临近空间浮空器的辐亮度计几何校正方法

技术领域

本发明涉及航空航天遥感技术领域，特别涉及一种临近空间浮空器的辐亮度计几何校正方法。

背景技术

由于太空辐射以及元器件的老化很大程度上会影响遥感数据的真实性和准确性。将卫星平台星载观测量追溯至已有的基准，是保证不同空天遥感载荷观测精度及一致性的重要方式。现有技术提出了多种空间辐射基准研究计划，主要方法是将辐射基准搬至空间卫星平台形成“定标星”，用“定标星”获得的地面目标基准数据对其他卫星实施在轨定标。但是，采用“定标星”进行辐射定标的方式具有与其他卫星同步困难和难以消除实际地物下垫面均匀性、大气环境扰动、时空匹配误差等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种临近空间浮空器的辐亮度计几何校正方法，包括：获取试验区域内不同地物的光谱反射率和地表的光谱辐亮度；根据辐亮度计与组合导航测量系统的相对位置偏移和旋转几何关系计算所述辐亮度计光束对应的空间位置；计算所述辐亮度计的空间定位误差；根据所述空间位置和所述空间定位误差确定所述试验区域内地物的匹配范围；在所述匹配范围内将所述试验区域内不同地物的光谱反射率与所述地表的光谱辐亮度进行匹配，得到与所述地表的光谱辐亮度匹配度最高的地物的光谱反射率对应的地面视场坐标；以所述匹配度最高对应的地面视场坐标为几何控制点，计算所述辐亮度计在所述临近空间浮空器上的指向角误差；根据所述指向角误差对所述辐亮度计进行几何校正。

根据本发明的实施例，其中，所述获取试验区域内不同地物的光谱反射率包括：测量所述试验区域内不同地物的辐射亮度和参考板的辐射亮度；获取所述参考板的光谱反射率；根据所述试验区域内不同地物的辐射亮度、所述参考板的辐射亮度和光谱反射率计算所述试验区域内地物的光谱反射率。

根据本发明的实施例，其中，所述获取地表的光谱辐亮度包括：利用所述辐亮度计获取对地观测信号；对所述对地观测信号进行幅度校正，得到所述地表的光谱辐亮度。

根据本发明的实施例，其中，所述根据辐亮度计与组合导航测量系统的相对位置偏移和旋转几何关系计算所述辐亮度计光束对应的空间位置包括：根据所述辐亮度计的视场角的中心线在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向夹角、所述辐亮度计的视场角的中心线与所述辐亮度计的视场角的中心线XOY面的投影线夹角、所述组合导航测量系统的姿态角和坐标，建立所述辐亮度计的光束在WGS84空间直角坐标系下的方向向量与在本体坐标系的方向向量之间的关系，得到地面视场范围解算模型；基于所述地面视场范围解算模型确定所述辐亮度计的光束方向；确定所述光束方向与地面的交点，将所述交点的坐标作为所述辐亮度计光束对应的空间位置。

根据本发明的实施例，其中，所述计算所述辐亮度计的空间定位误差包括：根据所述辐亮度计的视场角的中心线在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向夹角的指向误差、所述辐亮度计的视场角的中心线与所述辐亮度计的视场角的中心线XOY面的投影线夹角的指向误差、所述临近空间浮空器的偏航角测量误差、俯仰角测量误差和横滚角的测量误差，来计算所述辐亮度计的空间定位误差。

根据本发明的实施例，其中，所述根据所述空间位置和所述空间定位误差确定所述试验区域内地物的匹配范围包括：以所述空间位置为中心，上下波动预设倍数的所述空间定位误差的范围为所述匹配范围。

根据本发明的实施例，其中，所述在所述匹配范围内将所述试验区域内不同地物的光谱反射率与所述地表的光谱辐亮度进行匹配，包括：根据所述匹配范围内的地物的光谱反射率计算所述匹配范围内的地物的光谱辐亮度；计算所述匹配范围内的地物的光谱辐亮度与所述地表的光谱辐亮度匹配度。

根据本发明的实施例，其中，所述以所述匹配度最高对应的地面视场坐标为几何控制点，计算所述辐亮度计在所述临近空间浮空器上的指向角误差包括：以所述辐亮度计与所述地面视场坐标之间距离最小为原则，将所述地面视场坐标代入所述地面视场范围解算模型，得到所述辐亮度计在所述临近空间浮空器上的指向角对应的误差方程；求解所述误差方程，得到所述指向角误差。

根据本发明的实施例，其中，所述误差方程为：

其中：

其中，

根据本发明的实施例，其中，所述求解所述方程包括：求解小于预设阈值的所述

根据本发明提供的临近空间浮空器的辐亮度计几何校正方法，将外场试验中的真实地物坐标作为几何控制点对辐亮度计的指向角进行几何校正，能够提高地面瞬时视场的水平及高程定位精度。并且该方法具备良好的可靠性，为提高多系列遥感卫星的辐射定标精度，保证多星数据质量一致性提供了有效的支撑。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明实施例的临近空间浮空器的辐亮度计几何校正方法的流程图。

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。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在实现本发明构思中发现：相比于低轨卫星平台，临近空间浮空器可工作于18-30km的高度范围内，通过调整飞行高度寻求风场的条件下，实现区域驻留式重复观测。临近空间浮空器同时还具有可回收的优势，便于在飞行后对所搭载的辐射基准载荷进行标定及复现观测，提高基准的追溯精度。最后，临近空间浮空器相对卫星平台飞行高度较低，同等相机参数的情况下，对观测目标有更高的分辨率。

在临近空间浮空器辐亮度计地面研制与测试过程中，辐亮度计、组合导航系统与临近空间浮空器刚性固连且受到外界影响比较小，在实验室标定后，辐亮度计和组合导航设备间具有很高的相对安装关系。然而随着临近空间浮空器升空，零压气球在平流层随着风场摇摆旋转、气压从正常大气压变化至3-5kpa、温度由正常室外温度变化至-60℃、太阳辐照引起向阳处与背阳处的温度差等因素影响，临近空间浮空器上有效载荷与平台的相对安装关系可能会发生变化，从而引起辐亮度计指向角发生变化，最终引起地面瞬时视场的平面及高程误差。

因此，综合考虑以上影响因素，基于临近空间浮空器的可见短波红外辐亮度计几何检校，通过改正临近空间浮空器辐亮度计指向角误差提高地面瞬时视场的水平及高程定位精度，为提高遥感卫星几何定标精度并为后续多卫星辐亮度数据质量一致性提供了解决思路。

图1示意性示出了根据本发明实施例的遥感影像靶标的提取方法的流程图。

如图1所示，该遥感影像靶标的提取方法例如可以包括操作S101～操作S106。

在操作S101，获取试验区域内不同地物的光谱反射率和地表的光谱辐亮度。

在本发明实施例中，获取试验区域内不同地物的光谱反射率包括：测量试验区域内不同地物的辐射亮度和参考板的辐射亮度。获取参考板的光谱反射率。根据试验区域内不同地物的辐射亮度、参考板的辐射亮度和光谱反射率计算试验区域内地物的光谱反射率。

示例性的，在大气状况良好的条件下，利用地物光谱仪采用地面测量的方式获得试验区域内不同地物光谱反射率曲线。其中，地面测量可采用人工手持光谱仪进行测量的方式，也可以采用无人机搭载光谱仪升空至距地面50-100m的高度进行测量的方式。地物光谱反射率需要借助于参考板，使用光谱仪分别测量地物辐射亮度和参考板辐射亮度，已知参考板自身光谱反射率的情况下，得到地物光谱反射率：

其中，λ表示波长，意即反射率是波长的函数，(L

在本发明实施例中，获取地表的光谱辐亮度包括：利用辐亮度计获取对地观测信号。对对地观测信号进行幅度校正，得到地表的光谱辐亮度。

示例性的，幅度校正的公式例如可以为：

L

其中，L

在操作S102，根据辐亮度计与组合导航测量系统的相对位置偏移和旋转几何关系计算辐亮度计光束对应的空间位置。

在本发明实施例中，可以根据辐亮度计的视场角的中心线在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向夹角、辐亮度计的视场角的中心线与其辐亮度计的视场角的中心线XOY面的投影线夹角、组合导航测量系统的姿态角和坐标，建立辐亮度计的光束在WGS84空间直角坐标系下的方向向量与在本体坐标系的方向向量之间的关系，得到地面视场范围解算模型。基于地面视场范围解算模型确定所述辐亮度计的光束方向。确定光束方向与地面的交点，将交点的坐标作为辐亮度计光束对应的空间位置。

示例性的，由于辐亮度计与组合导航测量系统(GPS+INS)通过EVENT触发的方式实现微秒级的同步，组合导航测量系统记录下辐亮度计数据采集时刻的触发信号，再通过与地面基准站进行GPS事后差分的方法，精确计算每组数据采集时刻的位置及姿态信息。因此，辐亮度计的光束方向在采集时刻的空间位置信息由GPS系统提供，姿态信息由INS系统提供根据辐射基准载荷和组合导航测量系统在实验室标定的相对位置偏移和旋转几何关系，可构建严密的浮空器辐射基准载荷地面视场范围解算模型，根据解算模型则可对所观测的地物点进行定位并进行精度分析。模型例如可以如下：

其中：

式中，

基于上述模型可以确定辐亮度计的光束方向，在结合数字高程模型(DEM)数据确定辐亮度计的光束方向与地面的交点，该交点的坐标即为辐亮度计光束对应的空间位置。例如，辐亮度计的光束方向与地面相交与A点，即A点的位置(X

在操作S103，计算辐亮度计的空间定位误差。

考虑到临近空间浮空器有效载荷间的装调误差及位置姿态测量系统的测量误差，因此在确定临近空间浮空器的地表参考目标空间位置后还需进行空间定位精度统计，方便在进行试验区特征地物光谱反射曲线匹配时更准确的确定搜索范围，提高光谱反射率曲线特征匹配的效率。

在本发明实施例中，可以根据辐亮度计的视场角的中心线在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向夹角的指向误差、辐亮度计的视场角的中心线与辐亮度计的视场角的中心线XOY面的投影线夹角的指向误差、临近空间浮空器的偏航角测量误差、俯仰角测量误差和横滚角的测量误差，来计算辐亮度计的空间定位误差。

示例性的，根据误差传播定律可知：辐亮度计地表参考目标WGS-84空间直角坐标系中X、Y、Z三个方向的空间定位误差ΔX、ΔY、ΔZ，主要由辐亮度计视场角中心线在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向夹角的指向误差Δα，辐亮度计辐射视场角中心与其在XOY面的投影线的夹角Δβ，临近空间浮空器飞行过程中偏航角、俯仰角和横滚角的测量误差Δω、

在操作S104，根据空间位置和空间定位误差确定试验区域内地物的匹配范围。

在本发明实施例中，以所位置为中心，上下波动预设倍数的空间定位误差的范围为匹配范围。

示例性的，根据光束对应的空间位置(X

X

Y

Z

在操作S105，在匹配范围内将试验区域内不同地物的光谱反射率与地表的光谱辐亮度进行匹配，得到与地表的光谱辐亮度匹配度最高的地物的光谱反射率对应的地面视场坐标。

在本发明实施例中，具体匹配过程例如可以如下：

首先，根据匹配范围内的地物的光谱反射率计算匹配范围内的地物的光谱辐亮度。

该过程依据辐射传输机理得到，根据辐射传输方程，根据地面不同地物光谱反射率上推得到特定地物对应的光谱辐亮度L

其中，ρ

其次，计算匹配范围内的地物的光谱辐亮度与地表的光谱辐亮度匹配度。

根据光谱角匹配的思路，匹配度可以采用如下公式计算：

其中，N为总的波段数，i为波段的编号，L

匹配度越接近于1，则表示地物的光谱辐亮度与地表的光谱辐亮度之间越匹配，最匹配地物的光谱辐亮度对应的地面视场坐标为X

在操作S106，以匹配度最高对应的地面视场坐标为几何控制点，计算辐亮度计在临近空间浮空器上的指向角误差，根据指向角误差对辐亮度计进行几何校正。

在本发明实施例中，以辐亮度计与地面视场坐标之间距离最小为原则，将地面视场坐标代入地面视场范围解算模型，得到辐亮度计在临近空间浮空器上的指向角对应的误差方程，求解误差方程，得到指向角误差。

示例性的，首先，采用辐亮度计到地面视场坐标之间距离最小为原则将地面视场坐标代入地面视场范围解算模型得到误差方程：

其中，

其次，带入指向角α和β的初值α

接下来，在进行平差时同时进行辐亮度计中心点和地面脚点间距离的解算，引入ρ的改正量，得到如下公式：

再采用间接平差公式进行最小二乘平差解算，根据条件式V＝AX-L，可得到最终的误差方程为：

其中：

其中，

进一步据最小额而成间接平差原理将最终的误差方程转化为法方程：

(A

其中，P为观测值的单位权阵；

列出法方程解的表达式：

最后，求解小于预设阈值的

在本发明实施例中，采用迭代方式求解指向角和距离差的修正值dα、dβ、dρ。

具体的，确定参数dα、dβ、dρ的初始值，将初始值代入法方程求解X矩阵，将X矩阵带入最终的误差方程得到残差向量矩阵

判断上述步骤的残差向量矩阵

综上所述，本发明实施例提供的辐亮度计几何校正方法，根据球载可见短波红外辐亮度计的特点，将特征地物的坐标作为几何控制点，通过最小二乘迭代计算改正辐亮度计在临近空间浮空器上的指向角误差，最终将指向角误差带入到辐亮度计地面瞬时视场范围的解算模型中，实现参考载荷指向角误差参数的临近空间几何检校。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

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。