CN114972078A - 应用sar影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法及系统 - Google Patents

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CN114972078A CN202210503510.5A CN202210503510A CN114972078A CN 114972078 A CN114972078 A CN 114972078A CN 202210503510 A CN202210503510 A CN 202210503510A CN 114972078 A CN114972078 A CN 114972078A
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Abstract

本发明涉及应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法及系统，与现有技术相比解决了稳健提升国产光学卫星无控几何定位精度。本发明包括以下步骤：构建附加太阳高度角

Description

应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法及 系统
技术领域
本发明涉及星载光学遥感卫星影像高精度几何处理技术领域，具体来说是一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法及系统。
背景技术
近年来，我国空间技术飞速发展，光学卫星影像的质量不断提高、获取更加便捷、成本逐渐降低，光学卫星已成为高分辨率对地观测系统的重要组成部分。随着光学卫星影像的空间分辨率和光谱分辨率的不断提升，细节信息更加丰富，“看得清”的问题得到基本解决。卫星在发射过程中由于应力释放、在轨运行成像环境变化等因素，其成像参数发生变化，严重地降低光学影像的外部几何质量。而在国防军事领、国民经济建设等诸多领域应用中，光学卫星影像的几何精度直接决定了其应用效果。因此，在分辨率提升的基础上，如何使其定位精度性能好，则成了提升国产光学卫星影像性能和扩大应用潜力过程中亟待解决的关键问题。
SAR卫星影像定位由于与姿态无关，较光学遥感卫星几何定位精度表现优良，随着国产高分三号SAR卫星的成功发射以及2022年RADARSAT-1免费公布了其历史17年的数据，可便捷获取更多的SAR数据源，为提升国产光学遥感卫星数据无控几何质量带来可能。目前关于国产光学卫星影像无控几何质量提升研究，国产光学卫星在地面几何处理研究中主要集中利用外部参考数据进行单景影像定位精度提升，每景影像的补偿参数进行单独求解，模型参数适用性差，且计算复杂，因此需对造成绝对定位精度误差差的误差根本原因进行建模。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有国产光学遥感卫星无控几何质量较低的缺陷，提供一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法及系统来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法，包括以下步骤：
11)构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型；利用光学卫星的初始内外方位参数以及姿轨星历数据构建严密几何定位模型，每隔5000行计算卫星质心与太阳质心连线矢量在卫星本体坐标系Z轴的夹角，根据太阳高度角θ构建6阶傅里叶级数形式的无控几何定位误差补偿模型；
12)应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备工作；获取待进行误差补偿的长条带国产光学卫星影像，获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据，并完成光学影像和SAR影像的匹配以得到求解误差模型系数的参考数据；
13)应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解；对偶特定光学卫星长条带影像，每隔5000逐太阳高度角θ构建无控几何定位误差补偿模型并线性化处理，对无控几何定位误差补偿模型中待求补偿系数赋初始值，然后迭代求解，直至计算完太阳高度角范围内的所有误差补偿模型系数。
所述构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型包括以下步骤：
21)构建光学卫星影像的严密几何定位模型。利用影像的内外方位元素以及姿轨星历数据，构建严密几何定位模型如下：
Figure BDA0003635138560000021
上式中，s为观测像元所在的影像列数，[tan(ψx(s))，tan(ψy(s))，1]T为像元s卫星本体坐标系下的指向角，t是像元s的对应观测时间，
Figure BDA0003635138560000022
是卫星本体坐标系到星敏坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0003635138560000031
是星敏感器坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0003635138560000032
是J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，且
Figure BDA0003635138560000033
和
Figure BDA0003635138560000034
随着不同观测时间t而变换，λ是比例系数，
Figure BDA0003635138560000035
为相机中心在WGS84坐标系下的坐标矢量，XGPS(t),YGPS(t),ZGPS(t)分别为相机中心在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标，
Figure BDA0003635138560000036
为观测目标在WGS84坐标系下的坐标矢量，X、Y、Z为观测目标在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
22)计算观测时刻太阳与卫星本体质心连线在卫星本体坐标系下与Z轴的夹角θ，本发明称该夹角为太阳高度角，具体步骤为：
221)由于太阳高度角在相邻影像行之间变化不大，本发明取每隔5000行计算；根据待计算太阳高度角的行获取成像时间t'，根据卫星轨道模型内插出卫星质心的位置矢量
Figure BDA0003635138560000037
其中XGPS(t'),YGPS(t'),ZGPS(t')分别为卫星质心在t'时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
222)获取太阳质心在WGS84坐标系下的位置矢量
Figure BDA0003635138560000038
其中Xsun(t'),Ysun(t'),Zsun(t')为太阳质心在t'时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
223)获取t'时刻卫星质心与太阳质心的相对归一化位置矢量ΔpWGS84，其表达式为ΔpWGS84＝pbody,t'-psun,t'/|pbody,t'-psun,t'|，其中||符号为取模运算；
224)利用光学卫星影像的严密几何定位模型中的旋转矩阵
Figure BDA0003635138560000039
将相对归一化位置矢量ΔpWGS84由WGS84坐标系转到卫星本体body坐标系下，转换完后的矢量记为Δpbody，其具体表达式如下：
Figure BDA00036351385600000310
225)计算Δpbody矢量与本体坐标系Z轴的夹角θ，计算公式如下：θ＝ar cos(Δpbody·Zbody)
上式中Zbody为本体坐标系Z轴的基向量
Figure BDA00036351385600000311
23)构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型。
受星敏视场空间误差、星敏安装矩阵热变形、热弹性误差、翼板热变形等误差源影响，国产光学卫星在传统定标后姿态角仍存在低频误差，从而造成全球无控几何定位慢漂。在定位模型基础上，构建如下补偿模型：
Figure BDA0003635138560000041
上式中，Rcomp为补偿外方位元素误差的补偿矩阵，具体形式如下：
Rcomp(θ)＝R(Δpitch,θ)·R(Δroll,θ)·R(Δyaw,θ)
上式中，θ为太阳高度角，Δpitch,θ、Δroll,θ和Δyaw,θ分别表示θ变量下的pitch俯仰姿态角误差补偿值，roll翻滚姿态角误差补偿值和yaw偏航姿态角误差补偿值，具体表达式如下：
Figure BDA0003635138560000042
Figure BDA0003635138560000043
Figure BDA0003635138560000044
上式中，K为傅里叶级数阶数，在本发明中K值设定为3，C与S分别表示余弦分量与正弦分量，ω0为变量θ的变化频率，ω0根据特定光学卫星运行轨道范围内的太阳高度角变量θ变化最大值和最小值参数进行设定；Δpitch,θ、Δroll,θ、Δyaw,θ表示太阳高度角变量θ下的姿态误差值；arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n，byaw,n表示误差模型系数，为待求未知量。
所述构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型包括以下步骤：
31)国产光学卫星长条带影像获取：由于本发明需对整个卫星运行轨道范围内的太阳高度角构建补偿模型，需获取长条带影像，影像尽可能云量少，且尽可能的覆盖国内外区域；
32)参考影像数据的获取：为了求解无控几何定位误差补偿模型补偿系数，获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据，并对SAR影像进行正射校正和滤波处理；
33)国产光学卫星与SAR卫星影像进行匹配，获取SAR影像平面坐标，并以平面坐标在SRTM DEM影像上内插出高程值，形成三维参考点大地测量坐标
Figure BDA0003635138560000051
其中Lat,Lon为通过匹配从SAR影像上提取的纬度和经度，H为从SRTM DEM对应平面位置提取的高程，并将大地测量坐标(Lat,Lon,H)WGS84转为地心直角坐标形式
Figure BDA0003635138560000052
其中X,Y,Z分别为参考点在地心直角坐标系下的坐标分量。
所述应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解包括以下步骤：
41)转化误差模型形式：将23)构建的附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型转换为如下形式：
Figure BDA0003635138560000053
上式中，下标I表示为长条带影像I，fX,I,fY,I,fZ,I为对应长条带影像I严密几何定位模型的X、Y、Z的观测值函数；
42)逐个太阳高度角θ对无控几何定位误差补偿模型建立参数方程，以构建误差方程；
分别对无控几何定位误差补偿模型中待求的arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n，byaw,n误差模型系数，其中0≤n≤3，求取偏导，则对于误差模型系数在长条带影像I上线性关系式记为：
fX,I线性化：
Figure BDA0003635138560000054
fY,I线性化：
Figure BDA0003635138560000055
fZ,I线性化：
Figure BDA0003635138560000061
上式中，vfX,I为fX,I函数观测值残差向量，vfY,I为fY,I函数观测值残差向量，vfZ,I为fZ,I函数观测值残差向量，
Figure BDA0003635138560000062
以及
Figure BDA0003635138560000063
为fX函数关于误差模型系数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的偏导数，
Figure BDA0003635138560000064
以及
Figure BDA0003635138560000065
为fY,I函数关于误差模型系数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的偏导数，
Figure BDA0003635138560000066
Figure BDA0003635138560000067
以及
Figure BDA0003635138560000068
为fZ,I函数关于误差模型参数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的偏导数，darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n以及dbyaw,n为误差模型系数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的改正数，
Figure BDA0003635138560000069
以及
Figure BDA00036351385600000610
分别表示利用误差模型系数未知数初始值代入41)中公式计算得到的，fX,I、fY,I以及fZ,I分别表示观测值函数。
上式记为：
VI＝AIt-lI，
上式中，t表示SAR影像误差补偿模型系数，A表示误差补偿模型系数相应的线性化后系数矩阵，I表示为长条带影像I，lI为常数项，VI为观测值残差向量；
43)对待求误差模型系数赋初始值：分别对arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n，byaw,n误差模型系数，其中0≤n≤3附初值为0；
44)利用第二步提取的参考点坐标求解误差方程，得到误差模型系数的改正数darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n、dbyaw,n并将改正值更新补偿误差模型系数中；
45)重复步骤43)至44)步，直到误差模型系数的的改正数darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n、dbyaw,n都小于阈值10-6，迭代停止；
46)得到的太阳高度角θ变量下的误差模型系数，间隔5000行重复42)-45)，计算下一个太阳高度角θ的误差模型系数，直至覆盖完光学卫星运行范围内的太阳高度角范围，完成无控几何定位误差补偿模型系数求解；
求解完误差补偿模型系数后，在标准景影像生产过程中将误差补偿模型补偿至几何定位模型中，可有效提升国产光学卫星影像无控几何定位精度。
一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量系统，包括以下模块：
光学几何定位模型构建模块，用于完成长条带光学卫星影像严密几何定位模型构建；应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备模块：完成SAR影像正射校正，光学影像与SAR影像匹配获取三维参考点功能；无控几何定位误差补偿模型构建模块：用于长条带影像逐太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型构建；无控几何定位误差补偿模型系数求解模块：用于完成误差补偿模型系数求解；几何定位误差补偿模型系数补偿模块：用于将几何定位误差补偿模型系数补偿至单景光学影像中，提升无控几何定位精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
有益效果
本发明的一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法及其系统，相较传统单景影像几何质量提升方法，本发明拥有如下显著优势：
传统在轨标定可较好完成某一静态时刻系统误差的补偿，但关键难点在于动态误差的建模和补偿。国产光学卫星由于受空间热环境变化等因素影响，存在随时空变化的低频误差，严重制约了影像无控几何定位。本发明不同于传统单景几何质量提升处理方法，根据国产光学卫星特点，通过将影响卫星热稳定性的太阳高度角引入到定位误差补偿模型中，构建傅里叶级数形式的误差模型，利用SAR影像参考数据完成误差补偿参数的求解，对影响无控几何定位误差根本原因进行建模，形成可操作性的无控几何质量提升途径，进而有效提升国产光学卫星影像的无控几何质量。
附图说明
图1为本发明的方法顺序图；
图2为本发明所涉及的方法实施流程图；
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1和图2所示，本发明所述的一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法，包括以下步骤：
第一步，构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型；利用光学卫星的初始内外方位参数以及姿轨星历数据构建严密几何定位模型，每隔5000行计算卫星质心与太阳质心连线矢量在卫星本体坐标系Z轴的夹角，根据太阳高度角θ构建6阶傅里叶级数形式的无控几何定位误差补偿模型。
其具体步骤如下：
(1)构建光学卫星影像的严密几何定位模型。利用影像的内外方位元素以及姿轨星历数据，构建严密几何定位模型如下：
Figure BDA0003635138560000091
上式中，s为观测像元所在的影像列数，[tan(ψx(s))，tan(ψy(s))，1]T为像元s卫星本体坐标系下的指向角，t是像元s的对应观测时间，
Figure BDA0003635138560000092
是卫星本体坐标系到星敏坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0003635138560000093
是星敏感器坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0003635138560000094
是J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，且
Figure BDA0003635138560000095
和
Figure BDA0003635138560000096
随着不同观测时间t而变换，λ是比例系数，
Figure BDA0003635138560000097
为相机中心在WGS84坐标系下的坐标矢量，XGPS(t),YGPS(t),ZGPS(t)分别为相机中心在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标，
Figure BDA0003635138560000098
为观测目标在WGS84坐标系下的坐标矢量，X、Y、Z为观测目标在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标。
(2)计算观测时刻太阳与卫星本体质心连线在卫星本体坐标系下与Z轴的夹角θ，本发明称该夹角为太阳高度角，具体步骤为：
A1)由于太阳高度角在相邻影像行之间变化不大，本发明取每隔5000行计算；根据待计算太阳高度角的行获取成像时间t'，根据卫星轨道模型内插出卫星质心的位置矢量
Figure BDA0003635138560000099
其中XGPS(t'),YGPS(t'),ZGPS(t')分别为卫星质心在t'时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
A2)获取太阳质心在WGS84坐标系下的位置矢量
Figure BDA00036351385600000910
其中Xsun(t'),Ysun(t'),Zsun(t')为太阳质心在t'时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
A3)获取t'时刻卫星质心与太阳质心的相对归一化位置矢量ΔpWGS84，其表达式为ΔpWGS84＝pbody,t'-psun,t'/|pbody,t'-psun,t'|，其中||符号为取模运算；
A4)利用光学卫星影像的严密几何定位模型中的旋转矩阵
Figure BDA00036351385600000911
将相对归一化位置矢量ΔpWGS84由WGS84坐标系转到卫星本体body坐标系下，转换完后的矢量记为Δpbody，其具体表达式如下：
Figure BDA00036351385600000912
A5)计算Δpbody矢量与本体坐标系Z轴的夹角θ，计算公式如下：
θ＝ar cos(Δpbody·Zbody)
上式中Zbody为本体坐标系Z轴的基向量
Figure BDA0003635138560000101
(3)构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型。
受星敏视场空间误差、星敏安装矩阵热变形、热弹性误差、翼板热变形等误差源影响，国产光学卫星在传统定标后姿态角仍存在低频误差，从而造成全球无控几何定位慢漂。在定位模型基础上，构建如下补偿模型：
Figure BDA0003635138560000102
上式中，Rcomp为补偿外方位元素误差的补偿矩阵，具体形式如下：
Rcomp(θ)＝R(Δpitch,θ)·R(Δroll,θ)·R(Δyaw,θ)
上式中，θ为太阳高度角，Δpitch,θ、Δroll,θ和Δyaw,θ分别表示θ变量下的pitch俯仰姿态角误差补偿值，roll翻滚姿态角误差补偿值和yaw偏航姿态角误差补偿值，具体表达式如下：
Figure BDA0003635138560000103
Figure BDA0003635138560000104
Figure BDA0003635138560000105
上式中，K为傅里叶级数阶数，在本发明中K值设定为3，C与S分别表示余弦分量与正弦分量，ω0为变量θ的变化频率，ω0根据特定光学卫星运行轨道范围内的太阳高度角变量θ变化最大值和最小值参数进行设定；Δpitch,θ、Δroll,θ、Δyaw,θ表示太阳高度角变量θ下的姿态误差值；arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n，byaw,n表示误差模型系数，为待求未知量。
第二步，应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备工作；获取待进行误差补偿的长条带国产光学卫星影像，获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据，并完成光学影像和SAR影像的匹配以得到求解误差模型系数的参考数据。
其具体步骤如下：
(1)国产光学卫星长条带影像获取：由于本发明需对整个卫星运行轨道范围内的太阳高度角构建补偿模型，需获取长条带影像，影像尽可能云量少，且尽可能的覆盖国内外区域；
(2)参考影像数据的获取：为了求解无控几何定位误差补偿模型补偿系数，获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据，并对SAR影像进行正射校正和滤波处理；
(3)国产光学卫星与SAR卫星影像进行匹配，获取SAR影像平面坐标，并以平面坐标在SRTM DEM影像上内插出高程值，形成三维参考点大地测量坐标
Figure BDA0003635138560000111
其中Lat,Lon为通过匹配从SAR影像上提取的纬度和经度，H为从SRTM DEM对应平面位置提取的高程，并将大地测量坐标(Lat,Lon,H)WGS84转为地心直角坐标形式
Figure BDA0003635138560000112
其中X,Y,Z分别为参考点在地心直角坐标系下的坐标分量。
第三步，应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解；对偶特定光学卫星长条带影像，每隔5000逐太阳高度角θ构建无控几何定位误差补偿模型并线性化处理，对无控几何定位误差补偿模型中待求补偿系数赋初始值，然后迭代求解，直至计算完太阳高度角范围内的所有误差补偿模型系数。其具体步骤如下：
(1)转化误差模型形式：将第一步中(3)构建的构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型转换为如下形式：
Figure BDA0003635138560000113
上式中，下标I表示为长条带影像I，fX,I,fY,I,fZ,I为对应长条带影像I严密几何定位模型的X、Y、Z的观测值函数。
(2)逐个太阳高度角θ对无控几何定位误差补偿模型建立参数方程，以构建误差方程；
分别对无控几何定位误差补偿模型中待求的arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n，byaw,n误差模型系数，其中0≤n≤3，求取偏导，则对于误差模型系数在长条带影像I上线性关系式记为：
fX,I线性化：
Figure BDA0003635138560000121
fY,I线性化：
Figure BDA0003635138560000122
fZ,I线性化：
Figure BDA0003635138560000123
上式中，vfX,I为fX,I函数观测值残差向量，vfY,I为fY,I函数观测值残差向量，vfZ,I为fZ,I函数观测值残差向量，
Figure BDA0003635138560000124
以及
Figure BDA0003635138560000125
为fX函数关于误差模型系数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的偏导数，
Figure BDA0003635138560000126
以及
Figure BDA0003635138560000127
为fY,I函数关于误差模型系数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的偏导数，
Figure BDA0003635138560000128
Figure BDA0003635138560000129
以及
Figure BDA00036351385600001210
为fZ,I函数关于误差模型参数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的偏导数，darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n以及dbyaw,n为误差模型系数arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n以及byaw,n的改正数，
Figure BDA00036351385600001211
以及
Figure BDA00036351385600001212
分别表示利用误差模型系数未知数初始值代入第三步(1)中公式计算得到的，fX,I、fY,I以及fZ,I分别表示观测值函数。
上式记为：
VI＝AIt-lI，
上式中，t表示SAR影像误差补偿模型系数，A表示误差补偿模型系数相应的线性化后系数矩阵，I表示为长条带影像I，lI为常数项，VI为观测值残差向量；
(3)对待求误差模型系数赋初始值：分别对arow,n，apitch,n，ayaw,n，brow,n，bpitch,n，byaw,n误差模型系数，其中0≤n≤3附初值为0。
(4)利用第二步提取的参考点坐标求解误差方程，得到误差模型系数的改正数darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n、dbyaw,n并将改正值更新补偿误差模型系数中；
(5)重复步骤(3)至(4)步，直到误差模型系数的的改正数darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n、dbyaw,n都小于阈值10-6，迭代停止；
(6)得到的太阳高度角θ变量下的误差模型系数，间隔5000行重复(2)-
(5)，计算下一个太阳高度角θ的误差模型系数，直至覆盖完光学卫星运行范围内的太阳高度角范围，完成无控几何定位误差补偿模型系数求解；
求解完误差补偿模型系数后，在标准景影像生产过程中将误差补偿模型补偿至几何定位模型中，可有效提升国产光学卫星影像无控几何定位精度。
在此，还提供一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量系统，包括以下模块：
光学几何定位模型构建模块，用于完成长条带光学卫星影像严密几何定位模型构建；应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备模块：完成SAR影像正射校正，光学影像与SAR影像匹配获取三维参考点功能；无控几何定位误差补偿模型构建模块：用于长条带影像逐太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型构建；无控几何定位误差补偿模型系数求解模块：用于完成误差补偿模型系数求解；几何定位误差补偿模型系数补偿模块：用于将几何定位误差补偿模型系数补偿至单景光学影像中，提升无控几何定位精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法，其特征在于，包括以下步骤：
11）构建附加太阳高度角
Figure 492143DEST_PATH_IMAGE001
变量的无控几何定位误差补偿模型；利用光学卫星的初始内外方位参数以及姿轨星历数据构建严密几何定位模型，每隔5000行计算卫星质心与太阳质心连线矢量在卫星本体坐标系Z轴的夹角，根据太阳高度角
Figure 278833DEST_PATH_IMAGE001
构建6阶傅里叶级数形式的无控几何定位误差补偿模型；
12）应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备工作；获取待进行误差补偿的长条带国产光学卫星影像，获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据，并完成光学影像和SAR影像的匹配以得到求解误差模型系数的参考数据；
13）应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解；对偶特定光学卫星长条带影像，每隔5000逐太阳高度角
Figure 636871DEST_PATH_IMAGE002
构建无控几何定位误差补偿模型并线性化处理，对无控几何定位误差补偿模型中待求补偿系数赋初始值，然后迭代求解，直至计算完太阳高度角范围内的所有误差补偿模型系数。
2.根据权利要求1所述的应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法，其特征在于，所述构建附加太阳高度角
Figure 90986DEST_PATH_IMAGE001
变量的无控几何定位误差补偿模型包括以下步骤：
21）构建光学卫星影像的严密几何定位模型；利用影像的内外方位元素以及姿轨星历数据，构建严密几何定位模型如下：
Figure 338428DEST_PATH_IMAGE003
Figure 986316DEST_PATH_IMAGE004
上式中，
Figure 508564DEST_PATH_IMAGE005
为观测像元所在的影像列数，
Figure 286027DEST_PATH_IMAGE006
为像元
Figure 609430DEST_PATH_IMAGE007
卫星本体坐标系下的指向角，
Figure 105133DEST_PATH_IMAGE008
是像元
Figure 165493DEST_PATH_IMAGE005
的对应观测时间，
Figure 63042DEST_PATH_IMAGE009
是卫星本体坐标系到星敏坐标系的旋转矩阵，
Figure 150821DEST_PATH_IMAGE010
是星敏感器坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，
Figure 274766DEST_PATH_IMAGE011
是J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，且
Figure 607659DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 389408DEST_PATH_IMAGE012
随着不同观测时间
Figure 149553DEST_PATH_IMAGE008
而变换，
Figure 354270DEST_PATH_IMAGE013
是比例系数，
Figure 407631DEST_PATH_IMAGE014
为相机中心在WGS84坐标系下的坐标矢量，
Figure 14193DEST_PATH_IMAGE015
分别为相机中心在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标，
Figure 945240DEST_PATH_IMAGE016
为观测目标在WGS84坐标系下的坐标矢量，X、Y、Z为观测目标在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
22）计算观测时刻太阳与卫星本体质心连线在卫星本体坐标系下与
Figure 168411DEST_PATH_IMAGE017
轴的夹角
Figure 607220DEST_PATH_IMAGE001
，本发明称该夹角为太阳高度角，具体步骤为：
221）由于太阳高度角在相邻影像行之间变化不大，本发明取每隔5000行计算；根据待计算太阳高度角的行获取成像时间
Figure 68289DEST_PATH_IMAGE018
，根据卫星轨道模型内插出卫星质心的位置矢量
Figure 576762DEST_PATH_IMAGE019
,其中
Figure 254605DEST_PATH_IMAGE020
分别为卫星质心在
Figure 264150DEST_PATH_IMAGE021
时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
222）获取太阳质心在WGS84坐标系下的位置矢量
Figure 579724DEST_PATH_IMAGE022
，其中
Figure 118153DEST_PATH_IMAGE023
为太阳质心在
Figure 17714DEST_PATH_IMAGE021
时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标；
223）获取
Figure 706315DEST_PATH_IMAGE018
时刻卫星质心与太阳质心的相对归一化位置矢量
Figure 876397DEST_PATH_IMAGE024
，其表达式为
Figure 84262DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 503742DEST_PATH_IMAGE026
符号为取模运算；
224）利用光学卫星影像的严密几何定位模型中的旋转矩阵
Figure 323930DEST_PATH_IMAGE027
将相对归一化位置矢量
Figure 614097DEST_PATH_IMAGE028
由WGS84坐标系转到卫星本体body坐标系下，转换完后的矢量记为
Figure 399388DEST_PATH_IMAGE029
，其具体表达式如下：
Figure 775006DEST_PATH_IMAGE030
；
225）计算
Figure 930044DEST_PATH_IMAGE031
矢量与本体坐标系Z轴的夹角
Figure 573253DEST_PATH_IMAGE001
，计算公式如下：
Figure 624385DEST_PATH_IMAGE032
上式中
Figure 487299DEST_PATH_IMAGE033
为本体坐标系Z轴的基向量
Figure 554350DEST_PATH_IMAGE034
；
23）构建附加太阳高度角
Figure 819109DEST_PATH_IMAGE001
变量的无控几何定位误差补偿模型；
受星敏视场空间误差、星敏安装矩阵热变形、热弹性误差、翼板热变形等误差源影响，国产光学卫星在传统定标后姿态角仍存在低频误差，从而造成全球无控几何定位慢漂；在定位模型基础上，构建如下补偿模型：
Figure 775564DEST_PATH_IMAGE035
Figure 125774DEST_PATH_IMAGE036
上式中，
Figure 945368DEST_PATH_IMAGE037
为补偿外方位元素误差的补偿矩阵，具体形式如下：
Figure 64634DEST_PATH_IMAGE038
上式中，
Figure 457569DEST_PATH_IMAGE001
为太阳高度角，
Figure 934556DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 438349DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 677701DEST_PATH_IMAGE041
分别表示
Figure 772696DEST_PATH_IMAGE001
变量下的
Figure 330454DEST_PATH_IMAGE042
俯仰姿态角误差补偿值，
Figure 637938DEST_PATH_IMAGE043
翻滚姿态角误差补偿值和
Figure 138321DEST_PATH_IMAGE044
偏航姿态角误差补偿值，具体表达式如下：
Figure 371594DEST_PATH_IMAGE045
Figure 449271DEST_PATH_IMAGE046
Figure 294868DEST_PATH_IMAGE047
上式中，K为傅里叶级数阶数，在本发明中K值设定为3，
Figure 243232DEST_PATH_IMAGE048
与
Figure 53931DEST_PATH_IMAGE049
分别表示余弦分量与正弦分量，
Figure 618904DEST_PATH_IMAGE050
为变量
Figure 173251DEST_PATH_IMAGE001
的变化频率，
Figure 976122DEST_PATH_IMAGE050
根据特定光学卫星运行轨道范围内的太阳高度角变量
Figure 52663DEST_PATH_IMAGE001
变化最大值和最小值参数进行设定；
Figure 104932DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 462970DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 120348DEST_PATH_IMAGE041
表示太阳高度角变量
Figure 367789DEST_PATH_IMAGE001
下的姿态误差值；
Figure 405890DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 396980DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 174443DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 592786DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 5268DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 534470DEST_PATH_IMAGE056
表示误差模型系数，为待求未知量。
3.根据权利要求1所述的应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法，其特征在于，所述构建附加太阳高度角
Figure 166439DEST_PATH_IMAGE001
变量的无控几何定位误差补偿模型包括以下步骤：
31）国产光学卫星长条带影像获取：由于本发明需对整个卫星运行轨道范围内的太阳高度角构建补偿模型，需获取长条带影像，影像尽可能云量少，且尽可能的覆盖国内外区域；
32）参考影像数据的获取：为了求解无控几何定位误差补偿模型补偿系数，获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据，并对SAR影像进行正射校正和滤波处理；
33）国产光学卫星与SAR卫星影像进行匹配，获取SAR影像平面坐标，并以平面坐标在SRTMDEM影像上内插出高程值，形成三维参考点大地测量坐标
Figure 519798DEST_PATH_IMAGE057
，其中
Figure 768377DEST_PATH_IMAGE058
为通过匹配从SAR影像上提取的纬度和经度，
Figure 101269DEST_PATH_IMAGE059
为从SRTM DEM对应平面位置提取的高程，并将大地测量坐标
Figure 758384DEST_PATH_IMAGE060
转为地心直角坐标形式
Figure 518530DEST_PATH_IMAGE061
，其中
Figure 254405DEST_PATH_IMAGE062
分别为参考点在地心直角坐标系下的坐标分量。
4.根据权利要求1所述的应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法，其特征在于，所述应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解包括以下步骤：
41）转化误差模型形式：将23）构建的附加太阳高度角
Figure 390988DEST_PATH_IMAGE001
变量的无控几何定位误差补偿模型转换为如下形式：
Figure 496085DEST_PATH_IMAGE063
Figure 833656DEST_PATH_IMAGE064
上式中，下标
Figure 525669DEST_PATH_IMAGE065
表示为长条带影像I ，
Figure 230057DEST_PATH_IMAGE066
为对应长条带影像I严密几何定位模型的X、Y、Z的观测值函数；
42）逐个太阳高度角
Figure 97650DEST_PATH_IMAGE067
对无控几何定位误差补偿模型建立参数方程，以构建误差方程；
分别对无控几何定位误差补偿模型中待求的
Figure 996336DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 674180DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 886987DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 874665DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 177209DEST_PATH_IMAGE069
，
Figure 843813DEST_PATH_IMAGE070
误差模型系数，其中
Figure 860311DEST_PATH_IMAGE071
，求取偏导，则对于误差模型系数在长条带影像I上线性关系式记为：
Figure 201031DEST_PATH_IMAGE072
线性化：
Figure 910361DEST_PATH_IMAGE073
Figure 798683DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 150030DEST_PATH_IMAGE075
线性化：
Figure 950451DEST_PATH_IMAGE076
Figure 237207DEST_PATH_IMAGE077
，
Figure 612824DEST_PATH_IMAGE078
线性化：
Figure 818DEST_PATH_IMAGE079
Figure 411071DEST_PATH_IMAGE080
，
上式中，
Figure 868728DEST_PATH_IMAGE081
为
Figure 230177DEST_PATH_IMAGE072
函数观测值残差向量，
Figure 923326DEST_PATH_IMAGE082
为
Figure 922507DEST_PATH_IMAGE083
函数观测值残差向量，
Figure 49600DEST_PATH_IMAGE084
为
Figure 399810DEST_PATH_IMAGE085
函数观测值残差向量，
Figure 896651DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure 15916DEST_PATH_IMAGE087
、
Figure 641807DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure 354680DEST_PATH_IMAGE089
、
Figure 763533DEST_PATH_IMAGE090
以及
Figure 2885DEST_PATH_IMAGE091
为
Figure 832300DEST_PATH_IMAGE092
函数关于误差模型系数
Figure 655638DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 963122DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 197926DEST_PATH_IMAGE093
，
Figure 431198DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 977717DEST_PATH_IMAGE094
以及
Figure 620051DEST_PATH_IMAGE095
的偏导数，
Figure 568416DEST_PATH_IMAGE096
、
Figure 984309DEST_PATH_IMAGE097
、
Figure 424649DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 73936DEST_PATH_IMAGE099
、
Figure 906500DEST_PATH_IMAGE100
以及
Figure 983041DEST_PATH_IMAGE101
为
Figure 504152DEST_PATH_IMAGE083
函数关于误差模型系数
Figure 596611DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 50726DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 298167DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 211634DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 202724DEST_PATH_IMAGE094
以及
Figure 980187DEST_PATH_IMAGE095
的偏导数，
Figure 929689DEST_PATH_IMAGE102
、
Figure 64873DEST_PATH_IMAGE103
、
Figure 390812DEST_PATH_IMAGE104
、
Figure 927841DEST_PATH_IMAGE105
、
Figure 517086DEST_PATH_IMAGE106
以及
Figure 31244DEST_PATH_IMAGE107
为
Figure 364136DEST_PATH_IMAGE078
函数关于误差模型参数
Figure 755672DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 781397DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 517272DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 152390DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 899897DEST_PATH_IMAGE094
以及
Figure 96523DEST_PATH_IMAGE095
的偏导数，
Figure 298790DEST_PATH_IMAGE108
、
Figure 504643DEST_PATH_IMAGE109
、
Figure 965712DEST_PATH_IMAGE110
、
Figure 238299DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 152028DEST_PATH_IMAGE112
以及
Figure 161572DEST_PATH_IMAGE113
为误差模型系数
Figure 742727DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 920636DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 118399DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 134897DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 475617DEST_PATH_IMAGE094
以及
Figure 919368DEST_PATH_IMAGE095
的改正数，
Figure 604427DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 329675DEST_PATH_IMAGE115
以及
Figure 557525DEST_PATH_IMAGE116
分别表示利用误差模型系数未知数初始值代入41）中公式计算得到的，
Figure 936292DEST_PATH_IMAGE117
、
Figure 311909DEST_PATH_IMAGE118
以及
Figure 201368DEST_PATH_IMAGE119
分别表示观测值函数；
上式记为：
Figure 516681DEST_PATH_IMAGE120
，
上式中，
Figure 302234DEST_PATH_IMAGE121
表示SAR影像误差补偿模型系数，
Figure 165148DEST_PATH_IMAGE122
表示误差补偿模型系数相应的线性化后系数矩阵，
Figure 858297DEST_PATH_IMAGE123
表示为长条带影像I，
Figure 621592DEST_PATH_IMAGE124
为常数项，
Figure 250150DEST_PATH_IMAGE125
为观测值残差向量；
43）对待求误差模型系数赋初始值：分别对
Figure 600360DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 341875DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 461141DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 260601DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 127801DEST_PATH_IMAGE126
，
Figure 631594DEST_PATH_IMAGE127
误差模型系数，其中
Figure 11891DEST_PATH_IMAGE071
附初值为0；
44）利用第二步提取的参考点坐标求解误差方程，得到误差模型系数的改正数
Figure 74263DEST_PATH_IMAGE108
、
Figure 930223DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure 972129DEST_PATH_IMAGE129
、
Figure 971046DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 705784DEST_PATH_IMAGE130
、
Figure 783462DEST_PATH_IMAGE131
并将改正值更新补偿误差模型系数中；
45）重复步骤43）至44）步，直到误差模型系数的的改正数
Figure 894637DEST_PATH_IMAGE108
、
Figure DEST_PATH_IMAGE132
、
Figure 216903DEST_PATH_IMAGE133
、
Figure 122542DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 61417DEST_PATH_IMAGE134
、
Figure 445125DEST_PATH_IMAGE135
都小于阈值
Figure 513575DEST_PATH_IMAGE136
，迭代停止；
46）得到的太阳高度角
Figure 619809DEST_PATH_IMAGE067
变量下的误差模型系数，间隔5000行重复42）-45），计算下一个太阳高度角
Figure 140920DEST_PATH_IMAGE002
的误差模型系数，直至覆盖完光学卫星运行范围内的太阳高度角范围，完成无控几何定位误差补偿模型系数求解；
求解完误差补偿模型系数后，在标准景影像生产过程中将误差补偿模型补偿至几何定位模型中，可有效提升国产光学卫星影像无控几何定位精度。
5.根据权利要求1所述的一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量系统，包括以下模块：
光学几何定位模型构建模块，用于完成长条带光学卫星影像严密几何定位模型构建；应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备模块：完成SAR影像正射校正，光学影像与SAR影像匹配获取三维参考点功能；无控几何定位误差补偿模型构建模块：用于长条带影像逐太阳高度角
Figure 734844DEST_PATH_IMAGE001
变量的无控几何定位误差补偿模型构建；无控几何定位误差补偿模型系数求解模块：用于完成误差补偿模型系数求解；几何定位误差补偿模型系数补偿模块：用于将几何定位误差补偿模型系数补偿至单景光学影像中，提升无控几何定位精度。
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