一种卫星激光高度计足印相机姿态的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感对地观测技术领域，涉及一种辅助数据下的卫星激光高度计足印 相机姿态的测定方法。
【背景技术】
[0002] 为了提高立体测图卫星的精度，亟需研究和解决星载姿态定位过程中所面临的一 系列关键技术问题，其中一项重要内容就是使用激光同轴足印相机的得到激光的精确指 向。
[0003] 要实现足印相机在不同地形之下、卫星抖动情况下、立体相机图像与足印相机图 像视角不同情况下的每一次都能够准确、快速匹配，对图像的预处理技术、控制点的选择技 术、图像快速精确匹配技术、三维控制点获取技术、控制点平差技术等均提出了较高的要 求。由于卫星的原始测量姿态有一个偏差，且DEM也不完全精确，使用该姿态与DEM进行相机 图像的像点计算时，各像点的高程估算会出现错误，则校正后的图像会出现不规则的变形， 用图像匹配的方式得到的控制点，很可能达到几个像元级别误差;足印相机的视角与立体 相机的视角并不一致，即使立体相机图像做过正射校正，其由视角引起的变形变化不同很 可能导致复杂地形下畸变较大，对匹配的准确性有较大影响。
[0004]控制点位置的选择对控制点的精度至关重要，并不是所有的地方都适合选择控制 点，平坦地区在计算像点时即使发生平面偏移，其高程变化也不大，最终校正后的图像也平 面畸变不大，最终匹配的精度会较高。而在复杂地形下，较小的平面错位会导致该区域内各 像点的高程误差较大，最终导致图像的不规则变形，容易发生误匹配。即使匹配准确，也存 在一定的不规则偏差，难以约束。
[0005] 设计一种高精度的控制点提取方法，并且合理规划控制点的位置，抑制或消除控 制点提取的固有误差来源，在一定程度上克服目前匹配方法无法规避复杂地形引起的固有 误差、匹配效率低下等问题，满足高分辨率立体测图卫星足印相机姿态的精确获取的实际 需要，通过高精度控制点提取并得到准确的姿态测量结果，以此为高分辨率立体测图卫星 系统的激光器提供准确的指向参数，这对于提升对地观测卫星数据几何处理精度和产品质 量具有极为重要的意义。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的问题是:提供一种测图卫星足印相机姿态测量方法。
[0007] 本发明提供的技术方案采用如下步骤：
[0008] (1)在瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数、DEM数据辅助下对CCD图像进行几 何校正;具体步骤如下：
[0009] (1-1)获取(XD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、(XD图像的像元畸变参数，获 得测区的DEM数据；
[0010] (1-2)直接定位法得到图像每个像元的地面平面坐标点，并将坐标点转为WGS84坐 标系下。然后对图像进行超分辨率重采样；
[0011] (1-3)使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，重采 样后的分辨率与立体相机图像的分辨率相同；
[0012] ⑵根据DEM计算地形起伏度，从图像范围内中提取候选控制点;具体步骤如下：
[0013] (2-1)截取DEM数据，获得与重采样后CCD图像相一致的区域，并且对DEM数据进行 重采样，将其分辨率调整为与CCD几何校正数据一致的分辨率结果；
[0014] (2-2)计算DEM的地形起伏度，对于重采样后DEM数据的每一个像点，以其为中心截 取周围128*128像元，计算这些像元的标准差，将该标准差作为该像元的地形起伏度的计算 结果；
[0015] (2-3)从图像中识别出地形相对平坦的区域，将重采样后DEM数据均匀划分为64* 64大小的窗格，在每一个窗格内，计算地形起伏度最小的像元，将该像元标记为候选像元；
[0016] (2-4)根据原始CCD图像各像点的地理坐标，在原始CCD图像上找到离候选像元坐 标最近的像点，则以该CCD原始图像作为原始图像控制点；
[0017] (2-5)寻找原始图像上控制点对应于重采样图像上的控制点：像元根据原始图像 控制点像元的坐标值计算其在CCD重采样图像上的像点坐标，以CCD重采样图像该像点作为 校正图像控制点；
[0018] (2-6)对于任意一个校正图像控制点，以该点为中心周围选取128* 128大小的窗 口，并用该窗口的图像作为下一步模板匹配的子图；
[0019] ⑶重采样CCD图像与双线阵图像匹配得到CCD图像的三维控制点数据提取;具体 步骤如下：
[0020] (3-1)对校正图像的任意一个子图，获取其对应于立体相机图像的位置，在立体相 机图像上提取1024*1024大小的图像；
[0021] (3-2)用校正图像的子图与立体相机图像的子图进行模板匹配，得到其在立体相 机图像上的位置；
[0022] (3-3)根据模板匹配得到的校正图像子图在立体相机图像上的位置，可以得到子 图中心点在立体相机图像上的位置，计算出立体相机图像位置上的平面地理坐标，则可计 算出校正图像上像点对应的平面地理坐标，进而可得到原始图像控制点像元对应的平面地 理坐标；
[0023] (3-4)根据平面地理坐标，获取DEM上对应像元的高程值，以该值作为该平面坐标 的高程，得到三维控制点；
[0024] (3-5)使用RANSAC算法剔除粗差；
[0025] (4)使用得到的控制点数据解算CCD相机的外方位元素，根据原始CCD图像控制点 像元的内方位元素，以及通过本步骤(3)所得三维控制点数据，通过最小二乘平差计算出图 像的外方位元素。
[0026] (4)使用得到的控制点数据解算CCD相机的姿态数据，具体步骤如下：
[0027] (4-1)根据原始CCD图像控制点像元的内方位元素，以及通过本步骤(3)所得三维 控制点数据，建立外方位元素(姿态数据)的平差公式。
[0028] (4-2)通过最小二乘平差，迭代计算出足印相机的旋转矩阵M。
[0029] (4-3)通过足印相机的旋转矩阵、足印相机与卫星的安置角，计算出卫星的姿态数 据。卫星与足印相机之间的安置角<r，p，h>，则卫星的旋转矩阵此恤为：
[0031]其中，Cf为安置角旋转矩阵，由下式求得：
[0033]卫星的旋转矩阵Μ由外方位元素表示为如下：
[0035]则最终通过上式，求解出卫星的外方位元素。
[0036]本发明具有良好的可扩展性，适用于缺乏精确的星上惯导情况下，实现星载激光 器高精度定向的精确获取这一业务需求，并能够为其他星载设备提供精确的指向定位。
【附图说明】
[0037]图1是高分辨率光学卫星高精度控制点提取与姿态测量全流程示意图。
[0038]图2是计算像点平面地理坐标的流程图。
[0039] 图3是使用DEM数据计算每一个像点成像范围内地形起伏度的流程。
[0040] 图4是根据DEM用于从原始CCD图像上选择稳健控制点的流程图。
[0041 ]图5是使用匹配方法得到C⑶控制点的三维控制点坐标的流程图。
【具体实施方式】
[0042]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。
[0043]本发明的第一步涉及CCD图像的粗校正，图2为本发明使用共线方程，根据内方位 元素、卫星姿态、相机安置角、初始高程计算该像元的平面坐标的原理图。包括以下步骤：
[0044] 根据姿态测量设备得到的曝光时刻水平坐标从DEM中读取高程值，以该高程值作 为此像点的初始高程值；
[0045] 使用新高程值计算平面坐标并重复前面步骤，直到新的高程与上一步迭代得到的 高程相同。
[0046] 传感器像点坐标与地面点坐标满足共线方程：
[0048]式中：（X，Y，Z)为制图坐标系下的物方坐标，（Xs，Ys，Zs)为传感器投影中心的位置。 Μ是旋转矩阵M = 其中cf是成图坐标系到地心坐标系旋转矩阵，是地心坐 .， 标系到局部坐标系旋转矩阵；cf是局部坐标系到頂U坐标系旋转矩阵，炫是頂U到传感器坐 标系旋转矩阵;λ是摄影比例尺。则根据上式有：
[0050]首先根据初始高程确定初始X、Y，然后根据DEM的高程确定新的高程，根据姿态测 量设备得到的曝光时刻水平坐标从DEM中读取高程值，以该高程值作为此像点的新的高程 值，迭代求解最终的X、Y。
[0051 ] 将大地坐标点转为WGS84坐标系下。
[0052]使用双线性插值法，根据每一个像点的W