本發(fā)明涉及測繪技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種星載高分辨率熱紅外影像幾何定位方法。

背景技術(shù)：

星載高分辨率熱紅外影像能在較小的空間尺度上測量地表溫度，與傳統(tǒng)的低空間分辨率熱紅外衛(wèi)星影像相比，具有信息量顯著增加、目標(biāo)溫度及幾何結(jié)構(gòu)更加明顯等特點(diǎn)。高分辨率熱紅外影像應(yīng)用的前提是高精度幾何定位，即建立影像上像點(diǎn)坐標(biāo)與地面坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，以及消除成像過程中的誤差來源。星載高分辨率熱紅外影像的成像機(jī)理是線陣TDICCD沿軌排列并繞飛行方向擺動(dòng)，與常見星載光學(xué)影像不同，由于擺掃運(yùn)動(dòng)引入了兩大誤差，一是成像起始時(shí)刻和成像周期與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定值不一致，二是成像起始角度和每掃描行的成像角度與理想情況不符。像面約束作為星載高分辨率熱紅外影像幾何定位的關(guān)鍵，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種星載高分辨率熱紅外影像幾何定位方法，實(shí)現(xiàn)高分辨率熱紅外影像的實(shí)際應(yīng)用。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

第一步：近似熱紅外影像成像模式為等時(shí)間間隔采樣；

第二步：利用整景影像沿軌向像移標(biāo)定成像起始時(shí)刻和成像周期；

第三步：利用整景影像沿垂向像移標(biāo)定成像起始角度和每掃描行的成像角度。

其中，第一步所述的近似熱紅外影像成像模式為等時(shí)間間隔采樣原理如下：

熱紅外影像采用擺動(dòng)掃描成像，在一個(gè)擺掃周期T內(nèi)，t₀為成像起始時(shí)刻，T₀為成像周期。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的起始成像時(shí)刻t₀存在偏差時(shí)，一景影像地面覆蓋會隨著沿軌方向整體移動(dòng)，像方沿軌方向偏差為：

式中，L為連續(xù)兩景影像同一擺掃行的同一探元成像點(diǎn)沿軌道方向的距離，ΔT為等時(shí)間間隔成像的時(shí)間誤差，ΔL為ΔT引起的沿軌向偏差。若掃描鏡在成像周期內(nèi)，每個(gè)擺掃行成像時(shí)間相同，則：

T₀＝t₀+Δt·n (2)

式中，Δt為每個(gè)掃描行的行積分時(shí)間，n為擺掃行數(shù)。

從第一景影像計(jì)算，t₀在10^-9量級，可略去，綜合式(1)及式(2)，得：

因此，確定擺掃成像可近似為等時(shí)間間隔采樣。

第二步所述利用整景影像沿軌向像移標(biāo)定成像起始時(shí)刻和成像周期方法如下：

①成像起始時(shí)刻t₀的標(biāo)定可轉(zhuǎn)換為整景影像在沿軌方向的殘差，即將原始影像與重采樣后的參考影像匹配，第一擺掃行的同名點(diǎn)在沿軌方向的差距為Δx_i(i＝1…n)，第一擺掃行的擺掃角速度為V₁，則

②整景影像的地面沿軌位移S_x由相機(jī)安裝繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角、地球自轉(zhuǎn)的偏流角和衛(wèi)星飛行三者共同作用形成，可建立像面約束方程：

式中，V_X為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度的沿軌向分量，γ_x為偏流角沿軌向的分量，K_Z為擺掃式相機(jī)繞Z軸的安裝角。A_x代表沿軌方向的成圖比例尺。p_x代表一個(gè)擺掃周期后，任意一個(gè)探元的沿軌位移。因此，在兩個(gè)連續(xù)擺掃周期的原始影像上找到相同擺掃行上同一探元的位置，對應(yīng)參考影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)為(x_1i,y_1i)和(x_2i,y_2i)，計(jì)算出像點(diǎn)畸變對上式進(jìn)行最小二乘解算，即可得到成像周期T₀。

第三步所述利用整景影像沿軌向像移標(biāo)定成像起始角度和每掃描行的成像角度方法如下：

①地面覆蓋的比例規(guī)律可通過對參考影像重采樣轉(zhuǎn)換到像面上：擺掃影像上任意兩個(gè)擺掃行的同一像元沿?cái)[掃向坐標(biāo)之差Δy與重采樣后的參考影像上的匹配像元沿?cái)[掃向坐標(biāo)之差Δy'的比例代表這一段擺掃范圍內(nèi)平均擺掃角度與等角間隔Δα之比第一擺掃行的同名點(diǎn)在垂軌方向的差距為Δy_i(i＝1…n)，第一擺掃行的擺掃角速度為V₁，則

②采用分段模式對擺掃角度定標(biāo)，認(rèn)為在很小一段時(shí)間內(nèi)，每個(gè)掃描行的擺掃角速度是不變的：將總掃描行數(shù)M分為N段，設(shè)各段的擺掃行數(shù)和擺掃角速度分別為M_iy，V_i(i＝1,……,N)，則可建立如下方程：

式中，γ_y為偏流角垂軌向的分量。將分段內(nèi)的掃描行數(shù)M觀測量，對上式進(jìn)行最小二乘解算，即可得到第i段擺掃角速度的度量值，得到每段擺掃角度,從而得到每掃描行的成像角度。

本發(fā)明有益效果在于：利用沿軌像移量對成像起始時(shí)刻和成像周期定標(biāo)，垂軌像移量對成像起始角度和每掃描行的成像角度定標(biāo)，經(jīng)過像面約束后，熱紅外影像的幾何變形得以消除，實(shí)現(xiàn)星載高分辨率熱紅外影像精確定位。

附圖說明

圖1為星載高分辨率熱紅外影像幾何定位方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明星載高分辨率熱紅外影像幾何定位方法如圖1所示，具體包括以下步驟：

第一步：熱紅外影像采用擺動(dòng)掃描成像，近似熱紅外影像成像模式為等時(shí)間間隔采樣。

一個(gè)擺掃周期T內(nèi)，t₀為成像起始時(shí)刻，T₀為成像周期。在一個(gè)擺掃周期T結(jié)束時(shí)掃描鏡返回初始機(jī)械限位，進(jìn)行下一景影像成像。由于衛(wèi)星入軌后機(jī)械工藝及控制系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的起始成像時(shí)刻t₀存在偏差時(shí)，一景影像地面覆蓋會隨著沿軌方向整體移動(dòng)，像方沿軌方向偏差為：

式中，L為連續(xù)兩景影像同一擺掃行的同一探元成像點(diǎn)沿軌道方向的距離，ΔT為等時(shí)間間隔成像的時(shí)間誤差，ΔL為ΔT引起的沿軌向偏差。若掃描鏡在成像周期內(nèi)，每個(gè)擺掃行成像時(shí)間相同，則：

T₀＝t₀+Δt·n (2)

式中，Δt為每個(gè)掃描行的行積分時(shí)間，n為擺掃行數(shù)。

從第一景影像計(jì)算，t₀在10^-9量級，可略去，綜合式(1)及式(2)，得：

對于國產(chǎn)擺掃式相機(jī)，L為480個(gè)像素，n為10786行，當(dāng)某一擺掃行時(shí)間偏差ΔT為1個(gè)行積分時(shí)間Δt時(shí)，引起的沿軌偏差僅為0.0445個(gè)像素。因此，確定擺掃成像可近似為等時(shí)間間隔采樣。

第二步：利用整景影像沿軌向像移標(biāo)定成像起始時(shí)刻和成像周期

由于掃描鏡機(jī)械工藝及控制系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定狀態(tài)存在偏差，導(dǎo)致一個(gè)擺掃周期的成像起始時(shí)刻和成像周期難以確定，從而引起影像在沿軌方向整體畸變。

①外定標(biāo)后，姿軌測量及載荷安裝等系統(tǒng)誤差被消除，成像起始時(shí)刻t₀的標(biāo)定可轉(zhuǎn)換為整景影像在沿軌方向的殘差，即將原始影像與重采樣后的參考影像匹配，第一擺掃行的同名點(diǎn)在沿軌方向的差距為Δx_i(i＝1…n)，第一擺掃行的擺掃角速度為V₁，則

②整景影像的地面沿軌位移S_x由相機(jī)安裝繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角、地球自轉(zhuǎn)的偏流角和衛(wèi)星飛行三者共同作用形成，可建立像面約束方程：

式中，V_X為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度的沿軌向分量，γ_x為偏流角沿軌向的分量，K_Z為擺掃式相機(jī)繞Z軸的安裝角。A_x代表沿軌方向的成圖比例尺。p_x代表一個(gè)擺掃周期后，任意一個(gè)探元的沿軌位移。因此，在兩個(gè)連續(xù)擺掃周期的原始影像上找到相同擺掃行上同一探元的位置，對應(yīng)參考影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)為(x_1i,y_1i)和(x_2i,y_2i)，計(jì)算出像點(diǎn)畸變對上式進(jìn)行最小二乘解算，即可得到成像周期T₀。

第三步：利用整景影像沿垂向像移標(biāo)定成像起始角度和每掃描行的成像角度

由于掃描鏡繞軸擺動(dòng)采用機(jī)械限位和機(jī)械控制，星上下傳的輔助數(shù)據(jù)中，沒有記錄每一掃描行的擺掃角度或者擺掃步距，當(dāng)擺掃運(yùn)動(dòng)由于溫度變形、器件工藝等因素出現(xiàn)初始位置限位不準(zhǔn)，擺掃運(yùn)動(dòng)不均勻時(shí)，就會與理想等角擺掃產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致起始擺掃角度和每個(gè)擺掃行的真實(shí)角度與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定值不一致，從而引起成像幾何模型對地指向產(chǎn)生垂軌方向的偏移。因此擺掃非線性定標(biāo)可在擺掃時(shí)間一致性定標(biāo)之后進(jìn)行。不等角引起的畸變具有顯著性，可以直接使用像面上垂軌方向的畸變量作為觀測值糾正該誤差。

①地面覆蓋的比例規(guī)律可通過對參考影像重采樣轉(zhuǎn)換到像面上：擺掃影像上任意兩個(gè)擺掃行的同一像元沿?cái)[掃向坐標(biāo)之差Δy與重采樣后的參考影像上的匹配像元沿?cái)[掃向坐標(biāo)之差Δy'的比例代表這一段擺掃范圍內(nèi)平均擺掃角度與等角間隔Δα之比第一擺掃行的同名點(diǎn)在垂軌方向的差距為Δy_i(i＝1…n)，第一擺掃行的擺掃角速度為V₁，則

②采用分段模式對擺掃角度定標(biāo)，認(rèn)為在很小一段時(shí)間內(nèi)，每個(gè)掃描行的擺掃角速度是不變的：將總掃描行數(shù)M分為N段，設(shè)各段的擺掃行數(shù)和擺掃角速度分別為M_i，V_i(i＝1,……,N)，則可建立如下方程：

式中，γ_y為偏流角垂軌向的分量。將分段內(nèi)的掃描行數(shù)M觀測量，對上式進(jìn)行最小二乘解算，即可得到第i段擺掃角速度的度量值。

表1星載高分辨率熱紅外影像幾何定位精度(單位/像素)

表1為使用2014-06-30安陽景數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以看出，經(jīng)過擺掃時(shí)間定標(biāo)后，沿軌向定位精度有了明顯的提升，殘差在整體和局部分布均勻，消除了由成像起始時(shí)刻和成像周期不準(zhǔn)確導(dǎo)致的沿軌誤差，經(jīng)過擺掃角度定標(biāo)后，垂軌向定位精度有了明顯的提升，垂軌殘差不再隨垂軌方向呈現(xiàn)局部的規(guī)律性，消除了成像起始角度和每掃描行的成像角度不一致引起的垂軌畸變，因此采用像面約束法提高星載高分辨率熱紅外影像幾何定位精度是有效的。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。