本發(fā)明涉及一種相機(jī)的幾何定標(biāo)方法，特別是關(guān)于視頻衛(wèi)星的面陣相機(jī)幾何定標(biāo)方法。

背景技術(shù)：

經(jīng)過30多年的發(fā)展,我國(guó)航天技術(shù)取得了巨大進(jìn)步,已形成資源、氣象、海洋、環(huán)境、國(guó)防系列等構(gòu)成的對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星體系。特別是在“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)建設(shè)的推動(dòng)下,通過在平臺(tái)傳感器研制、多星組網(wǎng)、地面數(shù)據(jù)處理等方面的創(chuàng)新,我國(guó)遙感衛(wèi)星的空間分辨率、時(shí)間分辨率、數(shù)據(jù)質(zhì)量大幅提升,為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源環(huán)境、公共安全等重要領(lǐng)域提供了信息服務(wù)和決策支持。隨著遙感應(yīng)用的深入,應(yīng)用需求已從定期的靜態(tài)普查向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方向發(fā)展,利用衛(wèi)星對(duì)全球熱點(diǎn)區(qū)域和目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),獲取動(dòng)態(tài)信息已經(jīng)成為迫切需求。由于視頻衛(wèi)星可獲得一定時(shí)間范圍內(nèi)目標(biāo)的時(shí)序影像,具備了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力,視頻衛(wèi)星成像技術(shù)已成為遙感衛(wèi)星發(fā)展的一大熱點(diǎn)。

衛(wèi)星在發(fā)射過程受到應(yīng)力釋放的影響，在軌運(yùn)行后溫?zé)岬任锢憝h(huán)境變化劇烈，這些因素都會(huì)使衛(wèi)星成像幾何參數(shù)發(fā)生變化，如相機(jī)安裝矩陣、相機(jī)主點(diǎn)主距等，最終降低衛(wèi)星幾何定位精度。高精度幾何定標(biāo)是保障衛(wèi)星幾何質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。視頻衛(wèi)星的成像幅寬相對(duì)傳統(tǒng)線陣推掃衛(wèi)星更小，指向精度要求更高；另外，視頻衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤與軌跡確定等應(yīng)用對(duì)幾何定位精度具有很高的要求。因此，研究視頻衛(wèi)星面陣相機(jī)的幾何定標(biāo)技術(shù)，解決系統(tǒng)誤差對(duì)視頻衛(wèi)星幾何定位精度的影響問題，提升衛(wèi)星幾何定位精度，對(duì)保障視頻衛(wèi)星在動(dòng)態(tài)觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)視頻成像這一新型成像衛(wèi)星，提出基于高精度配準(zhǔn)控制點(diǎn)的視頻衛(wèi)星面陣相機(jī)幾何定標(biāo)方法，采用偏置矩陣補(bǔ)償相機(jī)安裝誤差、姿軌測(cè)量系統(tǒng)誤差；根據(jù)面陣相機(jī)主點(diǎn)主距誤差、光學(xué)鏡頭畸變等建立了內(nèi)方位元素系統(tǒng)誤差補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)面陣相機(jī)的高精度幾何定標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種視頻衛(wèi)星面陣相機(jī)的幾何定標(biāo)方法，包括如下步驟，

步驟1，利用視頻衛(wèi)星的內(nèi)方位元素、姿態(tài)軌道、掃描幀時(shí)和視頻影像對(duì)應(yīng)區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型dem構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型，對(duì)視頻衛(wèi)星影像對(duì)應(yīng)的高精度數(shù)字正射影像dom進(jìn)行重投影，生成一副與視頻衛(wèi)星影像相同大小的模擬影像，其中，dom與dem數(shù)據(jù)幾何定標(biāo)場(chǎng)通過航空攝影測(cè)量的方式獲得；

步驟2，針對(duì)視頻衛(wèi)星影像與模擬影像，采用相位相關(guān)與最小二乘相結(jié)合的高精度配準(zhǔn)算法進(jìn)行分塊配準(zhǔn)，獲取控制點(diǎn)；

步驟3，結(jié)合嚴(yán)密幾何成像模型，并利用配準(zhǔn)控制點(diǎn)解求外定標(biāo)參數(shù)；

步驟4，將解求得到的外定標(biāo)參數(shù)引入嚴(yán)密成像幾何模型，利用控制點(diǎn)解求面陣相機(jī)畸變模型，獲得內(nèi)定標(biāo)參數(shù)。

而且，所述步驟1包括以下子步驟，

步驟1.1，利用衛(wèi)星發(fā)射前測(cè)量的相機(jī)內(nèi)方位元素，視頻衛(wèi)星的姿態(tài)軌道、掃描幀時(shí)，結(jié)合高精度dem數(shù)據(jù)，構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型如下，

式中，為像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地物點(diǎn)在wgs84坐標(biāo)系下的地面坐標(biāo)，

為成像時(shí)刻衛(wèi)星在wgs84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為成像時(shí)刻j2000坐標(biāo)系與wgs84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，為成像時(shí)刻衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與j2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，ru為外定標(biāo)參數(shù)，為相機(jī)坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，m為成像比例，表示wgs84坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系間尺度的比例系數(shù)，

為像點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其中(x,y)為視頻衛(wèi)星影像任意像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)，(x0,y0)為主點(diǎn)，f為主距，(δx,δy)為相機(jī)畸變；

步驟1.2，將模擬影像上的任一個(gè)像素，通過步驟1.1構(gòu)建的嚴(yán)密幾何成像模型對(duì)應(yīng)關(guān)系求解像素對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)，并按地圖投影轉(zhuǎn)換公式將地面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到高精度dom的投影坐標(biāo)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(duì)該像素進(jìn)行灰度重采樣，得到模擬影像像素灰度；

步驟1.4，重復(fù)步驟1.1—1.3，直至生成一幅與檢校的視頻衛(wèi)星影像相同大小的模擬影像。

而且，所述步驟3中結(jié)合嚴(yán)密幾何成像模型，并利用配準(zhǔn)控制點(diǎn)解求外定標(biāo)參數(shù)的實(shí)施方式如下，

記外定標(biāo)參數(shù)

式中a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，表示外定標(biāo)參數(shù)ru的9個(gè)元素，為視頻衛(wèi)星姿態(tài)的俯仰角，ω為滾動(dòng)角，κ為偏航角；

嚴(yán)密幾何成像模型可變換為，

記

展開有，

構(gòu)建觀測(cè)方程，

列出誤差方程，

v＝bx-l,w(6)

式中，w為權(quán)矩陣，

利用最小二乘原理x＝(b^tb)^-1b^tl，由此可計(jì)算出外定標(biāo)參數(shù)中的三個(gè)角元素

而且，所述步驟4中內(nèi)定標(biāo)參數(shù)獲取的實(shí)施方式如下，

根據(jù)對(duì)面陣相機(jī)內(nèi)方位元素誤差的分析，建立如下內(nèi)定標(biāo)模型，

式中δx0,δy0為主點(diǎn)誤差，s1、s2、s3、s4為比例誤差系數(shù)，k1、k2、p1、p2為鏡頭畸變參數(shù)，

將嚴(yán)密成像幾何模型轉(zhuǎn)換為，

記

則有，

構(gòu)建觀測(cè)方程，

按最小二乘列出誤差方程，

v1＝b1x-l1,w1(11)

式中，w1為權(quán)矩陣，

x＝(δx0,δy0,s1,s2,s3,s4,k1,k2,p1,p2)'，

利用最小二乘原理由此計(jì)算出內(nèi)定標(biāo)模型參數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1、基于影像模擬技術(shù)，消除了衛(wèi)星影像與控制影像間成像復(fù)雜變形，保障了配準(zhǔn)控制點(diǎn)精度。

2、采用偏置矩陣統(tǒng)一補(bǔ)償線角元素誤差，克服參數(shù)相關(guān)性對(duì)平差求解的影響。

3、本發(fā)明采用外、內(nèi)定標(biāo)模型迭代求解的方法，克服參數(shù)相關(guān)性對(duì)平差求解的影響。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于視頻衛(wèi)星面陣相機(jī)的幾何定標(biāo)中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例衛(wèi)星影像分塊配準(zhǔn)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

步驟1，視頻衛(wèi)星影像相對(duì)高精度數(shù)字正射影像(dom)存在復(fù)雜變形(分辨率差異、投影變形)，利用視頻衛(wèi)星的內(nèi)方位元素、姿態(tài)軌道、掃描幀時(shí)和視頻影像對(duì)應(yīng)區(qū)域的高精度數(shù)字高程模型(dem)構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型，對(duì)前述高精度dom影像進(jìn)行重投影，生成一副與視頻衛(wèi)星影像相同大小的模擬影像。其中，dom與dem數(shù)據(jù)幾何定標(biāo)場(chǎng)，一般通過航空攝影測(cè)量的方式獲得。所述步驟如下：

步驟1.1，利用衛(wèi)星發(fā)射前測(cè)量的相機(jī)內(nèi)方位元素，視頻衛(wèi)星的姿態(tài)軌道、掃描幀時(shí)，結(jié)合高精度dem數(shù)據(jù)，構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型如下：

式中：

為像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地物點(diǎn)在wgs84坐標(biāo)系下的地面坐標(biāo)；

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gps測(cè)量的位置數(shù)據(jù)，從星上打包下傳的軌道數(shù)據(jù)中獲取；

為成像時(shí)刻j2000坐標(biāo)系與wgs84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，可根據(jù)成像時(shí)刻和國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)(iau)提供的地球歲差章動(dòng)模型及極移參數(shù)等計(jì)算獲得；

為成像時(shí)刻衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與j2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，其是星上測(cè)姿系統(tǒng)的定姿結(jié)果，從星上打包下傳的姿態(tài)數(shù)據(jù)中獲取；

ru為偏置矩陣，即外定標(biāo)參數(shù)；

為相機(jī)坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，描述相機(jī)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的安裝關(guān)系，其值在衛(wèi)星發(fā)射前會(huì)進(jìn)行精密測(cè)量；

m為成像比例，表示wgs84坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系間尺度的比例系數(shù)。

為像點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其中(x,y)為視頻衛(wèi)星影像任意像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)，(x0,y0)為主點(diǎn)，f為主距，(δx,δy)為相機(jī)畸變。在幾何定標(biāo)前，一般用衛(wèi)星發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量值作為嚴(yán)密幾何成像模型中相機(jī)主點(diǎn)、主距和畸變的初值，定標(biāo)后則用求解的新參數(shù)代替。

步驟1.2，將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)。通過步驟1.1構(gòu)建的嚴(yán)密幾何成像模型對(duì)應(yīng)關(guān)系求解(x',y')對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)，嚴(yán)密幾何成像模型中的ru，可以利用至少兩個(gè)控制點(diǎn)通過步驟3來求解作為初值，并在后續(xù)每次迭代計(jì)算中更新其值：并按地圖投影轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將(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1.3，(east,north)refdom在高精度dom上的定位。獲取高精度dom左上角點(diǎn)坐標(biāo)(hstart,vstart)、dom單個(gè)像素的空間分辨率(hres,vres)，則(east,north)refdom對(duì)應(yīng)dom像素點(diǎn)為((east-hstart)/hres,(north-vstart)/vres)，對(duì)其進(jìn)行灰度重采樣，得到模擬影像像素(x',y')灰度；

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

步驟2，針對(duì)視頻衛(wèi)星影像與模擬影像，采用相位相關(guān)與最小二乘相結(jié)合的高精度配準(zhǔn)算法進(jìn)行分塊配準(zhǔn)，獲取控制點(diǎn)，可以獲得亞像素級(jí)的配準(zhǔn)精度；

步驟2.1，將視頻衛(wèi)星影像等間隔劃分為若干區(qū)域，如圖2所示，以劃分四個(gè)區(qū)域?yàn)槔?/p>

步驟2.2，針對(duì)步驟2.1中劃分的四個(gè)區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)分別對(duì)衛(wèi)星影像與模擬影像進(jìn)行配準(zhǔn)；

步驟2.3，衛(wèi)星影像與模擬影像之間可以用仿射模型建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；利用配準(zhǔn)獲取的所有配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)通過最小二乘解求系數(shù)(aoffsetaxayboffsetbxby)，根據(jù)平差后求得的改正數(shù)來估計(jì)單位權(quán)中誤差并根據(jù)協(xié)因數(shù)傳播律計(jì)算各配準(zhǔn)點(diǎn)誤差，將殘差大于單位權(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)中誤差至少優(yōu)于0.5。

步驟2.4，利用步驟1.1.1構(gòu)建的模擬影像嚴(yán)密幾何成像模型，將各配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)中模擬影像像點(diǎn)計(jì)算到地面坐標(biāo)：從而得到檢校影像控制點(diǎn)(x,y,x,y,z)，(x,y)與(x',y')為配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì),(x,y)為衛(wèi)星真實(shí)影像的像點(diǎn)坐標(biāo)，(x',y')為模擬影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟3，利用配準(zhǔn)控制點(diǎn)解求偏置矩陣，補(bǔ)償載荷安裝誤差、姿態(tài)、軌道系統(tǒng)誤差。

偏置矩陣ru的解求方法一般按攝影測(cè)量中后方交會(huì)方法進(jìn)行。記：

式中a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，表示偏置矩陣ru的9個(gè)元素，便于后續(xù)公式的推導(dǎo)，為視頻衛(wèi)星姿態(tài)的俯仰角，ω為滾動(dòng)角，κ為偏航角；

嚴(yán)密幾何成像模型可變換為：

記

展開有：

構(gòu)建觀測(cè)方程：

列出誤差方程：

v＝bx-l,w(6)

式中，

b為未知數(shù)x的系數(shù)矩陣，通過求函數(shù)fx,fy對(duì)x的偏導(dǎo)數(shù)來獲得。

l為bx的近似值矩陣，由未知數(shù)x的近似值求得。

w為權(quán)矩陣，通常設(shè)置為單位矩陣。

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。

若實(shí)施時(shí)由于參數(shù)的相關(guān)性，使得求解過程中方程出現(xiàn)病態(tài)，一般的解決方式是嶺參數(shù)估計(jì)法。

步驟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)解求面陣相機(jī)畸變模型：

根據(jù)對(duì)面陣相機(jī)內(nèi)方位元素誤差的分析，建立如下內(nèi)定標(biāo)模型：

式中δx0,δy0為主點(diǎn)誤差，s1、s2、s3、s4為比例誤差系數(shù)，k1、k2、p1、p2為鏡頭畸變參數(shù)，

將嚴(yán)密成像幾何模型轉(zhuǎn)換為：

記

則：

構(gòu)建觀測(cè)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(quán)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(jì)算出內(nèi)定標(biāo)模型參數(shù)。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。