一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定方法及装置与流程

本发明卫星摄像测量领域，具体涉及一种基于天绘一号卫星的天地一体化一体化标定方法及装置。
背景技术：
：卫星实现无地面控制点的摄影测量技术一直是国内外航天遥感领域研究的热点。国内外各专家学者也提出了无地面控制点卫星摄影测量方案，美国学者在Mapsat和OIS卫星方案中都要求卫星平台稳定度为10-6(°/s)，但因工程难度太大而未立项研制；德国学者在MOMS工程中采用三线阵CCD影像按“定向片”法作光束法平差，达到了降低卫星平台稳定度和对地面控制点数量的要求，实验结论是：立体测绘不能没有地面控制点；日本的先进对地观测卫星(ALOS)号称为无地面控制点的摄影测量在轨卫星，该系统的特点是：主要传感器是三线阵CCD相机，但立体测绘只有前、后视影像，正视影像仅用于作正射影像。姿态稳定度1.9×10-4(°/5s)，EO线元素精度1m，依靠星敏感器测姿值和高精度角度偏移测量传感器ADS的观测值联合计算，EO角元素精度可达0.5″。但该系统的误差仍然偏大，无法满足要求。如何进一步的提高无地面控制点的摄影测量精度成为本领域技术人员亟待解决的问题。技术实现要素：技术问题是提高无地面控制点的摄影测量精度。有鉴于此，本发明实施例提供一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定方法及装置用以解决技术问题。问题的解决方案一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定方法，包括步骤：通过匹配技术得到正、前和后视影像的上下排点；根据相对定向原理计算上下排点的上下视差；将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差；通过姿态补偿消除系统误差。进一步的，所述通过匹配技术得到正、前和后视影像的上下排点的步骤包括过程：对三线阵影像进行全自动匹配，得到上下排点在前、正、后视影像上的像点坐标；原始姿态数据的坐标转换，将WGS84与相机间姿态数据转换到局部与相机坐标系下得到局部与相机间姿态数据。其中，WGS84:WorldGeodeticSystem1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。进一步的，所述姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差包括偏航修正值dμ；将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差的步骤包括过程：根据相对定向原理计算每个排点对应偏航修正值dμ的修正量；采用上下排点筛点策略剔除错误的上下排点，保证上下排点的上下视差分布的均匀性，从而得到偏航修正值dμ的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对偏航角(kappa角)修正dμ，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换为局部与相机间姿态数据。本方案中，由于使用了上下排点筛点策略，故而保证了上下排点的上下视差分布的均匀性，有利于偏航修正值dμ的平均值的计算。进一步的，所述姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差还包括俯仰修正值dv；将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差的步骤包括过程：根据相对定向原理，分别计算经过上下排点筛点策略保留下的上下排点的视差，及俯仰修正值dv的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对俯仰角(phi角)修正dv，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换到WGS84与相机间姿态数据。本方案中，由于使用了上下排点筛点策略，故而保证了上下排点的上下视差分布的均匀性，有利于俯仰修正值dv的平均值的计算。进一步的，所述通过姿态补偿消除系统误差的步骤包括过程：对修正后的姿态数据进行平差解算消除系统误差，获得RPC参数，并计算定位精度。所述RPC参数，是基于全球DEM的RPC模型参数求解算法求得的，由于该RPC参数不是本发明的主要发明点，在此不予赘述。本发明还提供了一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定装置，包括：排点模块，用于通过匹配技术得到正、前和后视影像的上下排点；视差计算模块，用于根据相对定向原理计算上下排点的上下视差；误差分解模块，用于将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差；补偿模块，通过姿态补偿消除系统误差。进一步的，所述排点模块用于对三线阵影像进行全自动匹配，得到上下排点在前、正、后视影像上的像点坐标；并进行原始姿态数据的坐标转换，将WGS84与相机间姿态数据转换到局部与相机坐标系下得到局部与相机间姿态数据。进一步的，所述误差分解模块用于根据相对定向原理计算每个排点对应偏航修正值dμ的修正量；采用上下排点筛点策略剔除错误的上下排点，保证上下排点的上下视差分布的均匀性，从而得到偏航修正值dμ的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对偏航角(kappa角)修正dμ，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换为局部与相机间姿态数据。进一步的，所述误差分解模块还用于根据相对定向原理，分别计算经过上下排点筛点策略保留下的上下排点的视差，及俯仰修正值dv的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对俯仰角(phi角)修正dv，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换到WGS84与相机间姿态数据。进一步的，所述补偿模块用于对修正后的姿态数据进行平差解算消除系统误差，获得RPC参数，并计算定位精度。所述RPC参数，是基于全球DEM的RPC模型参数求解算法求得的，由于该RPC参数不是本发明的主要发明点，在此不予赘述。本发明的有益效果：采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：本发明通过利用相对定向原理得到立体模型的上下视差，进而得到角元素的系统误差，并对其进行了补偿，即解决了无控定位技术中角元素的低频系统误差问题，消除了姿态系统误差，实现高精度无控定位技术。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。图1是相对定向示意图；图2是上下视差的几何意义示意图；图3是一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定方法流程图；图4是角元素一的曲线图；图5是角元素二的曲线图；图6是角元素三的曲线图；图7是本发明一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定装置的示意图。贯穿附图，应该注意的是，相似的标号用于描绘相同或相似的元件、特征和结构。具体实施方式提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。现有技术对于无控定位技术已经有了一定的研究，其中部分与本发明有关的现有技术如下所示：从两个摄站对同一地面摄取一个立体像对时，立体像对中任一物点的两条同名光线都相交于该物点，即存在同名光线对对相交的现象。若保持两张像片之间相对位置和姿态关系不变，将两张像片整体移动、旋转和改变基线的长度，同名光线对对相交的特性并不发生变化。解析法相对定向就是根据同名光线对对相交这一立体像对内在的几何关系，通过量测像点坐标，用解析计算的方法解求相对定向元素，建立与地面相似的立体模型，确定模型点的三维坐标。如图1所示，S1a1和S2a2为一对同名光线，这对同名光线与摄影基线B位于同一核面内，即S1a1、S2a2和B三条直线共面。由空间解析几何知识可知，如果三条直线共面，则它们对应矢量的混合积为零，即B·(S1a1×S2a2)＝0；三矢量在像空间辅助坐标系中的坐标分别为(Bx,By,Bz)、(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，则共面条件方程可以用坐标表示为共面条件方程是否成立是完成相对定向的标准。解析相对定向就是根据共面条件方程解求相对定向元素。在相对定向解析计算时，通常把摄影基线B改写为b，b称为投影基线。这里B＝m·b；式中：m为摄影比例尺分母；bx,by,bz为投影基线的分量，由图1中的几何关系，可知上式中，u和v为基线的偏角和倾角，将上式代入共面条件方程式得将F按泰勒级数展开，取小值一次项，得共面方程的线性公式为上式中，每一项偏导的推导过程在这里就不详细列出了，详见《摄影测量学》(林君建)。最终推导可得通过上下视差公式可以计算出姿态在俯仰和偏航两个方向上的修正值，即dμ和dv：而视差的计算可以通过式：Q＝N1Y1-N2Y2-by；上式中，N1Y在左片投影点在以左摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；N2Y2为右片投影点在以右摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；by为两摄站的Y坐标之差，所以Q的几何意义为模型上同名点的Y坐标之差，称为上下视差，如图2所示。由前方交会公式可知，若同名光线相交于一点，即A1＝A2，则Q＝0。根据以上原理结合天绘一号三线阵相机，即是本发明的技术方案，技术方案详见下述：实施例一：图3是本实施例一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定方法流程图。参考图3，本实施例所述的一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定方法，包括如下步骤：S1:通过匹配技术得到正、前和后视影像的上下排点；S2:根据相对定向原理计算上下排点的上下视差；S3:将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差；S4:通过姿态补偿消除系统误差。本发明的有益效果：采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：本发明通过利用相对定向原理得到立体模型的上下视差，进而得到角元素的系统误差，并对其进行了补偿，即解决了无控定位技术中角元素的低频系统误差问题，消除了姿态系统误差，实现高精度无控定位技术。更具体的，本发明以“天绘一号”卫星为背景，深入分析卫星外方位元素(EO)的角方位元素误差情况，分析得到遥感卫星的测姿系统测角存在不可忽视的低频和“慢漂”系统性误差，使得在轨标定后的星相机和三线阵CCD相机安装角转换参数产生额外的增量。但这些增量在一航线内可视为常量，且其与立体模型的上下视差之间存在规律，因此提出了一种利用相对定向原理得到立体模型的上下视差，进而得到角元素的系统误差并对其进行补偿，消除姿态系统误差实现高精度无控定位技术。本实施例优选的，步骤S1，即通过匹配技术得到正、前和后视影像的上下排点的步骤包括过程：对三线阵影像进行全自动匹配，得到上下排点在前、正、后视影像上的像点坐标；原始姿态数据的坐标转换，将WGS84与相机间姿态数据转换到局部与相机坐标系下得到局部与相机间姿态数据。其中，WGS84:WorldGeodeticSystem1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。本实施例优选的，步骤S3：即姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差包括偏航修正值dμ；将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差的步骤包括过程：根据相对定向原理计算每个排点对应偏航修正值dμ的修正量；采用上下排点筛点策略剔除错误的上下排点，保证上下排点的上下视差分布的均匀性，从而得到偏航修正值dμ的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对偏航角(kappa角)修正dμ，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换为局部与相机间姿态数据。本方案中，由于使用了上下排点筛点策略，故而保证了上下排点的上下视差分布的均匀性，有利于偏航修正值dμ的平均值的计算。本实施例优选的，步骤S3：即姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差还包括俯仰修正值dv；将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差的步骤包括过程：根据相对定向原理，分别计算经过上下排点筛点策略保留下的上下排点的视差，及俯仰修正值dv的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对俯仰角(phi角)修正dv，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换到WGS84与相机间姿态数据。本方案中，由于使用了上下排点筛点策略，故而保证了上下排点的上下视差分布的均匀性，有利于俯仰修正值dv的平均值的计算。本实施例优选的，步骤S4：即通过姿态补偿消除系统误差的步骤包括过程：对修正后的姿态数据进行平差解算消除系统误差，获得RPC参数，并计算定位精度。所述RPC参数，是基于全球DEM的RPC模型参数求解算法求得的，由于该RPC参数不是本发明的主要发明点，在此不予赘述。对于本发明的方法，已经进行了实验，相关的实验数据，展示如下：试验数据试验数据采用天绘一号卫星在七个试验场的控制点数据，其控制点数量为：新疆地区18个，北京山东地区30个，重庆地区20个，江西广东地区24个，黑龙江吉林(1)地区12个，安徽地区12个，黑龙江吉林(2)地区30个。表1试验区具体情况试验方案下面以黑龙江吉林(1)地区试验场为例，条带号Path为869，摄影时间为2011年5月17日。步骤一：上下排点的全自动匹配，如表2和表3所示：表2影像匹配的上排点表2影像匹配的下排点步骤二：原始姿态数据的坐标转换，如表4和表5所示：表4转换前WGS84与相机间的姿态数据格式表5转换后局部与相机间的姿数据格式步骤三：根据相对定向原理计算上下排点的视差，并通过筛点策略删除粗差点，得到准确的dμ：删除后的上下排点个数为2680个，每个点得到的dμ值，dμ的修正量为50.41923363″。步骤四：轨道与本体间的姿态数据对kappa角修正dμ后，转换到局部与相机间的结果如表6所示。表6修正完Kappa后局部与相机间的姿态数据步骤五：计算Phi角的修正量dv：得到每个点得到的dv值，dv的修正量为142.49319599″。步骤六：轨道与本体间的姿态数据对phi角修正dv，修正完后再将姿态数据转换到WGS84与相机间：姿态修正完后再转换到WGS84与相机间的结果如表7所示。表7修完后转换到WGS84与相机间的姿态对应的角元素信息，在图4角元素一的曲线图、图5角元素二的曲线图和图6角元素三的曲线图中显示。步骤七：修正后的姿态数据进行平差解算，获得RPC参数，并计算定位精度。黑龙江吉林(1)地区一体化标定完后通过RPC前交计算的控制点定位精度在高斯平面坐标系下的结果见表8。表8黑龙江吉林(1)地区一体化标定后定位精度点号ΔX/mΔY/mΔZ/m601113.54055-0.822541.60171560129.5230780.5580955.89558960327.2395194.3358920.56744760310.717814-11.99611.39546760218.432977-1.241720.00076260226.6545740.874895-0.9157560411.526841-0.18994-5.5800560423.3696712.864859-3.5165860511.303343-3.12275-6.3694860522.4273913.404818-10.899160620.6804342.36233-5.2872660611.551742-0.00455-6.7129中误差6.2350324.0944135.134152试验结果对七个试验区进行一体化标定，标定的姿态低频误差结果见表9。表9一体化标定的低频误差值七个试验区一体化标定后通过RPC前交计算的控制点定位精度在高斯平面坐标系下的结果见表10。表10一体化标定后的定位精度通过上述试验结果可看出，表8中标定的低频误差dμ与dν相对稳定，在6角秒之内波动。七个试验区不进行标定则定位精度在500米左右，一体化标定无需地面控制点参与，标定后的定位精度可以达到十几米，可以实现高精度无控定位。实施例二：图7是本发明一种基于天绘一号卫星的天地一体化标定装置的示意图，参考图7可知，本装置包括：排点模块10，用于通过匹配技术得到正、前和后视影像的上下排点；视差计算模块20，用于根据相对定向原理计算上下排点的上下视差；误差分解模块30，用于将上下视差分解为姿态在俯仰和偏航两个方向上的系统误差；补偿模块40，通过姿态补偿消除系统误差。本实施例优选的，排点模块10用于对三线阵影像进行全自动匹配，得到上下排点在前、正、后视影像上的像点坐标；并进行原始姿态数据的坐标转换，将WGS84与相机间姿态数据转换到局部与相机坐标系下得到局部与相机间姿态数据。其中，WGS84:WorldGeodeticSystem1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。本实施例优选的，误差分解模块30用于根据相对定向原理计算每个排点对应偏航修正值dμ的修正量；采用上下排点筛点策略剔除错误的上下排点，保证上下排点的上下视差分布的均匀性，从而得到偏航修正值dμ的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对偏航角(kappa角)修正dμ，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换为局部与相机间姿态数据。本实施例优选的，误差分解模块30还用于根据相对定向原理，分别计算经过上下排点筛点策略保留下的上下排点的视差，及俯仰修正值dv的平均值；将局部与相机间姿态数据转换到轨道与本体间姿态数据，对俯仰角(phi角)修正dv，修正完后再将轨道与本体间姿态数据转换到WGS84与相机间姿态数据。本实施例优选的，补偿模块40用于对修正后的姿态数据进行平差解算消除系统误差，获得RPC参数，并计算定位精度。所述RPC参数，是基于全球DEM的RPC模型参数求解算法求得的，由于该RPC参数不是本发明的主要发明点，在此不予赘述。应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。当前第1页1 2 3