CN113313769B - 一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法，包括以下步骤：步骤1，通过分片影像和参考数据的密集匹配，获得分片影像上的控制点；步骤2，针对多面阵传感器采集的相邻分片影像，通过影像匹配方法，获得相邻分片影像之间的连接点；步骤3，根据光学卫星面阵传感器的成像机理，构建面阵成像卫星在轨几何定标模型；步骤4，利用基准片影像上匹配获得的控制点，求解出在轨几何定标模型中的外定标参数；步骤5，利用所有分片影像上的控制点和相邻分片影像之间的连接点，联合求解每一片面阵传感器的内定标参数。本发明可以实现光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标，从而提升卫星影像产品的内部几何精度。

Description

一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法

技术领域

本发明涉及属于光学遥感卫星数据几何处理技术领域，尤其涉及一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法。

背景技术

类似于线阵推扫式光学遥感卫星，面阵成像光学遥感卫星通常采用多个面阵传感器拼接成像的方式，实现大幅宽成像的应用需求。为了实现多面阵传感器所获取分片影像的高精度几何拼接和卫星影像产品的高精度几何定位，需要获取每一片面阵传感器的精确成像参数，包括相机安置角、相机主点和主距、镜头畸变等。

目前，基于地面定标场的在轨几何定标方法是获取卫星传感器精确成像参数的最有效方法之一，已被广泛应用于光学遥感卫星数据地面处理系统当中，并取得了很好的应用效果。对于光学卫星多面阵传感器在轨几何定标而言，地面定标场参考数据(数字正射影像和数字高程模型)覆盖的区域范围需要大于所有分片影像覆盖的地面区域总范围，以使得每一片分片影像上都能够获得均匀分布的地面控制点。

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：

现有的方法，受定标场内地物变化、影像数据采集时间差异等因素的影响，往往难以从参考数据中获取大量均匀分布的地面控制点。定标处理过程中，当相邻分片影像重叠区域内地面控制点缺乏或者控制点分布不均匀时，求解出的内参数通常难以精确描述多片重叠区域处的几何畸变，以至于产生片间错位现象，难以取得优于0.3像素甚至更高的片间拼接精度，从而降低卫星影像产品的内部几何精度。

发明内容

针对现有技术在光学卫星多面阵传感器在轨几何定标方面存在的不足，本发明提供了一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法。本发明在分片影像上控制点提供的绝对基准的基础上，利用相邻分片影像之间的连接点提供的片间几何一致性约束，联合求解多面阵传感器的内定标参数，来实现光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标。

本发明提供了一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法，包括：

S1：针对每一片面阵传感器采集的分片影像，通过分片影像和参考数据的密集匹配，获得分片影像上的控制点，其中，参考数据包括数字正射影像和数字高程模型；

S2：针对多面阵传感器采集的相邻分片影像，通过影像匹配方法，获得相邻分片影像之间的连接点；

S3：根据光学卫星面阵传感器的成像机理，构建面阵成像卫星在轨几何定标模型，如式(1)所示：

其中，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为GPS天线相位中心在WGS 84坐标系下的空间直角坐标；(B,L,H)为地面点在WGS 84坐标系下的地理坐标；a为地球长半轴；e为地球椭球第一偏心率；

为WGS 84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；

为J2000坐标系至卫星本体坐标系的旋转矩阵；

为卫星相机在卫星本体坐标系下的安置矩阵；λ为比例因子；(φ_x,φ_y)为地面点对应的成像探元在相机坐标系下的指向角；

式(1)中，

由卫星相机在卫星本体坐标系下的三个安置角(p,r,y)构成，称为外定标参数；成像探元的指向角模型表示为：

式中，(s,l)为探元编号；(a₀,a₁,...,a₉,b₀,b₁,...,b₉)为探元指向角模型系数，称为内定标参数；

S4：以多片面阵传感器的中间片作为基准片，利用基准片影像上匹配获得的控制点，求解出在轨几何定标模型中的外定标参数；

S5：利用所有分片影像上的控制点和相邻分片影像之间的连接点，联合求解每一片面阵传感器的内定标参数。

在一种实施方式中，步骤S1包括：

S1.1：在分片影像上划分若干规则格网，并根据分片影像的定位精度，对原规则格网进行外扩处理；

S1.2：针对每一个外扩格网，根据分片影像的有理多项式系数，将外扩格网的四个角点分别投影至数字高程模型上，得到外扩格网四个角点对应物方投影点的经纬度坐标；

S1.3：根据物方投影点的经纬度坐标、数字正射影像的起点经纬度坐标和地面分辨率，得到外扩格网四个角点在数字正射影像上对应的像点坐标；

S1.4：根据外扩格网四个角点在分片影像上的像点坐标及外扩格网四个角点在数字正射影像上对应的像点坐标，构建仿射变换模型，并利用仿射变换模型对数字正射影像的局部影像块进行几何变形纠正，得到纠正影像块；

S1.5：在分片影像原规则格网和纠正影像块之间进行SIFT密集匹配，得到原规则格网和纠正影像块之间的第一密集同名点，并根据仿射变换模型，计算纠正影像块上每一个第一密集同名点在数字正射影像上的像点坐标，得到原规则格网和数字正射影像之间的第二密集同名点；

S1.6：根据数字正射影像上的第二密集同名点的坐标、起点经纬度坐标和地面分辨率，计算每一个第二密集同名点的经纬度坐标，并根据数字高程模型的起点经纬度坐标和地面分辨率，计算每一个第二密集同名点的高程坐标，从而得到第二密集同名点的经纬度和高程坐标，作为分片影像上的控制点。

在一种实施方式中，步骤S2包括：

S2.1：以相邻分片影像中的左影像或上影像作为参考影像，另一片影像作为待匹配影像，计算参考影像和待匹配影像之间的重叠区域；

S2.2：在参考影像上的重叠区域内划分规则格网，以格网中心点作为特征点，匹配获得该特征点在待匹配影像上的同名点。

在一种实施方式中，步骤S2.1包括：

S2.1:1：根据待匹配影像的有理多项式系数，将待匹配影像的四个角点分别投影至数字高程模型上，并根据参考影像的有理多项式系数，进一步将四个物方投影点投影至参考影像上，得到待匹配影像四个角点在参考影像上的投影点坐标；

S2.1.2：根据参考影像四个角点的像点坐标、待匹配影像四个角点在参考影像上的投影点坐标，计算参考影像和待匹配影像之间的重叠区域。

在一种实施方式中，步骤S2.2包括：

S2.2.1：根据参考影像的有理多项式系数，将特征点投影至数字高程模型上，并根据待匹配影像的有理多项式系数，进一步将物方投影点投影至待匹配影像上，得到特征点在待匹配影像上的投影点；

S2.2.2：以待匹配影像上的投影点为中心，设置搜索窗口，依次进行相关系数匹配和最小二乘匹配，得到特征点在待匹配影像上的同名点。

在一种实施方式中，步骤S5包括：

S5.1：在式(1)中，令

则式(1)中第一式和第二式分别除以第三式，得

进一步令

式中，

S5.2：针对每一片分片影像上的每一个控制点，根据式(3)构建误差方程：

V_g＝C_gS-L_g (4)

式中，

为控制点残差矩阵；

为常数项矩阵；

为未知数偏导数构成的设计矩阵；S＝[… da_0,k da_1,k … da_8,k da_9,k db_0,k db_1,k … db_8,k db_9,k …]^T为未知数改正量矩阵；其中，下标g表示控制点，下标k＝1,2,…,m(m为分片影像数量)表示第k片分片影像；下标i＝1,2,…,n_g(n_g表示控制点数量)表示第k片分片影像上的第i个控制点；

S5.3：针对所有相邻分片影像之间的连接点，根据式(3)构建误差方程：

V_t＝C_tS+D_tT-L_t (5)

式中，V_t、C_t、L_t的含义同式(4)；

为未知数偏导数构成的设计矩阵；T＝[… dB_j dL_j …]^T为未知数改正量矩阵；其中，下标t表示连接点，下标j＝1,2,…,n_t(n_t表示连接点数量)表示第k片分片影像上的第j个连接点；

S5.4：根据式(4)和式(5)，按照最小二乘平差原理，依次求解未知数S和T：

式中，

S5.5：利用式(6)求解出的S和T，对内定标参数和连接点地理坐标进行替代更新：

式中，q为迭代次数；

S5.6：重复步骤S5.2至S5.5，直至平差迭代收敛，求解获得内定标参数。

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：

与现有技术相比，本发明在相邻分片影像重叠区域内地面控制点缺乏或者控制点分布不均匀的情况下，通过相邻分片影像之间的连接点提供的片间几何一致性约束，联合求解多面阵传感器的内定标参数，解决地面控制点缺乏或者控制点分布不均匀导致的片间错位问题，实现光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标，从而提升卫星影像产品的内部几何精度。

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为本发明实施例中的一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法，解决了现有技术中卫星影像产品的内部几何精度不够的问题。

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。

本发明的主要构思如下：通过光学卫星面阵传感器分片影像与参考数据的影像匹配，获得地面控制点，并通过相邻分片影像之间的影像匹配，获得片间连接点；再在光学卫星面阵传感器在轨几何定标模型的基础上，利用基准片影像上的控制点，求解外定标参数；然后，利用所有分片影像上的控制点和分片影像之间的连接点，联合求解内定标参数。

请参见图1，本发明实施例提供了一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法，包括：

S1：针对每一片面阵传感器采集的分片影像，通过分片影像和参考数据的密集匹配，获得分片影像上的控制点，其中，参考数据包括数字正射影像和数字高程模型；

S2：针对多面阵传感器采集的相邻分片影像，通过影像匹配方法，获得相邻分片影像之间的连接点；

S3：根据光学卫星面阵传感器的成像机理，构建面阵成像卫星在轨几何定标模型，如式(1)所示：

其中，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为GPS天线相位中心在WGS 84坐标系下的空间直角坐标；(B,L,H)为地面点在WGS 84坐标系下的地理坐标；a为地球长半轴；e为地球椭球第一偏心率；

为WGS 84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；

为J2000坐标系至卫星本体坐标系的旋转矩阵；

为卫星相机在卫星本体坐标系下的安置矩阵；λ为比例因子；(φ_x,φ_y)为地面点对应的成像探元在相机坐标系下的指向角；

式(1)中，

由卫星相机在卫星本体坐标系下的三个安置角(p,r,y)构成，称为外定标参数；成像探元的指向角模型表示为：

式中，(s,l)为探元编号；(a₀,a₁,...,a₉,b₀,b₁,...,b₉)为探元指向角模型系数，称为内定标参数；

S4：以多片面阵传感器的中间片作为基准片，利用基准片影像上匹配获得的控制点，求解出在轨几何定标模型中的外定标参数；

S5：利用所有分片影像上的控制点和相邻分片影像之间的连接点，联合求解每一片面阵传感器的内定标参数。

具体实施时，步骤S4中基准片的确定方式可以是：9片面阵传感器按照3行3列的方式安置在焦平面上，并按照从左到右、从上到下的顺序编号为1-9，则以第5片为中间片。

在一种实施方式中，步骤S1包括：

S1.1：在分片影像上划分若干规则格网，并根据分片影像的定位精度，对原规则格网进行外扩处理；

S1.2：针对每一个外扩格网，根据分片影像的有理多项式系数，将外扩格网的四个角点分别投影至数字高程模型上，得到外扩格网四个角点对应物方投影点的经纬度坐标；

S1.3：根据物方投影点的经纬度坐标、数字正射影像的起点经纬度坐标和地面分辨率，得到外扩格网四个角点在数字正射影像上对应的像点坐标；

S1.4：根据外扩格网四个角点在分片影像上的像点坐标及外扩格网四个角点在数字正射影像上对应的像点坐标，构建仿射变换模型，并利用仿射变换模型对数字正射影像的局部影像块进行几何变形纠正，得到纠正影像块；

S1.5：在分片影像原规则格网和纠正影像块之间进行SIFT密集匹配，得到原规则格网和纠正影像块之间的第一密集同名点，并根据仿射变换模型，计算纠正影像块上每一个第一密集同名点在数字正射影像上的像点坐标，得到原规则格网和数字正射影像之间的第二密集同名点；

S1.6：根据数字正射影像上的第二密集同名点的坐标、起点经纬度坐标和地面分辨率，计算每一个第二密集同名点的经纬度坐标，并根据数字高程模型的起点经纬度坐标和地面分辨率，计算每一个第二密集同名点的高程坐标，从而得到第二密集同名点的经纬度和高程坐标，作为分片影像上的控制点。

具体来说，划分若干规则格网时，划分的大小可以根据实际情况选择，例如划分出的规则格网大小为300×300像素，分片影像的定位精度可以根据实际情况确定，例如为10个像素，外扩的范围也可以根据实际情况确定，例如格网大小外扩成310×310像素。

探元指向角是二维的，即分为x和y两个方向，a₀-a₉为x方向的系数，b₀-b₉为y方向的系数。

需要说明的是，各影像的有理多项式系数是已知的，SIFT匹配算法具体实现为现有技术，本发明不予赘述，本发明利用该方法得到原规则格网和数字正射影像之间的密集同名点。

在一种实施方式中，步骤S2包括：

S2.1：以相邻分片影像中的左影像或上影像作为参考影像，另一片影像作为待匹配影像，计算参考影像和待匹配影像之间的重叠区域；

S2.2：在参考影像上的重叠区域内划分规则格网，以格网中心点作为特征点，匹配获得该特征点在待匹配影像上的同名点。

具体实施时，在参考影像上的重叠区域内划分规则格网时，可以根据需要进行划分，例如划分出的规则格网为30×30像素。

在一种实施方式中，步骤S2.1包括：

S2.1:1：根据待匹配影像的有理多项式系数，将待匹配影像的四个角点分别投影至数字高程模型上，并根据参考影像的有理多项式系数，进一步将四个物方投影点投影至参考影像上，得到待匹配影像四个角点在参考影像上的投影点坐标；

S2.1.2：根据参考影像四个角点的像点坐标、待匹配影像四个角点在参考影像上的投影点坐标，计算参考影像和待匹配影像之间的重叠区域。

在一种实施方式中，步骤S2.2包括：

S2.2.1：根据参考影像的有理多项式系数，将特征点投影至数字高程模型上，并根据待匹配影像的有理多项式系数，进一步将物方投影点投影至待匹配影像上，得到特征点在待匹配影像上的投影点；

S2.2.2：以待匹配影像上的投影点为中心，设置搜索窗口，依次进行相关系数匹配和最小二乘匹配，得到特征点在待匹配影像上的同名点。

其中，相关系数匹配和最小二乘影像匹配具体实现为现有技术，本发明不予赘述，本发明利用这些方法得到相邻分片影像之间的连接点。

在一种实施方式中，步骤S5包括：

S5.1：在式(1)中，令

则式(1)中第一式和第二式分别除以第三式，得

进一步令

式中，

S5.2：针对每一片分片影像上的每一个控制点，根据式(3)构建误差方程：

V_g＝C_gS-L_g (4)

式中，

为控制点残差矩阵；

为常数项矩阵；

为未知数偏导数构成的设计矩阵；S＝[… da_0,k da_1,k … da_8,k da_9,k db_0,k db_1,k … db_8,k db_9,k …]^T为未知数改正量矩阵；其中，下标g表示控制点，下标k＝1,2,…,m(m为分片影像数量)表示第k片分片影像；下标i＝1,2,…,n_g(n_g表示控制点数量)表示第k片分片影像上的第i个控制点；

S5.3：针对所有相邻分片影像之间的连接点，根据式(3)构建误差方程：

V_t＝C_tS+D_tT-L_t (5)

式中，V_t、C_t、L_t的含义同式(4)；

为未知数偏导数构成的设计矩阵；T＝[… dB_j dL_j …]^T为未知数改正量矩阵；其中，下标t表示连接点，下标j＝1,2,…,n_t(n_t表示连接点数量)表示第k片分片影像上的第j个连接点；

S5.4：根据式(4)和式(5)，按照最小二乘平差原理，依次求解未知数S和T：

式中，

S5.5：利用式(6)求解出的S和T，对内定标参数和连接点地理坐标进行替代更新：

式中，q为迭代次数；

S5.6：重复步骤S5.2至S5.5，直至平差迭代收敛，求解获得内定标参数。

其中，V_t、C_t、L_t的含义同式(4)是指V_t、C_t、L_t分别表示相邻分片影像之间的连接点残差矩阵、常数项矩阵、未知数偏导数构成的设计矩阵。

本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种光学卫星多面阵传感器片间无缝几何定标方法，其特征在于，包括：

S1：针对每一片面阵传感器采集的分片影像，通过分片影像和参考数据的密集匹配，获得分片影像上的控制点，其中，参考数据包括数字正射影像和数字高程模型；

S2：针对多面阵传感器采集的相邻分片影像，通过影像匹配方法，获得相邻分片影像之间的连接点；

S3：根据光学卫星面阵传感器的成像机理，构建面阵成像卫星在轨几何定标模型，如式(1)所示：

其中，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为GPS天线相位中心在WGS 84坐标系下的空间直角坐标；(B,L,H)为地面点在WGS 84坐标系下的地理坐标；a为地球长半轴；e为地球椭球第一偏心率；

为WGS 84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；

为J2000坐标系至卫星本体坐标系的旋转矩阵；

为卫星相机在卫星本体坐标系下的安置矩阵；λ为比例因子；(φ_x,φ_y)为地面点对应的成像探元在相机坐标系下的指向角；

式(1)中，

由卫星相机在卫星本体坐标系下的三个安置角(p,r,y)构成，称为外定标参数；成像探元的指向角模型表示为：

式中，(s,l)为探元编号；(a₀,a₁,...,a₉,b₀,b₁,...,b₉)为探元指向角模型系数，称为内定标参数；

S4：以多片面阵传感器的中间片作为基准片，利用基准片影像上匹配获得的控制点，求解出在轨几何定标模型中的外定标参数；

S5：利用所有分片影像上的控制点和相邻分片影像之间的连接点，联合求解每一片面阵传感器的内定标参数；

其中，步骤S5包括：

S5.1：在式(1)中，令

则式(1)中第一式和第二式分别除以第三式，得

进一步令

式中，

S5.2：针对每一片分片影像上的每一个控制点，根据式(3)构建误差方程：

V_g＝C_gS-L_g (4)

式中，

为控制点残差矩阵；

为常数项矩阵；

为未知数偏导数构成的设计矩阵；S＝[… da_0,k da_1,k … da_8,k da_9,k db_0,k db_1,k … db_8,k db_9,k …]^T为未知数改正量矩阵；其中，下标g表示控制点，下标k＝1,2,…,m，表示第k片分片影像，m为分片影像数量；下标i＝1,2,…,n_g，表示第k片分片影像上的第i个控制点，n_g表示控制点数量；

S5.3：针对所有相邻分片影像之间的连接点，根据式(3)构建误差方程：

V_t＝C_tS+D_tT-L_t (5)

式中，V_t、C_t、L_t的含义同式(4)；

为未知数偏导数构成的设计矩阵；T＝[… dB_j dL_j …]^T为未知数改正量矩阵；其中，下标t表示连接点，下标j＝1,2,…,n_t，表示第k片分片影像上的第j个连接点，n_t表示连接点数量；

S5.4：根据式(4)和式(5)，按照最小二乘平差原理，依次求解未知数S和T：

式中，

S5.5：利用式(6)求解出的S和T，对内定标参数和连接点地理坐标进行替代更新：

式中，q为迭代次数；

S5.6：重复步骤S5.2至S5.5，直至平差迭代收敛，求解获得内定标参数。

2.如权利要求1所述的几何定标方法，其特征在于，步骤S1包括：

S1.1：在分片影像上划分若干规则格网，并根据分片影像的定位精度，对原规则格网进行外扩处理；

S1.2：针对每一个外扩格网，根据分片影像的有理多项式系数，将外扩格网的四个角点分别投影至数字高程模型上，得到外扩格网四个角点对应物方投影点的经纬度坐标；

S1.3：根据物方投影点的经纬度坐标、数字正射影像的起点经纬度坐标和地面分辨率，得到外扩格网四个角点在数字正射影像上对应的像点坐标；

S1.4：根据外扩格网四个角点在分片影像上的像点坐标及外扩格网四个角点在数字正射影像上对应的像点坐标，构建仿射变换模型，并利用仿射变换模型对数字正射影像的局部影像块进行几何变形纠正，得到纠正影像块；

S1.5：在分片影像原规则格网和纠正影像块之间进行SIFT密集匹配，得到原规则格网和纠正影像块之间的第一密集同名点，并根据仿射变换模型，计算纠正影像块上每一个第一密集同名点在数字正射影像上的像点坐标，得到原规则格网和数字正射影像之间的第二密集同名点；

S1.6：根据数字正射影像上的第二密集同名点的坐标、起点经纬度坐标和地面分辨率，计算每一个第二密集同名点的经纬度坐标，并根据数字高程模型的起点经纬度坐标和地面分辨率，计算每一个第二密集同名点的高程坐标，从而得到第二密集同名点的经纬度和高程坐标，作为分片影像上的控制点。

3.如权利要求1所述的几何定标方法，其特征在于，步骤S2包括：

S2.1：以相邻分片影像中的左影像或上影像作为参考影像，另一片影像作为待匹配影像，计算参考影像和待匹配影像之间的重叠区域；

S2.2：在参考影像上的重叠区域内划分规则格网，以格网中心点作为特征点，匹配获得该特征点在待匹配影像上的同名点。

4.如权利要求3所述的几何定标方法，其特征在于，步骤S2.1包括：

S2.1:1：根据待匹配影像的有理多项式系数，将待匹配影像的四个角点分别投影至数字高程模型上，并根据参考影像的有理多项式系数，进一步将四个物方投影点投影至参考影像上，得到待匹配影像四个角点在参考影像上的投影点坐标；

S2.1.2：根据参考影像四个角点的像点坐标、待匹配影像四个角点在参考影像上的投影点坐标，计算参考影像和待匹配影像之间的重叠区域。

5.如权利要求3所述的几何定标方法，其特征在于，步骤S2.2包括：

S2.2.1：根据参考影像的有理多项式系数，将特征点投影至数字高程模型上，并根据待匹配影像的有理多项式系数，进一步将物方投影点投影至待匹配影像上，得到特征点在待匹配影像上的投影点；

S2.2.2：以待匹配影像上的投影点为中心，设置搜索窗口，依次进行相关系数匹配和最小二乘匹配，得到特征点在待匹配影像上的同名点。

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