一種視頻衛星面陣相機的幾何定標方法與流程

2023-06-09 22:23:31 4

本發明涉及一種相機的幾何定標方法，特別是關於視頻衛星的面陣相機幾何定標方法。

背景技術：

經過30多年的發展,我國航天技術取得了巨大進步,已形成資源、氣象、海洋、環境、國防系列等構成的對地觀測遙感衛星體系。特別是在「高解析度對地觀測系統」國家科技重大專項建設的推動下,通過在平臺傳感器研製、多星組網、地面數據處理等方面的創新,我國遙感衛星的空間解析度、時間解析度、數據質量大幅提升,為我國現代農業、防災減災、資源環境、公共安全等重要領域提供了信息服務和決策支持。隨著遙感應用的深入,應用需求已從定期的靜態普查向實時動態監測方向發展,利用衛星對全球熱點區域和目標進行持續監測,獲取動態信息已經成為迫切需求。由於視頻衛星可獲得一定時間範圍內目標的時序影像,具備了對運動目標的持續監視能力,視頻衛星成像技術已成為遙感衛星發展的一大熱點。

衛星在發射過程受到應力釋放的影響，在軌運行後溫熱等物理環境變化劇烈，這些因素都會使衛星成像幾何參數發生變化，如相機安裝矩陣、相機主點主距等，最終降低衛星幾何定位精度。高精度幾何定標是保障衛星幾何質量的關鍵技術。視頻衛星的成像幅寬相對傳統線陣推掃衛星更小，指向精度要求更高；另外，視頻衛星的動態目標跟蹤與軌跡確定等應用對幾何定位精度具有很高的要求。因此，研究視頻衛星面陣相機的幾何定標技術，解決系統誤差對視頻衛星幾何定位精度的影響問題，提升衛星幾何定位精度，對保障視頻衛星在動態觀測領域的應用效果具有十分重要的意義。

技術實現要素：

本發明針對視頻成像這一新型成像衛星，提出基於高精度配準控制點的視頻衛星面陣相機幾何定標方法，採用偏置矩陣補償相機安裝誤差、姿軌測量系統誤差；根據面陣相機主點主距誤差、光學鏡頭畸變等建立了內方位元素系統誤差補償模型，實現面陣相機的高精度幾何定標。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種視頻衛星面陣相機的幾何定標方法，包括如下步驟，

步驟1，利用視頻衛星的內方位元素、姿態軌道、掃描幀時和視頻影像對應區域的高精度數字高程模型dem構建嚴密幾何成像模型，對視頻衛星影像對應的高精度數字正射影像dom進行重投影，生成一副與視頻衛星影像相同大小的模擬影像，其中，dom與dem數據幾何定標場通過航空攝影測量的方式獲得；

步驟2，針對視頻衛星影像與模擬影像，採用相位相關與最小二乘相結合的高精度配準算法進行分塊配準，獲取控制點；

步驟3，結合嚴密幾何成像模型，並利用配準控制點解求外定標參數；

步驟4，將解求得到的外定標參數引入嚴密成像幾何模型，利用控制點解求面陣相機畸變模型，獲得內定標參數。

而且，所述步驟1包括以下子步驟，

步驟1.1，利用衛星發射前測量的相機內方位元素，視頻衛星的姿態軌道、掃描幀時，結合高精度dem數據，構建嚴密幾何成像模型如下，

式中，為像點對應的地物點在wgs84坐標系下的地面坐標，

為成像時刻衛星在wgs84坐標系下的坐標，為成像時刻j2000坐標系與wgs84坐標系的轉換矩陣，為成像時刻衛星本體坐標系與j2000坐標系的轉換矩陣，ru為外定標參數，為相機坐標系與衛星本體坐標系的轉換矩陣，m為成像比例，表示wgs84坐標系與相機坐標系間尺度的比例係數，

為像點在相機坐標系下的坐標，其中(x,y)為視頻衛星影像任意像點的像空間坐標，(x0,y0)為主點，f為主距，(δx,δy)為相機畸變；

步驟1.2，將模擬影像上的任一個像素，通過步驟1.1構建的嚴密幾何成像模型對應關係求解像素對應的地面坐標，並按地圖投影轉換公式將地面坐標轉換到高精度dom的投影坐標系下；

步驟1.3，獲取模擬影像上的像素在高精度dom上的定位，對該像素進行灰度重採樣，得到模擬影像像素灰度；

步驟1.4，重複步驟1.1—1.3，直至生成一幅與檢校的視頻衛星影像相同大小的模擬影像。

而且，所述步驟3中結合嚴密幾何成像模型，並利用配準控制點解求外定標參數的實施方式如下，

記外定標參數

式中a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，表示外定標參數ru的9個元素，為視頻衛星姿態的俯仰角，ω為滾動角，κ為偏航角；

嚴密幾何成像模型可變換為，

記

展開有，

構建觀測方程，

列出誤差方程，

v＝bx-l,w(6)

式中，w為權矩陣，

利用最小二乘原理x＝(btb)-1btl，由此可計算出外定標參數中的三個角元素

而且，所述步驟4中內定標參數獲取的實施方式如下，

根據對面陣相機內方位元素誤差的分析，建立如下內定標模型，

式中δx0,δy0為主點誤差，s1、s2、s3、s4為比例誤差係數，k1、k2、p1、p2為鏡頭畸變參數，

將嚴密成像幾何模型轉換為，

記

則有，

構建觀測方程，

按最小二乘列出誤差方程，

v1＝b1x-l1,w1(11)

式中，w1為權矩陣，

x＝(δx0,δy0,s1,s2,s3,s4,k1,k2,p1,p2)'，

利用最小二乘原理由此計算出內定標模型參數。

與現有技術相比，本發明的優點：

1、基於影像模擬技術，消除了衛星影像與控制影像間成像複雜變形，保障了配準控制點精度。

2、採用偏置矩陣統一補償線角元素誤差，克服參數相關性對平差求解的影響。

3、本發明採用外、內定標模型迭代求解的方法，克服參數相關性對平差求解的影響。

基於以上優點，本發明可以廣泛應用於視頻衛星面陣相機的幾何定標中。

附圖說明

圖1是本發明實施例的流程圖；

圖2是本發明實施例衛星影像分塊配準示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步說明。

步驟1，視頻衛星影像相對高精度數字正射影像(dom)存在複雜變形(解析度差異、投影變形)，利用視頻衛星的內方位元素、姿態軌道、掃描幀時和視頻影像對應區域的高精度數字高程模型(dem)構建嚴密幾何成像模型，對前述高精度dom影像進行重投影，生成一副與視頻衛星影像相同大小的模擬影像。其中，dom與dem數據幾何定標場，一般通過航空攝影測量的方式獲得。所述步驟如下：

步驟1.1，利用衛星發射前測量的相機內方位元素，視頻衛星的姿態軌道、掃描幀時，結合高精度dem數據，構建嚴密幾何成像模型如下：

式中：

為像點對應的地物點在wgs84坐標系下的地面坐標；

為成像時刻衛星在wgs84坐標系下的坐標，其是星上下傳的gps測量的位置數據，從星上打包下傳的軌道數據中獲取；

為成像時刻j2000坐標系與wgs84坐標系的轉換矩陣，可根據成像時刻和國際天文聯合會(iau)提供的地球歲差章動模型及極移參數等計算獲得；

為成像時刻衛星本體坐標系與j2000坐標系的轉換矩陣，其是星上測姿系統的定姿結果，從星上打包下傳的姿態數據中獲取；

ru為偏置矩陣，即外定標參數；

為相機坐標系與衛星本體坐標系的轉換矩陣，描述相機在衛星本體坐標系下的安裝關係，其值在衛星發射前會進行精密測量；

m為成像比例，表示wgs84坐標系與相機坐標系間尺度的比例係數。

為像點在相機坐標系下的坐標，其中(x,y)為視頻衛星影像任意像點的像空間坐標，(x0,y0)為主點，f為主距，(δx,δy)為相機畸變。在幾何定標前，一般用衛星發射前實驗室的測量值作為嚴密幾何成像模型中相機主點、主距和畸變的初值，定標後則用求解的新參數代替。

步驟1.2，將模擬影像上的任一個像素(x',y')，其中x』為影像上像素的列坐標，y』為影像上像素的行坐標。通過步驟1.1構建的嚴密幾何成像模型對應關係求解(x',y')對應的地面坐標，嚴密幾何成像模型中的ru，可以利用至少兩個控制點通過步驟3來求解作為初值，並在後續每次迭代計算中更新其值：並按地圖投影轉換公式進行坐標轉換將(x,y,z)wgs84轉到高精度dom的投影坐標系下，得到(east,north)refdom；

步驟1.3，(east,north)refdom在高精度dom上的定位。獲取高精度dom左上角點坐標(hstart,vstart)、dom單個像素的空間解析度(hres,vres)，則(east,north)refdom對應dom像素點為((east-hstart)/hres,(north-vstart)/vres)，對其進行灰度重採樣，得到模擬影像像素(x',y')灰度；

步驟1.4，重複步驟1.1—1.3，直至生成一幅與用來做檢校的視頻衛星影像相同大小的模擬影像。

步驟2，針對視頻衛星影像與模擬影像，採用相位相關與最小二乘相結合的高精度配準算法進行分塊配準，獲取控制點，可以獲得亞像素級的配準精度；

步驟2.1，將視頻衛星影像等間隔劃分為若干區域，如圖2所示，以劃分四個區域為例；

步驟2.2，針對步驟2.1中劃分的四個區域，在各個區域內分別對衛星影像與模擬影像進行配準；

步驟2.3，衛星影像與模擬影像之間可以用仿射模型建立對應關係；利用配準獲取的所有配準點對通過最小二乘解求係數(aoffsetaxayboffsetbxby)，根據平差後求得的改正數來估計單位權中誤差並根據協因數傳播律計算各配準點誤差，將殘差大於單位權中誤差的各配準點剔除；重複進行該操作，直至單位權中誤差至少優於0.5。

步驟2.4，利用步驟1.1.1構建的模擬影像嚴密幾何成像模型，將各配準點對中模擬影像像點計算到地面坐標：從而得到檢校影像控制點(x,y,x,y,z)，(x,y)與(x',y')為配準點對,(x,y)為衛星真實影像的像點坐標，(x',y')為模擬影像上的像點坐標。

步驟3，利用配準控制點解求偏置矩陣，補償載荷安裝誤差、姿態、軌道系統誤差。

偏置矩陣ru的解求方法一般按攝影測量中後方交會方法進行。記：

式中a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，表示偏置矩陣ru的9個元素，便於後續公式的推導，為視頻衛星姿態的俯仰角，ω為滾動角，κ為偏航角；

嚴密幾何成像模型可變換為：

記

展開有：

構建觀測方程：

列出誤差方程：

v＝bx-l,w(6)

式中，

b為未知數x的係數矩陣，通過求函數fx,fy對x的偏導數來獲得。

l為bx的近似值矩陣，由未知數x的近似值求得。

w為權矩陣，通常設置為單位矩陣。

利用最小二乘原理：x＝(btb)-1btl，由此可計算出偏置矩陣三個角元素從而求解出偏置矩陣。

若實施時由於參數的相關性，使得求解過程中方程出現病態，一般的解決方式是嶺參數估計法。

步驟4，將解求得到的偏置矩陣引入嚴密成像幾何模型，利用控制點解求面陣相機畸變模型：

根據對面陣相機內方位元素誤差的分析，建立如下內定標模型：

式中δx0,δy0為主點誤差，s1、s2、s3、s4為比例誤差係數，k1、k2、p1、p2為鏡頭畸變參數，

將嚴密成像幾何模型轉換為：

記

則：

構建觀測方程：

顯然，上式為線性方程，按最小二乘列出誤差方程：

v1＝b1x-l1,w1(11)

式中，w1為權矩陣，

x＝(δx0,δy0,s1,s2,s3,s4,k1,k2,p1,p2)'，

利用最小二乘原理：由此可計算出內定標模型參數。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。