本發(fā)明涉及遙感衛(wèi)星影像在缺少地面控制點區(qū)域的幾何定位，能夠應用在海洋、氣象、生態(tài)環(huán)境以及國防軍事等遙感部門。

背景技術：

遙感影像的精確幾何定位是遙感影像進一步應用的基礎。遙感影像在成像過程中受到各種復雜因素的影響，使其產生幾何變形，因此必須通過建立物方空間坐標系中的地面點坐標與它在影像平面上像點坐標之間的幾何關系來確定影像的幾何定位信息。理論上，在精確地面高程數據的支持下，利用衛(wèi)星遙感影像的嚴格成像幾何模型即可恢復影像上各像素的真實幾何位置，從而實現(xiàn)影像的幾何定位。但是由于測量的誤差以及星載傳感器成像過程中的其他不確定因素的存在，嚴格成像模型通常并不能完全準確無誤地恢復影像的幾何信息，因而衛(wèi)星影像的幾何定位精度也受到限制，通常需要借助地面控制點才能修正影像的幾何定位誤差。在完全沒有地面控制資料的條件下，衛(wèi)星影像的自主幾何定位精度主要依賴于傳感器的幾何定標精度以及衛(wèi)星姿軌控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。隨著星載傳感器工藝技術和在軌幾何定標技術的發(fā)展，國內外星載光學衛(wèi)星影像的自主幾何定位精度越來越高，其中geoeye-1已能達到3米左右(約10個像素)的精度。在國內方面，早期的環(huán)境1號(hj-1)衛(wèi)星無控制點定位精度在1公里左右，但近年來進步顯著，高分一號(gf-1)衛(wèi)星數據無控制點定位精度在50米以內，而資源三號、天繪一號(th-1)衛(wèi)星已能達到10米左右(約5個像素)。但這樣的定位精度尚不能滿足實際應用的需要。

我國南海區(qū)域島嶼眾多，面積小、地表類型復雜、受人為干擾強，需要采用高分辨率衛(wèi)星遙感數據開展連續(xù)監(jiān)測。近年來，我國相繼發(fā)射高分一號和高分二號衛(wèi)星，對南海島嶼區(qū)域進行高頻次觀測，提供豐富的影像數據。影像的幾何定位是高分辨率衛(wèi)星遙感島嶼監(jiān)測的基礎，同時，多源衛(wèi)星多時相觀測，地物之間空間位置也需要保持較高。通常獲取較高影像定位精度需要地面控制點資料，但島嶼實地測量距離遠、周期長、成本高，難以實地獲取地面控制點資料。實現(xiàn)缺少控制點的衛(wèi)星遙感影像精確幾何定位一種方案是在嚴格成像幾何模型的基礎上，利用少量的控制點，通過軌道參數外推的方式實現(xiàn)無控制點區(qū)域的精確幾何定位。但現(xiàn)有的高分辨率衛(wèi)星影像的成像幾何模型均以有理函數模型(rfm，也稱rpc模型)的形式提供，無法進行軌道參數的外推。

鑒于高分辨率衛(wèi)星影像的rpc模型的定位精度有限，而離島區(qū)域地面控制點難以獲取，因此研究離島衛(wèi)星影像rpc模型無控制點的高精度幾何定位方法具有重要的實用價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術的不足，提出了一種通過軌道外推實現(xiàn)離島衛(wèi)星影像rpc模型高精度幾何定位的方法。利用與離島區(qū)域衛(wèi)星影像同軌道的陸地部分的衛(wèi)星影像以及陸地部分的少量控制點，就可對離島區(qū)域衛(wèi)星影像的rpc模型進行修正，從而實現(xiàn)離島衛(wèi)星影像的精確幾何定位。

本發(fā)明的技術解決方案：一種離島衛(wèi)星影像rpc模型的高精度幾何定位方法，其特征在于步驟如下：

(1)準備與待定位的離島衛(wèi)星影像相同軌道的陸地部分的衛(wèi)星影像(同一傳感器同一天獲取的數據)及地面控制點；

(2)分別針對離島衛(wèi)星影像和陸地部分的衛(wèi)星影像，根據rpc模型rfm1和rfm2恢復各自的嚴格成像模型rsm1和rsm2；

(3)用地面控制點對陸地部分衛(wèi)星影像的原rpc模型rfm2進行像方仿射變換模型修正，并將修正后的rpc模型rfm′2恢復為嚴格成像模型rsm′2；

(4)對比陸地部分衛(wèi)星影像修正前后的嚴格成像模型rsm2和rsm′2，采用最小二乘回歸方法估計修正后的嚴格成像模型rsm′2的各外方位元素相對于修正前的嚴格成像模型rsm2的改正量；

(5)將外方位元素的改正量帶入離島衛(wèi)星影像的嚴格成像模型rsm1，并用嚴格成像模型rsm′2中的視線方向角替代模型rsm1中的視線方向角，得到離島衛(wèi)星影像修正的嚴格成像模型rsm′1；

(6)根據嚴格成像模型rsm′1生成地形無關的rpc模型rfm′1，模型rfm′1即為離島衛(wèi)星影像修正后的rpc模型。

附圖說明

圖1是本發(fā)明技術方案流程圖；

圖2是離島衛(wèi)星影像和同軌道的陸地部分衛(wèi)星影像示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出了一種離島衛(wèi)星影像rpc模型的高精度幾何定位方法，以下結合一個實施例和附圖1～2詳細說明本發(fā)明技術方案。實例提供離島衛(wèi)星影像rpc模型軌道外推幾何定位方法，其技術流程參見附圖1。

rpc模型是對衛(wèi)星影像嚴格成像模型(rsm，rigoroussensormodel)的近似擬合，是一種缺乏物理意義的純數學模型，因此無法直接利用rpc模型進行軌道外推，必須首先將rpc模型恢復為嚴格成像模型。本發(fā)明的一個關鍵技術基礎就是嚴格成像模型與rpc模型之間的相互轉換。其中嚴格成像模型可以通過建立3維虛擬控制格網點的方式來生成地形無關的rpc模型[tao,c.vincentandyonghu.acomprehensivestudyoftherationalfunctionmodelforphotogrammetricprocessing.photogrammetricengineering&remotesensing,vol.67,no.12,december2001,pp.1347-1357.]，下面說明由rpc模型恢復嚴格成像模型的方法。

1.嚴格成像模型(rsm模型)

目前主流的星載光學遙感影像大多采用線陣電荷耦合器件(ccd)推掃式成像方式，其嚴格成像模型可表示為：

其中[x,y,z]^t表示像平面點(x,y)對應的地面點在地心地固(ecef)坐標系中的坐標；[xsat,ysat,zsat]^t為成像時刻衛(wèi)星投影中心在地心地固坐標系中的坐標；m為比例因子；tan(ψx)和tan(ψy)分別為成像視線在傳感器(sensor)坐標系中與x軸和y軸的夾角；表示傳感器坐標系到地心地固坐標系之間的旋轉矩陣，它由3個方向的旋轉角ω和κ通過(2)式確定：

2.有理函數模型(rfm模型或rpc模型)

rpc模型可表示為：

其中l(wèi)和s是像點在像平面上的行列值標準化后的結果，(x,y,z)是物方點空間坐標標準化后的結果，

nl(x,y,z)＝a0+a1z+a2y+a3x+a4zy+a5zx+a6yx+a7z²+a8y²+a9x²+a10zyx+a11z²y+a12z²x+a13zy²+a14y²x+a15zx²+a16yx²a17z³+a18y³+a19x³

dl(x,y,z)＝b0+b1z+b2y+b3x+b4zy+b5zx+b6yx+b7z²+b8y²+b9x²+b10zyx+b11z²y+b12z²x+b13zy²+b14y²x+b15zx²+b16yx²b17z³+b18y³+b19x³

ns(x,y,z)＝c0+c1z+c2y+c3x+c4zy+c5zx+c6yx+c7z²+c8y²+c9x²+c10zyx+c11z²y+c12z²x+c13zy²+c14y²x+c15zx²+c16yx²c17z³+c18y³+c19x³

ds(x,y,z)＝d0+d1z+d2y+d3x+d4zy+d5zx+d6yx+d7z²+d8y²+d9x²+d10zyx+d11z²y+d12z²x+d13zy²+d14y²x+d15zx²+d16yx²d17z³+d18y³+d19x³

式中，ai,bi,ci,di(i＝0,1,…,19)即為rpc參數，其中b0和d0的值為1。

對影像坐標行列值的標準化公式為：

其中l(wèi)ine_off、line_scale、samp_off和samp_scale為影像坐標的標準化因子。line表示影像行坐標，sample表示影像的列坐標。

對地面點的標準化公式為：

其中l(wèi)ong_off、long_scale、lat_off、lat_scale、height_off、height_scale為地面坐標標準化因子。longitude表示地面點的經度、latitude表示地面點的緯度、height表示地面點的高程。

3.從rpc模型恢復rsm模型

1)恢復成像時刻衛(wèi)星投影中心在地心地固坐標系中的坐標

根據(3)式可由像點在像平面上的行列坐標l、s及，對應物方空間點的高程z坐標來計算物方點的坐標x和y，如(6)式所示，

其中nx(l,s,z)、dx(l,s,z)、ny(l,s,z)、dy(l,s,z)均為l,s,z的三次多項式。

對于像平面點(l,s)，任意給定2個高程值z1和z2、，根據(6)式可以分別計算得到2個高程值所對應的物方空間點在地心地固坐標系中的坐標[x1,y1,z1]^t和[x2,y2,z2]^t，且這2個物方空間坐標與成像時刻衛(wèi)星投影中心在地心地固坐標系中的坐標[xsat,ysat,zsat]^t具有如(7)式所示關系[huangwc,zhangg,lid.robustapproachforrecoveryofrigoroussensormodelusingrationalfunctionmodel.ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing.2016jul；54(7):4355-61.]，

對于衛(wèi)星影像的某一掃描行k，均勻選取100個像素點，記其像平面坐標為(lk,si)，其中i＝1,2,…,100，取高程z1＝0和z2＝10000，利用(6)式和(7)式通過最小二乘估計可確定成像時刻衛(wèi)星投影中心在地心地固坐標系中的坐標[xsat,ysat,zsat]^t。

2)恢復成像時刻傳感器坐標系到地心地固坐標系之間的旋轉角

給定高程值為0，根據(6)式可計算某掃描行兩個端點像元對應的物方點坐標[x1,y1,z1]^t和[x2,y2,z2]^t，根據(8)式可確定兩個端點像元在地心地固坐標系中的視線向量和

然后根據(9)、(10)、(11)式可計算傳感器坐標系各坐標軸在地心地固坐標系中的方向向量[huangwc,zhangg,lid.robustapproachforrecoveryofrigoroussensormodelusingrationalfunctionmodel.ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing.2016jul；54(7):4355-61.]，

傳感器坐標系到地心地固坐標系之間的旋轉角矩陣即為，

最后根據旋轉矩陣可進一步確定旋轉角ω和κ[slabaughgg.computingeuleranglesfromarotationmatrix.retrievedonaugust.1999aug6；6(2000):39-63.]。

3)恢復傳感器坐標系中各像元的觀測視線角

對于某掃描行中任意像元，根據(6)式和(8)式可確定其在地心地固坐標系中的觀測視線向量則觀測視線在傳感器坐標系中的向量為

然后可進一步計算傳感器坐標系中該像元的觀測視線角

綜上所述，由xsat、ysat、zsat、、κ、ψx和ψyy即可確定衛(wèi)星影像的嚴格成像模型，其中xsat、ysat、zsat、ω和κ為外方位元素，ψx和ψy為內方位元素。

4.離島衛(wèi)星影像rpc模型外推修正

步驟1：準備與待定位的離島衛(wèi)星影像相同軌道的陸地部分的衛(wèi)星影像(同一傳感器同一天獲取的數據)及地面控制點，衛(wèi)星影像范圍及影像示意參見附圖2；

步驟2：分別針對離島衛(wèi)星影像和陸地部分的衛(wèi)星影像，根據rpc模型rfm1和rfm2恢復各自的嚴格成像模型rsm1和rsm2；

步驟3：利用地面控制點對陸地部分衛(wèi)星影像的原rpc模型rfm2進行像方仿射變換模型修正

其中，l、s、nl(x,y,z)、dl(x,y,z)、ns(x,y,z)、ds(x,y,z)與(3)式中定義相同，a0,a1,a2,b0,b1,b2為像方仿射變換改正參數；

然后將修正后的rpc模型rfm′2恢復為嚴格成像模型rsm′2；

步驟4：對比陸地部分衛(wèi)星影像修正前后的嚴格成像模型rsm2和rsm′2，采用最小二乘回歸方法估計修正后的嚴格成像模型rsm′2的各外方位元素相對于修正前的嚴格成像模型rsm2的改正量，即δxsat,δysat,δzsat和δω,δκ；

步驟5：將外方位元素的改正量δxsat,δysat,δzsat和δω,δκ帶入離島衛(wèi)星影像的嚴格成像模型rsm1，并用嚴格成像模型rsm′2的視線方向角ψx和ψy替代模型rsm1中的視線方向角，得到離島衛(wèi)星影像修正的嚴格成像模型rsm′1；

步驟6：根據嚴格成像模型rsm′1生成地形無關的rpc模型rfm′1，模型rfm′1即為離島衛(wèi)星影像修正后的rpc模型。