一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及其系统

摘要

本发明涉及一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及其系统，与现有技术相比解决了需依赖地面几何定标场数据进行定标的缺陷。本发明包括以下步骤：构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型；附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标求解准备工作；对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解。本发明提出一种具有较好操作性的联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及系统，能实现SAR卫星无场化自定标，从而有效保障SAR卫星的几何定位精度。

说明书

技术领域

本发明涉及星载SAR卫星影像处理技术领域，具体来说是一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及其系统。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)凭借其全天时、全天候、高分辨、强穿透、非接触等观测优势，已经发展成为支撑国家安全、军事国防、环境监测、灾害防控、资源勘测以及城市规划等领域的重要空天科技手段，是当前国际最前沿的对地观测技术之一。高几何质量SAR影像是合成孔径雷达系统高精度实施对地观测任务最基础与最根本性保障。目前主要通过场地几何定标方法来实现SAR卫星的高几何定位精度，但由于场地几何定标方法实施方式复杂、成本较高，无法及时实现SAR卫星几何定标参数更新。

对于无几何定标场的定标方法的研究，当前多集中在光学卫星处理，国外Pleiades光学卫星利用卫星高敏捷特性实现较好的自定标精度。在SAR卫星无场几何定标方面研究，目前有利用几何定位一致性约束，但该方法本质上是自由区域网平差，求解出的定标参数有效性较差；以及提出利用对称几何构型约束实现无场自定标，虽然该方法能较好实现与传统几何定标精度相当的定标参数解算，但由于需要对称性立体配置且依赖外部高精度数字高程模型，实现起来较为复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中需依赖地面几何定标场数据进行定标的缺陷，提供一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及其系统来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法，包括以下步骤：

11)构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型：利用SAR影像的元数据信息构建其距离多普勒几何定位模型，根据SAR影像上非摄影测量观测条件构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型；

12)附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标求解准备工作：筛选立体观测角值范围在40°到140°内的立体SAR影像，提取非摄影测量观测条件约束值以及观测点的像方坐标，并对其多普勒几何定位模型中的大气延迟误差以及地球物理学运动效应进行改正；

13)对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解：逐个对 SAR影像附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型进行线性化处理，并对待求参数赋初值，迭代求解出几何定标参数。

所述构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型包括以下步骤：

21)根据参与无场几何自定标处理的所有SAR影像其对应的元数据信息构建相应距离多普勒几何定位模型如下：

f

其中，f

22)非摄影测量观测约束条件的构建；

23)附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型的构建：

利用构建的非摄影测量观测约束条件，构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型如下：

τ

t

Constraints:C

上式中，τ

所述附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标求解准备工作包括以下步骤：

31)附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标影像的获取：搜集同一观测区域内多景时宽带宽一样的待定标影像，并根据其元数据信息，得到立体影像对的立体观测角，选取立体观测角值范围在40°到140°内的立体影像对；

32)非摄影测量观测条件约束值以及观测点的像方坐标的获取：筛选立体 SAR影像中位于同一建筑物边线的观测点，获取其先验高差值和在SAR影像上的像方观测坐标；

33)对步骤32)中获取的观测点的像方坐标进行大气延迟以及地球物理效应改正：

根据附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型的观测时间以及外界大气参数，求取出参与无场几何定标的SAR影像中地球物理效应造成的距离向误差△τ

所述对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解包括以下步骤：

41)逐个SAR影像对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型的线性化处理，以构建误差方程；

分别对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型中待求距离向时间定标参数

距离方程线性化：

多普勒方程线性化为：

条件约束方程线性化为：

其中

将上式简化为：

V＝At+BX-l,P

式中，t表示SAR影像系统误差补偿参数；X为观测目标坐标未知数向量； A和B分别为其相应的系数矩阵；

上式对应的误差法方程为：

进一步简化为：

上式中存在两类未知数，SAR影像系统误差补偿参数t和观测目标点未知数 X；

42)对定标参数待求未知数以及目标点三维坐标未知数附初始值：分别对 SAR影像j的距离向系统误差

43)求解附加非摄影测量观测条件约束的误差方程，得到SAR影像j的距离向系统误差改正数

44)利用新的距离向系统误差参数以及方位向系统误差参数，求解物方点 k的未知数改正数

45)重复步骤43)至44)步，直到两类未知的改正值都小于阈值10

46)得到SAR影像j的距离向系统误差定标参数以及方位向系统误差定标参数，完成联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标。

所述非摄影测量观测约束条件的构建包括以下步骤：

51)垂线约束条件的构建：根据不同观测点位于同一铅垂线的几何约束条件：设某建筑边线上两观测点P

(B

(L

其中，B

52)距离约束条件的构建：根据不同观测点之间的先验高差构建高差约束条件：由先验知识，P

(H

53)以上条件方程的矩阵形式统一记为：

C

其中，C

一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法的系统，包括以下模块：

SAR影像严密几何定位模型构建模块，用于对SAR影像根据元数据文件生成距离多普勒几何定位模型；SAR影像大气延迟以及地球物理效应误差改正模块，用于对SAR影像观测时受大气延迟导致的对流层及电离层延迟改正、地球物理效应造成的固体潮误差改正；联合非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型构建模块，用于对SAR影像中如垂线约束条件、高差约束条件构建几何定标模型；联合非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解模块，完成对SAR影像的距离向及方位向系统误差定标参数求解；SAR影像精化RPC生成模块，用于将无场几何定标参数补偿至影像中重新生成高精度的通用有理函数几何定位模型。

有益效果

本发明的一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及其系统，与现有技术相比提出一种具有较好操作性的联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法及系统，能实现SAR卫星无场化自定标，从而有效保障SAR卫星的几何定位精度。

相较传统依赖几何定标场方法，本发明拥有如下显著优势：

(1)本发明根据SAR影像中非摄影测量条件，如不同观测点位于同一铅垂线、不同观测点间的先验高差约束，构建无需几何定标场依赖的定标参数求解模型，可进一步降低国产SAR影像几何定标成本，实现高频次定标，从而可有效保障国产SAR几何定位精度，满足遥感应用对高精度SAR几何定位的需求；

(2)本发明在一定程度可替代传统依赖高精度控制的SAR几何定标，实现快速、低成本、高频率的几何定标。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明所涉及的方法实施流程图；

图3为SAR影像中存在的非摄影测量观测值示意图；

图4为非摄影测量观测条件定标求解约束示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1和图2所示，本发明所述的一种联合非摄影测量观测条件约束的 SAR无控几何定标方法，包括以下步骤：

第一步，构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型。利用SAR 影像的元数据信息构建其距离多普勒几何定位模型，根据SAR影像上非摄影测量观测条件构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型。

由于在SAR影像观测场景中较容易找到具有非摄影测量信息的观测值，相较其他已有的方法具有很好的操作性，但在实际应用过程中，需联合外部先验信息对几何约束条件进行赋值，如两观测点高差、以及两观测点是否位于同一铅垂线上。

其具体步骤如下：

所述构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型包括以下步骤：

(1)根据参与无场几何自定标处理的所有SAR影像其对应的元数据信息构建相应距离多普勒几何定位模型如下：

f

其中，f

(2)非摄影测量观测约束条件的构建。

星载SAR影像中存在一些更一般的原始的非摄影测量观测值或条件，可以利用这些观测值或条件。如图3所示，位于建筑物铅锤边线的观测点，在斜距无误差情况下，交会的点平面坐标应相等，此外根据先验知识，楼层高差为某一常数值C。这些非摄影测量观测值可以按相应条件方程写出其误差方程式，并与式距离多普勒几何定位方程一起参与平差求解定标参数。图4为联合非摄影测量观测条件求解约束的示意图，S

非摄影测量观测约束条件的构建包括以下步骤：

A1)垂线约束条件的构建：根据不同观测点位于同一铅垂线的几何约束条件：设某建筑边线上两观测点P

(B

(L

其中，B

A2)距离约束条件的构建：根据不同观测点之间的先验高差构建高差约束条件：由先验知识，P

(H

A3)以上条件方程的矩阵形式统一记为：

C

其中，C

(3)附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型的构建。

利用构建的非摄影测量观测约束条件，构建附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型如下：

τ

t

Constraints:C

上式中，τ

第二步，附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标求解准备工作：筛选立体观测角值范围在40°到140°内的立体SAR影像，提取非摄影测量观测条件约束值以及观测点的像方坐标，并对其多普勒几何定位模型中的大气延迟误差以及地球物理学运动效应进行改正。其具体步骤如下：

(1)附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标影像获取：由于不同时宽、带宽的SAR影像系统误差不具有一致性，因此需针对特定时宽、带宽组合的SAR进行系统几何定位误差定标。附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标影像的获取：搜集同一观测区域内多景时宽带宽一样的待定标影像，并根据其元数据信息，得到立体影像对的立体观测角，选取立体观测角值范围在40°到140°内的立体影像对；

(2)非摄影测量观测条件约束值以及观测点的像方坐标的获取：筛选立体SAR影像中位于同一建筑物边线的观测点，获取其先验高差值和在SAR影像上的像方观测坐标；

(3)对步骤(2)中获取的观测点的像方坐标进行大气延迟以及地球物理效应改正：

根据附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型的观测时间以及外界大气参数，求取出参与无场几何定标的SAR影像中地球物理效应造成的距离向误差△τ

第三步，对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解：逐个对SAR影像附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型进行线性化处理，并对待求参数赋初值，迭代求解出几何定标参数。

对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解包括以下步骤：

(1)逐个SAR影像对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型的线性化处理，以构建误差方程；

分别对附加非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型中待求距离向时间定标参数

距离方程线性化：

多普勒方程线性化为：

条件约束方程线性化为：

其中

将上式简化为：

V＝At+BX-l,P

式中，t表示SAR影像系统误差补偿参数；X为观测目标坐标未知数向量； A和B分别为其相应的系数矩阵；l和P

上式对应的误差法方程为：

进一步简化为：

上式中存在两类未知数，SAR影像系统误差补偿参数t和观测目标点未知数 X；

(2)对定标参数待求未知数以及目标点三维坐标未知数附初始值：分别对SAR影像j的距离向系统误差

(3)求解附加非摄影测量观测条件约束的误差方程，得到SAR影像j的距离向系统误差改正数

(4)利用新的距离向系统误差参数以及方位向系统误差参数，求解物方点k的未知数改正数

(5)重复步骤(3)至(4)步，直到两类未知的改正值都小于阈值10

(6)得到SAR影像j的距离向系统误差定标参数以及方位向系统误差定标参数，完成联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标。

在实际应用中，将求解的无场几何定标参数补偿至其他影像中，并生成精化的有理函数模型。再对待补偿的SAR影像补偿几何定标参数，将得到的无场几何定标参数补偿至SAR影像中，进而构建高精度的距离多普勒定位模型；重新生成高精度的有理函数模型，并生成RPC文件，作为SAR影像分发的基础几何定位模型。

在此，还提供一种联合非摄影测量观测条件约束的SAR无控几何定标方法的系统，包括以下模块：

SAR影像严密几何定位模型构建模块，用于对SAR影像根据元数据文件生成距离多普勒几何定位模型；SAR影像大气延迟以及地球物理效应误差改正模块，用于对SAR影像观测时受大气延迟导致的对流层及电离层延迟改正、地球物理效应造成的固体潮误差改正；联合非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型构建模块，用于对SAR影像中如垂线约束条件、高差约束条件构建几何定标模型；联合非摄影测量观测条件约束的无场几何定标模型求解模块，完成对SAR影像的距离向及方位向系统误差定标参数求解；SAR影像精化RPC生成模块，用于将无场几何定标参数补偿至影像中重新生成高精度的通用有理函数几何定位模型。

下面以国产SAR卫星为例对本发明提出的方法进行说明：

选取南京区域内某一建筑物，提取边线上观测点，并根据先验知识获取楼层高度约为3.0m，利用本发明所述的方法自定标，对国产SAR影像构建非摄影观测约束的自定标模型并与基于地面控制的几何定标方法进行对比，本发明联合非摄影测量观测值约束的几何定标的求解方法相对于基于地面控制的求解方法斜距定标值最大差异约为0.4m。本发明方法不需要依赖外部高精度 DEM，对立体几何构型也没有什么特殊约束条件，可以无地面几何定标场支持下实现系统误差补偿，从而提升产品的几何定位精度，在一定程度上弥补了常规几何定标场方法对控制数据过于依赖的缺陷。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。