[發(fā)明專利]基于高精度配準(zhǔn)控制點(diǎn)的衛(wèi)星CCD陣列影像幾何檢校方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310064958.2
• 申請(qǐng)日: 2013-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103148870A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐新明;張過(guò);蔣永華;祝小勇;高小明;付興科;樊文鋒;謝金華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心
• 主分類號(hào): G01C25/00
• 分類號(hào): G01C25/00
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• 代理人: 暫無(wú)信息

1.一種基于高精度配準(zhǔn)控制點(diǎn)的衛(wèi)星CCD陣列影像幾何檢校方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1.1，針對(duì)待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像與高精度數(shù)字正射影像(DOM)分辨率的差異，利用所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像的內(nèi)方位元素、輔助姿態(tài)、軌道、影像行掃描時(shí)間文件和高精度數(shù)字高程模型(DEM)影像，構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型，對(duì)所述高精度DOM影像進(jìn)行重采樣，生成一幅與所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像相同大小的模擬影像。所述步驟1.1具體包括以下步驟：

步驟1.1.1，利用衛(wèi)星發(fā)射前測(cè)量的相機(jī)內(nèi)方位元素，待檢校衛(wèi)星CCD陣列影像的輔助姿態(tài)、軌道、影像行掃描時(shí)間文件，結(jié)合高精度DEM影像，構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型如下：

XYZWGS84=XSYSZSWGS84+mRbody2WGS84RURcamera2bodyx-x0-Δxy-y0-Δy-fcamera]]>

式中：

XYZWGS84]]>為像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系下的地面坐標(biāo)；

XSYSZSWGS84]]>為成像時(shí)刻衛(wèi)星在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其是星上下傳的

WGS84坐標(biāo)系下的GPS數(shù)據(jù)，從星上下傳的軌道文件中獲得；

R_body2WGS84由星上下傳的姿態(tài)文件獲得，描述衛(wèi)星成像姿態(tài)；

R_camera2body為載荷在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的安裝矩陣，描述載荷與衛(wèi)星本體的相對(duì)關(guān)系，其值會(huì)在衛(wèi)星發(fā)射前進(jìn)行精密測(cè)量；

m為成像比例；

R_U為偏置矩陣；

x-x0-Δxy-y0-Δy-fcamera]]>為像點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其由主點(diǎn)(x₀，y₀)、主距f及衛(wèi)星發(fā)射前測(cè)量的相機(jī)畸變值(Δx，Δy)共同決定；

步驟1.1.2，對(duì)模擬影像上的任一個(gè)像素(x，y)，其中x為影像上像素的列坐標(biāo)，y為影像上像素的行坐標(biāo)，通過(guò)所述步驟1.1.1構(gòu)建的嚴(yán)密幾何模型建立對(duì)應(yīng)關(guān)系(X，Y，Z)_WGS84＝Tran(x，y)，其中Tran(x，y)表示在步驟1.1.1中構(gòu)建的幾何模型，(X，Y，Z)_WGS84為WGS84橢球下的空間直角坐標(biāo)，按地圖投影轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(X,Y,Z)WGS84⇒(lat,lon,h)⇒(east,north)refDom,]]>將(X，Y，Z)_WGS84轉(zhuǎn)到高精度DOM的投影坐標(biāo)系下，得到(east，north)_refDom；

步驟1.1.3，將(east，north)_refDom在高精度DOM上進(jìn)行定位。具體的，獲取高精度DOM左上角點(diǎn)坐標(biāo)(hStart，vStart)和DOM分辨率(hRes，vRes)，則(east，north)_refDom對(duì)應(yīng)的DOM像素點(diǎn)為((east-hStart)/hRes，(north-vStart)/vRes)，對(duì)所述DOM像素點(diǎn)進(jìn)行灰度重采樣，得到模擬影像像素(x，y)的灰度；

步驟1.1.4，重復(fù)步驟1.1.1-1.1.3，直至生成一幅與檢校影像相同大小的模擬影像。

步驟1.2，采用相位相關(guān)的高精度配準(zhǔn)算法，對(duì)所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像與模擬影像進(jìn)行列等間隔配準(zhǔn)，獲取控制點(diǎn)；所述步驟1.2具體包括以下步驟：

步驟1.2.1，根據(jù)所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像的CCD陣列大小，確定配準(zhǔn)列間隔；具體的，假定所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像的大小為w·h，w為影像寬，h為影像高，取配準(zhǔn)列間隔為n，n為一正整數(shù)，則所述配準(zhǔn)將在所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像的n、2n，3n......in列上進(jìn)行，它們對(duì)應(yīng)的探元號(hào)記為x_n、x_2n，x_3n......x_i·n(x_i·n≤w)；

步驟1.2.2，針對(duì)所有所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像的配準(zhǔn)列x_i·n(x_i·n≤w)，對(duì)每個(gè)配準(zhǔn)列下的h個(gè)影像點(diǎn)逐一與模擬影像配準(zhǔn)，獲取配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)(x_i·n，y，x′，y′，其中(x_i·n，y)為模擬影像上的第x_i·n列，第y行上的像素，(x′，y′)為對(duì)應(yīng)的所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像；

步驟1.2.3，所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像與模擬影像之間優(yōu)選的用仿射模型xi·n=a0+a1x′+a2y′y=b0+b1x′+b2y′]]>建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；依據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用步驟1.2.2獲取的所有配準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)最小二乘解求得系數(shù)(a₀?a₁?a₂?b₀?b₁?b₂)、模型單位權(quán)中誤差、以及各配準(zhǔn)點(diǎn)平差后的殘差，將殘差大于所述模型單位權(quán)中誤差的各配準(zhǔn)點(diǎn)剔除；重復(fù)進(jìn)行該操作，直至單位權(quán)中誤差小于一個(gè)預(yù)定的閾值；

步驟1.2.4，利用步驟1.1.1構(gòu)建的嚴(yán)密幾何成像模型，將各配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)(x_i·n，y，x′，y′)對(duì)應(yīng)的模擬影像像素(x_i·n，y)計(jì)算到地面坐標(biāo)：(X，Y，Z)_WGS84＝Tran(xi_·n，y)，從而得到所述待檢校的衛(wèi)星CCD陣列影像的控制點(diǎn)(x′，y′，X，Y，Z)；

步驟1.3，利用通過(guò)步驟1.2.4得到的所有控制點(diǎn)來(lái)解求偏置矩陣，以利用求得的偏置矩陣來(lái)補(bǔ)償載荷安裝誤差、姿態(tài)和軌道系統(tǒng)誤差；求解所述偏置矩陣R_U的步驟具體如下：

所述偏置矩陣R_U記為：

采用指向角模型表述內(nèi)方位元素：

令：

x‾y‾z‾body=Rcamera2bodyx-x0y-y0-fcamera]]>

上式中：

R_camera2body為載荷在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的安裝矩陣，描述載荷與衛(wèi)星本體的相對(duì)關(guān)系，其值會(huì)在衛(wèi)星發(fā)射前進(jìn)行精密測(cè)量；

x-x0y-y0-fcamera]]>為影像點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其中x₀、y₀描述相機(jī)主點(diǎn)，f描述相機(jī)主距。

由上式得出坐標(biāo)后，

易知：

ψx=arctan(x‾z‾)]]>

ψy=arctan(y‾z‾)]]>

則步驟1中嚴(yán)密幾何成像模型可變換為：

tan(ψx)tan(ψy)1=1mRU-1Rbody2WGS84-1X-XSY-YSZ-ZSWGS84]]>

令X‾Y‾Z‾body=Rbody2WGS84-1X-XSY-YSZ-ZSWGS84]]>則上式可化為：

a1X‾+b1Y‾+c1Z‾a3X‾+b3Y‾+c3Z‾-tan(ψx)=0]]>

a2X‾+b2Y‾+c2Z‾a3X‾+b3Y‾+c3Z‾-tan(ψy)=0]]>

令

f(x)=a1X‾+b1Y‾+c1Z‾a3X‾+b3Y‾+c3Z‾-tan(ψx)]]>

f(y)=a2X‾+b2Y‾+c2Z‾a3X‾+b3Y‾+c3Z‾-tan(ψy)]]>

列出誤差方程：V＝Bx-l，W

式中，V=Vf(x)Vf(y)]]>l=-fx0-fy0,]]>

W為權(quán)矩陣；

利用最小二乘原理：x＝(B^TB)^-1B^Tl，由此可計(jì)算出偏置矩陣三個(gè)角元素從而求解出偏置矩陣。

步驟1.4，將解求得到的偏置矩陣引入嚴(yán)密成像幾何模型，利用控制點(diǎn)解求待檢校的衛(wèi)星CCD陣列探元指向角，最終獲取CCD陣列中每個(gè)探元在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的探元指向角；所述步驟1.4具體包括以下步驟：

步驟1.4.1，針對(duì)配準(zhǔn)列x_i·n(x_i·n≤w)，利用該列下經(jīng)過(guò)步驟1.2.4配準(zhǔn)獲得的多個(gè)控制點(diǎn)來(lái)解求探元x_i·n在本體坐標(biāo)系下的指向角；具體的，

將步驟1中的嚴(yán)密成像幾何模型轉(zhuǎn)換為：

X-XSY-YSZ-ZSWGS84=mRbody2WGS84RUtan(ψx)tan(ψy)1body]]>

令XXYYZZ=X-XSY-YSZ-ZSWGS84,]]>R=Rbody2WGS84RUa1a2a3b1b2b3c1c2c3]]>

a1tan(ψx)+a2tan(ψy)+a3c1tan(ψx)+c2tan(ψy)+c3-XXZZ=0]]>

上式可化為：b1tan(ψx)+b2tan(ψy)+b3c1tan(ψx)+c2tan(ψy)+c3-YYZZ=0]]>

fx=a1tan(ψx)+a2tan(ψy)+a3c1tan(ψx)+c2tan(ψy)+c3-XXZZ]]>

令fy=b1tan(ψx)+b2tan(ψy)+b3c1tan(ψx)+c2tan(ψy)+c3-YYZZ]]>

列出誤差方程：V＝Bx-l，W

式中，V=VfxVfy]]>B=∂fx∂(tan(ψx))∂fx∂(tan(ψy))∂fy∂(tan(ψx))∂fy∂(tan(ψy))]]>l=-fx0-fy0,]]>x＝(tan(ψ_x)tan(ψ_y))，

W為權(quán)矩陣。

利用最小二乘原理：x＝(B^TB)^-1B^Tl，由此可計(jì)算出x_i·n探元的指向角正切值(tan(ψ_x)tan(ψ_y))，進(jìn)而得到x_i·n探元的探元指向角(ψ_x?ψ_y)。

步驟1.4.2，對(duì)各配準(zhǔn)列x_i·n(x_i·n≤w)執(zhí)行步驟1.4.1，根據(jù)步驟1.2.3刪除誤匹配點(diǎn)后保留下來(lái)的高精度配準(zhǔn)點(diǎn)分布情況，解求得到多個(gè)探元的探元指向角：(tan(ψ_x)tan(ψ_y))_n、(tan(ψ_x)tan(ψ_y))_2n……，n為配準(zhǔn)列間隔，對(duì)解求獲取的所有探元指向角進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，一般取不超過(guò)5次多項(xiàng)式。

tan(ψ_x)＝a₀+a₁x+a₂x²+……+a_ixⁱ

tan(ψ_y)＝b₀+b₁x+b₂x²+……+b_ixⁱ，i≤5

其中x表示探元編號(hào)，對(duì)應(yīng)于待檢校圖像列號(hào)；基于最小二乘解求得到參數(shù)a₀、a₁……a_i；b₀、b₁……b_i，i≤5

步驟1.4.3，取0≤x＜w-1，逐一將x代入步驟1.4.2中的多項(xiàng)式，得到所有探元的探元指向角。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高精度配準(zhǔn)控制點(diǎn)的衛(wèi)星CCD陣列影像幾何檢校方法，其特征在于，在步驟1.1.1中，所述相機(jī)內(nèi)方位元素例如可為主點(diǎn)、主距和畸變。