方向上覆盖所有片CCD/CMOS影像。然而，随着卫星传感器技术的不断发展和卫星用户需求的不断提高，卫星影像幅宽已经有了大幅度增大。譬如，高分六号卫星宽幅相机的成像幅宽为800公里，海洋一号C/D卫星海岸带成像仪的成像幅宽达950公里。

在此情况下，现有定标方法必然面临两个主要问题：

1)现有定标场的参考数据无法满足大幅宽成像的在轨几何定标需求，而制作大幅宽定标场的参考数据需要投入大量的人力、物力和财力；

2)采集覆盖定标场的待定标影像受天气状况影响较大，难以保证同一时间段内所有片CCD/CMOS影像均无云或少云覆盖。

发明内容

针对现有方法在光学卫星传感器在轨几何定标方面的不足，本发明提供了一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法，利用不同时间段采集的覆盖同一定标场或者不同定标场的分片CCD/CMOS影像分别开展几何定标处理，再通过相邻片CCD/CMOS影像之间的片间错位量和成像探元大小，更新非参考片的内定标参数，最终实现所有片CCD/CMOS的高精度定标。

为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的技术构思是：在光学卫星传感器基准片内外定标和非基准片内定标的基础上，以相邻两片CCD/CMOS作为一个定标单元，通过定标单元中参考片与非参考片之间的片间错位量和成像探元大小，对非参考片的内定标参数进行更新处理，从而在保证每一片CCD/CMOS定标精度的同时，实现所有片CCD/CMOS之间的几何一致性。

一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法，包括以下步骤：

步骤1，以光学卫星传感器的中间片CCD/CMOS作为基准片，以其余片CCD/CMOS作为非基准片，利用基准片影像上的控制点依次对基准片进行外定标和内定标处理，采用的在轨几何定标模型如式(1)和式(2)所示：

式中：(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为GPS天线相位中心在WGS 84坐标系下的空间坐标；(X,Y,Z)为地面点在WGS 84坐标系下的物方空间坐标；

为WGS84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；

为J2000坐标系至姿态测量坐标系的旋转矩阵；

为传感器在姿态测量坐标系下的安置矩阵；λ为比例因子；(ψ_x,ψ_y)为地面点对应的成像探元在传感器坐标系下的指向角；S为成像探元编号；(a₀,a₁,a₂,a₃,b₀,b₁,b₂,b₃)为内定标参数；(p,r,y)为外定标参数；

步骤2，以步骤1获得的外定标参数作为非基准片的外定标参数，利用非基准片影像上的控制点，分别对每一片非基准片进行内定标处理；其中，每一片非基准片影像和基准片影像是分时成像的，即：非基准片影像和基准片影像为不同时间段采集的覆盖同一定标场或者不同定标场的影像，可以是同一轨道内的不同时间段成像，也可以是不同轨道之间的不同时间段成像；

步骤3，从基准片开始，分别向左右两侧CCD/CMOS延伸，依次以相邻两片CCD/CMOS为一个定标单元，并以该单元中离基准片近的CCD/CMOS作为参考片，另一片作为非参考片，计算参考片和非参考片之间的片间错位量，包括：

步骤3.1，分别计算参考片获取的影像和非参考片获取的影像的有理多项式系数，具体为：

步骤3.1.1，根据参考片和非参考片的定标参数，分别构建严密成像几何模型，除基准片所在定标单元外，当前定标单元中的参考片为前一个定标单元中的非参考片，因此当前定标单元中参考片的内定标参数为前一个定标单元中更新后的非参考片内定标参数；

步骤3.1.2，根据严密成像几何模型，分别生成虚拟控制点；

步骤3.1.3，根据虚拟控制点，分别求解参考影像和非参考影像的有理多项式系数；

步骤3.2，计算参考影像和非参考影像之间的重叠区域，具体为：

步骤3.2.1，根据非参考影像的有理多项式系数，将非参考影像的四个角点分别投影至物方，得到物方投影点；

步骤3.2.2，根据参考影像的有理多项式系数，分别将四个物方投影点进一步投影至参考影像上，得到像方投影点；

步骤3.2.3，计算参考影像四个角点构成的四边形和四个投影点构成的四边形之间的交集，得到参考影像上的重叠区域；

步骤3.3，参考影像和非参考影像之间匹配同名像点：

步骤3.3.1，分别在参考影像重叠区域内的行和列方向上，按照等像素间隔划分规则格网，得到若干格网点；

步骤3.3.2，在参考影像和非参考影像之间进行相关系数匹配，得到参考影像上的格网点在非参考影像上的初始同名点；

步骤3.3.3，在初始同名点的基础上，进行最小二乘影像匹配，得到参考影像和非参考影像之间的精确同名点；

步骤3.4，计算参考影像和非参考影像之间的片间错位量：

步骤3.4.1，根据参考影像的有理多项式系数，将参考影像上的每一个同名点分别投影至物方，得到物方投影点；

步骤3.4.2，根据非参考影像的有理多项式系数，进一步将物方投影点分别投影至非参考影像上，得到像方投影点；

步骤3.4.3，分别计算非参考影像上每个投影点的像方坐标与其对应匹配点的像方坐标的差值(Δx,Δy)，如式(3)所示：

式中，(x′_i,y′_i)和(x_i,y_i)分别为投影点像方坐标及其对应匹配点像方坐标，i＝1,2,...,n，n为同名像点个数；

步骤3.4.4，计算步骤3.4.3中所有坐标差值的平均值，得到片间错位量；

步骤4，更新非参考片的内定标参数；

步骤4.1，计算非参考片重叠区域内成像探元的大小ds，如式(4)所示：

式中，(b₀,b₁,b₂,b₃)为非参考片垂轨方向的内定标参数；I为重叠区域内的成像探元编号，取值i为重叠区域内第一个探元的编号，取值j为重叠区域内最后一个探元的编号；

步骤4.2，根据片间错位量和非参考片重叠区域内成像探元大小ds，更新非参考片的内定标参数，如式(5)所示：

式中，(a′₀,b′₀)为更新后的内定标平移参数；(dx,dy)为参考片与非参考片之间的片间错位量，a₀、b₀含义同式(1)。

现有光学卫星传感器在轨几何定标方法通常要求地面定标场参考数据的幅宽大于所有分片影像的总幅宽。譬如，若一台光学卫星相机由5片CCD构成，每片CCD影像的成像幅宽为10公里，相邻CCD的片间重叠为0.1公里，则从理论上讲，定标场参考数据的幅宽至少要求5*10-4*0.1＝49.6公里。众所周知，定标场参考数据的制作与更新需要投入大量的人力、物力和财力，参考数据的幅宽越大，需要的投入也随之越大。与现有技术相比，本发明中的每一片CCD/CMOS影像可以分时成像，即：针对上述由5片CCD构成的光学相机，可以在5个不同的卫星轨道内分别用1片CCD对地面定标场成像。因此，从理论上讲，定标场参考数据的幅度为10公里即可满足本发明的分时几何定标需求。在本示例中，本发明可将地面定标场参考数据的幅宽由现有技术中的49.6公里减少至10公里。由此可见，与现有技术相比，本发明在保证光学卫星传感器在轨几何定标精度的同时，可以大大减小光学卫星传感器在轨几何定标对定标场参考数据幅宽的需求，因而可以减少定标场参考数据制作与更新过程中投入的人力、物力和财力，实现经济化在轨几何定标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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它附图。

图1为本发明实施例的具体流程图(以五片CCD为例)；

图2为本发明定标单元说明示意图(以五片CCD为例)；

图3为本发明参考影像和非参考影像重叠区域计算示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，并获得其他的实施方式。

实施例1。本实施例提供的光学卫星传感器在轨分时几何定标方法，如图1所示，具体步骤如下：

式中，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为GPS天线相位中心在WGS 84坐标系下的空间坐标；(X,Y,Z)为地面点在WGS 84坐标系下的物方空间坐标；

为WGS84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；

为J2000坐标系至姿态测量坐标系的旋转矩阵；

为传感器在姿态测量坐标系下的安置矩阵；λ为比例因子；(ψ_x,ψ_y)为地面点对应的成像探元在传感器坐标系下的指向角；S为成像探元编号；(a₀,a₁,a₂,a₃,b₀,b₁,b₂,b₃)为内定标参数；(p,r,y)为外定标参数。

步骤2，以步骤1获得的外定标参数作为非基准片的外定标参数，利用非基准片影像上的控制点，分别对每一片非基准片进行内定标处理。

本步骤中，每一片非基准片影像和基准片影像是分时成像的，即：非基准片影像和基准片影像为不同时间段采集的覆盖同一定标场或者不同定标场的影像，可以是同一轨道内的不同时间段成像，也可以是不同轨道之间的不同时间段成像。

步骤3，从基准片开始，分别向左右两侧CCD/CMOS延伸，依次以相邻两片CCD/CMOS为一个定标单元，并以该单元中离基准片近的CCD/CMOS作为参考片、另一片作为非参考片，如图2所示(以五片为例)，计算参考片和非参考片之间的片间错位量。本步骤进一步包括：

3.1分别计算参考片获取的影像(即参考影像)和非参考片获取的影像(即非参考影像)的有理多项式系数，本子步骤进一步包括：

3.1.1根据参考片和非参考片的定标参数，分别构建严密成像几何模型；

本子步骤中，除基准片所在定标单元外，当前定标单元中的参考片为前一个定标单元中的非参考片，因此当前定标单元中参考片的内定标参数(步骤3.1中参考片的内定标参数)为前一个定标单元中更新后的非参考片内定标参数(步骤4.2中更新后的非参考片内定标参数)。

3.1.2根据严密成像几何模型，分别生成虚拟控制点；

3.1.3根据虚拟控制点，分别求解参考影像和非参考影像的有理多项式系数(参看文献：袁修孝,曹金山,2012.高分辨率卫星遥感精确对地目标定位理论与方法.北京:科学出版社；Tao C V and Hu Y,2001.A comprehensive study of the rational functionmodel for photogrammetric processing.Photogrammetric Engineering and RemoteSensing,67(12):1347–1357；林先勇.高精度RPC参数求解方法的研究.武汉大学硕士学位论文,2008)；

3.2计算参考影像和非参考影像之间的重叠区域，如图3所示，本子步骤进一步包括：

3.2.1根据非参考影像的有理多项式系数，将非参考影像的四个角点分别投影至物方，得到物方投影点；

3.2.2根据参考影像的有理多项式系数，分别将四个物方投影点进一步投影至参考影像上，得到像方投影点；

3.2.3计算参考影像四个角点构成的四边形和四个投影点构成的四边形之间的交集，得到参考影像上的重叠区域；

3.3参考影像和非参考影像之间匹配同名像点，本子步骤进一步包括：

3.3.1分别在参考影像重叠区域内的行和列方向上，按照等像素间隔划分规则格网，得到若干格网点(如40行×5列、共200个格网点)；

3.3.2在参考影像和非参考影像之间进行相关系数匹配，得到参考影像上的格网点在非参考影像上的初始同名点；

3.3.3在初始同名点的基础上，进行最小二乘影像匹配，得到参考影像和非参考影像之间的精确同名点；

3.4计算参考影像和非参考影像之间的片间错位量，本子步骤进一步包括：

3.4.1根据参考影像的有理多项式系数，将参考影像上的每一个同名点分别投影至物方，得到物方投影点；

3.4.2根据非参考影像的有理多项式系数，进一步将物方投影点分别投影至非参考影像上，得到像方投影点；

3.4.3分别计算非参考影像上每个投影点的像方坐标与其对应匹配点的像方坐标的差值(Δx,Δy)，如式(3)所示：

式中，(x′_i,y′_i)和(x_i,y_i)分别为投影点像方坐标及其对应匹配点像方坐标；i＝1,2,...,n，n为同名像点个数。

3.4.4计算步骤3.4.3中所有坐标差值的平均值，得到片间错位量；

步骤4，更新非参考片的内定标参数。本步骤进一步包括：

4.1计算非参考片重叠区域内成像探元的大小ds，如式(4)所示：

式中，(b₀,b₁,b₂,b₃)为非参考片垂轨方向的内定标参数；I为重叠区域内的成像探元编号，取值i为重叠区域内第一个探元的编号，取值j为重叠区域内最后一个探元的编号。

4.2根据片间错位量和非参考片重叠区域内成像探元大小ds，更新非参考片的内定标参数，如式(5)所示：

式中，(a′₀,b′₀)为更新后的内定标平移参数；(dx,dy)为参考片与非参考片之间的片间错位量；a₀、b₀含义同式(1)。

实施例2。本实施例选用高分六号全色相机进行了试验，该相机由8片CCD组成，采用本发明方法获得的定标参数如表1所示。

表1高分六号定标参数

片号

a0

a1

a2

a3

b0

b1

b2

b3

1

-4.6365×10-6

3.5754×10-10

-1.1570×10-13

3.4840×10-18

-5.5097×10-2

-3.0568×10-6

1.2304×10-13

-1.0826×10-17

2

-1.2545×10-6

-2.7534×10-9

9.8716×10-13

-9.7572×10-17

-3.6687×10-2

-3.0574×10-6

5.5874×10-13

-7.0173×10-17

3

2.5021×10-7

3.2759×10-10

-2.7029×10-13

1.8562×10-17

-1.8275×10-2

-3.0573×10-6

2.6098×10-13

-2.0317×10-17

4

1.1260×10-6

3.5698×10-10

-3.2419×10-13

4.8547×10-17

1.3541×10-4

-3.0559×10-6

-2.5805×10-13

3.7293×10-17

5

7.3583×10-6

2.2990×10-9

-9.5498×10-13

1.0397×10-16

1.8547×10-2

-3.0554×10-6

-3.9364×10-13

4.0283×10-17

6

1.0727×10-5

-1.7821×10-10

2.7646×10-13

-4.6043×10-17

3.6958×10-2

-3.0571×10-6

3.0930×10-13

-3.1218×10-17

7

7.5539×10-6

-8.7529×10-11

6.5477×10-13

-8.5869×10-17

5.5369×10-2

-3.0571×10-6

2.9479×10-13

-2.6996×10-17

8

6.6291×10-6

1.9987×10-9

-1.0922×10-12

1.4140×10-16

7.3779×10-2

-3.0549×10-6

-6.9175×10-13

8.0320×10-17

利用该定标参数获得的相邻片间相对精度如表2所示。

表2相邻片间相对精度

从表1和表2中的试验结果可以看出，利用本发明方法可以获得高分六号全色相机精确定标参数，利用该参数获得的片间相对精度优于0.2像素。

上述实施例仅为本发明的较佳的实施方式，并非对本发明实施方式的限定。在上述实施例的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法穷举所有实施方式。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化与改动仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学卫星传感器在轨分时几何定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

为WGS84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；

为J2000坐标系至姿态测量坐标系的旋转矩阵；

为传感器在姿态测量坐标系下的安置矩阵；λ为比例因子；(ψ_x,ψ_y)为地面点对应的成像探元在传感器坐标系下的指向角；S为成像探元编号；(a₀,a₁,a₂,a₃)为沿轨方向的内定标参数，(b₀,b₁,b₂,b₃)为垂轨方向的内定标参数；(p,r,y)为外定标参数，分别描述了传感器安装在姿态测量坐标系下的俯仰角、滚动角和偏航角；其中，每一片CCD/CMOS分别拥有一套沿轨和垂轨内定标参数，所有片CCD/CMOS共同拥有一套外定标参数；

步骤3.1.2，根据严密成像几何模型，分别生成虚拟控制点；

步骤3.3，参考影像和非参考影像之间匹配同名像点：

步骤3.3.1，分别在参考影像重叠区域内的行和列方向上，按照等像素间隔划分规则格网，得到格网点；

步骤3.4，计算参考影像和非参考影像之间的片间错位量：

步骤4，更新非参考片的内定标参数；

式中，(b_0,s,b_1,s,b_2,s,b_3,s)为非参考片垂轨方向的内定标参数；I为重叠区域内的成像探元编号，取值i为重叠区域内第一个探元的编号，取值j为重叠区域内最后一个探元的编号；

式中，(a′_0,s,b′_0,s)为更新后的内定标参数；(dx,dy)为参考片与非参考片之间的片间错位量，(a_0,s,b_0,s)为更新前的内定标参数。