离岛卫星影像RPC模型高精度几何定位方法与流程

本发明涉及遥感卫星影像在缺少地面控制点区域的几何定位，能够应用在海洋、气象、生态环境以及国防军事等遥感部门。

背景技术：

遥感影像的精确几何定位是遥感影像进一步应用的基础。遥感影像在成像过程中受到各种复杂因素的影响，使其产生几何变形，因此必须通过建立物方空间坐标系中的地面点坐标与它在影像平面上像点坐标之间的几何关系来确定影像的几何定位信息。理论上，在精确地面高程数据的支持下，利用卫星遥感影像的严格成像几何模型即可恢复影像上各像素的真实几何位置，从而实现影像的几何定位。但是由于测量的误差以及星载传感器成像过程中的其他不确定因素的存在，严格成像模型通常并不能完全准确无误地恢复影像的几何信息，因而卫星影像的几何定位精度也受到限制，通常需要借助地面控制点才能修正影像的几何定位误差。在完全没有地面控制资料的条件下，卫星影像的自主几何定位精度主要依赖于传感器的几何定标精度以及卫星姿轨控制系统的稳定性和测量精度。随着星载传感器工艺技术和在轨几何定标技术的发展，国内外星载光学卫星影像的自主几何定位精度越来越高，其中geoeye-1已能达到3米左右(约10个像素)的精度。在国内方面，早期的环境1号(hj-1)卫星无控制点定位精度在1公里左右，但近年来进步显著，高分一号(gf-1)卫星数据无控制点定位精度在50米以内，而资源三号、天绘一号(th-1)卫星已能达到10米左右(约5个像素)。但这样的定位精度尚不能满足实际应用的需要。

我国南海区域岛屿众多，面积小、地表类型复杂、受人为干扰强，需要采用高分辨率卫星遥感数据开展连续监测。近年来，我国相继发射高分一号和高分二号卫星，对南海岛屿区域进行高频次观测，提供丰富的影像数据。影像的几何定位是高分辨率卫星遥感岛屿监测的基础，同时，多源卫星多时相观测，地物之间空间位置也需要保持较高。通常获取较高影像定位精度需要地面控制点资料，但岛屿实地测量距离远、周期长、成本高，难以实地获取地面控制点资料。实现缺少控制点的卫星遥感影像精确几何定位一种方案是在严格成像几何模型的基础上，利用少量的控制点，通过轨道参数外推的方式实现无控制点区域的精确几何定位。但现有的高分辨率卫星影像的成像几何模型均以有理函数模型(rfm，也称rpc模型)的形式提供，无法进行轨道参数的外推。

鉴于高分辨率卫星影像的rpc模型的定位精度有限，而离岛区域地面控制点难以获取，因此研究离岛卫星影像rpc模型无控制点的高精度几何定位方法具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提出了一种通过轨道外推实现离岛卫星影像rpc模型高精度几何定位的方法。利用与离岛区域卫星影像同轨道的陆地部分的卫星影像以及陆地部分的少量控制点，就可对离岛区域卫星影像的rpc模型进行修正，从而实现离岛卫星影像的精确几何定位。

本发明的技术解决方案：一种离岛卫星影像rpc模型的高精度几何定位方法，其特征在于步骤如下：

(1)准备与待定位的离岛卫星影像相同轨道的陆地部分的卫星影像(同一传感器同一天获取的数据)及地面控制点；

(2)分别针对离岛卫星影像和陆地部分的卫星影像，根据rpc模型rfm1和rfm2恢复各自的严格成像模型rsm1和rsm2；

(3)用地面控制点对陆地部分卫星影像的原rpc模型rfm2进行像方仿射变换模型修正，并将修正后的rpc模型rfm′2恢复为严格成像模型rsm′2；

(4)对比陆地部分卫星影像修正前后的严格成像模型rsm2和rsm′2，采用最小二乘回归方法估计修正后的严格成像模型rsm′2的各外方位元素相对于修正前的严格成像模型rsm2的改正量；

(5)将外方位元素的改正量带入离岛卫星影像的严格成像模型rsm1，并用严格成像模型rsm′2中的视线方向角替代模型rsm1中的视线方向角，得到离岛卫星影像修正的严格成像模型rsm′1；

(6)根据严格成像模型rsm′1生成地形无关的rpc模型rfm′1，模型rfm′1即为离岛卫星影像修正后的rpc模型。

附图说明

图1是本发明技术方案流程图；

图2是离岛卫星影像和同轨道的陆地部分卫星影像示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种离岛卫星影像rpc模型的高精度几何定位方法，以下结合一个实施例和附图1～2详细说明本发明技术方案。实例提供离岛卫星影像rpc模型轨道外推几何定位方法，其技术流程参见附图1。

rpc模型是对卫星影像严格成像模型(rsm，rigoroussensormodel)的近似拟合，是一种缺乏物理意义的纯数学模型，因此无法直接利用rpc模型进行轨道外推，必须首先将rpc模型恢复为严格成像模型。本发明的一个关键技术基础就是严格成像模型与rpc模型之间的相互转换。其中严格成像模型可以通过建立3维虚拟控制格网点的方式来生成地形无关的rpc模型[tao,c.vincentandyonghu.acomprehensivestudyoftherationalfunctionmodelforphotogrammetricprocessing.photogrammetricengineering&remotesensing,vol.67,no.12,december2001,pp.1347-1357.]，下面说明由rpc模型恢复严格成像模型的方法。

1.严格成像模型(rsm模型)

目前主流的星载光学遥感影像大多采用线阵电荷耦合器件(ccd)推扫式成像方式，其严格成像模型可表示为：

其中[x,y,z]^t表示像平面点(x,y)对应的地面点在地心地固(ecef)坐标系中的坐标；[xsat,ysat,zsat]^t为成像时刻卫星投影中心在地心地固坐标系中的坐标；m为比例因子；tan(ψx)和tan(ψy)分别为成像视线在传感器(sensor)坐标系中与x轴和y轴的夹角；表示传感器坐标系到地心地固坐标系之间的旋转矩阵，它由3个方向的旋转角ω和κ通过(2)式确定：

2.有理函数模型(rfm模型或rpc模型)

rpc模型可表示为：

其中l和s是像点在像平面上的行列值标准化后的结果，(x,y,z)是物方点空间坐标标准化后的结果，

nl(x,y,z)＝a0+a1z+a2y+a3x+a4zy+a5zx+a6yx+a7z²+a8y²+a9x²+a10zyx+a11z²y+a12z²x+a13zy²+a14y²x+a15zx²+a16yx²a17z³+a18y³+a19x³

dl(x,y,z)＝b0+b1z+b2y+b3x+b4zy+b5zx+b6yx+b7z²+b8y²+b9x²+b10zyx+b11z²y+b12z²x+b13zy²+b14y²x+b15zx²+b16yx²b17z³+b18y³+b19x³

ns(x,y,z)＝c0+c1z+c2y+c3x+c4zy+c5zx+c6yx+c7z²+c8y²+c9x²+c10zyx+c11z²y+c12z²x+c13zy²+c14y²x+c15zx²+c16yx²c17z³+c18y³+c19x³

ds(x,y,z)＝d0+d1z+d2y+d3x+d4zy+d5zx+d6yx+d7z²+d8y²+d9x²+d10zyx+d11z²y+d12z²x+d13zy²+d14y²x+d15zx²+d16yx²d17z³+d18y³+d19x³

式中，ai,bi,ci,di(i＝0,1,…,19)即为rpc参数，其中b0和d0的值为1。

对影像坐标行列值的标准化公式为：

其中line_off、line_scale、samp_off和samp_scale为影像坐标的标准化因子。line表示影像行坐标，sample表示影像的列坐标。

对地面点的标准化公式为：

其中long_off、long_scale、lat_off、lat_scale、height_off、height_scale为地面坐标标准化因子。longitude表示地面点的经度、latitude表示地面点的纬度、height表示地面点的高程。

3.从rpc模型恢复rsm模型

1)恢复成像时刻卫星投影中心在地心地固坐标系中的坐标

根据(3)式可由像点在像平面上的行列坐标l、s及，对应物方空间点的高程z坐标来计算物方点的坐标x和y，如(6)式所示，

其中nx(l,s,z)、dx(l,s,z)、ny(l,s,z)、dy(l,s,z)均为l,s,z的三次多项式。

对于像平面点(l,s)，任意给定2个高程值z1和z2、，根据(6)式可以分别计算得到2个高程值所对应的物方空间点在地心地固坐标系中的坐标[x1,y1,z1]^t和[x2,y2,z2]^t，且这2个物方空间坐标与成像时刻卫星投影中心在地心地固坐标系中的坐标[xsat,ysat,zsat]^t具有如(7)式所示关系[huangwc,zhangg,lid.robustapproachforrecoveryofrigoroussensormodelusingrationalfunctionmodel.ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing.2016jul；54(7):4355-61.]，

对于卫星影像的某一扫描行k，均匀选取100个像素点，记其像平面坐标为(lk,si)，其中i＝1,2,…,100，取高程z1＝0和z2＝10000，利用(6)式和(7)式通过最小二乘估计可确定成像时刻卫星投影中心在地心地固坐标系中的坐标[xsat,ysat,zsat]^t。

2)恢复成像时刻传感器坐标系到地心地固坐标系之间的旋转角

给定高程值为0，根据(6)式可计算某扫描行两个端点像元对应的物方点坐标[x1,y1,z1]^t和[x2,y2,z2]^t，根据(8)式可确定两个端点像元在地心地固坐标系中的视线向量和

然后根据(9)、(10)、(11)式可计算传感器坐标系各坐标轴在地心地固坐标系中的方向向量[huangwc,zhangg,lid.robustapproachforrecoveryofrigoroussensormodelusingrationalfunctionmodel.ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing.2016jul；54(7):4355-61.]，

传感器坐标系到地心地固坐标系之间的旋转角矩阵即为，

最后根据旋转矩阵可进一步确定旋转角ω和κ[slabaughgg.computingeuleranglesfromarotationmatrix.retrievedonaugust.1999aug6；6(2000):39-63.]。

3)恢复传感器坐标系中各像元的观测视线角

对于某扫描行中任意像元，根据(6)式和(8)式可确定其在地心地固坐标系中的观测视线向量则观测视线在传感器坐标系中的向量为

然后可进一步计算传感器坐标系中该像元的观测视线角

综上所述，由xsat、ysat、zsat、、κ、ψx和ψyy即可确定卫星影像的严格成像模型，其中xsat、ysat、zsat、ω和κ为外方位元素，ψx和ψy为内方位元素。

4.离岛卫星影像rpc模型外推修正

步骤1：准备与待定位的离岛卫星影像相同轨道的陆地部分的卫星影像(同一传感器同一天获取的数据)及地面控制点，卫星影像范围及影像示意参见附图2；

步骤2：分别针对离岛卫星影像和陆地部分的卫星影像，根据rpc模型rfm1和rfm2恢复各自的严格成像模型rsm1和rsm2；

步骤3：利用地面控制点对陆地部分卫星影像的原rpc模型rfm2进行像方仿射变换模型修正

其中，l、s、nl(x,y,z)、dl(x,y,z)、ns(x,y,z)、ds(x,y,z)与(3)式中定义相同，a0,a1,a2,b0,b1,b2为像方仿射变换改正参数；

然后将修正后的rpc模型rfm′2恢复为严格成像模型rsm′2；

步骤4：对比陆地部分卫星影像修正前后的严格成像模型rsm2和rsm′2，采用最小二乘回归方法估计修正后的严格成像模型rsm′2的各外方位元素相对于修正前的严格成像模型rsm2的改正量，即δxsat,δysat,δzsat和δω,δκ；

步骤5：将外方位元素的改正量δxsat,δysat,δzsat和δω,δκ带入离岛卫星影像的严格成像模型rsm1，并用严格成像模型rsm′2的视线方向角ψx和ψy替代模型rsm1中的视线方向角，得到离岛卫星影像修正的严格成像模型rsm′1；

步骤6：根据严格成像模型rsm′1生成地形无关的rpc模型rfm′1，模型rfm′1即为离岛卫星影像修正后的rpc模型。