机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法

技术领域

本发明属于摄影测量与遥感测绘技术领域，具体涉及一种机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法。

背景技术

拼接型TDI CCD推扫相机是指按一定方式将多片TDI CCD拼接而形成的组合式并采用推扫成像方式的光学遥感相机。该类相机可兼顾地面分辨率、地面覆盖宽度、成像灵敏度以及信噪比等技术指标，因而在当前高分辨率光学遥感卫星上逐渐得到了广泛应用。与传统线阵推扫式相机相比，拼接型TDI CCD推扫式相机采用了CCD拼接技术。受制作工艺水平限制，单片TDI CCD器件的长度较短，无法满足星载光学相机的地面覆盖宽度要求，因此需采用一定技术手段将多片TDI CCD拼接在一起以使相机具备足够视场宽度。

根据拼接方案的不同，当前拼接型TDI CCD相机主要可分为三类：机械交错拼接相机、光学拼接相机以及特殊构型拼接相机。无论上述哪一类拼接型TDI CCD相机，其均可是空间分辨率、地面覆盖宽度等技术指标显著提升，但其特殊的物理构造和成像机理也使其所获取图像的几何处理呈现出一系列新特点。

机械拼接型TDI CCD推扫相机在某一成像瞬间，多片TDI CCD共享一套外方位元素，但由于焦平面上安置位置的不同，各片TDI CCD在地面上的成像不是一条连续的扫描行，而是多条不连续的“短扫描行”，如图1-1所示，为瞬间成像示意图。地面上“不连续”短扫描行在沿轨方向的错位大小取决于各分片CCD在焦平面上沿轨方向的错位程度。随着卫星平台的飞行，各TDI CCD分片分别推扫成像，形成多个连续的分片窄条带图像，由于相邻TDICCD分片之间的相对安置关系，将导致分片影像之间存在一定水平重叠和垂直错位，如图1-2所示为某各分片影像地面覆盖示意图。故有必要准确确定对机械拼接型TDI CCD推扫相机的内定向参数和外定向参数，确保相机的拼接精度。

作者为曹斌才的2014年硕士学位论文《多片TDI-CCD卫星影像拼接方法研究》提供了一种TDI-CCD卫星影像拼接方法，该方法采用了“先外后内”的在轨几何标定，以得到相机的内定向参数和外定向参数，对相机进行拼接。在轨几何标定的计算过程中，没有利用严格的片间约束几何条件，更没有推导得到片间约束外定向参数平差模型和片间约束内定向参数平差模型，只利用了地面坐标值相等的约束条件循环计算内定向参数和外定向参数，这样得到的内定向参数和外定向参数均不准确，进而无法保证相机的拼接和定位精度。

发明内容

本发明提供了一种机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法，用以解决现有技术得到的内定向参数和外定向参数均不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：

本发明提供了一种机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法，包括如下步骤：

S1：构建所述机械拼接型TDI CCD推扫相机的片间约束整体几何平差模型；

S2：根据所述机械拼接型TDI CCD推扫相机的影像获取地面控制点信息，并对不同分片CCD进行影像匹配确定相邻分片重叠区域内的同名点信息；

S3：基于所述片间约束整体几何平差模型，根据所述地面控制点信息与所述同名点信息构建片间约束外定向参数平差模型，解算外定向参数的外定向计算值；

S4：固定所述片间约束外定向参数平差模型中的所述外定向计算值，根据所述地面控制点信息与所述同名点信息构建片间约束内定向参数平差模型，解算内定向参数的内定向计算值；

S5：根据所述片间约束外定向参数平差模型与所述片间约束内定向参数平差模型，对所述内定向参数的内定向计算值进行二次平差；

S6：判断所述外定向参数的外定向计算值和二次平差后的内定向参数的内定向计算值是否满足相应的精度要求，若不满足，则执行步骤S3至步骤S5)，直至满足精度要求；其中，满足相应的精度要求指的是：外定向参数的外定向计算值小于第一阈值且二次平差后的内定参数的内定向计算值小于第二阈值。

上述技术方案的有益效果为：本发明提出了构建片间约束整体几何平差模块、片间约束外定向参数平差模型，片间约束内定向参数平差模型，通过计算外定向参数和内定向参数，可有效实现原始分片影像的高效拼接，形成连续一致的拼接影像，并辅以控制点进行整体几何平差，提高拼接影像的定位精度；同时，鉴于外定向参数与内定向参数之间具有很强的相关性，采用分开迭代的方式，确保机械拼接型TDI CCD推扫相机的高拼接精度。

进一步的，步骤S1之前还具有以下步骤：

S01：构建所述机械拼接型TDI CCD推扫相机的几何成像模型；

S02：基于所述几何成像模型，构建相邻分片影像的片间约束几何模型。

进一步的，所述几何成像模型为公式1，公式1为：

其中，P(X,Y,Z)为一实际地面控制点的坐标；(X

进一步的，所述片间约束几何模型为公式2和公式3，公式2和公式3分别为：

其中，(X

进一步的，所述片间约束整体几何平差模型为公式4，公式4为：

其中，(Δt,Δα,Δκ

进一步的，所述片间约束外定向参数平差模型为公式5，公式5为：

进一步的，对所述片间约束外定向参数平差模型变形得到公式6，公式6为：

其中，l

系数矩阵

(U

将所述第一系数矩阵A

根据公式7，采用最小二乘平差算法进行计算，得到所述未知外定向参数(Δt,Δα,Δκ)的第一计算值。

进一步的，所述片间约束内定向参数平差模型为公式8，公式8为：

进一步的，采用的指向角模型为公式9，公式9为：

采用的指向角计算公式为公式10，公式10为：

其中，

则所述片间约束内定向参数平差模型变形为公式11和公式12，公式11和公式12分别为：

其中，

其中，公式12左边的两项分别为公式13和公式14，公式13和公式14分别为：

将公式13和公式14代入至公式12，进行最小二乘平差就可得到所述第一CCD分片在x方向指向角变化系数c

附图说明

图1-1是现有技术的机械拼接型TDI CCD推扫相机的瞬间成像示意图；

图1-2是现有技术的机械拼接型TDI CCD推扫相机的各分片影像地面覆盖示意图；

图2是本发明的指向角表示视线向量示意图；

图3是本发明的机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一种机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法实施例，如图3所示，该机械拼接型TDI CCD推扫相机整体几何平差方法可包括以下步骤：

S1：构建所述机械拼接型TDI CCD推扫相机的片间约束整体几何平差模型；

S2：根据所述机械拼接型TDI CCD推扫相机的影像获取地面控制点信息，并对不同分片CCD进行影像匹配确定相邻分片重叠区域内的同名点信息；

S3：基于所述片间约束整体几何平差模型，根据所述地面控制点信息与所述同名点信息构建片间约束外定向参数平差模型，解算外定向参数的外定向计算值；

S4：固定所述片间约束外定向参数平差模型中的所述外定向计算值，根据所述地面控制点信息与所述同名点信息构建片间约束内定向参数平差模型，解算内定向参数的内定向计算值；

S5：根据所述外片间约束外定向参数平差模型与所述外片间约束内定向参数平差模型，对所述内定向参数所述内定向计算值进行二次平差；

S6：判断所述外定向参数的外定向计算值和二次平差后的内定向参数的内定向计算值是否满足相应的精度要求，若不满足，则执行步骤S3至步骤S5)，直至满足精度要求；其中，满足相应的精度要求指的是：外定向参数的外定向计算值小于第一阈值且二次平差后的内定参数的内定向计算值小于第二阈值。

其中，第一阈值、第二阈值是可以根据设备精度、所实施环境、所要求精度进行设置的，并不是一固定单一数值。

在所述步骤S1之前还具有以下步骤：

S01：构建所述机械拼接型TDI CCD推扫相机的几何成像模型；

S02：基于所述几何成像模型，构建相邻分片影像的片间约束几何模型。

其中，对于机械拼接型TDI CCD推扫相机，建立几何成像模型需要的进行对片间约束外定向参数和片间约束内定向参数的确定。

确定外定向参数是确定成像瞬间相机投影中心位置和相机主光轴指向的过程。机械拼接型TDI CCD相机采用推扫方式成像，各扫描行具有不同的外定向参数，可采用轨道姿态模型，用模型参数对各扫描行的外定向参数进行统一描述。常采用一般多项式轨道姿态模型，每一扫描行的外定向参数在星历参数观测初值的基础上随时间线性变化。

其中，(X

确定内定向参数是确定每个CCD分片上每个像元在相机坐标系下的视线向量

其中，(x,y)为像平面坐标系o-xy下的像点坐标，视线方向

当考虑相机畸变时，指向角计算公式描述为探元编号S的3阶多项式，如下式所示：

其中，

进一步的，作为本发明一优选实施方式，所述几何成像模型为：

其中，P(X,Y,Z)为一实际地面控制点的坐标；(X

对于机械拼接型TDI CCD推扫相机，相邻CCD分片重叠区域对同一地面覆盖区进行成像，同一地面点在相邻CCD分片重叠区域形成两个对应像点。设地面实际控制点P的坐标为(X,Y,Z)，在第一CCD分片上形成影像点p

其中(X

进一步的，作为本发明一优选实施方式，所述几何约束模型为：

其中，(X

其中，对影像点p

进一步的，作为本发明一优选实施方式，所述片间约束整体几何平差模型为：

其中，(Δt,Δα,Δκ

其中，鉴于机械拼接型TDI CCD相机相邻CCD分片在焦平面沿轨方向的几何错位误差、推扫成像过程中的外定向参数误差、以及不同CCD分片自身的内定向参数误差都使拼接影像产生拼接错误，并降低定位精度。

为了提高定位精度，将公式(2)、(3)进行线性化，一阶泰勒级数展开后，得到：

其中，(ΔX

机械拼接型TDI CCD相机各CCD分片共享一套光学系统，采用一组外定向参数模型描述外定向参数变化，因此(ΔX

对上述公式进行化简，即可得到公式(4)：

进一步的，作为本发明一优选实施方式，所述片间约束外定向参数平差模型为：

其中，(Δt,Δα,Δκ

进一步的，作为本发明一优选实施方式，对所述片间约束外定向参数平差模型变形得到：

其中，l

系数矩阵

(U

将所述第一系数矩阵A

根据公式(7)，采用最小二乘平差算法进行计算，得到所述未知外定向参数(Δt,Δα,Δκ)的第一计算值，即解算出外定向参数的外定向计算值。

进一步的，作为本发明一优选实施方式，所述片间约束内定向参数平差模型为：

其中，(Δx

其中，在计算得到外定向参数后，在外定向参数保持不变的情况下，构建片间约束内定向参数平差模型如公式(8)，进行内定向参数的平差计算。如此，采用分开迭代方式进行内定向参数的计算。

进一步的，作为本发明一优选实施方式，采用指向角模型：

采用指向角计算公式：

其中，

则所述片间约束内定向参数平差模型变形为：

其中，

其中，公式(12)左边的两项分别为：

将公式(13)和公式(14)代入至公式(12)，进行最小二乘平差就可得到所述第一CCD分片在x方向指向角变化系数c

其中，对公式(8)进行变形，移项得：

第一CCD分片与第二CCD分片的投影缩放系数一致，λ

进一步，在指向角模型(9)、指向角计算公式(10)的基础上，对公式(16)作进一步变换为：

其中：

公式(12)左边的两项分别为：

将公式(13)和公式(14)代入公式(12)中，进行最小二乘平差就可得到第一CCD分片在x方向指向角变化系数c

如此，本发明通过构建片间约束整体几何平差模块、片间约束外定向参数平差模型，片间约束内定向参数平差模型，通过计算外定向参数和内定向参数，可有效实现原始分片影像的高效拼接，形成连续一致的拼接影像，并辅以控制点进行整体几何平差，提高拼接影像的定位精度；同时，鉴于外定向参数与内定向参数之间具有很强的相关性，采用分开迭代的方式，确保机械拼接型TDI CCD推扫相机的高拼接精度。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。