一种基于航空影像的激光光斑与足印相机相对定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感对地观测技术领域，设及一种基于航空影像的激光光斑与足印相 机相对定位方法。
【背景技术】
[0002] 由于卫星姿态测量不准，导致激光定位误差较大，新一代星载激光高度计采用了 同轴的足印相机进行辅助定位。通过足印相机与地面影像匹配对图像进行精确校正，然后 再基于激光光斑在足印相机原始图像上的像元位置是固定的运一特征，即可得到激光光斑 的地理位置。
[0003] 为获得激光在足印相机上的位置，需要在发射后进行检校，必须获取激光光斑在 地面的位置。现有的检校技术如格网型接收器，一次只能接收一个光斑的信号。造价高昂、 体积巨大，铺设费时费力。受限于格网的面积，如果激光足印点的预测误差较大时该方法很 大可能会出现光斑不在格网区的情况，浪费大量人力物力。而且工作与白天的方式很可能 导致光斑边缘的弱信号与太阳信号混叠，无法有效识别出光斑的实际大小。
[0004] 因此，提供一种高效、高鲁棒性的激光光斑测量技术、最终得到激光光斑在足印相 机上的位置，成为星载激光高度计是否能够正常使用的关键技术。
[0005] 本发明设计了一种鲁棒性的外场检校方法，使用夜间工作模式，采用了具有较高 成功率的高分影像获取光斑运一手段，具有价格低廉、成功率高、适应性强的特点。
【发明内容】
[0006] 基于航空影像的激光光斑与足印相机相对定位方法。该方法使用高分影像获取光 斑的检校方案。使用高分影像获取光斑的好处在于能够一次性获取地面上6-8个激光光斑， 即使光斑预测位置出现偏差也能正常得到光斑的位置与光斑内能量分布。该方案对地形没 有限制，可应用于任意地形、地区，更加满足实际需求；
[0007] 使用夜间工作模式的检校方法。该方法的特征在于不在白天对设计于白天使用的 激光器进行检校，而是对在夜间进行激光器的检校。其原因在于白天存在太阳光照，在高分 相机长时间曝光时，地物反射的能量会累积为极大的总能量，大能量的瞬时的激光信息反 而淹没在小能量的长期太阳福射信号当中，最后导致激光光斑不可识别。而采用夜间工作 模式下激光工作谱段及邮邻谱段无其他光源，拍摄到的图像上光斑清晰可见。同时，夜间 1064nm基本无其他杂光源，激光回波数据信噪比较高，对广义高程控制点生产及精度验证 极为有效。
[000引使用人工发光祀标的独特检校方式。人工祀标可用来对拍摄光斑的航空相机的图 像进行定位，进而确定图像上各个光斑的位置。也可W使得夜间工作的足印相机能够拍摄 到图像，为足印相机的几何校正提供极为适用的控制点，为激光与足印相机的相对定向提 供必要的数据支撑。本发明包括W下详细步骤。
[0009] (1)地面准备工作，铺设祀标及采集测区地形数据;详细步骤如下：
[0010] (1-1)在卫星过境前3-7天预测卫星夜间过境的时间、激光光斑大概的位置，根据 光斑位置与所需地形地貌选择祀区；
[0011] (1-2)在祀区布设特殊设计的蓝绿色发光祀标，该祀标具有亮度强、能量均匀、漫 发射、轻便式、低造价等特征，其具体特征包括W下方面：
[0012] S1适当亮度，其能量应该约等于足印相机所需的光强，即通过对应于白天太阳照 射下反射率为0.5的整个光谱响应函数内地物反射积分能量，计算出人工祀标所需的光源 发射能量；
[0013] S2均匀能量，在一个祀标内采用均匀分布的多个Lm)灯组成一个大的祀标，使得祀 标被均匀照亮。
[0014] S3漫发射，在祀标的上层铺设磨砂塑料，使得祀标内的光源能够漫发射出去，最后 在不同角度拍摄的各个祀标图像的亮度可保证基本相似，避免了斜视条件下祀标的光不强 的缺陷，便于后期数据的处理与应用；
[0015] S4轻便式，祀标由廉价塑料、L抓灯、蓄电池、磨砂透明塑料构成，一个祀标的总质 量不超过20KG，折叠后体积不超过1立方米，十分便于运输和铺设；
[0016] S4低造价，祀标由廉价塑料、L邸灯、蓄电池、磨砂透明塑料构成，整体造价低廉；
[0017] (1-3)采用高精度GPS现慢祀标的空间位置；
[001引（1-4)采用机载LiDAR获取祀区的地形数据；
[0019] (2)夜间在卫星过顶时航空平台上拍摄近红外高分影像数据;步骤如下：
[0020] (2-υ在卫星过境前将祀区内的各个祀标点亮；
[0021] (2-2)将高分相机搭载于特制的稳定平台上，随载体一起升空至设计的高度。按照 祀场的设计，调整相机的拍摄角度，使其能够拍摄到地面祀场区域；
[0022] (2-3)控制相机的曝光。相机在卫星过境前3s开始曝光，卫星过境耗时2.5s，在过 境后继续拍摄3s，总共曝光8.5s。卫星过境时间提前计算得到，曝光时间的控制由高分相机 控制点自主进行控制；
[0023] (3)通过祀标对航空图像几何校正，进而得到图像上每一个星载激光的光斑位置、 能量分布图；详细步骤如下：
[0024] (3-1)对航空高分相机进行检校，确定内方位元素；
[0025] (3-2)在高分影像上识别各个祀标的位置，W及其图像坐标，获得多组像控制点数 据；
[0026] (3-3)根据祀标控制点，计算图像外方位元素；
[0027] (3-4)根据图像内、外方位元素，在机载LiDAR得到的地形数据辅助下，使用直接定 位法确定高分图像的每一个像点的空间位置，然后对高分相机图像进行几何校正；
[0028] (3-5)使用质屯、识别算法，从高分影像上识别出光斑的位置和中屯、，位置识别精度 优于0.3个像元；
[0029] (3-6)根据图像是质屯、像元位置的地理坐标，作为激光光斑的位置坐标；
[0030] (4)对星载足印相机图像进行处理，得到几何校正后的足印相机图像；
[0031] (4-1)对航空高分相机进行检校，确定内方位元素；
[0032] (4-2)在高分影像上识别各个祀标的位置，W及其图像坐标，获得多组像控制点数 据；
[003：3] (4-3)根据祀标控制点，计算图像外方位元素；
[0034] (4-4)根据图像内、外方位元素，在机载LiDAR得到的地形数据辅助下，使用直接定 位法确定足印图像的每一个像点的空间位置，然后对高分相机图像进行几何校正；
[0035] (5)通过激光光斑地理坐标、几何校正足印图像，得到光斑在足印相机原始图像上 的位置;详细步骤如下：
[0036] (5-1)使用足印点的位置获取其在足印相机校正后影像上的像元位置，其位置精 确到0.1像元级；
[0037] (5-2) W质屯、的位置为中屯、，使用SIFT算子提取特征点；
[0038] (5-3)将特征点与足印相机原始图像上的特征点进行匹配，得到质屯、在足印原始 图像上的位置；
[0039] 本发明具有较高鲁棒性，可获取不同地形下的地面激光光斑位置，可满足星载激 光器发射位置与星上足印相机匹配运一业务需求，具有较高的精度、较强的适用范围。
【附图说明】
[0040] 图1是夜间工作模式下基于航空影像的激光光斑与足印相机相对定位方法流程示 意图。
[0041] 图2是测区设计的示意图。
[0042] 图3是测区内控制点与相机的位置示意图。
[0043] 图4是高分相机观测方式示意图。
[0044] 图5是祀标的设计示意图。
[0045] 图6是航空高分数据处理流程图。
[0046] 图7是立体测图卫星足印相机数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0047] 为更好地阐述本发明的技术方案和优点，下面将结合附图对本发明的实施过程做 进一步的描述。
[0048] 图1是本发明的整体数据采集与处理流程图，标记了每一步从数据采集到处理，最 后再到应用的整个过程。
[0049] 本发明的第一步为地面准备工作，主要工作是铺设祀标及采集测区地形数据，包 含W下步骤：
[0050] 在卫星过境前3-7天预测卫星夜间过境的时间、激光光斑大概的位置，根据光斑位 置与所需地形地貌选择祀区。图2所示为祀场区域的示意图，首先根据卫星当前的位置、激 光发射