CN114838740A - 一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，包括：获取同一轨道内各经纬度区域具有不同太阳高度的卫星图像集；基于各经纬度区域的控制数据，获取所述的卫星图像集中的控制点；选取其中一个基准太阳高度图像中的控制点，基于第一几何定标模型，得到所述的太阳高度的相机标定参数；构建不同太阳高度的姿态误差补偿模型，建立考虑不同经纬度区域的第二几何定标模型；利用其他太阳高度图像中的控制点，得到姿态补偿参数；根据基准太阳高度的相机标定参数、不同太阳高度的姿态补偿参数，基于第二几何定标模型，更新标定文件。本发明可以顾及不同经纬度区域卫星图像的统一定标，实现整个卫星轨道上不同太阳高度的卫星图像精确标定。

Description

一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法

技术领域

本发明涉及卫星遥感技术领域，尤其涉及一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法。

背景技术

开展卫星图像高精度地面定标是高分辨率卫星图像高定位处理的前提条件，目前高分辨率卫星图像定标方法主要是采样常规几何定标模型，该模型主要基于某一个定标场地区的单景卫星图像进行定标，即利用定标场的高精度参考数据和相应的某一定标景卫星图像对相机参数进行在轨标定，然后该参数应用于整个卫星各个地区各个地方时的图像处理。该定标方法在太阳同步轨道卫星在轨几何定标中效果较好，也是目前多数在轨卫星采用的定位方法，具有较好的普适性。

然而，随着高分辨率非太阳同步轨道卫星的投入使用，不像太阳同步轨道卫星每次都能以相同的地方时对同一轨道内各经纬度地区成像，该类卫星由于其轨道的特殊性，在同一轨内，存在每次对该轨内各个经纬度地区成像都会有不同的太阳高度、不同的太阳辐照度，导致同一轨内不同经纬度地区成像时卫星器件受热情况差异较大，相机指向角存在随不同太阳高度而发生变化的现象然而。此时，若基于常规几何定标模型，并利用单个地区定标场的单景定标图像进行相机参数的标定，只能标定出该经纬度地区定标景图像成像时的相机参数，无法标定出同一轨道内不同经纬度地区由于太阳高度差异而引起的相机参数变化情况，进而势必导致该标定参数无法很好的适用卫星同一轨内不同经纬度区域所有图像的高定位处理。因此，为保证同一轨内不同经纬度下的相机参数都能得到较好的标定，解算适于卫星常态化高定位处理的相机参数，急需开展针对非太阳同步轨道卫星的在轨几何定标方法研究。

由于常规几何定标方法主要采用常规几何定标模型，利用某一定标场区域的单景卫星图像进行在轨几何定标，并未考虑整个卫星整个回归周期内不同太阳高度的卫星影像情况，无法标定回归周期内同一地区不同太阳高度成像时由于太阳辐射差异较大而引起的相机参数变化情况，使得该标定参数对非太阳同步轨道卫星中不同太阳高度的影像的适用性相对较差，制约了高分辨率卫星图像的在轨高定位处理，因此亟待解决非太阳同步轨道卫星回归周期内不同太阳高度的在轨几何定标技术难题。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，包括：

S1，获取卫星同一个轨道内不同经纬度区域的卫星图像集，卫星图像集中的每个卫星图像具有相互不同的太阳高度；

S2，将步骤S1获取的卫星图像集都分别与相应经纬度区域的正射影像和数字高程模型进行地面控制点匹配，获取所述的卫星图像集中的沿卫星轨道方向多行像素内均匀分布的地面控制点的像方坐标和物方坐标；

S3，建立第一几何定标模型，选取卫星图像集中某一太阳高度的卫星图像的地面控制点，该卫星图像对应的太阳高度称为基准太阳高度，并将该地面控制点的像方坐标和物方坐标代入第一几何定标模型，采用先解算外方位元素，后解算内方位元素的定标方法，解算第一几何定标模型，得到所述的基准太阳高度的相机的内标定参数(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p)和(n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)，以及外标定参数

p为相机的内标定参数的阶数；

所述的第一几何定标模型，其表达式为：

式中，S为卫星图像中的地面控制点对应的相机的成像探元的探元编号，(X_WGS84,Y_WGS84,Z_WGS84)为地面控制点在WGS84坐标系下的物方空间坐标，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为卫星GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间坐标，λ为比例因子，

为J2000坐标系至WGS84坐标系的旋转矩阵，

为卫星本体坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，(ψ_x,ψ_y)为卫星图像中的地面控制点对应的相机的成像探元在相机坐标系下的指向角。指向角指的是成像探元对应光线在相机坐标系下的方向。

S4，构建与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型,建立考虑卫星轨道上不同经纬度区域的第二几何定标模型；

所述的步骤S4，包括：卫星同一轨道内不同经纬度区域的成像误差矩阵R_H，即为绕X,Y,Z坐标轴旋转角度变化构成的矩阵；构建考虑卫星轨道上不同经纬度区域的在轨几何定标模型，其表达式为：

其中，Δω_h为卫星的随太阳高度而变化的滚动角误差，

为卫星的随太阳高度而变化的俯仰角误差，Δκ_h为卫星的随太阳高度而变化的偏航角误差；采用太阳高度的三次多项式模型进行姿态误差拟合，针对基准太阳高度，构建与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型，其表达式为：

其中，Δh为卫星图像集对应的太阳高度相对于基准太阳高度的变化量，(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)分别为滚动角、俯仰角和偏航角的与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数。

S5、利用除基准太阳高度外的其他太阳高度的卫星图像的地面控制点的坐标，基于第二几何定标模型，解算与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)和(c₀,c₁,c₂,c₃)。

所述的步骤S5，包括：

对在轨几何定标模型进行变形，引入两个中间矢量[X,Y,Z]和[x,y,z]，其表达式为：

其中，根据像方坐标和物方坐标的转换关系，得到：

进一步得到两个中间矢量的关系式为：

对两个中间矢量的关系式在

处进行泰勒级数展开，得到泰勒级数展开式，其表达式为：

对泰勒级数展开式建立误差方程，解算卫星在不同太阳高度的姿态误差

对于步骤S2中获取的所述的卫星图像集中的沿卫星轨道方向的多行像素内均匀分布的地面控制点，基于所述的基准太阳高度的相机的内标定参数、外标定参数和两个中间矢量，对泰勒级数展开式建立误差方程，其表达式为:

V_i＝A_iΔX-L_i

通过对上述误差方程求解，得到ΔX，其中，ΔX为卫星在拍摄卫星图像集中的各个卫星图像所处的不同太阳高度时的姿态误差向量，A_i表示根据第i个地面控制点的物方坐标计算得到的误差方程的乘性系数，L_i表示根据第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标计算得到的误差方程的加性系数，(x_i,y_i,z_i)和(X_i,Y_i,Z_i)分别表示第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标，V_i表示根据第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标计算得到的修正量；

根据与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型，建立参数误差方程组：

V_ai＝A_aiX_a-L_ai,

V_bi＝A_biX_b-L_bi,，

V_ci＝A_ciX_c-L_ci,

X_a＝[a₀ a₁ a₂ a₃]^T

X_b＝[b₀ b₁ b₂ b₃]^T，

X_c＝[c₀ c₁ c₂ c₃]^T

L_bi＝[Δω_i]，

L_ci＝[Δκ_i]

其中，V_ai、V_bi和V_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的误差残差向量，，

为卫星的滚动角，ω_i为卫星的俯仰角，κ_i为卫星的偏航角，A_ai、A_bi和A_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的参数误差方程的参数矩阵，X_a、X_b和X_c分别表示与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型的参数，L_bi、L_ai和L_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的误差向量，

Δω_i和Δκ_i分别表示不同太阳高度下卫星的姿态修正量，

Δω_i和Δκ_i表示第i个太阳高度下卫星的姿态误差，h_i表示第i个太阳高度；利用解算得到的卫星在拍摄不同太阳高度的卫星图像时的姿态误差，通过最小二乘法求解参数误差方程组，得到卫星图像集中各个卫星图像对应的与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型的参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)和(c₀,c₁,c₂,c₃)。

S6，根据基准太阳高度的相机的标定参数和与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数，基于第二几何定标模型，更新相机的标定参数；利用更新后的标定参数对卫星图像集中的各个卫星图像进行定标处理，并利用地面控制点坐标，分别计算定标前和定标后的卫星图像集的定位精度，当定标后的卫星图像集的定位精度满足预设值要求时，更新定标文件，完成考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标。

所述的卫星图像集，是指卫星同一个轨道内不同经纬度区域所拍摄得到的卫星图像。

所述的卫星图像集要求尽可能均匀分布于卫星完整回归周期内，确保尽可能覆盖不同的经纬度区域，各经纬度区域对应太阳高度分别为h₁、h₂…h_n(其中0≤h≤90°时)，对应卫星图像集分别为I₁、I₂、…、I_n。

所述的地面控制点是经过实地测量或者通过其它方法获取到其精确位置坐标信息的地面点，用于对卫星图像的定位误差进行纠正。

本发明的有益效果为：

本发明可以顾及到同轨或短时间周期内卫星轨道上不同经纬度区域的多个太阳高度的系列图像，实现整个卫星轨道上不同太阳高度的卫星图像的高精度标定。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

如图1所示，本发明公开了一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，包括：

S1，获取卫星同一个轨道内不同经纬度区域的卫星图像集，卫星图像集中的每个卫星图像具有相互不同的太阳高度；

S2，将步骤S1获取的卫星图像集都分别与相应经纬度区域的正射影像和数字高程模型进行地面控制点匹配，获取所述的卫星图像集中的沿卫星轨道方向多行像素内均匀分布的地面控制点的像方坐标和物方坐标；

S3，建立第一几何定标模型，选取卫星图像集中某一太阳高度的卫星图像的地面控制点，该卫星图像对应的太阳高度称为基准太阳高度，并将该地面控制点的像方坐标和物方坐标代入第一几何定标模型，采用先解算外方位元素，后解算内方位元素的定标方法，解算第一几何定标模型，得到所述的基准太阳高度的相机的内标定参数(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p)和(n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)，以及外标定参数

p为相机的内标定参数的阶数；

所述的第一几何定标模型，其表达式为：

式中，S为卫星图像中的地面控制点对应的相机的成像探元的探元编号，(X_WGS84,Y_WGS84,Z_WGS84)为地面控制点在WGS84坐标系下的物方空间坐标，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为卫星GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间坐标，λ为比例因子，

为J2000坐标系至WGS84坐标系的旋转矩阵，

为卫星本体坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，(ψ_x,ψ_y)为卫星图像中的地面控制点对应的相机的成像探元在相机坐标系下的指向角。指向角指的是成像探元对应光线在相机坐标系下的方向。

S4，构建与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型,建立考虑卫星轨道上不同经纬度区域的第二几何定标模型；

卫星同一轨道内不同经纬度区域的成像误差矩阵R_H，即为绕X,Y,Z坐标轴旋转角度变化构成的矩阵；构建考虑卫星轨道上不同经纬度区域的在轨几何定标模型，其表达式为：

其中，Δω_h为卫星的随太阳高度而变化的滚动角误差，

为卫星的随太阳高度而变化的俯仰角误差，Δκ_h为卫星的随太阳高度而变化的偏航角误差；采用太阳高度的三次多项式模型进行姿态误差拟合，针对基准太阳高度，构建与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型，其表达式为：

其中，Δh为卫星图像集对应的太阳高度相对于基准太阳高度的变化量，(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)分别为滚动角、俯仰角和偏航角的与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数。

S5、将除基准太阳高度外的其他太阳高度的卫星图像的地面控制点的坐标，代入第二几何定标模型，解算与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)和(c₀,c₁,c₂,c₃)。

所述的步骤S5，包括：

对在轨几何定标模型进行变形，引入两个中间矢量[X,Y,Z]和[x,y,z]，其表达式为：

其中，根据像方坐标和物方坐标的转换关系，得到：

进一步得到两个中间矢量的关系式为：

对两个中间矢量的关系式在

处进行泰勒级数展开，得到泰勒级数展开式，其表达式为：

对泰勒级数展开式建立误差方程，解算卫星在不同太阳高度的姿态误差

对于步骤S2中获取的所述的卫星图像集中的沿卫星轨道方向的多行像素内均匀分布的地面控制点，基于所述的基准太阳高度的相机的内标定参数、外标定参数和两个中间矢量，对泰勒级数展开式建立误差方程，其表达式为:

V_i＝A_iΔX-L_i P_i

通过对上述误差方程求解，得到ΔX，其中，ΔX为卫星在拍摄卫星图像集中的各个卫星图像所处的不同太阳高度时的姿态误差向量，A_i表示根据第i个地面控制点的物方坐标计算得到的误差方程的乘性系数，L_i表示根据第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标计算得到的误差方程的加性系数，(x_i,y_i,z_i)和(X_i,Y_i,Z_i)分别表示第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标，P_i表示系数矩阵A_i的权值，V_i表示根据第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标计算得到的修正量；

根据与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型，建立参数误差方程组：

V_ai＝A_aiX_a-L_ai,P_ai

V_bi＝A_biX_b-L_bi,P_bi，

V_ci＝A_ciX_c-L_ci,P_ci

X_a＝[a₀ a₁ a₂ a₃]T

X_b＝[b₀ b₁ b₂ b₃]T，

X_c＝[c₀ c₁ c₂ c₃]^T

L_bi＝[Δω_i]，

L_ci＝[Δκ_i]

其中，V_ai、V_bi和V_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的误差残差向量，，

为卫星的滚动角，ω_i为卫星的俯仰角，κ_i为卫星的偏航角，A_ai、A_bi和A_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的参数误差方程的参数矩阵，X_a、X_b和X_c分别表示与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型的参数，L_bi、L_ai和L_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的误差向量，

Δω_i和Δκ_i分别表示不同太阳高度下卫星的姿态修正量，

Δω_i和Δκ_i表示第i个太阳高度下卫星的姿态误差，h_i表示第i个太阳高度；利用解算得到的卫星在拍摄不同太阳高度的卫星图像时的姿态误差，通过最小二乘法求解参数误差方程组，得到卫星图像集中各个卫星图像对应的与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型的参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)和(c₀,c₁,c₂,c₃),P_ai、P_bi、P_ci分别表示不同太阳高度下卫星的姿态误差的系数矩阵权值。

S6，根据基准太阳高度的相机的标定参数和与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数，基于第二几何定标模型，更新相机的标定参数；利用更新后的标定参数对卫星图像集中的各个卫星图像进行定位处理，并利用地面控制点坐标，分别计算定标前和定标后的卫星图像集的定位精度，当定标后的卫星图像集的定位精度满足预设值要求时，更新定标文件，完成考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标。

所述的卫星图像集要求尽可能均匀分布于卫星完整回归周期内，确保尽可能覆盖不同的经纬度区域，各经纬度区域对应太阳高度分别为h₁、h₂…h_n(其中0≤h≤90°时)，对应的卫星图像分别为I₁、I₂、…、I_n。

所述的地面控制点是经过实地测量或者通过其它方法获取到其精确位置坐标信息的地面点，用于对卫星图像的定位误差进行纠正。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，其特征在于，包括：

S1，获取卫星同一个轨道内不同经纬度区域的卫星图像集，卫星图像集中的每个卫星图像具有相互不同的太阳高度；

S2，将步骤S1获取的卫星图像集都分别与相应经纬度区域的正射影像和数字高程模型进行地面控制点匹配，获取所述的卫星图像集中的沿卫星轨道方向多行像素内均匀分布的地面控制点的像方坐标和物方坐标；

S3，建立第一几何定标模型，选取卫星图像集中某一太阳高度的卫星图像的地面控制点，该卫星图像对应的太阳高度称为基准太阳高度，并将该地面控制点的像方坐标和物方坐标代入第一几何定标模型，采用先解算外方位元素，后解算内方位元素的定标方法，解算第一几何定标模型，得到所述的基准太阳高度的相机的内标定参数(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p)和(n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)，以及外标定参数

p为相机的内标定参数的阶数；

S4，构建与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型,建立考虑卫星轨道上不同经纬度区域的第二几何定标模型；

S5，利用除基准太阳高度外的其他太阳高度的卫星图像的地面控制点的坐标，基于第二几何定标模型，解算与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)和(c₀,c₁,c₂,c₃)；

S6，根据基准太阳高度的相机的标定参数和与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数，基于第二几何定标模型，更新相机的标定参数；利用更新后的标定参数对卫星图像集中的各个卫星图像进行定位处理，并利用地面控制点坐标，分别计算定标前和定标后的卫星图像集的定位精度，当定标后的卫星图像集的定位精度满足预设值要求时，更新定标文件，完成考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标。

2.如权利要求1所述的考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，其特征在于，所述的第一几何定标模型，其表达式为：

式中，S为卫星图像中的地面控制点对应的相机的成像探元的探元编号，(X_WGS84,Y_WGS84,Z_WGS84)为地面控制点在WGS84坐标系下的物方空间坐标，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为卫星GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间坐标，λ为比例因子，

为J2000坐标系至WGS84坐标系的旋转矩阵，

为卫星本体坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，(ψ_x,ψ_y)为卫星图像中的地面控制点对应的相机的成像探元在相机坐标系下的指向角。

3.如权利要求2所述的考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，其特征在于，所述的步骤S4，包括：卫星同一轨道内不同经纬度区域的成像误差矩阵R_H，即为绕X,Y,Z坐标轴旋转角度变化构成的矩阵；构建考虑卫星轨道上不同经纬度区域的在轨几何定标模型，其表达式为：

其中，Δω_h为卫星的随太阳高度而变化的滚动角误差，

为卫星的随太阳高度而变化的俯仰角误差，Δκ_h为卫星的随太阳高度而变化的偏航角误差；采用太阳高度的三次多项式模型进行姿态误差拟合，针对基准太阳高度，构建与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型，其表达式为：

其中，Δh为卫星图像集对应的太阳高度相对于基准太阳高度的变化量，(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)分别为滚动角、俯仰角和偏航角的与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型参数。

4.如权利要求3所述的考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法，其特征在于，所述的步骤S5，包括：

对在轨几何定标模型进行变形，引入两个中间矢量[X,Y,Z]和[x,y,z]，其表达式为：

其中，根据像方坐标和物方坐标的转换关系，得到：

进一步得到两个中间矢量的关系式为：

对两个中间矢量的关系式在

处进行泰勒级数展开，得到泰勒级数展开式，其表达式为：

对泰勒级数展开式建立误差方程，解算卫星在不同太阳高度的姿态误差

对于步骤S2中获取的所述的卫星图像集中的沿卫星轨道方向的多行像素内均匀分布的地面控制点，基于所述的基准太阳高度的相机的内标定参数、外标定参数和两个中间矢量，对泰勒级数展开式建立误差方程，其表达式为:

V_i＝A_iΔX-L_i，

通过对上述误差方程求解，得到ΔX，其中，ΔX为卫星在拍摄卫星图像集中的各个卫星图像所处的不同太阳高度时的姿态误差向量，A_i表示根据第i个地面控制点的物方坐标计算得到的误差方程的乘性系数，L_i表示根据第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标计算得到的误差方程的加性系数，(x_i,y_i,z_i)和(X_i,Y_i,Z_i)分别表示第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标，V_i表示根据第i个地面控制点的像方坐标和物方坐标计算得到的修正量；

根据与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型，建立参数误差方程组：

其中，V_ai、V_bi和V_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的误差残差向量，，

为卫星的滚动角，ω_i为卫星的俯仰角，κ_i为卫星的偏航角，A_ai、A_bi和A_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的参数误差方程的参数矩阵，X_a、X_b和X_c分别表示与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型的参数，L_bi、L_ai和L_ci分别表示卫星的滚动角、俯仰角和偏航角的误差向量，

Δω_i和Δκ_i表示第i个太阳高度下卫星的姿态误差，h_i表示第i个太阳高度；利用解算得到的卫星在拍摄不同太阳高度的卫星图像时的姿态误差，通过最小二乘法求解参数误差方程组，得到卫星图像集中各个卫星图像对应的与太阳高度相关联的姿态误差补偿模型的参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)和(c₀,c₁,c₂,c₃)。

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