中高軌衛(wèi)星海洋成像圖像幾何定位精度提升方法

劉曉磊 董小萌 潘忠石 張過 宋鵬飛

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079)

遙感衛(wèi)星發(fā)射過程中的應(yīng)力釋放及衛(wèi)星在軌運(yùn)行的物理環(huán)境變化，均會(huì)引起幾何定位參數(shù)(載荷安裝、CCD焦面排列及鏡頭畸變等參數(shù))的改變；另外，衛(wèi)星的姿態(tài)軌道測(cè)量系統(tǒng)等也往往存在系統(tǒng)性偏差，這些均會(huì)降低衛(wèi)星幾何定位精度。目前,采用在軌幾何檢校技術(shù)是提升遙感衛(wèi)星圖像幾何定位精度的一種有效手段,如國外的斯波特-5(SPOT-5)、“艾科諾斯”(IKONOS)、“地球之眼”(GeoEye)、世界觀測(cè)-1(WorldView-1)和WorldView-2等，采用在軌幾何檢校后，無控制點(diǎn)定位精度能實(shí)現(xiàn)10 m以內(nèi)[1-8]。我國遙感衛(wèi)星也采用在軌幾何檢校技術(shù)，典型方法包括偏移矩陣[9]、姿態(tài)系統(tǒng)誤差檢校[10-11]等，目前我國資源三號(hào)衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)無控制點(diǎn)定位精度優(yōu)于25 m[12-13]。上述國內(nèi)外衛(wèi)星主要是低軌遙感衛(wèi)星，綜合來講，可實(shí)現(xiàn)較高的定位精度。然而，隨著中高軌遙感衛(wèi)星的不斷發(fā)展，特別是海洋成像時(shí)，在無控制點(diǎn)的情況下提升衛(wèi)星圖像幾何定位精度具有很強(qiáng)的應(yīng)用需求，且國內(nèi)外目前尚未見中高軌衛(wèi)星海洋成像時(shí)圖像幾何定位提升技術(shù)研究的相關(guān)報(bào)道，這是一個(gè)值得研究的問題。

本文提出一種針對(duì)中高軌衛(wèi)星海洋成像的無控點(diǎn)定位精度提升方法，利用中高軌衛(wèi)星成像范圍大，配合姿態(tài)機(jī)動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)尋找有特征點(diǎn)的區(qū)域，通過衛(wèi)星圖像與高精度控制圖像進(jìn)行匹配，尋找控制點(diǎn)，求解偏置矩陣，并將該區(qū)域的偏置矩陣補(bǔ)償?shù)胶Ｑ蟮貐^(qū)，達(dá)到提升圖像定位精度的目的。最后，通過成像仿真及檢校仿真試驗(yàn)，利用快速機(jī)動(dòng)獲取的有控制點(diǎn)的檢校數(shù)據(jù)對(duì)無控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校，證明了該方法用于中高軌衛(wèi)星海洋成像圖像幾何定位精度提升的可行性。

1 海洋成像無控制點(diǎn)定位精度提升方法

1.1 總體思路

中高軌衛(wèi)星對(duì)海洋成像時(shí)，很難在影像上找到特征控制點(diǎn)，因此中高軌衛(wèi)星提升幾何定位精度需要利用在軌檢校技術(shù)將成像系統(tǒng)誤差消除。相對(duì)于低軌衛(wèi)星來講，中高軌衛(wèi)星成像范圍大，配合姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)尋找到有特征點(diǎn)的區(qū)域，而衛(wèi)星在短時(shí)間內(nèi)數(shù)次成像中系統(tǒng)誤差較為穩(wěn)定，則可以利用有特征點(diǎn)的影像求解偏置矩陣，并應(yīng)用到海洋影像中，以提升海洋成像無控制點(diǎn)定位精度。本文方法實(shí)現(xiàn)過程見圖1，總體思路如下。

(1)衛(wèi)星下傳的海洋影像(待補(bǔ)償影像)周圍沒有特征區(qū)域，衛(wèi)星執(zhí)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)命令，直到影像上有控制區(qū)域(一般要求至少有1個(gè)明顯控制點(diǎn)，如海島、海岸線等)為止，此時(shí)的影像叫做檢校影像。

(2)利用檢校影像的姿態(tài)、軌道、成像時(shí)間等輔助信息，配合高精度控制數(shù)據(jù)，對(duì)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，生成一幅與檢校影像相同大小的影像(簡稱模擬影像)。方法詳見1.2節(jié)。

(3)針對(duì)檢校影像與模擬影像，采用滿足亞像素級(jí)的高精度配準(zhǔn)算法進(jìn)行列等間隔配準(zhǔn)，在檢校影像上獲取控制點(diǎn)。方法詳見1.3節(jié)。

(4)利用配準(zhǔn)獲取的控制點(diǎn)解求偏置矩陣。方法詳見1.4節(jié)。

(5)將得到的偏置矩陣Ru應(yīng)用到海洋影像(待補(bǔ)償影像)中，補(bǔ)償載荷安裝誤差及姿態(tài)、軌道系統(tǒng)誤差，提高中高軌衛(wèi)星海洋圖像幾何定位精度。方法詳見1.5節(jié)。

圖1 方法實(shí)現(xiàn)過程Fig.1 Method process

1.2 模擬影像生成

中高軌衛(wèi)星采用姿態(tài)機(jī)動(dòng)方法尋找周圍有控制區(qū)域的地方進(jìn)行成像，這就要求在能夠找到控制點(diǎn)的區(qū)域(如海島)都要有控制數(shù)據(jù)。鑒于這種應(yīng)用，本文采用全球15 m左右精度的陸地衛(wèi)星-6(Landsat-6)的增強(qiáng)型專題繪圖儀(ETM)數(shù)據(jù)及全球6 m左右精度的雷達(dá)測(cè)繪高精度數(shù)字高程模型(SRTM-DEM)/“土”(Terra)衛(wèi)星先進(jìn)熱輻射與反射輻射計(jì)(ASTER)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)作為控制數(shù)據(jù)，支撐中高軌衛(wèi)星進(jìn)行在軌幾何檢校。

生成模擬影像時(shí)，針對(duì)檢校與高精度數(shù)字正射影像圖(DOM)分辨率差異，利用檢校影像的輔助姿態(tài)、軌道、影像行掃描時(shí)間文件、高精度DEM影像，構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型，對(duì)高精度DOM影像進(jìn)行重采樣，從而生成一幅與檢校影像相同大小的模擬影像，具體步驟如下。

(1)利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的內(nèi)方位元素和姿態(tài)與軌道數(shù)據(jù)，結(jié)合高精度DEM影像，構(gòu)建嚴(yán)密幾何成像模型。

(2)對(duì)模擬影像上像素點(diǎn)(行列坐標(biāo)為(s，l)，利用嚴(yán)密幾何模型建立地面坐標(biāo)點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與模擬影像像素點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(即(X,Y,Z)WGS84=T(s,l))，通過地面點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X,Y,Z)WGS84到(Llat,Llon,h)(緯度，經(jīng)度，高程)，再到DOM上的坐標(biāo)點(diǎn)(E,N)refDOM(E和N分別為DOM上的行坐標(biāo)點(diǎn)和列坐標(biāo)點(diǎn))的變換過程，從WGS84坐標(biāo)系變換到高精度DOM坐標(biāo)系下。

(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，直至生成一幅與檢校影像相同大小的模擬影像。

1.3 獲取檢校影像控制點(diǎn)

利用檢校影像與模擬影像，采用滿足亞像素級(jí)的高精度配準(zhǔn)算法進(jìn)行列等間隔配準(zhǔn)，獲取控制點(diǎn)，步驟如下。

(1)根據(jù)檢校影像的CCD陣列大小，確定配準(zhǔn)列間隔。假定檢校影像大小為ws·hs，(ws和hs分別為檢校影像的列數(shù)和行數(shù))取列間隔n，則配準(zhǔn)將在檢校影像的i·n列上進(jìn)行(i=1,2,3,…，且i·n≤ws)。

(2)針對(duì)檢校影像的i個(gè)配準(zhǔn)列i·n，對(duì)該列下的hs個(gè)影像點(diǎn)逐一與模擬影像配準(zhǔn)，保留滿足配準(zhǔn)精度的所有點(diǎn)；對(duì)檢校影像選定的所有配準(zhǔn)列進(jìn)行此操作。

(4)利用1.2節(jié)步驟(1)中構(gòu)建的模擬影像嚴(yán)密幾何成像模型，計(jì)算得到各配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)模擬影像像點(diǎn)的地面坐標(biāo)(Llat,Llon,h)，從而得到檢校影像控制點(diǎn)地面坐標(biāo)(s′,l′,Llat,Llon,h)，(s′,l′)與(s,l)為配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)。

1.4 求解偏置矩陣

利用配準(zhǔn)獲取的控制點(diǎn)求解偏置矩陣，偏置矩陣Ru的求解方法一般按攝影測(cè)量中后方交會(huì)方法進(jìn)行，見式(1)。

(1)

嚴(yán)密幾何成像模型可變換為

(2)

令

(3)

展開有

(4)

式中：fx，fy為檢校后的2個(gè)方向偏置角與檢校前的差值。

列出誤差方程為

V=BX-l

(5)

利用最小二乘原理X=(BTB)-1BTl，可計(jì)算出偏置矩陣3個(gè)角元素φ,ω,κ，從而求解出偏置矩陣Ru。

1.5 檢校補(bǔ)償

首先，構(gòu)建中高軌衛(wèi)星外方位元素檢校模型。影響定位精度的外方位元素主要包括軌道測(cè)量誤差、姿態(tài)測(cè)量誤差及載荷安裝誤差。依據(jù)對(duì)幾何定位精度的影響特性，載荷安裝誤差可以等效于姿態(tài)測(cè)量誤差。軌道測(cè)量誤差雖然對(duì)幾何定位精度的影響特性與姿態(tài)誤差有所差異，但是兩者可以依據(jù)一定的幾何關(guān)系進(jìn)行等效處理。如圖2所示，S表示當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星成像的真實(shí)位置，S′為衛(wèi)星測(cè)量位置，P和P′分別為真實(shí)地面點(diǎn)位置和地面點(diǎn)測(cè)量位置，DX為衛(wèi)星軌道位置偏移誤差，則易看出，軌道誤差DX可以等效成姿態(tài)誤差dθ(θ真實(shí)光線與測(cè)量光線間的夾角)，兩者對(duì)幾何定位精度影響一致。以軌道測(cè)量誤差為例，其對(duì)幾何定位精度的影響表現(xiàn)為平移誤差，影響特性雖與姿態(tài)誤差有所差異，但是兩者可以依據(jù)一定的幾何關(guān)系進(jìn)行等效處理，如圖3所示。

圖2 線元素和角元素等效關(guān)系Fig.2 Equivalent relationship between line and angle elements

圖3 線平移誤差與角誤差等效關(guān)系

在圖3(a)中，ΔZ為軌道徑向誤差，ω0為線陣CCD成像光線的滾動(dòng)角(包括衛(wèi)星側(cè)擺角及CCD探元視場(chǎng)角)，則引起的徑向定位誤差ΔP為

ΔP=ΔZtanω

(6)

衛(wèi)星無側(cè)擺正視成像時(shí)，當(dāng)相機(jī)視場(chǎng)較小且定軌精度較高時(shí)，ΔZ引起的幾何定位誤差可以忽略；當(dāng)衛(wèi)星大側(cè)擺成像時(shí)，式(6)對(duì)ω求偏導(dǎo)有

d(ΔP)=ΔZsec2ωdω

(7)

根據(jù)式(7)，考慮當(dāng)ΔZ<5 cm，ω≤32°，dω≤5.6°時(shí)，ΔZ對(duì)不同視場(chǎng)角探元引起的幾何定位誤差的差異小于0.06 m，即在大側(cè)擺成像條件下，ΔZ引起的誤差為平移誤差，可等效為相應(yīng)方向軌道誤差。

在圖3(b)中，假設(shè)衛(wèi)星成像視場(chǎng)角為ω(不同探元ω不同)，滾動(dòng)角誤差為Δω，則引起的垂直軌道定位誤差ΔY為

ΔY=Htanω-Htan(ω+Δω)

(8)

式中：H為軌道高度。

對(duì)ω微分有

d(ΔY)=H[tan2ω-tan2(ω+Δω)]dω

(9)

在最壞情況下，滾動(dòng)角誤差對(duì)各個(gè)不同探元造成的幾何定位誤差的差異不超過0.5個(gè)像素，可以認(rèn)為滾動(dòng)角誤差對(duì)各探元影響一致，從而圖3(b)中滾動(dòng)角誤差與垂直軌道方向軌道誤差等效。因此，軌道誤差可以等效為姿態(tài)誤差。圖3(c)的情況與圖3(b)情況類似。

(10)

有了幾何檢校模型，利用第1.4節(jié)得到的偏置矩陣Ru，應(yīng)用到海洋影像(待補(bǔ)償影像)中，補(bǔ)償載荷安裝誤差及姿態(tài)、軌道系統(tǒng)誤差，即可提高中高軌衛(wèi)星海洋成像圖像幾何定位精度。

2 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文方法的可行性，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)的全部流程與上述方法保持一致。由于最終的檢校精度定量評(píng)價(jià)需要有控制點(diǎn)，本文仿真試驗(yàn)中沒有采用海洋區(qū)域，而是將待補(bǔ)償圖像設(shè)在陸地，以便定量評(píng)估，但方法對(duì)海洋同樣適用。

仿真試驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)包括：①含誤差的軌道數(shù)據(jù)；②含誤差的姿態(tài)數(shù)據(jù)；③WGS84與J2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換矩陣文件；④成像時(shí)間數(shù)據(jù)；⑤模擬影像。利用仿真軟件，仿真了2套數(shù)據(jù)，分別位于河南嵩山檢校場(chǎng)和太原區(qū)域。利用河南嵩山檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌幾何檢校，將檢校參數(shù)補(bǔ)償?shù)教瓍^(qū)域，對(duì)太原區(qū)域的定位精度進(jìn)行評(píng)估，檢驗(yàn)提升方法的有效性。誤差仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 誤差仿真參數(shù)設(shè)置

采用本文方法，得到偏置補(bǔ)償矩陣，利用偏置補(bǔ)償矩陣對(duì)嵩山場(chǎng)景進(jìn)行檢校，得到檢校前后的定位精度，結(jié)果如表2所示?？梢姡谶M(jìn)行外方位元素檢校前，直接利用星上下傳的原始數(shù)據(jù)的無控定位精度為137.1個(gè)像素，直接定位精度比較差；在通過本文方法進(jìn)行偏置矩陣求解之后，將得到的偏置矩陣反代入嵩山場(chǎng)景中，得到平面精度為1.6個(gè)像素，自我補(bǔ)償精度比較高，剩下的1個(gè)多像素的誤差來源于影像內(nèi)部精度的不一致。

表2 嵩山場(chǎng)景檢校前后定位精度統(tǒng)計(jì)

在得到偏置補(bǔ)償矩陣后，將其用于太原區(qū)域的補(bǔ)償，通過補(bǔ)償精度來評(píng)價(jià)本文方法的可行性。表3為太原場(chǎng)景補(bǔ)償前后的定位精度，偏置補(bǔ)償前的直接定位精度為118.3個(gè)像素，經(jīng)過偏置補(bǔ)償后，定位精度提高到37.8個(gè)像素。補(bǔ)償后場(chǎng)景和檢校后場(chǎng)景的定位精度有差異，是因?yàn)闄z校后場(chǎng)景和補(bǔ)償后場(chǎng)景所在的姿態(tài)軌道隨機(jī)誤差不一樣，且偏置補(bǔ)償?shù)膬H僅為衛(wèi)星的穩(wěn)定安裝部分。

表3 太原場(chǎng)景補(bǔ)償前后定位精度統(tǒng)計(jì)

通過仿真結(jié)果可以看出：利用檢校后場(chǎng)景的偏置矩陣補(bǔ)償實(shí)際場(chǎng)景(太原場(chǎng)景)，可以提升無控制點(diǎn)的定位精度。在仿真試驗(yàn)中，實(shí)際場(chǎng)景的無控制點(diǎn)定位精度從118.3個(gè)像素提高到37.8個(gè)像素，定位精度顯著提升，證明了中高軌衛(wèi)星海洋成像時(shí)，可利用中高軌可視范圍寬的特點(diǎn)，配合姿態(tài)機(jī)動(dòng)獲取臨近有控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行海洋區(qū)域圖像檢校，從而提升中高軌衛(wèi)星海洋成像無控制點(diǎn)幾何定位精度。

3 結(jié)束語

本文基于中高軌衛(wèi)星對(duì)海洋成像時(shí)無控制點(diǎn)情況下定位精度提升需求，提出了一種利用中高軌衛(wèi)星成像范圍大，配合姿態(tài)機(jī)動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)尋找有特征點(diǎn)的區(qū)域成像并求解偏置矩陣，應(yīng)用到海洋區(qū)域的檢校方法。在尋找控制點(diǎn)時(shí)，本文基于全球高精度控制數(shù)據(jù)，配合機(jī)動(dòng)成像的姿態(tài)軌道輔助數(shù)據(jù)，重采樣控制數(shù)據(jù)形成模擬影像，并通過模擬影像與檢校影像高精度配準(zhǔn)，尋找檢校影像高精度控制點(diǎn)，為求解相對(duì)準(zhǔn)確的偏置矩陣提供基礎(chǔ)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，本文方法對(duì)海洋成像的無控制點(diǎn)定位精度可提升3倍，可應(yīng)用于中髙軌衛(wèi)星對(duì)海面成像任務(wù)時(shí)對(duì)應(yīng)的圖像處理，支持生成高精度幾何定位圖像數(shù)據(jù)。