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、國防系列等構(gòu)成的對地觀測遙感衛(wèi)星體系。特別是在“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”國家科技重大專項建設(shè)的推動下,通過在平臺傳感器研制、多星組網(wǎng)、地面數(shù)據(jù)處理等方面的創(chuàng)新,我國遙感衛(wèi)星的空間分辨率、時間分辨率、數(shù)據(jù)質(zhì)量大幅提升,為我國現(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動態(tài)監(jiān)測方向發(fā)展,利用衛(wèi)星對全球熱點區(qū)域和目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測,獲取動態(tài)信息已經(jīng)成為迫切需求。由于視頻衛(wèi)星可獲得一定時間范圍內(nèi)目標(biāo)的時序影像,具備了對運動目標(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。

衛(wèi)星在發(fā)射過程受到應(yīng)力釋放的影響，在軌運行后溫?zé)岬任锢憝h(huán)境變化劇烈，這些因素都會使衛(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)星的動態(tài)目標(biāo)跟蹤與軌跡確定等應(yīng)用對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，對保障視頻衛(wèi)星在動態(tài)觀測領(lǐng)域的應(yīng)用效果具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對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，采用偏置矩陣補償相機(jī)安裝誤差、姿軌測量系統(tǒng)誤差；根據(jù)面陣相機(jī)主點主距誤差、光學(xué)鏡頭畸變等建立了內(nèi)方位元素系統(tǒng)誤差補償模型，實現(xiàn)面陣相機(jī)的高精度幾何定標(biāo)。

為實現(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、掃描幀時和視頻影像對應(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，對視頻衛(wèi)星影像對應(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)場通過航空攝影測量的方式獲得；

步驟2，針對視頻衛(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；

步驟3，結(jié)合嚴(yán)密幾何成像模型，并利用配準(zhǔn)控制點解求外定標(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，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，為像點對應(yīng)的地物點在wgs84坐標(biāo)系下的地面坐標(biāo)，

為成像時刻衛(wèi)星在wgs84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為成像時刻j2000坐標(biāo)系與wgs84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，為成像時刻衛(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)星影像任意像點的像空間坐標(biāo)，(x0,y0)為主點，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像素，通過步驟1.1構(gòu)建的嚴(yán)密幾何成像模型對應(yīng)關(guān)系求解像素對應(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)控制點解求外定標(biāo)參數(shù)的實施方式如下，

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個元素，為視頻衛(wèi)星姿態(tài)的俯仰角，ω為滾動角，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，由此可計算出外定標(biāo)參數(shù)中的三個角元素

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

根據(jù)對面陣相機(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：

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)控制點精度。

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

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)性對平差求解的影響。

基于以上優(yōu)點，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)明實施例的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例衛(wèi)星影像分塊配準(zhǔn)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(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、掃描幀時和視頻影像對應(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，一般通過航空攝影測量的方式獲得。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，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：

為像點對應(yīng)的地物點在wgs84坐標(biāo)系下的地面坐標(biāo)；

為成像時刻衛(wèi)星在wgs84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其是星上下傳的gps測量的位置數(shù)據(jù)，從星上打包下傳的軌道數(shù)據(jù)中獲??；

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

為成像時刻衛(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??；

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)射前會進(jìn)行精密測量；

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)星影像任意像點的像空間坐標(biāo)，(x0,y0)為主點，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)射前實驗室的測量值作為嚴(yán)密幾何成像模型中相機(jī)主點、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)密幾何成像模型對應(yīng)關(guān)系求解(x',y')對應(yīng)的地面坐標(biāo)，嚴(yán)密幾何成像模型中的ru，可以利用至少兩個控制點通過步驟3來求解作為初值，并在后續(xù)每次迭代計算中更新其值：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左上角點坐標(biāo)(hstart,vstart)、dom單個像素的空間分辨率(hres,vres)，則(east,north)refdom對應(yīng)dom像素點為((east-hstart)/hres,(north-vstart)/vres)，對其進(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，可以獲得亞像素級的配準(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，以劃分四個區(qū)域為例；

步驟2.2，針對步驟2.1中劃分的四個區(qū)域，在各個區(qū)域內(nèi)分別對衛(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應(yīng)關(guān)系；利用配準(zhǔn)獲取的所有配準(zhǔn)點對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)來估計單位權(quán)中誤差并根據(jù)協(xié)因數(shù)傳播律計算各配準(zhǔn)點誤差，將殘差大于單位權(quán)中誤差的各配準(zhǔn)點剔除；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)點對中模擬影像像點計算到地面坐標(biāo)：從而得到檢校影像控制點(x,y,x,y,z)，(x,y)與(x',y')為配準(zhǔn)點對,(x,y)為衛(wèi)星真實影像的像點坐標(biāo)，(x',y')為模擬影像上的像點坐標(biāo)。

步驟3，利用配準(zhǔn)控制點解求偏置矩陣，補償載荷安裝誤差、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量中后方交會方法進(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，由此可計算出偏置矩陣三個角元素從而求解出偏置矩陣。

若實施時由于參數(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，利用控制點解求面陣相機(jī)畸變模型：

根據(jù)對面陣相機(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：由此可計算出內(nèi)定標(biāo)模型參數(shù)。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(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)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。