一种光学遥感卫星多CCD多相机统一处理的传感器校正方法与流程

本发明属光学遥感卫星数据处理领域，适用于航空摄影测量领域。

背景技术：

随着遥感与卫星技术的进步与发展，用户对高分辨率卫星影像几何分辨率、几何质量和幅宽的要求越来越高。

受制于CCD器件的限制，当前及以后一段时间内，国产高分遥感卫星为满足用户对幅宽的要求均采用多片CCD、多台相机拼幅成像，每台相机为中心投影成像。同时，在亚米级遥感相机中，载荷方为减轻边缘MTF下降的影响保证影像清晰度；在焦平面的设计中开始借鉴国外的先进经验采用弧形设计，不再强调在相机焦平面上的共线拼接设计。而用户为方便使用以及提高高分遥感数据使用效率的角度，要求提供统一物理拼幅的高质量传感器级影像产品。

由于平台上每台相机为多中心投影成像、相机内各CCD线阵的安装误差、相机间CCD线阵的安装误差、以及相机间安装视差导致的拼接误差等因素，导致多CCD多相机统一处理的传感器校正技术难度大，因此，如何对平台上多台相机进行传感器校正、统一解决了几何畸变、多CCD多相机拼接、成像时间归一化、波段配准、全色与多光谱间配准、更好的满足用户需求成为了一个亟待解决的技术难题。

从目前的发表文章和公开资料来看，关于传感器校正方面的研究，主要有以下内容：

1、《资源三号卫星传感器校正产品生产方法研究》(唐新民等著，武汉大学学报(信息科学版)出版社，2014年2月)

提出了基本虚拟TDI CCD阵列重成像技术的传感器校正产品生产方法。尤其针对多光谱影像4个谱段采用虚拟TDI CCD解决了谱段间几何配准问题。 生产了河北安平地区三线阵及多光谱传感器校正产品，进行平差实验和立体模型定向精度分析，并进行了DSM与DOM生产实验。结果表明：资源三号卫星传感器校正产品的几何精度完全满足1:5万立体测图要求。

2、《资源三号卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证》(唐新民等著，测绘学报出版社，2012年4月)

提出了基本虚拟CCD线阵成像技术的资源三号测绘卫星成像几何模型。利用资源三号卫星第一轨影像大连地区数据，完成了前视、正视、后视的传感器校正产品的生产，并进行了不同控制点条件下的平差实验，结果表明在实验区四角布置控制点的情况下DOM平面精度优于3m，DSM精度优于2m，与国外相近分辨率卫星相比，资源三号测绘卫星可以达到较高的几何精度。

3、《一种资源三号测绘卫星系统几何校正产品的生产方法》(周平等著，测绘科学出版社，2014年7月)

设计了基于资源三号测绘卫星的传感器校正来生产系统几何校正产品的关键技术流程，提出并推导了系统几何校正产品的哑谜成像几何模型。实验结果表明：此方法生产的资源三号测绘卫星系统几何校正产品的几何精度较高，整体优于传感器校正产品，并能满足1:5万立体测图的要求。

4、《虚拟CCD内视场拼接》(张过等著，中国图象图形学报出版社，2012年6月)

以基于虚拟CCD线阵的多CCD影像重成像算法作为内视场拼接的技术手段。在对由地形起伏引起的多CCD影像拼接误差进行理论分析和推导的基础上，提出了无需DEM的虚拟CCD线阵多CCD影像重成像算法，并提出使用基于严密成像几何模型的空间前方交会的方法直接评价影像拼接精度对摄影测量生产的精度影响。利用ALOS卫星前正后视影像进行拼接实验，结果表明，影像拼接效果良好，该方法可以在航空相机影像拼接中推广。

但是上述方法均对平台上不同的相机单独进行处理，割裂了传感器之间的相互关系，需进行多次重采样，导致用户使用效率降低并且无法消除两台相机 之间的视差，导致有一定的拼接误差。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光学遥感卫星多CCD多相机统一处理的传感器校正方法。

本发明的技术解决方案是：一种光学遥感卫星多CCD多相机统一处理的传感器校正方法，步骤如下：

第一步：以光学遥感卫星平台上多台相机各CCD线阵沿轨方向安装的位置为基准，构建虚拟CCD线阵，并将虚拟CCD线阵安装在多相机沿轨方向的中心线上；

第二步：根据虚拟CCD线阵安装位置计算成像时刻，并根据卫星下传的姿轨数据内插出每个扫描行的外方位元素，建立统一平台的严格成像模型；

第三步：根据各片CCD的精确安装位置计算成像时刻，并根据卫星下传的姿轨数据内插出每个扫描行的外方位元素，构建各片CCD的严格成像模型；

第四步：对于虚拟CCD线阵上的每个像点，根据统一平台的严格成像模型正变换计算其地面点平面坐标，并赋值给其平均高程，即得到该点的地理坐标；

第五步：根据各片CCD的严格成像模型，步骤四中计算的地面点地理坐标，采用严格成像模型反变换计算该点的像点坐标，赋值给虚拟CCD像点处；

第六步：重复步骤四到步骤五，直到虚拟CCD上所有像元处理完成，即完成多CCD多相机统一处理的传感器校正处理。

所述的统一平台的严格成像模型如下：

[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS]＝[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS,t_gps]

[D_x,D_y,D_z]＝[D_x,D_y,D_z,t]

式中分别代表相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到J2000标系的旋转矩阵、J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵；[X、Y、Z]_WGS84、[X_GPS、Y_GPS、Z_GPS]分别为对应的物方点和GPS相位中心在WGS84坐标系下的坐标，[D_x、D_y、D_z]代表GPS相位中心与卫星平台中心的偏心误差，Δt_att代表姿态测量系统与相机测量系统间时间误差，Δt_gps代表GPS测量系统与相机测量系统间时间误差；t_cam姿态测量系统的测量时间，t_gps GPS测量系统的测量时间,t虚拟CCD的成像时刻。

在第四步中，计算其地面点平面坐标后利用覆盖影像成像区域的DEM数据，内插出地面高程坐标，即得到该点的地理坐标。

在第五步中，判断计算得到的像点坐标是否位于两片CCD间搭区域，若位于，则进行加权色彩均衡处理，并赋值给虚拟CCD像点处，否者直接赋值给虚拟CCD像点处。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明克服现有传感器校正技术割裂了同一平台上多相机多CCD间的内在联系性，无法保证平台上多相机间的相对几何精度、全色与多光谱间配准精度，后续用户仍需处理，耗费大量人力物力。

本发明构建了基于统一平台的严格成像模型和多CCD多相机统一处理的传感器校正方法，统一解决几何畸变、几何拼接、成像时间归一化、波段配准、全色与多光谱间配准等问题，从而自动实现同一平台上多台相机高精度几何拼接(满足用户对国产高分遥感卫星幅宽的需求、大大提高高分遥感数据的使用效率)、实现多片CCD和多个传感器间的自动配准(多谱段各波段间、全色与多光谱间配准精度均优于0.3个像素，满足用户后续自动融合处理的需求)。

(2)本发明构建了统一平台的精密严格几何模型，克服了传统严格成像模型构建时相互独立、割裂了同一平台上多相机多CCD间的内在联系性、致使 平台上多相机间的相对几何精度无法保证的问题，利用同一平台上多台相机、多片CCD、多个传感器，在同一时间成像时外方位元素不变的特性，通过引入平台统一时间系统、统一姿轨模型，建立了基于统一平台的严格成像模型，该模型根据相机内各谱段各CCD器件上探元的精确真实位置独立构建几何模型，统一解决几何畸变、几何拼接、成像时间归一化、波段配准等，从而保证卫星影像的高精度内部几何精度。

(3)由于多相机传感器校正后影像定位精度和内部畸变误差受外定向参数(姿态、轨道)、各传感器内部几何畸变、以及物方高程三类误差影响，通过对上述误差进行分析，高程误差影响最大，传统方法采用平均高程处理，导致相机间安装视差无法根本消除，从而影响最终传感器校正影像产品的内部几何精度。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明多CCD多相机统一处理的传感器校正安装位置示意；

图3为本发明某卫星两台相机安装关系示意图；

图4为高程起伏对传感器校正后影像引起的位移误差示意图；

图5为双相机传感器校正误差与高程误差之间的几何关系；

图6为基于统一平台的多CCD多相机传感器校正后影像模拟示意；

图7为XXX卫星两台相机多片CCD统一处理传感器校正前的原始图像；

图8为XXX卫星两台相机多片CCD统一处理传感器校正后图像。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明。

一种光学遥感卫星多CCD多相机统一处理的传感器校正方法，步骤如下：

第一步：以光学遥感卫星平台上多台相机各CCD线阵沿轨方向安装的位置为基准，构建虚拟CCD线阵，并将虚拟CCD线阵安装在多相机沿轨方向的中心线上；

(1)基于统一平台的传感器校正影像特点与优势

a、垂轨方向为理想的、无畸变的中心投影成像、各CCD探元大小一致；

b、沿轨方向的积分时间一致，无积分时间跳变；沿轨方向无几何畸变；

c、CCD探元间无辐射差异；

d、多CCD多相机传感器校正前后影像内外部几何定位精度无损失。

e、无需额外处理，多台相机之间、全色与多光谱之间配准精度满足直接融合或拼接的需求。

(2)基于统一平台的虚拟CCD传感器安装

以多相机各CCD线阵沿轨方向安装的位置为基准，将多相机传感器校正后CCD线阵“安装”在多相机沿轨方向的中心线上，多相机传感器校正后CCD线阵的宽度为真实多个CCD线阵垂轨方向的整体宽度，每个CCD探元大小一致，其中实线表示实际的多个CCD线阵，虚线表示多相机传感器校正后CCD线阵，如图2所示。

第二步：根据虚拟CCD线阵安装位置计算成像时刻，并根据卫星下传的姿轨数据内插出每个扫描行的外方位元素，建立统一平台的严格成像模型；

传统严格成像模型具有以下局限性，平台上各相机间成像过程中相互独立，即各相机同时对不同地物成像。但随着用户要求各个相机间相对精度非常高，有利于用户对数据的融合与跨视场数据的拼接使用。因此，必须构建基于统一平台的严格成像模型，从而保证平台内部相机之间、相机内部线阵间与各线阵间、相机内部传感器与传感器间的相对几何精度。

[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS]＝[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS,t_gps]

[D_x,D_y,D_z]＝[D_x,D_y,D_z,t]

式中分别代表相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到J2000标系的旋转矩阵、J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵；[X、Y、Z]_WGS84、[X_GPS、Y_GPS、Z_GPS]分别为对应的物方点和GPS相位中心在WGS84坐标系下的坐标，[D_x、D_y、D_z]代表GPS相位中心与卫星平台中心的偏心误差，Δt_att代表姿态测量系统与相机测量系统间时间误差，Δt_gps代表GPS测量系统与相机测量系统间时间误差；t_cam姿态测量系统的测量时间，t_gps GPS测量系统的测量时间,t虚拟CCD的成像时刻。

利用同一平台上多台相机、多片CCD、多个传感器，在同一时间成像时外方位元素不变的特性，通过引入平台统一时间系统、统一姿轨模型，建立了基于统一平台的严格成像模型，该模型根据相机内各谱段各CCD器件上探元的精确真实位置独立构建几何模型，统一解决几何畸变、几何拼接、成像时间归一化、波段配准等，从而保证卫星影像的高精度内部几何精度。

经过严密分析卫星上各相机成像时的几何特点、推导提出了通过引入平台统一时间系统的方法，从而建立统一平台的严格成像模型。

第三步：根据各片CCD的精确安装位置计算成像时刻，并根据卫星下传的姿轨数据内插出每个扫描行的外方位元素，构建各片CCD的严格成像模型；

第四步：对于虚拟CCD线阵上的每个像点，根据统一平台的严格成像模型正变换计算其地面点平面坐标，并赋值给其平均高程，即得到该点的地理坐标；

经过统一平台外方位元素技术处理后，多相机间沿轨、垂轨方向主要受外定向参数(姿态、轨道)、各传感器内部几何畸变、以及物方高程误差的影响，这三类误差都会引起多相机传感器校正后影像定位精度和内部畸变误差；由于多相机位于同一平台、成像时差很小、相机间夹角很小，考虑到卫星在轨运行状态较为平稳，因此，由外定向参数误差引起的传感器校正后影像定位精度的误差很小，可以忽略不计；由于首先对多相机各传感器分别进行了在轨几何标 定，传感器内部几何畸变影响也可以忽略不计，下面主要重点分析物方高程误差对多相机传感器校正后影像定位精度的影响规律。

某型号卫星两台相机安装关系如图3所示，如图4、5所示，H代表轨道高度，f为相机主距，θ₁和θ₂分别代表相机1、相机2沿轨方向视场角。若存在高程误差(或高程起伏)ΔH，由其引起的传感器校正后影像定位精度的误差主要表现为沿轨方向，计算公式为：

利用该严格成像模型、DEM数据将像点投影到地面点P，得到该点的经纬度坐标，如图6中①所示。

第五步：根据各片CCD的严格成像模型，步骤四中计算的地面点地理坐标，采用严格成像模型反变换计算该点的像点坐标，判断计算得到的像点坐标是否位于两片CCD间搭区域，若位于，则进行加权色彩均衡处理，并赋值给虚拟CCD像点处，否者直接赋值给虚拟CCD像点处。

具体针对图6，利用地面点P的经纬度坐标、相机1或者相机2的严密成像模型、DEM数据，反算得到相机1或者相机2上的像点坐标，如图6中②所示，然后，进行多相机多CDD色彩均衡，并将相机1或者相机2图像坐标系下的灰度值通过内插赋予多相机传感器校正后影像的像点上。

第六步：重复步骤四到步骤五，直到虚拟CCD上所有像元处理完成，即完成多CCD多相机统一处理的传感器校正处理。

以XXX卫星PMS相机影像实验为例，图7为XXX卫星两台相机多片CCD统一处理传感器校正前的原始图像，其像元分辨率为2米，量化比特数为10，两台相机间搭接区间重叠区域约1公里。图8为XXX卫星两台相机多片CCD统一处理传感器校正后的图像。经检验：高分一号卫星双相机共8片CCD传感器校正影像各片CCD间相对定向精度优于0.2个像元；高分二号卫星双相机共10片CCD传感器校正影像各片CCD间相对定向精度优于0.2个像元；双 相机之间相对精度优于0.25个Pixel；全色与多光谱影像之间相对精度优于0.25个Pixel；多光谱间波段配准精度优于0.2Pixel。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。