一种基于物方定位一致性的卫星多光谱影像配准方法

摘要

一种基于物方定位一致性的卫星多光谱影像配准方法，包括选定多光谱相机中某一谱段作为参考谱段，其余谱段为非参考谱段，针对各非参考谱段与参考谱段之间的相对几何畸变分别进行在轨检校，并将检校结果保存；基于物方定位一致性，利用保存的校验结果建立各谱段的严格几何成像模型，将非参考谱段与参考谱段进行精确配准。本发明提供了一种真正几何意义上的光学卫星多光谱影像高精度自动配准方法，能够在无需影像匹配的情况下对卫星多光谱影像进行高精度自动配准，不仅提高了处理效率，并且配准质量与影像质量、地物类型无关；同时，波段间的几何纠正模型为严格几何成像模型，在理论上具有严密性。实践表明该方法可行、有效，配准质量稳定、精度高。

主权项

1.一种基于物方定位一致性的卫星多光谱影像配准方法，包括以下步骤：步骤1，选定多光谱相机中某一谱段作为参考谱段，其余谱段为非参考谱段，针对各非参考谱段与参考谱段之间的相对几何畸变分别进行在轨检校，并将检校结果保存；设参考谱段记为B2，任一非参考谱段记为B1，针对非参考谱段B1与参考谱段B2之间的相对几何畸变进行在轨检校实现方式如下，步骤1.1，设为物方点P在非参考谱段B1与参考谱段B2影像上有同名像点p₁和p₂，构建参考谱段B2的严格几何成像模型如下，$\left(\begin{array}{c}{x}_{c2}\\ y_{c2}\\ f\end{array}\right)=m_2{R}_{\mathrm{BS}}{R}_{\mathrm{BJ}2}{R}_{T2}{\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xp}-X_{S2}\\ \mathrm{Yp}-Y_{S2}\\ \mathrm{Zp}-Z_{S2}\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}84}$构建非参考谱段B1的严格几何成像模型如下，$\left(\begin{array}{c}{x}_{c1}+\Delta x_1\\ y_{c1}+\Delta y_1\\ f\end{array}\right)=m_1{R}_{\mathrm{BS}}{R}_{\mathrm{BJ}1}{R}_{T1}{\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xp}-X_{S1}\\ \mathrm{Yp}-Y_{S1}\\ \mathrm{Zp}-Z_{S1}\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}84}$上式中，(Xp,Yp,Zp)_WGS84为物方点P的WGS84地心直角坐标；(x_C1,y_C1,-f)和(x_C2,y_C2,-f)分别为同名像点p₁和p₂在相机坐标系下的坐标，f代表相机主距；m₁和m₂为摄影比例尺因子；(X_S1,Y_S1,Z_S1)和(X_S2,Y_S2,Z_S2)为投影中心S1和S2的WGS84地心直角坐标；R_BS为相机在卫星本体坐标系下的安装角矩阵；R_BJ1和R_T1分别为p₁成像时卫星本体坐标系与地心惯性坐标系、地心惯性坐标系与WGS84地心直角坐标系之间的旋转矩阵；R_BJ2和R_T2则为p₂成像时相应的旋转矩阵；对于附加参数项Δx₁和Δy₁，采用以探元号为自变量的三次多项式如下，$\left\{\begin{array}{c}\Delta x_1={\mathrm{ax}}_0^1+{\mathrm{ax}}_1^1\times s+{\mathrm{ax}}_2^1\times s^2+{\mathrm{ax}}_3^1\times s^3\\ \Delta y_1={\mathrm{ay}}_0^1+{\mathrm{ay}}_1^1\times s+{\mathrm{ay}}_2^1\times s^2+{\mathrm{ay}}_3^1\times s^3\end{array}\right.$其中，为三次多项式的系数，s代表探元号；将参考谱段B2相对于非参考谱段B1的几何畸变参数记为则$X_I^1=({\mathrm{ax}}_0^1,{\mathrm{ax}}_1^1,{\mathrm{ax}}_2^1,{\mathrm{ax}}_3^1,{\mathrm{ay}}_0^1,{\mathrm{ay}}_1^1,{\mathrm{ay}}_2^1,{\mathrm{ay}}_3^1)$采用符号f₁表示坐标正投影换算，建立将像点(x,y)正投影至物方获取其对应的物方点的WGS84地心直角坐标(X,Y,Z)_WGS84的公式如下，采用符号f₂表示坐标反投影换算，建立将物方点的WGS84地心直角坐标(X,Y,Z)_WGS84反投影至像方所得到的像点坐标(x,y)的公式如下，步骤1.2，在非参考谱段B1与参考谱段B2影像上量测n对同名像点同名像点对应物方点Pⁱ，n为同名像点对的总数，i＝1,…,n；对每个同名点对根据参考谱段B2影像上的像点的坐标，利用参考谱段B2的严格几何成像模型及物方高程信息，执行坐标正投影换算f₁，将像点投影至物方，获取相应物方点Pⁱ的WGS84地心直角坐标$(X_{P^i},Y_{I^i}{Z}_{P^i}{)}_{\mathrm{WGS}84};$步骤1.3，利用步骤1.2所得物方点Pⁱ的坐标基于非参考谱段B1的严格几何成像模型，利用空间后方交会的原理解算参考谱段B2相对于非参考谱段B1的几何畸变参数消除非参考谱段B1与参考谱段B2之间的相对几何畸变；步骤2，基于物方定位一致性，利用各谱段的严格几何成像模型，将非参考谱段与参考谱段进行精确配准；针对非参考谱段B1与参考谱段B2进行精确配准实现方式如下，步骤2.1，根据参考谱段影像像点坐标和物方高程信息获取物方点坐标，包括对参考谱段B2影像上的每个像元p₂(x_c2,y_c2)执行坐标正投影换算f₁，获取其物方点P的WGS84地心直角坐标(X_P,Y_P,Z_P)_WGS84；步骤2.2，获取非参考谱段影像像点坐标，包括利用步骤1所得参考谱段B2相对于非参考谱段B1的几何畸变参数构建非参考谱段B1的严格几何成像模型；对步骤2.1所得物方点P的坐标(X_P,Y_P,Z_P)_WGS84执行坐标反投影计算f₂，获得非参考谱段B1影像上对应的像点p₁的坐标(x_c1,y_c1)；步骤2.3，根据步骤2.2所得非参考谱段B1影像上对应的像点p₁的坐标(x_c1,y_c1)进行灰度重采样，完成非参考谱段B1与参考谱段B2的精确配准。