常學立龍小祥應荷香王密張致齊

（1武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079）

（2中國資源衛(wèi)星應用中心，北京 100094）

（3浙江省地理信息中心，杭州 310012）

0 引言

隨著星載相機空間分辨率的不斷提高，衛(wèi)星在軌幾何定標已成為衛(wèi)星地面數據處理中的一個關鍵環(huán)節(jié)。近幾年，國內學者針對單一衛(wèi)星，從在軌幾何定標模型和定標參數解算方面開展了相關的工作，文獻[1-2]利用解算相機安裝矩陣對“資源一號”（ZY-1）02B衛(wèi)星的HR相機進行了幾何外檢校；文獻[3-4]通過姿態(tài)角常差的手段對SPOT-5和QuickBird衛(wèi)星進行了定標實驗；文獻[5]利用角度不變原理解算光學畸變模型參數對HJ-1-A/B衛(wèi)星進行了內方位元素定標實驗。但是，針對不同衛(wèi)星一體化的定標處理模式和定標處理流程方面仍缺乏系統(tǒng)研究，在多星、多相機在軌幾何定標軟件平臺的實現方面也缺少進一步的嘗試與探索。

本文根據國產高分辨率光學衛(wèi)星搭載的線陣相機的設計特點，選取了一種基于探元指向角和相機安裝角的線陣相機幾何定標模型[6-8]，利用國內具有代表性的資源系列衛(wèi)星對應的相機數據，從衛(wèi)星地面數據處理的角度，分析其對在軌幾何定標的需求，從在軌幾何定標的模式、流程等方面對星載線陣相機的定標處理進行介紹，最后根據所制定的模式與流程設計并實現了通用在軌幾何定標軟件平臺，并利用資源系列衛(wèi)星數據進行了實驗驗證。

1 星載線陣相機在軌幾何定標模式

1.1 星載線陣相機幾何定標模型基礎

影響星載線陣相機幾何定位精度的誤差主要包括相機安裝誤差、時間測量誤差、外方位元素觀測誤差以及由于相機內部畸變導致的誤差等，其中相機安裝誤差和相機內部畸變導致的像點誤差屬于系統(tǒng)誤差，需要進行在軌的標定與補償?？紤]到衛(wèi)星高軌窄視場角的成像特性，相機內部參數之間和相機內部參數與外方位元素之間具有很強的相關性，同時結合星載線陣相機嚴格成像模型，構建具有通用特點的在軌幾何定標模型[7-8]：

根據選擇的指向角模型可以將幾何定標參數分為內外兩類，參照式（1）、（2），一類是外定標參數，用于補償相機安裝角誤差，確定相機坐標系在衛(wèi)星本體坐標系中的指向，為內定標參數的解算確定參考基準；另一類是內定標參數，采用三次多項式的方式用于補償相機內部各種畸變導致的像點誤差，確定CCD各探元在相機坐標系（參考基準）下的指向，內定標參數與外定標參數兩者共同確定CCD各探元在衛(wèi)星本體下的絕對指向。

1.2 光學衛(wèi)星相機類別及其對應定標模式

目前，光學衛(wèi)星相機成像載荷主要分為全色和多光譜兩種，在設計上大多采用多片拼接的方式實現大視場成像[9]，為了實現衛(wèi)星數據更好的處理和應用，需要針對相機不同的成像和設計特點確定不同的在軌幾何定標模式。

從衛(wèi)星地面數據處理的角度，對于全色相機，評價其處理效果的一個重要指標就是幾何定位精度；對于多光譜圖像，不僅有幾何定位精度方面的要求，還要保證波段與波段之間具有較高的配準精度；對于立體成像相機，則需要相機與相機之間精確的交會精度。因此，本文將在軌幾何定標模式分為絕對定標和相對定標兩種。絕對定標是以地面控制信息為基準，利用幾何定標模型進行定標參數的解算，從而獲取圖像上像點精確的絕對位置，即解決影像的幾何定位精度，相對定標則是以某一波段和某一相機為相對基準，利用影像的連接信息進行基于相對基準的定標參數的解算，從而獲取波段之間和不同視角相機之間的同名物點間精確的相對位置，從而解決波段間的配準精度和立體成像的交會精度。

2 星載線陣相機在軌幾何定標的流程

2.1 在軌幾何定標主要流程

結合星載相機的特點和一體化幾何定標平臺構建的需求，本文將衛(wèi)星在軌幾何定標分為定標數據組織、定標區(qū)域選取、定標控制獲取、定標參數解算和定標精度驗證5個環(huán)節(jié)，如圖1所示。其中定標數據組織是根據平臺搭載相機的特點，選擇合適的定標模式，進行待定標數據的規(guī)范組織，為后面的定標處理環(huán)節(jié)提供相對統(tǒng)一的數據輸入；定標區(qū)域的選擇是從待定標影像上選取具有較好地面覆蓋特征的定標區(qū)域；定標控制獲取是在所選取的定標區(qū)域中，通過自動匹配或交互選點的方式獲取與絕對基準或者相對基準之間的控制信息與連接信息；定標參數解算是使用定標控制信息和連接信息，利用定標模型分別求解內外定標參數；定標完成后，需對定標結果進行精度驗證，確定定標結果的正確性和可靠性。

圖1 在軌幾何定標主要流程Fig.1 The main process of on-orbit geometric calibration

2.2 關鍵設計環(huán)節(jié)

為取得可靠的幾何定標參數，需要結合相機的特點和不同的定標模式，對定標流程中每一個環(huán)節(jié)進行規(guī)范而精細的操作。本文結合資源系列衛(wèi)星在軌幾何定標處理任務，對其處理過程中的關鍵處理環(huán)節(jié)進行說明。

2.2.1 待定標數據的獲取與組織

對于在軌定標處理的全部流程，待定標數據是指整個定標處理的數據輸入，其數據品質的好壞是影響定標處理精度的重要因素，也決定著定標處理的成敗。待定標數據主要結合幾何定標場的覆蓋范圍，從地面數據處理系統(tǒng)中獲取，經處理，提取出經過相對輻射校正的圖像數據和對應的姿態(tài)、軌道觀測數據，對于多片CCD拼接的相機和多光譜相機，需要分片、分波段輸出對應圖像數據。

星載線陣相機大多采用多片CCD拼接形成寬視場成像，多片CCD利用內視場拼接、光學拼接以非共線或共線的方式進行排列，在構建其幾何成像模型時，具有統(tǒng)一的姿態(tài)和軌道觀測參數，對于在軌幾何定標，具有統(tǒng)一的外定標參數，使得在待定標數據組織時，對于多片CCD拼接的相機，需要指定主片CCD，在定標參數解算時，解求主片CCD的外定標參數即可作為整個相機的外定標參數。另外在選擇相對定標模式進行數據組織時，對于多光譜相機，需要指定參考譜段作為相對基準，對于立體成像相機，則需選擇其中某一相機作為相對基準。

2.2.2 定標樣本區(qū)域的選取

根據線陣相機的成像特點，某一成像時刻衛(wèi)星載荷獲取的掃描行影像滿足中心投影，其幾何定標模型也以掃描行為單位建立，即每一行都有其獨立的外方位元素觀測值，而姿態(tài)和軌道的觀測值因為儀器觀測頻率和星上存儲的限制，并不是每一掃描行都有觀測記錄。在幾何建模時，每一行所需的外方位元素觀測值需要通過數學建模（如內插）獲取，而在幾何定標的過程中，姿態(tài)和軌道的觀測值作為真值參與解算，為了盡量避免設備觀測和數據建模處理帶來的誤差對定標結果產生影響，在保證后期定標控制點和連接點有效獲取的前提下，對沿衛(wèi)星軌道的方向選取合適的掃描行數作為定標的樣本區(qū)域，定標樣本區(qū)域選取過程如圖2所示。對于多片CCD拼接的相機，由于姿態(tài)軌道觀測的統(tǒng)一性和外定標參數的一致性，在區(qū)域選取時，可采用同一成像時間段的原則進行。

圖2 定標樣本區(qū)域選取示意Fig.2 The schematic diagram of sample selection area

2.2.3 定標參數解算

定標參數解算環(huán)節(jié)是整個定標處理過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對于不同的定標模式，絕對定標和相對定標在定標參數解算環(huán)節(jié)也存在差異，結合相機在焦平面上多片CCD的拼接設計的特點，對于全色相機的在軌幾何絕對定標，內外定標參數的解算采用分步迭代的方式進行，由于多片CCD安裝在同一焦平面下，具有一致的外定標參數，可以利用主片CCD數據首先進行外定標和內定標參數的解算，其余片則以獲取的主片外定標參數作為基準進行內定標參數的解算；對于多光譜多波段的相對定標，在以參考波段所確定的相對基準的基礎上，其余波段數據根據定標匹配獲取連接點依次解算與參考波段之間的相對畸變參數。

3 定標軟件的實現及其實驗驗證

3.1 定標軟件的實現

在確定幾何定標模型和流程后，在此基礎上設計并實現了衛(wèi)星線陣相機的幾何定標軟件，軟件系統(tǒng)以組件和控件相結合的方式在VC++9.0環(huán)境下獨立開發(fā)而成。軟件主要包括工程管理模塊、數據顯示模塊、定標密集匹配模塊、定標參數解算模塊和定標精度驗證模塊。定標管理模塊主要由待定標數據、定標場參考數據、相機文件等數據以工程的形式組織起來，實現定標工程的新建、打開和保存功能；數據顯示模塊實現待定標影像數據分片顯示、定標數據的地面區(qū)域范圍顯示、密集匹配點與影像的疊加顯示等功能，方便用戶查看影像的地面覆蓋情況以選擇合適的定標樣本區(qū)域；定標密集匹配模塊是在確定定標區(qū)域的基礎上，實現待定標影像數據和定標場參考數據的密集控制匹配，根據定標模式的不同實現待定標數據之間連接匹配，為定標參數解算提供可靠有效的控制信息和連接信息；參數解算模塊主要利用控制信息和連接信息，利用外方位元素觀測值進行幾何定標建模，根據所選取的定標模式依次解求內外定標參數；定標精度模塊主要對定標解算的結果進行驗證，輸出相應的定標精度報告。

3.2 實驗驗證

為了驗證本文所確定的定標模式和流程的合理性、軟件的可操作性以及定標效果，選擇ZY-102C衛(wèi)星的HR相機、ZY-3衛(wèi)星的MUX相機的成像數據，利用在軌幾何定標軟件進行了絕對定標和相對定標的實驗驗證。

對于ZY-102C衛(wèi)星的HR相機，選取2013年3月15日獲取的HR相機數據，參考數據為河南安陽地區(qū)高精度DOM（數字正射影像圖）和DEM（數字高程模型）數據，如圖3所示，利用地面數據處理系統(tǒng)生產定標場區(qū)域的分片圖像數據和對應的輔助數據，最后利用在軌幾何定標平臺，按照絕對定標的處理流程對其進行在軌幾何定標處理；對于ZY-3衛(wèi)星的MUX相機，選取2013年11月18日的MUX相機數據，利用地面數據處理系統(tǒng)生產對應區(qū)域的分波段圖像數據和輔助數據，依據相對定標的處理流程對其相對幾何定標的模式進行。

圖3 安陽幾何定標場參考數據Fig.3 The geometric calibration reference data of Anyang

經過在軌幾何定標平臺操作，選取HR相機（相機采取3片CCD拼接的方式）的中間片（第2片）作為主片進行外定標參數的解算，在此基礎上依次對各片進行內定標參數的解算，最終獲取的相機畸變曲線如圖4所示。

對于ZY-3衛(wèi)星的MUX相機（4波段），對其進行在軌相對幾何定標時，選擇波段2（藍波段）為相對基準波段，經在軌定標處理后，獲取的波段間的相對畸變曲線如圖5所示。

最后利用在軌幾何定標的結果進行了多景數據（不同成像時間）的產品生產，分別驗證了HR相機的絕對定位精度和MUX相機的波段配準精度，具體精度驗證結果見表1、2。

圖4 ZY-102C衛(wèi)星的HR相機相機畸變曲線Fig.4 The distortion curves of three CCDS in ZY-1 02C-HR camera

圖5 ZY-3衛(wèi)星的MUX相機波段間相對畸變曲線Fig.5 The band-to-band relative distortion curve of ZY-3-MUX camera

表1 ZY-102C衛(wèi)星的HR相機在軌絕對定標后幾何定位精度Tab.1 The geometric accuracy after on-orbit absolute calibration of ZY-1 02C-HR camera像元

表2 ZY-3衛(wèi)星的MUX相機在軌相對定標后波段配準精度Tab.2 The registration accuracy after on-orbit relative calibration of ZY-3-MUX camera像元

從精度驗證的結果來看，通過在軌絕對定標，ZY-102C衛(wèi)星HR相機的無控幾何定位精度達到了100～150m（地面分辨率2m，定標前無控幾何定位精度在1000m左右）[10-14]，對于ZY-3衛(wèi)星的MUX相機，經過波段之間的相對定標，在進行地面數據處理中，利用波段之間的相對定標參數直接進行幾何處理，波段之間達到0.2個像元的配準精度。其中，ZY-102C衛(wèi)星HR相機的絕對定標和ZY-3衛(wèi)星MUX相機的相對定標過程都在幾何定標軟件平臺上進行。

4 結束語

本文選取ZY-102C衛(wèi)星的HR相機、ZY-3衛(wèi)星的MUX相機數據，利用設計的衛(wèi)星在軌幾何定標一體化平臺軟件分別進行了絕對定標和相對定標實驗，對定標方法、軟件功能、定標精度進行了驗證。實驗驗證表明，本文設計和實現一體化定標軟件能滿足多模式在軌幾何定標需求，有效提高了影像的幾何定位精度。隨著未來衛(wèi)星數據地面分辨率的提高，對衛(wèi)星地面處理精度的要求也越來越高，作為提高幾何定位精度最重要的手段，常態(tài)化的在軌幾何定標將納入地面數據處理系統(tǒng)中成為其業(yè)務化運行的一部分。本軟件已經在ZY-102C和ZY-3衛(wèi)星上已實現業(yè)務化運行，本文所確定的線陣相機在軌幾何定標模式、流程可推廣至其他星載線陣相機。

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