一种传感器观测视线与地球表面交点的计算方法与流程

本发明属于对地观测技术领域，涉及一种传感器观测视线与地球表面交点的计算方法。

背景技术

二十一世纪以来，随着航空、航天技术的发展，利用搭载于飞机、卫星等平台上的光学传感器对地球进行观测，获得的遥感影像已经在全球变化、国土资源、灾害监测等方面获得了广泛的应用。为了从遥感影像获得准确的地面信息，首先需要得到遥感影像各个像元对应的地面目标，目标的位置的准确程度直接决定了获取信息的精度。一般而言，传感器经过严格的实验室标定和在轨定标，其几何成像参数相对固定，但是对于复杂地形条件、大视角情况下由于地形的起伏会造成传感器视线方向与地表存在多个交点，如何准确获得遥感像元对应的实际地物目标是获得地物信息的关键。

计算传感器观测视线与地球表面交点，目前主要的使用较多的是在地心地固空间直角坐标系下进行计算，例如rupter等人2002年在isprs会议论文“aprogramfordirectgeoreferencingofairborneandspacebornelinescannerimages”中、2015年胡堃在“一种大倾角敏捷成像卫星影像的直接定位方法”一文、王密等人在cn106403902a中均设计了通过迭代在空间直角坐标系下解算传感器观测视线与地球表面交点的方法，在迭代过程中需要多次进行共线方程和变高椭球面方程联立求解，迭代求解的方法与迭代起始条件有关，在地形复杂的地区有时候会出现局部最优而非全局最优结果；另外一种是在大地坐标系下进行计算，karshoglu等人2006年在isprs会议论文“orthorectificationofmonoscopicimagesbyanewdifferentialimagerectificationmethod”设计了一种在大地坐标系下通过迭代求解交点的方法，这个方法中假定了大地坐标系下视线的天顶角和椭球体参数是常数，这是一个宽松的假定，因为空间直角坐标系下视线方程为直线，变换到大地坐标系后一般情况下并不是直线。

技术实现要素：

本发明主要建立了一种在大地坐标系下计算传感器观测视线与地球表面交点的方法。本发明在计算传感器观测视线与地球表面交点时不需要多次迭代联立求解共线方程和变高椭球面方程，利用传感器观测视线在大地坐标系下位置与地表的高程位置进行比较，计算获得传感器观测视线与地球表面交点。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案步骤实现：

步骤1：基于实验室测定的传感器安装矩阵以及卫星或飞机的gps数据等辅助数据得到传感器投影中心在某一时刻在wgs84空间直角坐标下的坐标和传感器的观测视线指向根据影像的范围获取对应地区的高程数据，并得到区域的最低高程值h1和最高高程h2，基于传感器投影中心坐标(x,y,z)wgs84和观测视线指向(m,n,q)wgs84计算高程ha＝h1+hs和hb＝h2-hs对应的椭球体与传感器视线的交点和具体如下：

其中·为点积，是哈达马积(hadamardproduct)，‖‖是矢量的模，awgs84和bwgs84分别为wgs84椭球体的长半轴和短半轴。

步骤2，将步骤1中获得的椭球体与传感器视线的交点坐标和进行直线连接并依据定位精度要求分成n段，分段的方法一般可以采用等间隔分段的方法，各段端点的空间直角坐标分别为然后将各端点的空间直角坐标变换到大地坐标空间直角坐标系转换到大地坐标系的计算公式为：

其中经过变换之后大地坐标系统下各端点一般情况下不位于同一直线上。

步骤3，对步骤2中获得n+1个经、纬度对(l,b)i利用区域高程数据进行内插值得到相应的位置然后与实际的高程数据相减，计算出每一个经、纬度对(l,b)i所对应的高度差δhi，并依次由i＝1开始寻找到第一个高度差δhi小于或等于0的位置，此时i＝k，此位置即为大地坐标系下传感器观测视线与地球表面的交点位置

本发明的有益效果是：

本发明方法较已有的技术具有以下优势：本发明不需要进行多次迭代计算联立求解共线方程和变高椭球面方程，避免了联立方程迭代求解的问题，避免陷入局部最优，降低了计算的复杂程度；其次，本发明在大地坐标系下进行计算，几何意义明确，在复杂地形条件下可以很好的应用。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的技术流程图；

图2是四川省成都北部山区的高程分布图；

图3是大地坐标系下各端点的连线与地形的三维示意图；

图4是高度差随位置变化的示意图。

具体实施方式

下面以我国四川成都北部山区为例，结合附图对本发明的进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1，本发明公开了一种在大地坐标系下计算传感器观测视线与地球表面交点的方法，包括以下步骤：

步骤一、选择我国四川成都北部山区，高程数据景中心经度为北纬31度，中心纬度为东经104度，西北部为山区，东南部为平原区域。图2是四川成都北部山区的地形数据灰度图，地物的高程主要分布在500米至5000米之间。

基于gps数据获得观测时刻的载体位置(x,y,z)gps，对于近地的飞行器如飞机或者卫星，载体位置一般在地球地固坐标中给出。然后根据传感器安装矩阵gps坐标系原点与本体坐标系原点偏移传感器像元的指向矢量(x,y,z)los得到传感器投影中心在某一时刻在wgs84空间直角坐标下的坐标：和传感器的观测视线指向本例中

根据示例地区的高程数据，得到区域的最低高程值h1＝382米和最高高程h2＝5273米，设置安全高度为hs＝100米，ha＝h1+hs＝5373米，hb＝h2-hs＝282米，基于传感器投影中心坐标和观测视线指向计算这个区域内的ha和hb对应的椭球体与传感器视线的交点和具体如下：

其中·为点积，是哈达马积，‖‖是矢量的模，awgs84＝6378137.000米和bwgs84＝6356752.314米分别为wgs84椭球体的长半轴和短半轴，本例中两个交点计算时分子采用加法。

计算的坐标分别为以及

步骤2，将步骤1中获得的椭球体与传感器视线的交点坐标和进行直线连接，假定定位精度要求是10米，那么依据精度要求分成段，分段的方法一般可以采用等间隔分段的方法，各段端点的空间直角坐标分别为然后将各端点的空间直角坐标变换到大地坐标空间直角坐标系转换到大地坐标系的计算公式为：

其中经过变换之后大地坐标系统下各端点一般情况下不位于同一直线上。

图3是本例中大地坐标系下各端点的连线与地形的三维示意图，可以看到传感器的视线在大地坐标系下并非直线，并且与地表存在多个交点。

步骤3，对步骤2中获得n+1个经、纬度对(l,b)i利用区域高程数据进行内插值得到相应的位置然后与实际的高程数据相减，计算出每一个经、纬度对(l,b)i所对应的高度差δhi，并依次由i＝1开始寻找到第一个高度差δhi小于或等于0的位置，本例中寻找到的位置i＝3599，图4是高度差随位置变化的示意图，此时位置即为大地坐标系下传感器观测视线与地球表面的交点位置

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。