一种基于靶标控制点的卫星ccd阵列影像几何检校方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于摄影成像测绘技术领域，尤其涉及一种基于靶标控制点的卫星C⑶阵 列影像几何检校方法。
【背景技术】
[0002] 卫星影像的几何精度是后续应用的重要基础，几何精度直接代表影像地物信息的 位置准确性。如果卫星影像的几何精度较低，在后续影像处理的时候就会需要大量的控制 点进行纠正，因此需要大量的人力、物力和财力，进而会导致影像销量降低。
[0003] 目前，国内研制的国产卫星在图像视觉效果和辐射质量上都得到提高，但是几何 质量仍与国外同类卫星相比存在较大的差距。例如，国产卫星的无控制点定位精度都在百 米以上，而国外卫星的定位精度多数仅在几十米量级；在存在足够控制点的条件下，国外卫 星影像正射纠正的精度约为1个像元，而国产卫星影像正射纠正的精度为3-4像元。
[0004] 卫星在轨运行时，由于外界物理环境的变化，会导致载荷安装值偏离发射前的地 面标定值，造成几何定位的系统偏差；另外，针对卫星成像误差的研宄表明，在卫星成像的 较短时段内，姿态、轨道误差引起的几何定位偏差呈现系统性，且两者具有较强的相关性。 为此，仅在星历姿态上引入偏置矩阵，综合补偿载荷安装、姿态轨道误差，便可大幅度地提 高卫星影像的无控制点定位精度。
[0005] 相机内参数误差（镜头畸变、C⑶排列变形等）是影响卫星影像正射纠正精度（内 部精度）的主要因素。目前，针对内畸变造成的像点偏移研宄非常多，并且建立了各种误差 模型，如像主点偏移、主距误差、CCD阵列缩放旋转等线性模型，偏心畸变、径向畸变等非线 性模型。但是对于某颗特定卫星传感器，由于人们无法预先掌握其相机内畸变情况，难以正 确选择合适的模型表述其像点偏移；另外，对于相机内部可能存在的非线性模型，也很难正 确选择模型阶数，因此容易因为选择阶数过高而造成参数过度化，引起解的不稳定性。镜头 光学畸变差是指相机物镜系统设计、制作和装配及其它原因引起的像点偏离其理想位置的 点位误差，通常分为径向畸变、偏心畸变等，其中，径向畸变是由镜头形状引起的，它使像点 沿径向产生偏差，径向畸变是对称的，对称中心与主点并不完全重合，但通常将主点视为对 称中心；偏心畸变主要是由光学系统光心与几何中心不一致造成的，即镜头器件的光学中 心不能严格共线。
[0006] 可见，在严密几何模型中引入偏置矩阵，可以很好的补偿由于载荷安装偏差、姿轨 偏差引起的几何定位误差，建立准确的包含物理意义的畸变标定模型，并求解畸变参数，具 有较强的针对性和较高的应用效率。为了尽可能正确地解求各个畸变参数，要求具备一定 数量的具有精确坐标的地面控制点。利用地面布设的靶标和靶标中心点的地理坐标，使用 高精度靶标提取算法提取出靶标中心在影像上的精确位置，即可获得满足需求的控制点， 以进一步进彳丁畸变标定。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种基于靶标控制点的卫星C⑶阵列影像几何检校方法，其 实现了对于卫星在轨运行时相机内部变化的准确描述，使影像内部各探元的相对几何关系 排列准确，提升了影像几何精度，降低了后续控制点数量的需求，以便于后续几何处理应 用。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0009] 一种基于靶标控制点的卫星C⑶阵列影像几何检校方法，该方法包括以下步骤：
[0010] 步骤1，基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐 标信息；
[0011] 步骤2,利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵Ru;
[0012] 步骤3,将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解 相机畸变参数完成卫星C⑶阵列几何检校。
[0013] 可选地，所述步骤1进一步包括以下步骤：
[0014] 步骤1. 1，根据靶标方形对顶角的特性搜索靶标概略位置，确定像素精度上的靶标 像点坐标；
[0015] 步骤1. 2,基于靶标高反射率和低反射率的过渡灰度分布信息，通过拟合确定靶标 过渡中心的坐标，并基于靶标横向和纵向的边界特征确定靶标中心点的像点坐标；
[0016] 步骤1. 3,将靶标中心点的像点坐标和地面坐标组合形成靶标控制点坐标信息。
[0017] 可选地，所述步骤1. 2中，采用玻尔兹曼曲线进行拟合。
[0018] 可选地，所述步骤2中，对于所述偏置矩阵Ru的计算包括以下步骤：
[0019] 步骤2. 1，根据卫星平台运动欧拉角运动规则，确定偏置矩阵Ru的表示式；
[0020] 步骤2. 2,通过误差方程求得偏置矩阵^的角元素，进而得到所述偏置矩阵R
[0021] 可选地，所述偏置矩阵Ru表示为：
[0022]
【主权项】
1. 一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法，其特征在于，该方法包括 以下步骤： 步骤1，基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐标信 息； 步骤2,利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵Ru; 步骤3,将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解相机 畸变参数，完成卫星C⑶阵列几何检校。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括以下步骤： 步骤1. 1，根据靶标方形对顶角的特性搜索靶标概略位置，确定像素精度上的靶标像点 坐标； 步骤1. 2,基于靶标高反射率和低反射率的过渡灰度分布信息，通过拟合确定靶标过渡 中心的坐标，并基于靶标横向和纵向的边界特征确定靶标中心点的像点坐标； 步骤1. 3,将靶标中心点的像点坐标和地面坐标组合形成靶标控制点坐标信息。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1. 2中，采用玻尔兹曼曲线进行 拟合。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，对于所述偏置矩阵L的计 算包括以下步骤： 步骤2. 1，根据卫星平台运动欧拉角运动规则，确定偏置矩阵Ru的表示式； 步骤2. 2,通过误差方程求得偏置矩阵^的角元素，进而得到所述偏置矩阵R"。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏置矩阵R"表示为：
其中，巾、《、k分别表示偏置矩阵R"的俯仰、横滚、偏航三个角元素。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2. 2进一步包括以下步骤： 步骤2.2. 1，确定偏置矩阵误差方程； 步骤2. 2. 2,基于所述偏置矩阵误差方程，利用最小二乘原理计算得到所述偏置矩阵的 三个角元素，从而得到所述偏置矩阵。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对同一相机不同CCD分别执行所述步骤 3,以得到相应的相机畸变参数。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括以下步骤： 步骤3.1，建立畸变模型，其中，所述畸变模型的参数至少包括偏移量、旋转量、缩放比 例、径向畸变和偏心畸变； 步骤3. 2,通过误差方程求得所述畸变模型的参数。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3. 1中，首先将严密成像几何模 型表示为：
其中，ICiyiw表示卫星本体坐标系在WGS84坐标系下的旋转矩阵，通过卫星搭载的姿 态测量设备获得，R_OTa2b()dy为载荷在卫星本体坐标下的安装矩￥
表示像点对应 的地物点在WGS84坐标系下的地面坐彳
成像时刻卫星在WGS84坐标系下的坐 标，（xy)为像点坐标，即像平面坐标，f为焦距，（Ax，Ay)为卫星发射前测量的相机畸变 值； 然后，建立畸变模型如下：
其中，（x，y)为像平面坐标，（x^y(l)表示主点坐标，AX(I、Ay(l表示主点偏移量，
，芬= 0为(XD在焦平面内的旋转角 度，sy为缩放比例，kuk2为径向畸变系数，pup2为偏心畸变系数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤3. 2进一步包括以下步骤： 步骤3.2. 1，确定畸变模型误差方程； 步骤3. 2. 2,基于所述畸变模型误差方程，利用最小二乘原理计算得到相机畸变参数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于靶标控制点的卫星CCD阵列影像几何检校方法，该方法包括：基于靶标特性信息，提取得到靶标中心点的精确位置，作为靶标控制点坐标信息；利用得到的靶标控制点坐标信息计算得到偏置矩阵RU；将得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用靶标控制点坐标信息求解相机畸变参数，完成卫星CCD阵列几何检校。采用本发明的技术方案，能够很好地消除卫星成像中外姿态测量设备、相机设备的系统性安装误差，精确计算出相机内部包含物理意义的畸变误差参数，提高影像系统定位和内部几何精度，提升卫星影像的几何质量，以便于后续处理应用。
【IPC分类】G01C25-00
【公开号】CN104807477
【申请号】CN201510202901
【发明人】唐新明, 祝小勇, 付兴科, 高小明, 唐洪钊, 周平
【申请人】国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月24日