CN114166243B - 一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，包括以下步骤：步骤1，通过影像匹配方法，分别获得每一片分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点；步骤2，构建分片面阵成像器件在轨几何定标模型；步骤3，构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型；步骤4，整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数。本发明可以在分片影像边缘控制点缺乏或者分布不均匀的情况下，实现所有分片面阵器件定标参数的整体优化求解，进而提升相邻分片影像的几何拼接精度。

Description

一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法
技术领域
本发明属于光学遥感卫星数据处理相关技术领域，特别是涉及一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法。
背景技术
为了满足大幅宽成像的应用需求，光学遥感卫星通常采用多片线阵或面阵器件拼接成像的方式，获取具有一定重叠度的多片分片影像。在卫星数据地面处理***中，再对多片分片影像进行拼接处理，得到一景完整的大幅宽影像。
对于线阵成像卫星，多片线阵器件通常以共线或者品字型方式安置于焦平面上，分片器件之间的重叠关系比较简单。而对于面阵成像卫星，多片面阵器件往往以2×2或者3×3等方式安置于焦平面上，分片器件之间的重叠关系要复杂得多。如何实现面阵成像卫星分片影像精确几何拼接，一直是光学遥感卫星数据处理技术领域亟待解决的一个关键问题。
精确获知所有面阵器件的成像参数，是实现分片影像精确几何拼接的前提和基础。在轨几何定标是当前获取面阵卫星精确成像参数的最常用方法之一，已广泛应用于卫星数据地面处理***中，并取得了不错的效果。该方法根据面阵成像卫星的成像几何关系构建在轨几何定标模型，并利用地面控制点分别求解出每一片面阵器件的定标参数。
现有方法使用的地面控制点主要来源于高精度参考数据(数字正射影像和数字高程模型)，这些控制点需要在所有分片影像上均匀分布，特别是在影像边缘区域，需要有足够数量均匀分布的控制点，才能够形成有效的边缘控制约束，从而保证相邻分片影像之间的几何拼接精度。然而，受参考数据内地物变化、参考数据和卫星影像之间辐射差异等因素的影响，往往很难在所有分片影像的边缘区域均能够获得均匀分布的控制点，这必然导致难以精确求解出每一片面阵器件的定标参数，以至于无法保证相邻分片影像之间的几何拼接精度，降低拼接后卫星影像产品的几何质量。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，以分片面阵影像上的地面控制点作为绝对控制约束，以相邻分片影像之间连接点形成的片间约束作为相对控制约束，整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数，提高了相邻分片影像之间的几何拼接精度，解决了现有技术中分片面阵影像边缘区域内控制点缺乏或分布不均匀导致的定标参数难以精确求解的问题。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，包括以下步骤：
步骤1，对面阵影像进行影像匹配，分别获得每一片分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点；
步骤2，根据面阵成像卫星的成像几何关系，构建分片面阵器件在轨几何定标模型；
步骤3，根据面阵成像卫星面阵器件瞬时成像和多片面阵器件同时成像的特点，构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型；
步骤4，利用步骤1得到的所有分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点，整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数；
步骤4.1，根据步骤2构建分片面阵器件在轨几何定标模型，针对每一片分片面阵影像上的每一个控制点构建误差方程；
步骤4.2，根据步骤3构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型，针对相邻分片影像之间的每一个连接点构建误差方程；
步骤4.3，联立步骤4.1构建的误差方程和步骤4.2构建的误差方程，根据最小二乘平差原理求解得到所有分片面阵器件的定标参数。
而且，所述步骤2中根据面阵成像卫星的成像几何关系，构建分片面阵器件在轨几何定标模型，如式(1)所示：
Figure BDA0003344169680000021
Figure BDA0003344169680000022
式中，(XGNSS,YGNSS,ZGNSS)WGS84为GNSS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间直角坐标；(X,Y,Z)WGS84为地面点在WGS84坐标系下的空间直角坐标；
Figure BDA0003344169680000031
为WGS84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；
Figure BDA0003344169680000032
为J2000坐标系至卫星姿态测量坐标系的旋转矩阵；λ为比例因子；(φx,φy)为地面点对应的成像探元在卫星姿态测量坐标系下的指向角；(s,l)为探元编号；(a0,a1,...,a9,b0,b1,...,b9)为定标参数。
而且，所述步骤3中根据面阵成像卫星面阵器件瞬时成像和多片面阵器件同时成像的特点，构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型，如式(3)所示：
Figure BDA0003344169680000033
式中，(s,l)为探元编号，(a0,p,a1,p,...,a9,p,b0,p,b1,p,...,b9,p)为第p片面阵成像器件的定标参数，(a0,q,a1,q,...,a9,q,b0,q,b1,q,...,b9,q)为第q片面阵成像器件的定标参数，第p片和第q片面阵器件为相机焦平面上相邻的两片器件。
而且，所述步骤4.1中针对每一片分片面阵影像上的每一个控制点，由式(1)求解得到(tanφx,g,m,ni,tanφy,g,m,ni)，并根据式(2)构建误差方程：
Vg＝AgX-Lg   (4)
式中，
Figure BDA0003344169680000034
为未知数偏导数构成的设计矩阵；
Figure BDA0003344169680000041
为控制点残差矩阵；
Figure BDA0003344169680000042
为常数项矩阵；
X＝[a0,1 a1,1 … a9,1 b0,1 b1,1 … b9,1 … a0,m a1,m … a9,m b0,m b1,m … b9,m]T为未知数矩阵；下标g表示控制点；下标m为分片影像数量；下标ni＝n1,n2,…,nm表示第i片分片影像上的控制点数量。
而且，所述步骤4.2中针对相邻分片影像之间的每一个连接点，根据式(3)构建误差方程：
Vt＝AtX-Lt   (5)
式中，
Figure BDA0003344169680000043
为未知数偏导数构成的设计矩阵；
Figure BDA0003344169680000044
为连接点残差矩阵；
Figure BDA0003344169680000045
为常数项矩阵；
X＝[… a0,p a1,p … a9,p b0,p b1,p … b9,p a0,q a1,q … a9,q b0,q b1,q … b9,q…]T
为未知数矩阵；下标t表示连接点，下标np表示第p片和第q片分片影像之间的连接点数量。
而且，所述步骤4.3中联立式(4)和式(5)，根据最小二乘平差原理求解未知数矩阵X：
Figure BDA0003344169680000051
由此得到所有分片面阵器件的定标参数，面阵成像卫星的在轨几何定标工作完成。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明除了以分片面阵影像上的地面控制点作为绝对控制约束之外，还引入了相邻分片影像之间连接点形成的片间约束，将其作为相对控制约束，并整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数，进而解决分片面阵影像边缘区域内控制点缺乏或分布不均匀导致的定标参数难以精确求解的问题，提高了相邻分片面阵影像的几何拼接精度，进而提升卫星影像产品的几何质量。
附图说明
图1为本发明实施例的流程框图。
具体实施方式
本发明提供一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，首先以分片面阵影像上的地面控制点作为绝对控制约束，然后以相邻分片影像之间连接点形成的片间约束作为相对控制约束，整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数，以提高相邻分片影像之间的几何拼接精度。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例的流程包括以下步骤：
步骤1，对面阵影像进行影像匹配，分别获得每一片分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点。
步骤2，根据面阵成像卫星的成像几何关系，构建分片面阵器件在轨几何定标模型，如式(1)所示：
Figure BDA0003344169680000052
Figure BDA0003344169680000061
式中，(XGNSS,YGNSS,ZGNSS)WGS84为GNSS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间直角坐标；(X,Y,Z)WGS84为地面点在WGS84坐标系下的空间直角坐标；
Figure BDA0003344169680000062
为WGS84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；
Figure BDA0003344169680000063
为J2000坐标系至卫星姿态测量坐标系的旋转矩阵；λ为比例因子；(φx,φy)为地面点对应的成像探元在卫星姿态测量坐标系下的指向角；(s,l)为探元编号；(a0,a1,...,a9,b0,b1,...,b9)为定标参数。
步骤3，根据面阵成像卫星面阵器件瞬时成像和多片面阵器件同时成像的特点，构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型，如式(3)所示：
Figure BDA0003344169680000064
式中，(s,l)为探元编号，(a0,p,a1,p,...,a9,p,b0,p,b1,p,...,b9,p)为第p片面阵成像器件的定标参数；(a0,q,a1,q,...,a9,q,b0,q,b1,q,...,b9,q)为第q片面阵成像器件的定标参数；第p片和第q片面阵器件为相机焦平面上相邻的两片器件。
步骤4，利用步骤1得到的所有分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点，整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数。
步骤4.1，针对每一片分片面阵影像上的每一个控制点，由式(1)求解得到
Figure BDA0003344169680000065
，并根据式(2)构建误差方程：
Vg＝AgX-Lg   (4)
式中，
Figure BDA0003344169680000071
为未知数偏导数构成的设计矩阵；
Figure BDA0003344169680000072
为控制点残差矩阵；
Figure BDA0003344169680000073
为常数项矩阵；
X＝[a0,1 a1,1 … a9,1 b0,1 b1,1 … b9,1 … a0,m a1,m … a9,m b0,m b1,m … b9,m]T为未知数矩阵；下标g表示控制点；下标m为分片影像数量；下标ni＝n1,n2,…,nm表示第i片分片影像上的控制点数量。
步骤4.2，针对相邻分片影像之间的每一个连接点，根据式(3)构建误差方程：
Vt＝AtX-Lt   (5)
式中，
Figure BDA0003344169680000074
为未知数偏导数构成的设计矩阵；
Figure BDA0003344169680000081
为连接点残差矩阵；
Figure BDA0003344169680000082
为常数项矩阵；
X＝[… a0,p a1,p … a9,p b0,p b1,p … b9,p a0,q a1,q … a9,q b0,q b1,q … b9,q…]T为未知数矩阵；下标t表示连接点，下标np表示第p片和第q片分片影像之间的连接点数量。
步骤4.3，联立式(4)和式(5)，根据最小二乘平差原理求解未知数矩阵X：
Figure BDA0003344169680000083
由此得到所有分片面阵器件的定标参数，面阵成像卫星的在轨几何定标工作完成。
具体实施时，以上流程可采用计算机软件技术实现自动运行流程。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对面阵影像进行影像匹配，分别获得每一片分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点；
步骤2，根据面阵成像卫星的成像几何关系，构建分片面阵器件在轨几何定标模型；
步骤3，根据面阵成像卫星面阵器件瞬时成像和多片面阵器件同时成像的特点，构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型，即：
Figure FDA0004131075980000011
式中，(s,l)为探元编号，(a0,p,a1,p,...,a9,p,b0,p,b1,p,...,b9,p)为第p片面阵成像器件的定标参数，(a0,q,a1,q,...,a9,q,b0,q,b1,q,...,b9,q)为第q片面阵成像器件的定标参数，第p片和第q片面阵器件为相机焦平面上相邻的两片器件；
步骤4，利用步骤1得到的所有分片面阵影像上的控制点和相邻分片面阵影像之间的连接点，整体优化求解所有分片面阵器件的定标参数；
步骤4.1，根据步骤2构建分片面阵器件在轨几何定标模型，针对每一片分片面阵影像上的每一个控制点构建误差方程；
步骤4.2，根据步骤3构建相邻分片面阵器件之间的片间约束模型，针对相邻分片影像之间的每一个连接点构建误差方程；
根据式(3)构建误差方程：
Vt＝AtX-Lt                         (5)
式中，
Figure FDA0004131075980000021
为未知数偏导数构成的设计矩阵；
Figure FDA0004131075980000022
为连接点残差矩阵；
Figure FDA0004131075980000023
为常数项矩阵；
X＝[…a0,p a1,p…a9,p b0,p b1,p…b9,p a0,q a1,q…a9,q b0,q b1,q…b9,q…]T
为未知数矩阵；下标t表示连接点，下标np表示第p片和第q片分片影像之间的连接点数量；
步骤4.3，联立步骤4.1构建的误差方程和步骤4.2构建的误差方程，根据最小二乘平差原理求解得到所有分片面阵器件的定标参数。
2.如权利要求1所述的一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，其特征在于：步骤2中根据面阵成像卫星的成像几何关系，构建分片面阵器件在轨几何定标模型，如式(1)所示：
Figure FDA0004131075980000024
Figure FDA0004131075980000025
式中，(XGNSS,YGNSS,ZGNSS)WGS84为GNSS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间直角坐标；(X,Y,Z)WGS84为地面点在WGS84坐标系下的空间直角坐标；
Figure FDA0004131075980000026
为WGS84坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵；
Figure FDA0004131075980000027
为J2000坐标系至卫星姿态测量坐标系的旋转矩阵；λ为比例因子；(φx,φy)为地面点对应的成像探元在卫星姿态测量坐标系下的指向角；(s,l)为探元编号；(a0,a1,...,a9,b0,b1,...,b9)为定标参数。
3.如权利要求2所述的一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，其特征在于：步骤4.1中针对每一片分片面阵影像上的每一个控制点，由式(1)求解得到(tanφx,g,m,ni,tanφy,g,m,ni)，并根据式(2)构建误差方程：
Vg＝AgX-Lg                        (4)
式中，
Figure FDA0004131075980000031
为未知数偏导数构成的设计矩阵；
Figure FDA0004131075980000032
为控制点残差矩阵；
Figure FDA0004131075980000033
为常数项矩阵；
X＝[a0,1 a1,1…a9,1 b0,1 b1,1…b9,1…a0,m a1,m…a9,m b0,m b1,m…b9,m]T为未知数矩阵；下标g表示控制点；下标m为分片影像数量；下标ni＝n1,n2,…,nm表示第i片分片影像上的控制点数量。
4.如权利要求3所述的一种带有片间约束的面阵成像卫星在轨几何定标方法，其特征在于：步骤4.3中联立式(4)和式(5)，根据最小二乘平差原理求解未知数矩阵X：
Figure FDA0004131075980000041
由此得到所有分片面阵器件的定标参数，面阵成像卫星的在轨几何定标工作完成。
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