本發(fā)明屬光學遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理領域，適用于航空攝影測量領域。

背景技術：

隨著遙感與衛(wèi)星技術的進步與發(fā)展，用戶對高分辨率衛(wèi)星影像幾何分辨率、幾何質(zhì)量和幅寬的要求越來越高。

受制于CCD器件的限制，當前及以后一段時間內(nèi)，國產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星為滿足用戶對幅寬的要求均采用多片CCD、多臺相機拼幅成像，每臺相機為中心投影成像。同時，在亞米級遙感相機中，載荷方為減輕邊緣MTF下降的影響保證影像清晰度；在焦平面的設計中開始借鑒國外的先進經(jīng)驗采用弧形設計，不再強調(diào)在相機焦平面上的共線拼接設計。而用戶為方便使用以及提高高分遙感數(shù)據(jù)使用效率的角度，要求提供統(tǒng)一物理拼幅的高質(zhì)量傳感器級影像產(chǎn)品。

由于平臺上每臺相機為多中心投影成像、相機內(nèi)各CCD線陣的安裝誤差、相機間CCD線陣的安裝誤差、以及相機間安裝視差導致的拼接誤差等因素，導致多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正技術難度大，因此，如何對平臺上多臺相機進行傳感器校正、統(tǒng)一解決了幾何畸變、多CCD多相機拼接、成像時間歸一化、波段配準、全色與多光譜間配準、更好的滿足用戶需求成為了一個亟待解決的技術難題。

從目前的發(fā)表文章和公開資料來看，關于傳感器校正方面的研究，主要有以下內(nèi)容：

1、《資源三號衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品生產(chǎn)方法研究》(唐新民等著，武漢大學學報(信息科學版)出版社，2014年2月)

提出了基本虛擬TDI CCD陣列重成像技術的傳感器校正產(chǎn)品生產(chǎn)方法。尤其針對多光譜影像4個譜段采用虛擬TDI CCD解決了譜段間幾何配準問題。 生產(chǎn)了河北安平地區(qū)三線陣及多光譜傳感器校正產(chǎn)品，進行平差實驗和立體模型定向精度分析，并進行了DSM與DOM生產(chǎn)實驗。結(jié)果表明：資源三號衛(wèi)星傳感器校正產(chǎn)品的幾何精度完全滿足1:5萬立體測圖要求。

2、《資源三號衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構(gòu)建與精度初步驗證》(唐新民等著，測繪學報出版社，2012年4月)

提出了基本虛擬CCD線陣成像技術的資源三號測繪衛(wèi)星成像幾何模型。利用資源三號衛(wèi)星第一軌影像大連地區(qū)數(shù)據(jù)，完成了前視、正視、后視的傳感器校正產(chǎn)品的生產(chǎn)，并進行了不同控制點條件下的平差實驗，結(jié)果表明在實驗區(qū)四角布置控制點的情況下DOM平面精度優(yōu)于3m，DSM精度優(yōu)于2m，與國外相近分辨率衛(wèi)星相比，資源三號測繪衛(wèi)星可以達到較高的幾何精度。

3、《一種資源三號測繪衛(wèi)星系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的生產(chǎn)方法》(周平等著，測繪科學出版社，2014年7月)

設計了基于資源三號測繪衛(wèi)星的傳感器校正來生產(chǎn)系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的關鍵技術流程，提出并推導了系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的啞謎成像幾何模型。實驗結(jié)果表明：此方法生產(chǎn)的資源三號測繪衛(wèi)星系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品的幾何精度較高，整體優(yōu)于傳感器校正產(chǎn)品，并能滿足1:5萬立體測圖的要求。

4、《虛擬CCD內(nèi)視場拼接》(張過等著，中國圖象圖形學報出版社，2012年6月)

以基于虛擬CCD線陣的多CCD影像重成像算法作為內(nèi)視場拼接的技術手段。在對由地形起伏引起的多CCD影像拼接誤差進行理論分析和推導的基礎上，提出了無需DEM的虛擬CCD線陣多CCD影像重成像算法，并提出使用基于嚴密成像幾何模型的空間前方交會的方法直接評價影像拼接精度對攝影測量生產(chǎn)的精度影響。利用ALOS衛(wèi)星前正后視影像進行拼接實驗，結(jié)果表明，影像拼接效果良好，該方法可以在航空相機影像拼接中推廣。

但是上述方法均對平臺上不同的相機單獨進行處理，割裂了傳感器之間的相互關系，需進行多次重采樣，導致用戶使用效率降低并且無法消除兩臺相機 之間的視差，導致有一定的拼接誤差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種光學遙感衛(wèi)星多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正方法。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種光學遙感衛(wèi)星多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正方法，步驟如下：

第一步：以光學遙感衛(wèi)星平臺上多臺相機各CCD線陣沿軌方向安裝的位置為基準，構(gòu)建虛擬CCD線陣，并將虛擬CCD線陣安裝在多相機沿軌方向的中心線上；

第二步：根據(jù)虛擬CCD線陣安裝位置計算成像時刻，并根據(jù)衛(wèi)星下傳的姿軌數(shù)據(jù)內(nèi)插出每個掃描行的外方位元素，建立統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型；

第三步：根據(jù)各片CCD的精確安裝位置計算成像時刻，并根據(jù)衛(wèi)星下傳的姿軌數(shù)據(jù)內(nèi)插出每個掃描行的外方位元素，構(gòu)建各片CCD的嚴格成像模型；

第四步：對于虛擬CCD線陣上的每個像點，根據(jù)統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型正變換計算其地面點平面坐標，并賦值給其平均高程，即得到該點的地理坐標；

第五步：根據(jù)各片CCD的嚴格成像模型，步驟四中計算的地面點地理坐標，采用嚴格成像模型反變換計算該點的像點坐標，賦值給虛擬CCD像點處；

第六步：重復步驟四到步驟五，直到虛擬CCD上所有像元處理完成，即完成多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正處理。

所述的統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型如下：

[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS]＝[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS,t_gps]

[D_x,D_y,D_z]＝[D_x,D_y,D_z,t]

式中分別代表相機坐標系到衛(wèi)星本體坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣、衛(wèi)星本體坐標系到J2000標系的旋轉(zhuǎn)矩陣、J2000坐標系到WGS84坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；[X、Y、Z]_WGS84、[X_GPS、Y_GPS、Z_GPS]分別為對應的物方點和GPS相位中心在WGS84坐標系下的坐標，[D_x、D_y、D_z]代表GPS相位中心與衛(wèi)星平臺中心的偏心誤差，Δt_att代表姿態(tài)測量系統(tǒng)與相機測量系統(tǒng)間時間誤差，Δt_gps代表GPS測量系統(tǒng)與相機測量系統(tǒng)間時間誤差；t_cam姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量時間，t_gps GPS測量系統(tǒng)的測量時間,t虛擬CCD的成像時刻。

在第四步中，計算其地面點平面坐標后利用覆蓋影像成像區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，內(nèi)插出地面高程坐標，即得到該點的地理坐標。

在第五步中，判斷計算得到的像點坐標是否位于兩片CCD間搭區(qū)域，若位于，則進行加權色彩均衡處理，并賦值給虛擬CCD像點處，否者直接賦值給虛擬CCD像點處。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為：

(1)本發(fā)明克服現(xiàn)有傳感器校正技術割裂了同一平臺上多相機多CCD間的內(nèi)在聯(lián)系性，無法保證平臺上多相機間的相對幾何精度、全色與多光譜間配準精度，后續(xù)用戶仍需處理，耗費大量人力物力。

本發(fā)明構(gòu)建了基于統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型和多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正方法，統(tǒng)一解決幾何畸變、幾何拼接、成像時間歸一化、波段配準、全色與多光譜間配準等問題，從而自動實現(xiàn)同一平臺上多臺相機高精度幾何拼接(滿足用戶對國產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星幅寬的需求、大大提高高分遙感數(shù)據(jù)的使用效率)、實現(xiàn)多片CCD和多個傳感器間的自動配準(多譜段各波段間、全色與多光譜間配準精度均優(yōu)于0.3個像素，滿足用戶后續(xù)自動融合處理的需求)。

(2)本發(fā)明構(gòu)建了統(tǒng)一平臺的精密嚴格幾何模型，克服了傳統(tǒng)嚴格成像模型構(gòu)建時相互獨立、割裂了同一平臺上多相機多CCD間的內(nèi)在聯(lián)系性、致使 平臺上多相機間的相對幾何精度無法保證的問題，利用同一平臺上多臺相機、多片CCD、多個傳感器，在同一時間成像時外方位元素不變的特性，通過引入平臺統(tǒng)一時間系統(tǒng)、統(tǒng)一姿軌模型，建立了基于統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型，該模型根據(jù)相機內(nèi)各譜段各CCD器件上探元的精確真實位置獨立構(gòu)建幾何模型，統(tǒng)一解決幾何畸變、幾何拼接、成像時間歸一化、波段配準等，從而保證衛(wèi)星影像的高精度內(nèi)部幾何精度。

(3)由于多相機傳感器校正后影像定位精度和內(nèi)部畸變誤差受外定向參數(shù)(姿態(tài)、軌道)、各傳感器內(nèi)部幾何畸變、以及物方高程三類誤差影響，通過對上述誤差進行分析，高程誤差影響最大，傳統(tǒng)方法采用平均高程處理，導致相機間安裝視差無法根本消除，從而影響最終傳感器校正影像產(chǎn)品的內(nèi)部幾何精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖；

圖2為本發(fā)明多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正安裝位置示意；

圖3為本發(fā)明某衛(wèi)星兩臺相機安裝關系示意圖；

圖4為高程起伏對傳感器校正后影像引起的位移誤差示意圖；

圖5為雙相機傳感器校正誤差與高程誤差之間的幾何關系；

圖6為基于統(tǒng)一平臺的多CCD多相機傳感器校正后影像模擬示意；

圖7為XXX衛(wèi)星兩臺相機多片CCD統(tǒng)一處理傳感器校正前的原始圖像；

圖8為XXX衛(wèi)星兩臺相機多片CCD統(tǒng)一處理傳感器校正后圖像。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實例對本發(fā)明做詳細說明。

一種光學遙感衛(wèi)星多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正方法，步驟如下：

第一步：以光學遙感衛(wèi)星平臺上多臺相機各CCD線陣沿軌方向安裝的位置為基準，構(gòu)建虛擬CCD線陣，并將虛擬CCD線陣安裝在多相機沿軌方向的中心線上；

(1)基于統(tǒng)一平臺的傳感器校正影像特點與優(yōu)勢

a、垂軌方向為理想的、無畸變的中心投影成像、各CCD探元大小一致；

b、沿軌方向的積分時間一致，無積分時間跳變；沿軌方向無幾何畸變；

c、CCD探元間無輻射差異；

d、多CCD多相機傳感器校正前后影像內(nèi)外部幾何定位精度無損失。

e、無需額外處理，多臺相機之間、全色與多光譜之間配準精度滿足直接融合或拼接的需求。

(2)基于統(tǒng)一平臺的虛擬CCD傳感器安裝

以多相機各CCD線陣沿軌方向安裝的位置為基準，將多相機傳感器校正后CCD線陣“安裝”在多相機沿軌方向的中心線上，多相機傳感器校正后CCD線陣的寬度為真實多個CCD線陣垂軌方向的整體寬度，每個CCD探元大小一致，其中實線表示實際的多個CCD線陣，虛線表示多相機傳感器校正后CCD線陣，如圖2所示。

第二步：根據(jù)虛擬CCD線陣安裝位置計算成像時刻，并根據(jù)衛(wèi)星下傳的姿軌數(shù)據(jù)內(nèi)插出每個掃描行的外方位元素，建立統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型；

傳統(tǒng)嚴格成像模型具有以下局限性，平臺上各相機間成像過程中相互獨立，即各相機同時對不同地物成像。但隨著用戶要求各個相機間相對精度非常高，有利于用戶對數(shù)據(jù)的融合與跨視場數(shù)據(jù)的拼接使用。因此，必須構(gòu)建基于統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型，從而保證平臺內(nèi)部相機之間、相機內(nèi)部線陣間與各線陣間、相機內(nèi)部傳感器與傳感器間的相對幾何精度。

[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS]＝[X_GPS,Y_GPS,Z_GPS,t_gps]

[D_x,D_y,D_z]＝[D_x,D_y,D_z,t]

式中分別代表相機坐標系到衛(wèi)星本體坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣、衛(wèi)星本體坐標系到J2000標系的旋轉(zhuǎn)矩陣、J2000坐標系到WGS84坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；[X、Y、Z]_WGS84、[X_GPS、Y_GPS、Z_GPS]分別為對應的物方點和GPS相位中心在WGS84坐標系下的坐標，[D_x、D_y、D_z]代表GPS相位中心與衛(wèi)星平臺中心的偏心誤差，Δt_att代表姿態(tài)測量系統(tǒng)與相機測量系統(tǒng)間時間誤差，Δt_gps代表GPS測量系統(tǒng)與相機測量系統(tǒng)間時間誤差；t_cam姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量時間，t_gps GPS測量系統(tǒng)的測量時間,t虛擬CCD的成像時刻。

利用同一平臺上多臺相機、多片CCD、多個傳感器，在同一時間成像時外方位元素不變的特性，通過引入平臺統(tǒng)一時間系統(tǒng)、統(tǒng)一姿軌模型，建立了基于統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型，該模型根據(jù)相機內(nèi)各譜段各CCD器件上探元的精確真實位置獨立構(gòu)建幾何模型，統(tǒng)一解決幾何畸變、幾何拼接、成像時間歸一化、波段配準等，從而保證衛(wèi)星影像的高精度內(nèi)部幾何精度。

經(jīng)過嚴密分析衛(wèi)星上各相機成像時的幾何特點、推導提出了通過引入平臺統(tǒng)一時間系統(tǒng)的方法，從而建立統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型。

第三步：根據(jù)各片CCD的精確安裝位置計算成像時刻，并根據(jù)衛(wèi)星下傳的姿軌數(shù)據(jù)內(nèi)插出每個掃描行的外方位元素，構(gòu)建各片CCD的嚴格成像模型；

第四步：對于虛擬CCD線陣上的每個像點，根據(jù)統(tǒng)一平臺的嚴格成像模型正變換計算其地面點平面坐標，并賦值給其平均高程，即得到該點的地理坐標；

經(jīng)過統(tǒng)一平臺外方位元素技術處理后，多相機間沿軌、垂軌方向主要受外定向參數(shù)(姿態(tài)、軌道)、各傳感器內(nèi)部幾何畸變、以及物方高程誤差的影響，這三類誤差都會引起多相機傳感器校正后影像定位精度和內(nèi)部畸變誤差；由于多相機位于同一平臺、成像時差很小、相機間夾角很小，考慮到衛(wèi)星在軌運行狀態(tài)較為平穩(wěn)，因此，由外定向參數(shù)誤差引起的傳感器校正后影像定位精度的誤差很小，可以忽略不計；由于首先對多相機各傳感器分別進行了在軌幾何標 定，傳感器內(nèi)部幾何畸變影響也可以忽略不計，下面主要重點分析物方高程誤差對多相機傳感器校正后影像定位精度的影響規(guī)律。

某型號衛(wèi)星兩臺相機安裝關系如圖3所示，如圖4、5所示，H代表軌道高度，f為相機主距，θ₁和θ₂分別代表相機1、相機2沿軌方向視場角。若存在高程誤差(或高程起伏)ΔH，由其引起的傳感器校正后影像定位精度的誤差主要表現(xiàn)為沿軌方向，計算公式為：

利用該嚴格成像模型、DEM數(shù)據(jù)將像點投影到地面點P，得到該點的經(jīng)緯度坐標，如圖6中①所示。

第五步：根據(jù)各片CCD的嚴格成像模型，步驟四中計算的地面點地理坐標，采用嚴格成像模型反變換計算該點的像點坐標，判斷計算得到的像點坐標是否位于兩片CCD間搭區(qū)域，若位于，則進行加權色彩均衡處理，并賦值給虛擬CCD像點處，否者直接賦值給虛擬CCD像點處。

具體針對圖6，利用地面點P的經(jīng)緯度坐標、相機1或者相機2的嚴密成像模型、DEM數(shù)據(jù)，反算得到相機1或者相機2上的像點坐標，如圖6中②所示，然后，進行多相機多CDD色彩均衡，并將相機1或者相機2圖像坐標系下的灰度值通過內(nèi)插賦予多相機傳感器校正后影像的像點上。

第六步：重復步驟四到步驟五，直到虛擬CCD上所有像元處理完成，即完成多CCD多相機統(tǒng)一處理的傳感器校正處理。

以XXX衛(wèi)星PMS相機影像實驗為例，圖7為XXX衛(wèi)星兩臺相機多片CCD統(tǒng)一處理傳感器校正前的原始圖像，其像元分辨率為2米，量化比特數(shù)為10，兩臺相機間搭接區(qū)間重疊區(qū)域約1公里。圖8為XXX衛(wèi)星兩臺相機多片CCD統(tǒng)一處理傳感器校正后的圖像。經(jīng)檢驗：高分一號衛(wèi)星雙相機共8片CCD傳感器校正影像各片CCD間相對定向精度優(yōu)于0.2個像元；高分二號衛(wèi)星雙相機共10片CCD傳感器校正影像各片CCD間相對定向精度優(yōu)于0.2個像元；雙 相機之間相對精度優(yōu)于0.25個Pixel；全色與多光譜影像之間相對精度優(yōu)于0.25個Pixel；多光譜間波段配準精度優(yōu)于0.2Pixel。

本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。