基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法

本发明涉及卫星成像系统遥感图像定位，特别是一种基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法。

背景技术：

1、卫星成像系统中，由于卫星平台轨道位置误差、姿态测量误差、相机光轴指向误差和光学系统畸变等因素，卫星图像中地物特征存在畸变、偏移等现象，从而影响目标的定位精度。因此，卫星成像系统需要利用已知的控制点对遥感图像进行几何校正以实现高精度的定位。精准的控制点的获取是几何校正中的重要环节。现有的几何校正大多基于地面控制点，然而地面控制点存在以下局限性：

2、1)对控制点的选取有严格要求，在海洋、沙漠、森林、高云量等具有单一背景特征的区域，地面控制点几乎无法获取，进而增大了校正难度；

3、2)当地貌发生显著变化时(如植被增减、地质灾害、建筑修建与拆除、丰水期和枯水期交替等)，图像特征与模板特征差异较大，极大地增加了地面控制点误匹配的概率。

4、3)精准的地面控制点的获取对地标模板(如数字正射影像dom)的精度、覆盖面积、更新频率有着很高的要求，这意味着大量的时间成本和资源开销。

5、考虑到上述局限性，有必要在地面控制点不可用的场景下，发展新型的可替代的控制点类型，且新型的控制点应当具有在单一特征背景下易于获取、更新频率高、覆盖范围广、精度高、对外环境干扰不敏感的特点。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，能够在单一特征背景或地貌变化较大等地面控制点无法准确获取的地区，将飞机作为可替代的控制点，实现高精度的几何校正。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，包括以下步骤：

3、s1、根据成像时间筛选某一时间范围内的ads-b数据与检测轨迹；

4、s2、根据所述ads-b数据构建ads-b特征描述子，根据所述检测轨迹构建检测轨迹特征描述子；

5、s3、计算每条所述ads-b特征描述子与每条检测轨迹特征描述子的相似度指标，指标最小的两个轨迹即为匹配成功的ads-b轨迹与检测轨迹；

6、s4、利用拉格朗日插值法对匹配成功后的ads-b轨迹中的离散时间点及对应经纬坐标进行多项式插值，生成飞机控制点；

7、s5、根据飞机控制点，采用非线性最小二乘法计算有理多项式系数；

8、s6、根据有理多项式系数对图像进行重采样，实现几何校正。

9、本发明中，飞机的经纬信息等可通过ads-b系统实时获取，具有精度高、更新频率高、覆盖范围广的优势。ads-b是一个连接卫星、飞机、地面接收站的全方位系统，通过搭载在飞机上的通信设备周期性地向周围飞机以及航空控制中心传输其状态信息，如飞机识别号、经纬度、高度、航向、速度等，并且ads-b系统能够达到10m的定位精度和几乎实时的信息传输。在地面控制点难以获取的单一特征背景下，飞机作为一种动态的控制点还在时域上具有特征，能够很好地在这种背景下完成提取，进而降低了校正难度。本发明可以在遥感卫星在实际应用中难以获取地面控制点的特殊场景下，实现高精度的几何校正。

10、步骤s2中，ads-b特征描述子和检测轨迹特征描述子表示为：(vi,fi)；其中，vi为第i条轨迹的平均速度，fi代表第i条轨迹的拓扑特征。

11、第i条轨迹的拓扑特征fi表示为：

12、其中di代表第i条轨迹的航向，代表与第i条轨迹最近的k条轨迹(ti1,ti2,…,tik)对应的航向。

13、步骤s3中，相似度指标m的计算公式为：

14、m＝||vads-b-vtrack||2+α||fads-b-ftrack||2；

15、其中，(vads-b,fads-b)为ads-b轨迹的特征描述子，(vtrack,ftrack)为检测轨迹的特征描述子，α为常系数，vads-b、vtrack分别为匹配成功后的某条ads-b轨迹、检测轨迹的平均速度，fads-b、ftrack分别为匹配成功后的某条ads-b轨迹、检测轨迹的拓扑特征。

16、本发明中，为了进一步提高校正精度，步骤s3和步骤s4之间，还包括：采用随机抽样一致性方法对误匹配的轨迹对进行剔除。

17、本发明中，采用非线性最小二乘法计算有理多项式系数a的公式如下：

18、

19、其中，n为飞机控制点数量，(xi,yi)为第i个飞机控制点的实际像平面坐标，(xi,yi,zi)为第i个飞机控制点对应的经度、纬度、高度，(r,c)为像平面行列坐标，(x,y,z)为对应的经度、纬度、高度，pq(x,y,z)为三阶多项式函数，q＝1,2,3,4，具体表示如下：

20、a为有理多项式系数。

21、进一步的，本发明还包括：s7，计算几何校正精度。

22、

23、式中，n为控制点数量，εxi与εyi分别为遥感图像的行、列误差。

24、本发明中，定义均方根误差rmse评估几何校正精度：

25、其中，εxi与εyi分别为遥感图像的行、列误差。

26、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在地面控制点无法获取的场景下也能实现高精度的几何校正。相比于地面控制点，飞机的经纬信息等可通过ads-b系统实时获取，具有高精度、高更新频率、覆盖范围广的优势。特别地，在地面控制点难以获取的单一特征背景下，飞机作为一种动态的控制点还在时域上具有特征，能够很好地在这种背景下完成提取。基于ads-b与检测轨迹中同名轨迹在速度和拓扑关系保持不变的假设，构建了具有对旋转、尺度缩放、平移保持不变的特征描述子，匹配性能优。本发明可以在遥感卫星的实际应用中在高云量背景、全海洋背景等地面控制点无法获取的场景下实现高精度几何校正，有效拓展了遥感图像的高精度几何校正适用的空间范围和气候条件。

技术特征：

1.一种基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，步骤s2中，ads-b特征描述子和检测轨迹特征描述子表示为：(vi,fi)；其中，vi为第i条轨迹的平均速度，fi代表第i条轨迹的拓扑特征。

3.根据权利要求2所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，第i条轨迹的拓扑特征fi表示为：

4.根据权利要求1所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，步骤s3中，相似度指标m的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，步骤s3和步骤s4之间，还包括：采用随机抽样一致性方法对误匹配的轨迹对进行剔除。

6.根据权利要求1所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，采用非线性最小二乘法计算有理多项式系数a的公式如下：

7.根据权利要求1所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，还包括：s7，计算几何校正精度。

8.根据权利要求7所述的基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，其特征在于，定义均方根误差rmse评估几何校正精度：

技术总结
本发明公开了一种基于飞机控制点的遥感卫星几何校正方法，根据成像时间筛选某一时间范围内的ADS‑B数据与检测轨迹；根据所述ADS‑B数据构建ADS‑B特征描述子，根据所述检测轨迹构建检测轨迹特征描述子；计算每条所述ADS‑B特征描述子与每条检测轨迹特征描述子的相似度指标，指标最小的两个轨迹即为匹配成功的ADS‑B轨迹与检测轨迹；利用拉格朗日插值法对匹配成功后的ADS‑B轨迹中的离散时间点及对应经纬坐标进行多项式插值，进而构建飞机控制点；采用有理函数表征成像模型，并采用最小二乘法计算有理多项式系数；根据有理多项式系数进行图像重采样，实现遥感图像几何校正并计算几何校正精度。本发明在地面控制点无法获取的场景下也能实现高精度的几何校正。

技术研发人员：安玮,汪璞,盛卫东,李振,闫天羽
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31