大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位的方法

摘要

本发明提供了一种大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位的方法。该方法包括：步骤A：在待定位的线阵CCD遥感图像中选择至少三个定位点；步骤B：对于每一个定位点，由卫星的侧摆角度Ω对该定位点的横向坐标进行补偿修正；步骤C：对于每一定位点，由地球椭球参数和平均高程计算该定位点在地球参考系中的高程hcor；步骤D：对于每一定位点，计算该定位点在地球参考坐标系对应的地面平面位置(X，Y)；以及步骤E：由至少三个定位点在地球参考坐标系对应的地面平面位置对整幅线阵CCD遥感图像进行校正。本发明根据卫星的侧摆角对线阵CCD遥感图像的像方坐标进行了校正和补偿，确保了卫星侧摆时图像横向坐标的几何关系得到严密保持。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种大侧摆线阵 CCD遥感图像对地定位的方法。

背景技术

由于卫星遥感图像在国民经济建设中发挥了巨大的作用，使得卫星遥 感得到了快速发展。随着应用需求的推进，能够向飞行两侧进行大侧摆的 卫星遥感图像具有十分灵活的数据获取模式，在应急减灾等发面发挥独特 的作用。但是由于大侧摆遥感卫星采用了能对飞行旁向进行大角度的侧摆， 给遥感图像的定位带来了一定的困难。此处，大侧摆是指的是能够向飞行 方向两侧摆动角度大于20度以上。

目前国内外在遥感图像定位积累了丰富的技术，但在大侧摆情况下的 遥感图像定位的研究成果报道极少，而研究比较多的常规不侧摆时的遥感 图像定位以及侧摆对遥感的影响。

通用的卫星遥感图像对地定位方法以视向量方法为多，主要涉及卫星 和目标构成的视线方向不同坐标系的变换和旋转。如盛夏利用卫星指向目 标点的向量在不同坐标系中的转换和目标点在不同坐标系中的转换来实 现图像的定位(盛夏，静止气象卫星图像精确定位技术研究，遥感信息， 2003年3期)。苏文博等人针对SPOT-5在确定摄影方向线的基础上提出 基于严密几何成像模型的定位方法(苏文博、范大昭、唐新明，SPOT-5 无控制和基于严密成像模型定位的研究，测绘与空间地理信息，第32卷 第5期，2009年)。

而研究卫星侧摆对遥感的影响也有一些研究成果。如张伍分析了影响 线阵成像遥感卫星图像定位精度的各种误差源，给出了图像定位精度的分 析和设计方法，也分析了侧摆成像条件下高程和目标斜距的不确定性对图 像定位精度的影响(张伍、陆春玲，线阵成像遥感卫星图像定位精度分析 与设计航天器工程，第16卷第2期，2007年3月)。而陈绍龙则从空间相 机像移补偿的角度出发，建立了卫星遥感中偏流角和速高比的概念，给出 卫星在星下点、侧摆、俯仰摄影模式下偏流角和速高比的计算公式(陈绍 龙，侧摆摄影偏流角和速高比的计算模型，航天器工程，第19卷第1期， 2010年1月)。李广泽等人根据宽覆盖相机的特性，分析了其侧摆成像的 几何关系，建立了地面物点到相机像面的空间坐标变换关系，推导了基于 圆地球模型的相机侧摆像移速度计算公式及对图像质量的影响(李广泽、 孔德柱、刘金国，宽覆盖型光学遥感相机侧摆像移速度计算，中国光学， 第6卷5期，2013年10月)

目前已有的卫星图像定位方法缺乏对卫星侧摆因素的处理，而分析侧 摆的影响中又将地球简化为理想的圆球模型，从而造成了卫星图像定位精 度较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种大侧摆线阵CCD遥感图像对 地定位的方法，以提高卫星定位的精度。

(二)技术方案

本发明大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位的方法包括：步骤A：在 待定位的线阵CCD遥感图像中选择至少三个定位点，该三个定位点不在 同一直线上；步骤B：对于线阵CCD遥感图像中的每一个定位点，由卫 星的侧摆角度Ω对该定位点的横向坐标进行补偿修正，得到补偿修正后的 横向坐标值y_new；步骤C：对于线阵CCD遥感图像中的每一定位点，由地 球椭球参数和平均高程计算该定位点在地球参考系中的高程h_cor；步骤D： 对于线阵CCD遥感图像中的每一定位点，由该定位点修正后的横向坐标 y_new和在地球参考系下的高程h_cor计算该定位点在地球参考坐标系对应的 地面平面位置(X，Y)；以及步骤E：由至少三个定位点在地球参考坐标系 对应的地面平面位置对整幅线阵CCD遥感图像进行校正，完成大侧摆线 阵CCD遥感图像的对地定位。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明大侧摆线阵CCD遥感图像对地定 位的方法具有以下有益效果：

(1)根据卫星的侧摆角对线阵CCD遥感图像的像方坐标进行了严密 的校正和补偿，确保了卫星侧摆时图像横向坐标的几何关系得到严密保持；

(2)对卫星侧摆时由于地球是椭球而引起的直角参考坐标系中高度 方向的变化进行了严密修正，确保了卫星侧摆时地球曲率影响得到了有效 补偿。

附图说明

图1为根据本发明实施例大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位方法的 流程图；

图2为侧摆时线阵CCD遥感图像横向坐标的变化示意图；

图3侧摆时地球曲率对高度的影响几何示意图；

图4为KZ卫星在侧摆33度时获取的CCD遥感图像；

图5为利用图1所示方法对图4所示CCD遥感图像进行定位后的效 果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或 说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描 述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然 本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应 的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例 中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅 是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发 明的保护范围。

本发明大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位的方法，处理了卫星侧摆 对线阵CCD遥感图像本身成像几何的影响，同时处理了侧摆对地球参考 系中高程和地球曲率的影响，从而提高了卫星图像定位的精度。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种大侧摆线阵CCD遥感 图像对地定位的方法。图1为根据本发明实施例大侧摆线阵CCD遥感图 像对地定位方法的流程。如图1所示，本实施例大侧摆线阵CCD遥感图 像对地定位的方法包括：

步骤A：在待定位的线阵CCD遥感图像中选择至少三个定位点，该 三个定位点不在同一直线上；

一般情况下，选择线阵CCD遥感图像的四个角点作为定位点，而在 计算资源允许的情况下，也可以在线阵CCD遥感图像中选择多于四个点 作为定位点，但前提是，被选择的定位点中至少应有三个不在同一直线上。

步骤B：对于线阵CCD遥感图像中的每一个定位点，利用如下公式， 由卫星的侧摆角度Ω对该定位点的横向坐标进行补偿修正：

$y_{\mathrm{new}}=f\frac{y_{\mathrm{old}}\cos \Omega +f\sin \Omega }{f\cos \Omega -y\sin \Omega }---\left(1\right)$

其中，f为CCD相机的焦距，是由相机的生产商提供，Ω为卫星的侧 摆角，从卫星下传的辅助数据中读取，y_old为该定位点的原始横向坐标值， y_new为该定位点的修正后的横向坐标值。

步骤C：对于线阵CCD遥感图像中的每一定位点，利用如下公式， 由地球椭球参数和平均高程计算该定位点在地球参考系中的高程：

$h_{\cos }=h_{\mathrm{avg}}-\frac{{\left(\mathrm{Htg\Omega }\right)}^2(a^2{\cos }^{2}B-b^2{\sin }^{2}B)}{2a^{2}b}---\left(2\right)$

其中，h_cor为定位点在地球参考坐标系中的高程，h_avg为定位点所在区 域的平均高程，一般人工事先确定，H是卫星的高度，从卫星下传的辅助 数据中读取，Ω为卫星的侧摆角，也卫星下传的辅助数据中读取，a为地 球参考椭球的长半轴，b地球参考椭球的短半轴，这两个值可根据具体采 用的椭球进行赋值(如选用我国的北京-1954椭球，则a取6378245米，b 取6356863.02米)，B为卫星星下点的纬度值，从卫星下传的辅助数据中 读取即可，cos表示三角余弦函数，sin表示三角正弦函数，tg为正切函数。

步骤D：对于每一定位点，利用如下公式，由该定位点补偿修正后的 横向坐标和在地球参考系下的高程计算该定位点在地球参考坐标系对应 的地面平面位置：

$\left(\begin{array}{c}X=(h_{\mathrm{cor}}-Z_s)\frac{a_2{y}_{\mathrm{new}}-a_{3}f}{c_2{y}_{\mathrm{new}}-c_{3}f}+X_s\\ Y=(h_{\mathrm{cor}}-Z_s)\frac{b_2{y}_{\mathrm{new}}}{c_2{y}_{\mathrm{new}}-c_{3}f}+Y_s\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中：

b₂＝cosκ

     (4)

其中：(X_s，Y_s，Z_s)表示卫星的三维坐标位置，从卫星下传的辅助数据 中读取后进行数学内插和转换即可，f为CCD相机的焦距，事先由相机的 生产商提供，y_new为该定位点补偿修正后的横向坐标值，h_cor为该定位点在 地球参考系下的高程，κ为航向角，为俯仰角，这两个角度都从卫星下 传的辅助数据中读取和数学内插得到，cos表示三角余弦函数，sin表示三 角正弦函数。

这样对于卫星线阵CCD遥感图像中的任何一个感兴趣的目标点，都 可以采用步骤B、C、D来确定其对应的平面位置。

步骤E：由多个定位点在地球参考坐标系对应的地面平面位置对整幅 线阵CCD遥感图像进行校正，完成大侧摆线阵CCD遥感图像的对地定位。

为了验证本实施例的效果，对图4所示KZ卫星在侧摆33度时获取的 一幅线阵CCD遥感图像采用本实施例的方法进行了处理，通过对该图像 中的四个角点分别进行定位处理，然后根据这四个角点的准确位置进行了 图像校正即得到了图5处理的效果图，可以看出其定位结果是比较理想的。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本 领域技术人员应当对本发明大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位方法有了 清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种 具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地 替换，例如：

(1)步骤C中，对于地球参考椭球的长半轴a和短半轴b可以根据 具体定位的要求进行设定，例如我国现在要求使用的CGCS2000参考椭球 则a取6378137米，b取6356752.31米。

综上所述，本发明大侧摆线阵CCD遥感图像对地定位的方法中，通 过对线阵CCD遥感图像的像方进行侧摆角补偿，以及卫星侧摆时地球曲 率影响目标定位的高程进行了补偿，从而确保了卫星侧摆对图像定位的两 大影响因素进行了严密修正，实现了大侧摆卫星图像的有效定位。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。