1.一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法,其特征在于,包括以下步骤:
11)构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型;利用光学卫星的初始内外方位参数以及姿轨星历数据构建严密几何定位模型,每隔5000行计算卫星质心与太阳质心连线矢量在卫星本体坐标系Z轴的夹角,根据太阳高度角θ构建6阶傅里叶级数形式的无控几何定位误差补偿模型;
所述构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型包括以下步骤:
111)构建光学卫星影像的严密几何定位模型,利用影像的内外方位元素以及姿轨星历数据,构建严密几何定位模型如下:T
上式中,s为观测像元所在的影像列数,[tan(ψx(s)),tan(ψy(s)),1]为像元s卫星本体坐标系下的指向角,t是像元s的对应观测时间, 是卫星本体坐标系到星敏坐标系的旋转矩阵, 是星敏感器坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵, 是J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵,且 和 随着不同观测时间t而变换,λ是比例系数,为相机中心在WGS84坐标系下的坐标矢量,XGPS(t),YGPS(t),ZGPS(t)分别为相机中心在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标, 为观测目标在WGS84坐标系下的坐标矢量,X、Y、Z为观测目标在WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标;
112)计算观测时刻太阳与卫星本体质心连线在卫星本体坐标系下与Z轴的夹角θ,称该夹角为太阳高度角,具体步骤为:
1121)由于太阳高度角在相邻影像行之间变化不大,取每隔5000行计算;根据待计算太阳高度角的行获取成像时间t',根据卫星轨道模型内插出卫星质心的位置矢量其中XGPS(t'),YGPS(t'),ZGPS(t')分别为卫星质心在t'时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标;
1122)获取太阳质心在WGS84坐标系下的位置矢量,
其中Xsun(t'),Ysun(t'),Zsun(t')为太阳质心在t'时刻位于WGS84坐标系下X轴、Y轴、Z轴的坐标;
1123)获取t'时刻卫星质心与太阳质心的相对归一化位置矢量ΔpWGS84,其表达式为ΔpWGS84=pbody,t'‑psun,t'/|pbody,t'‑psun,t'|,其中||符号为取模运算;
1124)利用光学卫星影像的严密几何定位模型中的旋转矩阵 将
相对归一化位置矢量ΔpWGS84由WGS84坐标系转到卫星本体body坐标系下,转换完后的矢量记为Δpbody,其具体表达式如下:
1125)计算Δpbody矢量与本体坐标系Z轴的夹角θ,计算公式如下:θ=arcos(Δpbody·Zbody),
上式中Zbody为本体坐标系Z轴的基向量
113)构建附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型;
受星敏视场空间误差、星敏安装矩阵热变形、热弹性误差、翼板热变形误差源影响,国产光学卫星在传统定标后姿态角仍存在低频误差,从而造成全球无控几何定位慢漂,在定位模型基础上,构建如下补偿模型:上式中,Rcomp为补偿外方位元素误差的补偿矩阵,具体形式如下:
Rcomp(θ)=R(Δpitch,θ)·R(Δroll,θ)·R(Δyaw,θ),上式中,θ为太阳高度角,Δpitch,θ、Δroll,θ和Δyaw,θ分别表示θ变量下的pitch俯仰姿态角误差补偿值,roll翻滚姿态角误差补偿值和yaw偏航姿态角误差补偿值,具体表达式如下:上式中,K为傅里叶级数阶数,K值设定为6,C与S分别表示余弦分量与正弦分量,ω0为变量θ的变化频率,ω0根据特定光学卫星运行轨道范围内的太阳高度角变量θ变化最大值和最小值参数进行设定;Δpitch,θ、Δroll,θ、Δyaw,θ表示太阳高度角变量θ下的姿态误差值;
arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n,byaw,n表示误差模型系数,为待求未知量;
12)应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备工作;获取待进行误差补偿的长条带国产光学卫星影像,获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据,并完成光学影像和SAR影像的匹配以得到求解误差模型系数的参考数据;
13)应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解;对偶特定光学卫星长条带影像,每隔5000逐太阳高度角θ构建无控几何定位误差补偿模型并线性化处理,对无控几何定位误差补偿模型中待求补偿系数赋初始值,然后迭代求解,直至计算完太阳高度角范围内的所有误差补偿模型系数。
2.根据权利要求1所述的应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法,其特征在于,所述应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备工作包括以下步骤:
21)国产光学卫星长条带影像获取:由于需对整个卫星运行轨道范围内的太阳高度角构建补偿模型,需获取长条带影像,影像尽可能云量少,且尽可能的覆盖国内外区域;
22)参考影像数据的获取:为了求解无控几何定位误差补偿模型补偿系数,获取长条带影像覆盖区对应的SAR影像和SRTM DEM数据,并对SAR影像进行正射校正和滤波处理;
23)国产光学卫星与SAR卫星影像进行匹配,获取SAR影像平面坐标,并以平面坐标在SRTM DEM影像上内插出高程值,形成三维参考点大地测量坐标 其中Lat,Lon为通过匹配从SAR影像上提取的纬度和经度,H为从SRTM DEM对应平面位置提取的高程,并将大地测量坐标(Lat,Lon,H)WGS84转为地心直角坐标形式 其中X,Y,Z分别为参考点在地心直角坐标系下的坐标分量。
3.根据权利要求1所述的应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法,其特征在于,所述应用从SAR影像和SRTM DEM中提取的参考数据对无控几何定位误差补偿模型系数进行求解包括以下步骤:
31)转化误差模型形式:将113)构建的附加太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型转换为如下形式:上式中,下标I表示为长条带影像I,fX,I,fY,I,fZ,I为对应长条带影像I严密几何定位模型的X、Y、Z的观测值函数;
32)逐个太阳高度角θ对无控几何定位误差补偿模型建立参数方程,以构建误差方程;
分别对无控几何定位误差补偿模型中待求的arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n,byaw,n误差模型系数,其中0≤n≤3,求取偏导,则对于误差模型系数在长条带影像I上线性关系式记为:fX,I线性化:
fY,I线性化:
fZ,I线性化:
上式中,vfX,I为fX,I函数观测值残差向量,vfY,I为fY,I函数观测值残差向量,vfZ,I为fZ,I函数观测值残差向量, 以及 为fX函数关于误差模型系数arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n以及byaw,n的偏导数,以及 为fY,I函数关于误差模型系数arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n以及byaw,n的偏导数,以及 为fZ,I函数关于误差模型参数arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n以及byaw,n的偏导数,darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n以及dbyaw,n为误差模型系数arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n以及byaw,n的改正数, 以及 分别表示利用误差模型系数未知数初始值代入31)中公式计算得到的,fX,I、fY,I以及fZ,I分别表示观测值函数;
上式记为:
VI=AIt‑lI,
上式中,t表示SAR影像误差补偿模型系数,A表示误差补偿模型系数相应的线性化后系数矩阵,I表示为长条带影像I,lI为常数项,VI为观测值残差向量;
33)对待求误差模型系数赋初始值:分别对arow,n,apitch,n,ayaw,n,brow,n,bpitch,n,byaw,n误差模型系数,其中0≤n≤3附初值为0;
34)利用第二步提取的参考点坐标求解误差方程,得到误差模型系数的改正数darow,n、dapitch,n、dayaw,n、dbrow,n、dbpitch,n、dbyaw,n并将改正值更新补偿误差模型系数中;
35)重复步骤33)至34)步,直到误差模型系数的的改正数darow,n、dapitch,n、dayaw,n、‑6dbrow,n、dbpitch,n、dbyaw,n都小于阈值10 ,迭代停止;
36)得到的太阳高度角θ变量下的误差模型系数,间隔5000行重复32)‑35),计算下一个太阳高度角θ的误差模型系数,直至覆盖完光学卫星运行范围内的太阳高度角范围,完成无控几何定位误差补偿模型系数求解;
求解完误差补偿模型系数后,在标准景影像生产过程中将误差补偿模型补偿至几何定位模型中,可有效提升国产光学卫星影像无控几何定位精度。
4.根据权利要求1所述的一种应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量方法的系统,包括以下模块:光学几何定位模型构建模块,用于完成长条带光学卫星影像严密几何定位模型构建;
无控几何定位误差补偿模型构建模块:用于长条带影像逐太阳高度角θ变量的无控几何定位误差补偿模型构建;应用SAR影像提升国产光学卫星影像无控几何质量准备模块:完成SAR影像正射校正,光学影像与SAR影像匹配获取三维参考点功能;无控几何定位误差补偿模型系数求解模块:用于完成误差补偿模型系数求解;几何定位误差补偿模型系数补偿模块:用于将几何定位误差补偿模型系数补偿至单景光学影像中,提升无控几何定位精度。