CN114241064A - 一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,包括:获取不同卫星、载荷的遥感影像,并根据遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像;对同轨道的全部有效景与对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点;建立在轨内外方位元素定标模型,并按照有效景控制点的分布情况选择本景不定标、外定标或内外同时定标,定标景根据在轨内外方位元素定标模型解算出定标参数;对在轨内外方位元素进行定标后,对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数;根据选择的定标参数重新生成几何校正产品,并检验几何校正产品的几何精度。本发明提高了定标效率以及图像几何定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及遥感卫星技术领域,尤其涉及一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法。
背景技术
遥感卫星在轨几何定标的作用是为图像的几何处理提供精确的相机成像参数,是影像进行***几何校正的基础,对于保证图像几何质量有重要的作用。
当前遥感卫星几何定标所采用的方法主要有两种:一是基于地面几何定标场的定标方法;二是选择高精度参考数据,通过手动选点或图像匹配的方式获取密集控制点进行内外方位元素的定标。这两种方法都是仅选择典型区域、定期监测定标参数,并将此定标参数用于一段时间内遥感图像***几何校正的基准。然而在卫星实际飞行过程当中,外方位元素往往存在微小变化,但这种微小变化会严重影响到影像的对地定位精度。
为了克服传统定标效率低、周期长、适用性差的难题,需要一种实时、自动、高精度的几何定标方法,提高定标效率,进一步提高图像产品几何质量。
发明内容
本发明提供一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,用以解决现有技术中定标效率低、周期长、适用性差的缺陷,实现实时、自动、高精度的几何定标。
本发明提供一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,包括:
获取不同卫星、载荷的遥感影像,并根据所述遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像;
对同轨道的全部有效景与所述对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点信息;
建立在轨内外方位元素定标模型,并按照所述有效景控制点的分布情况选择本景不定标、外定标或内外同时定标,定标景根据所述在轨内外方位元素定标模型解算出定标参数;
对在轨内外方位元素进行定标后,对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数;
根据选择的所述定标参数重新生成几何校正产品,并检验所述几何校正产品的几何精度。
根据本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,所述根据所述遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像,具体包括:
根据输入的遥感影像分辨率、地理位置信息自动从参考影像数据库中获取对应的参考影像,其中,所述参考影像数据库为以原始高精度参考图像为基准建立。
根据本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,所述对同轨道的全部有效景与所述对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点信息,具体包括:
基于SIFT算法与相位一致性的图像匹配方法,将同轨道的每一有效景的遥感影像与所述参考影像进行自动匹配,得到每一有效景的控制点信息。
根据本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,所述建立在轨内外方位元素定标模型,具体包括:
建立分步式在轨定标方案,先标定相机安装角,再确定成像的内部畸变模式,迭代直至控制点精度小于预设阈值时得到定标参数;
所述建立在轨内外方位元素定标模型,通过以下公式实现:
其中,代表外定标参数,为相机安装角;
代表内定标参数,描述相机成像时各探元指向;为图像像素点坐标;为参考相机坐
标系下某探元在两个方向的指向角;用于确定像方矢量和物方矢量的比例关系;
为成像像点对应的大地坐标,表示成像时刻卫星GPS位置;和分别表示卫星本体坐标系到传感器坐标系的旋转矩阵、WGS84坐标系到卫星本体坐
标系的旋转矩阵。
根据本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,所述对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数,具体包括:
若本景为有定标结果景,则直接选择本景计算出的定标参数;
若本景为有定标结果轨、无定标结果景,但同轨其他景有高精度定标参数,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数;
若在轨的有效景整轨均无定标结果,则选择轨道号最接近、定标精度最高的定标参数作为该轨重新生成的定标参数;
若本景对应的图像有控制点,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数,并计算控制点精度,迭代确定本景最佳适用的定标参数。
根据本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,所述根据选择的所述定标参数重新生成几何校正产品,并检验所述几何校正产品的几何精度,具体包括:
根据选择的所述定标参数重新生成几何校正的图像数据;
采用图像匹配的方式对重新生成的图像数据进行精度检验,以确保提升所述几何校正产品的几何精度。
本发明提供的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,通过对不同卫星、载荷的遥感影像根据其分辨率和参考影像进行图像匹配,并根据控制点信息对遥感卫星的内外方位元素实现自动化内外方位元素实时定标,并且根据定标参数重新生成几何校正产品,从而克服了外定标效率低、周期长、精度低、适用性差的难题,满足了卫星数量多、外定标频高、精度高的要求,提高了定标效率以及图像几何定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法的流程示意图之一;
图2是本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法的流程示意图之二;
图3是本发明提供的一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法的流程示意图之三。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图3描述本发明的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法:
参照图1,本发明提供的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,包括以下步骤:
步骤110、获取不同卫星、载荷的遥感影像,并根据所述遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像;
具体地,本实施例对卫星接收的每一轨数据均进行与参考影像的匹配,其中参考影像是以原始高精度参考图像为基准建立的影像数据库。
步骤120、对同轨道的全部有效景与所述对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点信息;
本实施例中的控制点的坐标包括遥感卫星影像的一级产品图像坐标与对应真实地理坐标。
步骤130、建立在轨内外方位元素定标模型,并按照所述有效景控制点信息的分布情况选择本景不定标、外定标或内外同时定标,定标景根据所述在轨内外方位元素定标模型解算出定标参数;
具体地,本实施例中的在轨内外方位元素定标模型是由遥感卫星的成像几何模型进行转换得到,在获取在轨内外方位元素定标模型后,按照控制点的坐标即可得出控制点的分布情况,选择不同的定标方式。
按照控制点分布情况决定该景影像是外定标、内外同时定标或不定标,存在以下三种情形:
1、若某景图像控制点数目较多,且均匀分布在整幅影像中,则该景图像内外方位元素同时定标。
2、若某景图像控制点不满足均匀分布条件,但图像左右两侧均分布有控制点,则该景外定标。
3、若某景图像控制点分布稀疏或无控制点情况下,该景影像不定标。
步骤140、对在轨内外方位元素进行定标后,对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数;
在完成在轨内外方位元素进行定标后,需要对在轨的每一有效景进行定标参数选择,使每一有效景均选择最佳的定标参数,其中定标参数可由控制点、是否为在轨影像等因素决定。
步骤150、根据选择的所述定标参数重新生成几何校正产品,并检验所述几何校正产品的几何精度。
本实施例中,通过选择的定标参数重新生成几何校正产品,从而对结合校正产品进行精度的检测,以实现产品几何进度以及几何质量的提高。
本发明提供的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,通过对不同卫星、载荷的遥感影像根据其分辨率和参考影像进行图像匹配,并根据控制点信息对遥感卫星的内外方位元素实现自动化内外方位元素实时定标,并且根据定标参数重新生成几何校正产品,从而克服了外定标效率低、周期长、精度低、适用性差的难题,满足了卫星数量多、外定标频高、精度高的要求,提高了定标效率以及图像几何定位精度。
基于以上实施例,所述根据所述遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像,具体包括:
根据输入的遥感影像分辨率、地理位置信息自动从参考影像数据库中获取对应的参考影像,其中,所述参考影像数据库为以原始高精度参考图像为基准建立。
本实施例通过建立以原始高精度参考图像为参考影像数据库,并且在但需要对遥感卫星内外方元素进行实时几何定标时,可根据遥感卫星接收的遥感影像的分辨率以及地理位置信息与参考影像进行实时匹配。通过与原始高精度参考图像的实时匹配,提高了对遥感卫星接收的遥感影像实时几何定标的可靠性、适用性,并且能对大量的遥感影像进行实时匹配。
基于以上实施例,所述对同轨道的全部有效景与所述对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点信息,具体包括:
基于SIFT算法与相位一致性的图像匹配方法,将同轨道的每一有效景的遥感影像与所述参考影像进行自动匹配,得到每一有效景的控制点信息。
具体地,SIFT算法(Scale-invariant feature transform,SIFT)是一种计算机视觉的算法,用来侦测与描述影像中的局部性特征,在空间尺度中寻找极值点,并提取出其位置、尺度、旋转不变量。
相位一致性(Phase Congruency, PC)是指在图像的频率域中,边缘相似的特征在同一阶段出现的频率较高。
本实施例中通过SIFT算法和相位一致性将每一有效景的遥感影像与参考影像进行匹配,提高了匹配精度,得到每一有效景的控制点信息以选择不同的定标方式。
基于以上实施例,建立分步式在轨定标方案,即先标定相机安装角,再确定成像的内部畸变模式,迭代直至控制点精度小于预设阈值时得到定标参数;
所述建立在轨内外方位元素定标模型,通过以下公式实现:
其中,代表外定标参数,为相机安装角;
代表内定标参数,描述相机成像时各探元指向;为图像像素点坐标;为参考相机坐
标系下某探元在两个方向的指向角;用于确定像方矢量和物方矢量的比例关系;
为成像像点对应的大地坐标,表示成像时刻卫星GPS位置;和分别表示卫星本体坐标系到传感器坐标系的旋转矩阵、WGS84坐标系到卫星本体坐
标系的旋转矩阵。
具体地,本实施例中在轨内外方位元素定标模型是通过遥感卫星的成像几何模型转换得到的,遥感卫星的成像几何模型为:
上式中,表示地面点在WGS84坐标系下的地理位置,
表示GPS天线相位中心的坐标,表示卫星本体坐标系到WGS84地理坐标系的转换矩
阵,表示传感器坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵,表示图像坐标系到
传感器坐标系的旋转矩阵。
将成像几何模型转为在轨几何定标模型,为:
一、实时定标外方位元素时,认为内定标值为真值。将上式整理为:
二、定标内方位元素时,在外定标确定的参考相机坐标系下,通过每个探元指向角的正切值恢复其成像光线矢量:
基于以上实施例,所述对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数,具体包括:
若本景为有定标结果景,则直接选择本景计算出的定标参数;
若本景为有定标结果轨、无定标结果景,但同轨其他景有高精度定标参数,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数;
若在轨的有效景整轨均无定标结果,则选择轨道号最接近、定标精度最高的定标参数作为该轨重新生成的定标参数;
若本景对应的图像有控制点,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数,并计算控制点精度,迭代确定本景最佳适用的定标参数。
具体地,本实施例中的预设选择规则如下所示:
a)有定标结果景的定标参数选择方法:有定标结果景则直接选择本景计算出的定标参数。
b)有定标结果轨、无定标结果景的定标参数选择方法:若本景无定标结果,但同轨其他景有高精度定标参数,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数。
c)没有定标结果轨道的定标参数新选择方法:若整轨无定标结果,则选择轨道号最接近、定标精度最高的定标参数作为该轨重新生成的定标参数。
d)基于控制点精度检验迭代的定标参数选择方法:在某景图像有控制点的前提下,按b)方法选择多个定标参数并计算控制点精度,迭代确定本景最佳适用的定标参数。
本实施例通过预设选择规则对每一有效景进行定标参数的方式选择,从而对于不同条件的有效景选择最佳的定标参数,提高了几何校正产品定位精度。
基于以上实施例,所述根据选择的所述定标参数重新生成几何校正产品,并检验所述几何校正产品的几何精度,具体包括:
根据选择的所述定标参数重新生成几何校正的图像数据;
采用图像匹配的方式对重新生成的图像数据进行精度检验,以确保提升所述几何校正产品的几何精度。
本实施例通过采用图像匹配的方式对重新生成的图像数据进行精度检验,提升了几何校正产品的几何精度。
参照图2,本发明提供的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,具体包括以下流程:
基于地理位置和分辨率将输入图像与根据原始高精度参考图像数据库得到的参考图像进行匹配;通过SIFT算法和相位一致性进行图像匹配,得到控制点文件;
建立在轨几何定标模型,进行外方位元素定标以及内方位元素定标;
定标参数解算:进行内外方位元素定标之后,再利用控制点得到定标误差,并判断定标误差是否小于预设值ε,输出定标参数文件。
参照图3,本发明提供的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,实时在轨几何定标包括图像匹配、在轨几何定标、重新生产以及几何精度检验。
图像匹配包括:将景TIFF(即遥感卫星接收的遥感影像)与原始高精度参考图像进行图像匹配,生成控制点文件;
在轨几何定标包括:将控制点文件通过内外方位元素定标,得到景定标参数文件;
重新生产包括:将景定标参数文件进行定标参数选择并重新生产,得到重新生产后影像;
几何精度检验包括:将重新生产后影像进行几何精度检验,得到产品几何精度。
以下结合具体实例进行详细说明,本实例以国产高分七号卫星后视多光谱的整轨图像数据(轨道号11271)为例,对自主几何定标方法进行详细说明。包括如下步骤:
1、该轨共包含41景图像产品,逐一获取对应参考影像并通过图像匹配的手段获取控制点。
2、41景图像中有26景通过基于SIFT算法和图像相位一致性的匹配手段获取图像的同名控制点,根据控制点分布判断每景定标类型,逐一定标。
其中,为法矩阵;表示微分增量,即外方位元素迭代修正值,δpitch、δroll、δ
yaw分别为相机安装角的微分增量;是在假定内方位元素为真值的条件下,以内定标值
为基础的与当前外定标状态下所得的差值向量。
将所有点代入上式,利用牛顿迭代法求解外方位元素增量:
4、完成整轨相机参数定标后,对该轨的每一景数据逐一选择最佳的定标参数文件。定标参数选择情况如下:
5、根据选择的定标参数文件重新生产几何校正产品,检验其几何精度。
定标参数修正前后精度如下表所示,修正前精度平均值为25.11m,修正后整轨精度均值为3.96m,整轨精度提升至2像素以内。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,其特征在于,包括:
获取不同卫星、载荷的遥感影像,并根据所述遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像;
对同轨道的全部有效景与所述对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点信息;
建立在轨内外方位元素定标模型,并按照所述有效景控制点的分布情况选择本景不定标、外定标或内外同时定标,定标景根据所述在轨内外方位元素定标模型解算出定标参数;
对在轨内外方位元素进行定标后,对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数;
根据选择的所述定标参数重新生成几何校正产品,并检验所述几何校正产品的几何精度。
2.根据权利要求1所述的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,其特征在于,所述根据所述遥感影像的成像分辨率信息选择对应的参考影像,具体包括:
根据输入的遥感影像分辨率、地理位置信息自动从参考影像数据库中获取对应的参考影像,其中,所述参考影像数据库为以原始高精度参考图像为基准建立。
3.根据权利要求1所述的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,其特征在于,所述对同轨道的全部有效景与所述对应参考影像进行图像匹配,得到每一有效景的控制点信息,具体包括:
基于SIFT算法与相位一致性的图像匹配方法,将同轨道的每一有效景的遥感影像与所述参考影像进行自动匹配,得到每一有效景的控制点信息。
4.根据权利要求1所述的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,其特征在于,所述建立在轨内外方位元素定标模型,具体包括:
建立分步式在轨定标方案,先标定相机安装角,再确定成像的内部畸变模式,迭代直至控制点精度小于预设阈值时得到定标参数;
所述建立在轨内外方位元素定标模型,通过以下公式实现:
5.根据权利要求1所述的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,其特征在于,所述对在轨的每一有效景逐一选择最佳的定标参数,具体包括:
若本景为有定标结果景,则直接选择本景计算出的定标参数;
若本景为有定标结果轨、无定标结果景,但同轨其他景有高精度定标参数,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数;
若在轨的有效景整轨均无定标结果,则选择轨道号最接近、定标精度最高的定标参数作为该轨重新生成的定标参数;
若本景图像有控制点,则选择与本景时间差最小、精度最高的定标参数,并计算控制点精度,迭代确定本景最佳适用的定标参数。
6.根据权利要求1所述的遥感卫星内外方位元素实时几何定标方法,其特征在于,所述根据选择的所述定标参数重新生成几何校正产品,并检验所述几何校正产品的几何精度,具体包括:
根据选择的所述定标参数重新生成几何校正的图像数据;
采用图像匹配的方式对重新生成的图像数据进行精度检验,以确保提升所述几何校正产品的几何精度。
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