[发明专利]一种星载推扫式光学传感器外方位元素定标方法

摘要

本发明涉及一种相机的几何定标方法，特别涉及一种星载推扫式光学传感器外方位元素定标方法，属于航空航天领域。一种星载推扫式光学传感器外方位元素定标方法，采用顾及误差时间特性的偏置矩阵模型，利用控制点基于最小二乘原理解求未知数，实现面阵相机的高精度外方位元素定标。本发明基于高精度配准控制点实现卫星面阵相机几何定标，避免系统误差对视频卫星几何定位精度的影响，提升卫星几何定位精度，对保障卫星在动态观测领域的应用效果具有十分重要的意义。

主权项

1.一种星载推扫式光学传感器外方位元素定标方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，控制点量测；遥感卫星应用需要控制点；采用控制点影像库的卫星遥感影像控制点的半自动选取技术，准确而又快速地量测出控制点，且能够保证控制点影像量测的精度；半自动选取技术主要包括控制点影像库的建立与应用；步骤1.1，建立控制点数据库；建立地面控制点影像库首先需要在地面应用系统的数据库中创建有关地面控制点列表(TABLE)，然后通过提取地面控制点，将有关控制点的信息存入数据库中，得到地面控制点影像库，地面控制点影像库表结构如表1；表1地面控制点影像库表结构提取地面控制点，建立控制点数据库的流程为：(1)在经扫描纠正的地形图上利用选取控制点的工具选取地面控制点；(2)在原始的卫星遥感影像上找到同名点，并选择同名点周围的邻域，即窗口图像，将所述窗口图像的元数据和影像存入控制点数据库中；重复此操作，控制点数据库在几何纠正处理过程中逐渐建立和丰富，最终形成完整的、覆盖全球的控制点数据库；若发生变化的地面特征为控制点数据库中控制点所对应的地面区域，则需要及时更新控制点库；步骤1.2，调用控制点数据库；由于控制点数据库的不断更新，针对一个地物在数据库中对应着多个同名控制点的信息的情况；当进行卫星遥感影像几何纠正时，系统为了快速从控制点数据库中检索到最合适的控制点，遵循下述原则：选择与待纠正影像采集时间最接近的控制点进行自动匹配；步骤1.3，相似性测度；采用相关系数作为步骤1.2影响匹配的匹配测度，相关系数的定义为：式中，其中，m、n为模板大小，且N＝m*n，相关系数的取值在[‑1，1]，越接近1则影像间相似程度越高；(i，j)为目标区中的像元行列号，(c，r)为搜索区中心的坐标；g_i，j为待纠正影响控制点(i，j)的灰度值，g′_i，j为影像数据库中与待纠正影像采集时间最接近的控制点的灰度值；g_i+r，j+c为待纠正影响控制点(i+r，j+c)的灰度值，g′_i+r，j+c为影像数据库中与待纠正影像采集时间最接近的控制点的灰度值；步骤1.4，消除影像库中影像的旋转和比例畸变；影像的几何变形主要表现为旋转关系和平移关系的组合，比例关系也涵盖在旋转关系中，而平移关系能够由影像匹配来解决，因此通过旋转、缩放控制点影像块的方式来解决旋转和比例畸变带来的问题；首先根据严密成像模型或RPC模型计算控制点影像的北方向与原始影像沿着轨道方向的差异，估计卫星的旋转角度和比例系数，方法如下：分别建立原始影像和控制点影像的影像坐标OXY、oxy，在控制点影像的影像坐标上选取两个点P₁(x₀，y₀)、P₂(x₁，y₁)，并使P₁和P₂的连线与oy轴平行；通过反转换，得出P₁点在原始影像的影像坐标上对应的点为P₁′(X₀，Y₀)，P₂点在原始影像的影像坐标上对应的点为P₂′(X₁，Y₁′)；过P₁′作OY轴的平行线与过P₂′作OX轴的平行线交与一点P₃′(X₂，Y₂)；此时线段P₁′P₂′与线段P₂′P₃′的夹角称为旋转角，令旋转角为：比例系数m为：式中，P′₂P′₃＝X₀‑X₁；P′₂P′₃＝Y₁‑Y₀；P₁(x₀,y₀)为控制点影像中心，P₂(x₁,y₁)为控制点影像块下边缘中点；P′₁(X₀,Y₀)和P′₂(X₁,Y′₁)是控制点影像上的对应点利用变换模型投影到原始影像上的投影点，D(P₁，P₂)和D(P′₁，P₂′)分别为两点之间的像素距离；然后将控制点影像模板绕卫星本体坐标的质心进行旋转，在旋转过程中，加入比例系数改正，在旋转后的模板影像当中取一个内接的矩形区域作为新的控制点影像模板，此时，需保证控制点数据库中的控制点仍然在新的模板中心；控制点数据库中的控制点根据新的控制点影像模板生成新的控制点影像；即完成了旋转和比例畸变的消除，生成新的控制点影像；步骤1.5，采用改进的爬山法搜索策略实现快速控制点匹配，即对步骤1.4生成的新的控制点影像的控制点匹配；步骤1.5.1：利用严密成像模型或RPC模型，根据匹配点预测的最大视差确定搜索窗口大小；步骤1.5.2：利用严密成像模型或RPC模型的预测点位精度确定金字塔匹配的层数；首先，由于生成金字塔时采用低通滤波，使得高层上的影像保留原始影像本身大的整体结构特征，滤掉局部非平稳信息和噪声，从而在高层上减少匹配的不确定性；其次，高层匹配结果能够作为初值向下传递，减少下一层匹配的搜索范围，降低匹配过程中的计算复杂度；一幅影像既含有高频信息又含有低频信息；高频信息在影像中占的比例小，低频信息占的比例大；利用金字塔匹配模式，获得一个接近控制点实际位置的初始值，然后再在原始分辨率下计算影像相关系数，若相关系数达到阈值，确定金字塔匹配的层数；步骤1.5.3：改进的爬山法搜索策略；在每一层金字塔的搜索过程中，采用改进的爬山法搜索策略，以减少计算相关系数的次数，并且保证搜索的极值点为整体搜索区域内的极值点；所述改进的爬山法搜索策略为：在任意一个空间直角坐标系中，预测点P0位于非主峰的区域内，根据爬山法的原理，找到一个峰顶S1，在S1位置沿着X方向就是P0A方向做一次整体搜索，找到X方向的整体峰值点P1，然后沿着X方向就是P1B方向做整体搜索，搜索到Y方向的整体峰值点P2，然后将峰顶S1与整体峰值点P1、整体峰值点P2对比得出最高峰值，最高峰值为整体搜索区域内的极值点；步骤2，计算最小二乘偏置矩阵；步骤2.1，建立常量偏置矩阵模型；设备安装误差与姿轨测量误差等效，因此仅需根据姿轨测量误差特性构建补偿模型；对于视场角较小的高分光学卫星而言，轨道位置误差引起的几何定位误差为平移误差，与俯仰角误差、滚动角误差具有等效性；对沿卫星飞行方向和垂直卫星飞行方向对卫星的轨道位置误差进行分析可知，轨道位置误差与姿态误差的等效性；卫星真实位置与卫星带误差位置之间的距离能够转换成俯仰角误差将平移误差等效为姿态角误差，采用偏置矩阵R_u补偿姿态误差，修正真实光线指向与带误差光线指向间的偏差，则由式(5)得常量偏置矩阵模型式(6)：式中，为t时刻GPS相位中心在WGS84坐标系下的位置矢量；为t时刻J2000坐标系相对于WGS84坐标系的转换矩阵；为t时刻body坐标系相对于J2000坐标系的转换矩阵；为camera坐标系相对body坐标系的转换矩阵；(Dx Dy Dz)^T为GPS相位中心在本体坐标系的坐标；为相机坐标系原点与本体坐标系原点偏移；代表相机主距；Ψ为CCD阵列沿轨向偏航角；为影像坐标；为主视轴即过主点垂直于CCS线阵的垂点对应的位置；为探元大小；m为比例系数；R_u为正交旋转矩阵，R_u的作用是使得与之相乘的坐标系绕坐标系本身的y轴、x轴、z轴旋转角度ω_u、κ_u；即：则式(6)写成：令：则：显然，(X_b Y_b Z_b)^T是由地面点坐标确定的光线本体系下的指向；而(x_b x_b x_b)^T是由像方坐标确定的光线本体系下的指向；R_u用于修正两者的偏差从而实现姿态误差补偿；展开式(9)，变化为：其中：对式(11)进行线性化并构建误差方程：v_误差＝A_误差x_误差‑L_误差；p_误差         (12)其中，x_误差为L_误差为根据初值计算的p_误差为观测权值，A_误差为系数矩阵具体为：则：偏置矩阵中待求未知数为三个偏置角，而一个平高控制点只能列两个方程；因此，已知两个控制点即可解求偏置矩阵；步骤2.2，建立顾及误差时间特性的最小二乘偏置矩阵模型；针对姿态系统误差引起的平移误差和旋转误差，常量偏置矩阵能很好的补偿；但是，由于平台稳定性不够以及陀螺漂移对姿态确定精度的影响，几何定位模型中常常存在着漂移误差；常量偏置矩阵无法补偿姿态漂移误差，为此，在常量偏置矩阵中引入偏置角的时间变化率：将式(14)带入公式(6)以替换R_u，得到最小二乘偏置矩阵模型：