CN103778612B - 一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，包括以下步骤：1)SIFT特征检测器匹配少量均匀分布的同名点，计算像方仿射模型补偿参数改正数X₁；2)利用基于几何约束的互相关方法在三视影像上进行同名点的匹配；3)使用最小二乘匹配方法对所有点进行精细匹配；4)剔除粗差点；5)将三线阵立体影像中的前视影像与下视影像、后视影像与下视影像，分别构成两组立体像对FN和BN，并分别建立误差方程，利用最小二乘方法解算正弦函数模型补偿参数改正数X₂；6)判断X₂是否大于阈值；7)输出仿射模型参数和正弦函数模型参数。与现有技术相比，本发明具有能够有效的消除非线性的、周期性的平台颤振对影像定位造成的影响。

Description

一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法

技术领域

本发明涉及一种卫星颤振探测与补偿方法，尤其是涉及一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法。

背景技术

高分辨率卫星在轨运行期间，由于星上转动部件的周期性运动或变轨、冷热交变等引发扰动，使星体产生一种幅值较小、具有一定周期性的颤振响应。NASA于上世纪八十年代深入研究了HST的反作用轮扰动影像，1990年Eyerman和Shea对卫星的颤振动力学环境进行了总结分析，认为最大的颤振源是反作用轮和热震颤。Iwasaki等利用ASTER卫星的多光谱影像波段间的配准，分析了ASTER卫星颤振响应。Lehner等结合地面DEM验证MOMS-2P影像中含有颤振分量。Schwind等利用ALOS-PRISM影像分析RPCs参数与相机严格模型的定位结果对比，发现pitch、yaw和roll三个方向上具有明显的颤振现象。这些研究从多重角度对卫星颤振进行了分析，但是这些分析中，利用了外部的DEM或者相机的严格模型，这些数据普通用户很难获得。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，在无控制点参与的条件下，精确探测高分辨率卫星的颤振特性，并对其进行有效的补偿，消除颤振影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)SIFT特征检测器匹配少量均匀分布的同名点，计算像方仿射模型补偿参数改正数X₁；

2)利用基于几何约束的互相关方法在三视影像上进行同名点的匹配，获取更多的同名点；

3)将步骤2)得到的同名点结果作为初始值，使用最小二乘匹配方法对所有点进行精细匹配；

4)匹配完成后，根据点的相关系数阈值以及同名像点前方交会的残差剔除粗差点；

5)将三线阵立体影像中的前视影像与下视影像、后视影像与下视影像，分别构成两组立体像对FN和BN，并分别建立误差方程，联立两组误差方程，其中下视影像的改正数在两组误差方程中相同，利用最小二乘方法解算正弦函数模型补偿参数改正数X₂；

6)判断X₂是否大于阈值，如果是，返回步骤5)，如果否，则执行步骤7)；

7)输出仿射模型参数和正弦函数模型参数。

所述的像方仿射模型补偿参数改正数X₁计算如下：

101)建立像方平面误差的基本模型，并通过以下公式表示：

式中，(x，y)是像方同名点的列号和行号的观测值，(x′，y′)是由地面点坐标反投影到像方得到的像方坐标的列号和行号，a_i、b_i、c_i为仿射模型补偿的系数，其中i=1、2，A₁，w₁，为正弦函数模型的系数；

102)将公式(1)中的仿射模型补偿部分整理为：

v₁=B₁X₁-L₁ (2)

其中，v₁＝[v_x v_y]^T

$B_1=\left[\begin{array}{cccccc}{a}_1& b_1& c_1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& a_2& b_2& c_2\end{array}\right]$

X₁＝[a₁ b₁ c₁ a₂ b₂ c₂]^T

$L_1=\left[\begin{array}{c}x-x^{\′}\\ y-y^{\′}\end{array}\right]$

通过三视影像的前方交会，计算得到对应的地面点坐标，将地面点坐标反投影至各影像上，量测的像方坐标与反投影计算的像方坐标之间存在相对偏差L₁，利用公式(2)计算仿射模型系数X₁。

所述的点的相关系数阈值为0.7.

所述的正弦函数模型补偿参数改正数X₂具体计算如下：

采用正弦函数模型描述立体像对列方向上的颤振误差：

为量测的像方坐标经仿射模型改正后的值，为无颤振影响的同名像点列坐标的理论值，A_i、w_i、分别为正弦函数的振幅、角频率和相位，t_i为像点所在影像行的曝光时刻，其中i=1、2；

投影点p′₁与量测点p₂之间的偏差d表示为：

$d={\stackrel{\·}{x}}_2-{\stackrel{\·}{x}}_1---\left(4\right)$

式中，A′₁为投影点p′₁的理论值和颤振影响的振幅，且与相等；

式(5)按泰勒公式展开至一次项，得误差方程：

其中，

X₂为参数的改正数，d₀为d的近似值；

式(6)可以整理为：

v₂=B₂X₂-L₂ (7)

与现有技术相比，本发明具有能够有效的消除非线性的、周期性的平台颤振对影像定位造成的影响。实验结果表明，在垂轨方向上存在约0.61～0.62HZ的颤振运动，振幅约为0.5-1个像素，通过像方补偿后，颤振引起的几何偏差从1个都像素减小至半个像素以内，并且周期性的颤振现象完全消除。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为三线阵立体影像图；

图3为改正前的下视与前视影像的相对像方偏差在下视影像上的投影图；

图4为改正后的下视与前视影像的相对像方偏差在下视影像上的投影图；

图5为改正前的下视与后视影像的相对像方偏差在下视影像上的投影图；

图6为改正后的下视与后视影像的相对像方偏差在下视影像上的投影图；

图7为改正前的前视与后视影像的相对像方偏差在前视影像上的投影图；

图8为改正后的前视与后视影像的相对像方偏差在前视影像上的投影图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)SIFT特征检测器匹配少量均匀分布的同名点，计算像方仿射模型补偿参数改正数X₁；

2)利用基于几何约束的互相关方法在三视影像上进行同名点的匹配，获取更多的同名点；

3)将步骤2)得到的同名点结果作为初始值，使用最小二乘匹配方法对所有点进行精细匹配；

4)匹配完成后，根据点的相关系数阈值以及同名像点前方交会的残差剔除粗差点；

5)将三线阵立体影像中的前视影像与下视影像、后视影像与下视影像，分别构成两组立体像对FN和BN，并分别建立误差方程，联立两组误差方程，其中下视影像的改正数在两组误差方程中相同，利用最小二乘方法解算正弦函数模型补偿参数改正数X₂；

6)判断X₂是否大于阈值，如果是，返回步骤5)，如果否，则执行步骤7)；

7)输出仿射模型参数和正弦函数模型参数。

1、有理函数模型(Rational function model，RMF)

有理函数模型(Rational function model，RMF)是一种独立于传感器平台物理意义、形式简单的通用传感器模型，广泛应用于目前商业卫星影像中。RMF是用地面点大地坐标作为自变量，用多项式的比值描述其对应的像点坐标。为了增强参数解的稳定性，对大地坐标和像点坐标标准化到-1到+1之间(式1)。

$\left\{\begin{array}{c}l=\frac{P2(B,P,H)}{P2(B,P,H)}\\ s=\frac{P3(B,P,H)}{P4(B,P,H)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，l、s为标准化的影像行列坐标，B、P、H为标准化的大地坐标。

2、颤振影响建模

受卫星测轨精度以及卫星平台颤振运动的影响，卫星影像成像过程中存在线性的***性偏差和非线性的正弦颤振偏差，传统的相对定向过程仅考虑了***性线性偏差，而由于卫星平台颤振引起的周期性偏差仍然存在。针对该问题，本文创新性的提出一种无控制点参与的分步偏差补偿方案。在像方空间上，1)采用基于像方仿射模型的相对定向，补偿影像间相对的线性偏差；2)采用正弦函数模型来描述立体像对成像过程中由卫星平台颤振造成的周期性颤振偏差，并对其进行补偿。对于同轨前后视立体影像，行方向视差体现地形影响，因此主要在列方向上对颤振进行探测和建模。像方平面误差的基本模型可以表示为：

式中，(x，y)是像方同名点的列号和行号的观测值，(x′，y′)是由地面点坐标反投影到像方得到的像方坐标的列号和行号，a_i，b_i，c_i(i＝1，2)为仿射模型补偿的系数，A₁，w₁，为正弦函数模型的系数。

3、仿射模型补偿

式(2)中的仿射模型补偿部分可以整理为：

v₁=B₁X₁-L₁ (3)

其中，v₁＝[v_x v_y]^T

$B_1=\left[\begin{array}{cccccc}{a}_1& b_1& c_1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& a_2& b_2& c_2\end{array}\right]$

X₁＝[a₁ b₁ c₁ a₂ b₂ c₂]^T

$L_1=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}x-x^{\′}\\ y-y^{\′}\end{array}\right]\end{array}$

通过三视影像的前方交会，计算得到对应的地面点坐标，将地面点坐标反投影至各影像上，量测的像方坐标与反投影计算的像方坐标之间存在相对偏差L₁，利用式(3)计算仿射模型系数X₁。

3、正弦函数模型补偿

在理想的立体像对模型中，由同名像点(p₁，p₂)定位得到的地面点坐标G，投影到影像上所得到的像点坐标(投影点p′₁)与对应的量测像点坐标(量测点p₂)相同。但是由于卫星平台的颤振影响，投影点与量测点之间存在一定的偏差d。为了解算影像各自的颤振值，在利用最小二乘估计地面点坐标G过程中，左影像给定较大的权重值10000，右影像给定较小权重值1，因此地面点坐标G的误差中主要包含了左影像的颤振分量，而不包含右影像的颤振分量。将地面点坐标G投影到右影像上得到的投影点p′₁中也仅含有左影像的颤振分量，因此投影点p′₁与量测点p₂之间的偏差d，即为立体像对的两张影像在t₁，t₂时刻受到颤振影响的差值。

经过仿射模型补偿后，影像之间相对的线性偏差已经消除，可以看做理想的立体像对模型，剩余的偏差主要为卫星平台的非线性颤振引起。本文中采用正弦函数模型描述立体像对列方向上的颤振误差。

式中，为量测的像方坐标经仿射模型改正后的值，为无颤振影响的同名像点列坐标的理论值，A_i，w_i，分别为正弦函数的振幅、角频率和相位，t_i为像点所在影像行的曝光时刻。

投影点p′₁与量测点p₂之间的偏差d表示为：

$d=\stackrel{\·}{x_2}-\stackrel{\·}{x_1}---(5-1)$

式中，A′₁为投影点p′₁的理论值和颤振影响的振幅，且与相等。

式(5-2)按泰勒公式展开至一次项，得误差方程：

其中，

X₂为参数的改正数，d₀为d的近似值。

式(6-1)可以整理为：

v₂=B₂X₂-L₂ (6-2)

实验数据与结果

实验数据

如图2所示，实验数据采用国产某测绘卫星在山西地区的同轨三线阵立体影像，影像的前后视分辨率为3.5米，下视分辨率为2.1米，幅宽为52千米，前后视相机与下视相机的夹角为±22度。

实验结果

表1中为三视影像的颤振分量的正弦函数参数值，在垂轨方向上存在约0.61～0.62HZ的颤振运动，三视影像的颤振频率基本相同，颤振幅值从前视到后视逐渐减小。表2为颤振补偿后的两组立体模型，分别进行前方交会得到的地面点坐标，投影在下视影像上的列方向偏差，可以看出经过仿射模型和正弦函数模型补偿后的残差在半个像素以内。图3至图8为像方补偿前后在像方空间的偏差，图中显示在像方补偿前，三组立体模型在像方偏差均具有明显的非线性颤振现象，且呈现一定的周期性。经过仿射模型和正弦模型改正后，非线性的颤振现象基本消失，偏差呈线性分布，且集中在0值附近。

表1颤振探测结果

表2颤振补偿结果(单位：像素)

由于卫星平台颤振，卫星影像上会存在颤振引起的非线性的几何偏移，这种非线性的偏差很难通过常规的定向方法进行探测和补偿。而本文提出的不依赖控制点的，基于全色影像的卫星平台非线性颤振探测与补偿算法能够有效的消除非线性的、周期性的平台颤振对影像定位造成的影响。实验结果表明，在垂轨方向上存在约0.61～0.62HZ的颤振运动，振幅约为0.5-1个像素，通过像方补偿后，颤振引起的几何偏差从1个都像素减小至半个像素以内，并且周期性的颤振现象完全消除。

Claims (3)

1.一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)SIFT特征检测器匹配少量均匀分布的同名点，计算像方仿射模型补偿参数改正数X₁；

2)利用基于几何约束的互相关方法在三视影像上进行同名点的匹配，获取更多的同名点；

3)将步骤2)得到的同名点结果作为初始值，使用最小二乘匹配方法对所有点进行精细匹配；

4)匹配完成后，根据点的相关系数阈值以及同名像点前方交会的残差剔除粗差点；

5)将三线阵立体影像中的前视影像与下视影像、后视影像与下视影像，分别构成两组立体像对FN和BN，并分别建立误差方程，联立两组误差方程，其中下视影像的改正数在两组误差方程中相同，利用最小二乘方法解算正弦函数模型补偿参数改正数X₂；

6)判断X₂是否大于阈值，如果是，返回步骤5)，如果否，则执行步骤7)；

7)输出仿射模型参数和正弦函数模型参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，其特征在于，所述的点的相关系数阈值为0.7。

3.根据权利要求1所述的一种基于全色影像的卫星颤振探测与补偿方法，其特征在于，所述的正弦函数模型补偿参数改正数X₂具体计算如下：

采用正弦函数模型描述立体像对列方向上的颤振误差：

为量测的像方坐标经仿射模型改正后的值，为无颤振影响的同名像点列坐标的理论值，A_i、w_i、分别为正弦函数的振幅、角频率和相位，t_i为像点所在影像行的曝光时刻，其中i＝1、2；

投影点p′₁与量测点p₂之间的偏差d表示为：

$d={\stackrel{\·}{x}}_2-{\stackrel{\·}{x}}_1---\left(2\right)$

式中，A′₁为投影点p′₁的理论值和颤振影响的振幅，且与相等；式(3)按泰勒公式展开至一次项，得误差方程：

其中，

X₂为参数的改正数，d₀为d的近似值；

式(4)可以整理为：

v₂＝B₂X₂-L₂ (5)。