缺少控制点的卫星遥感对地目标定位

对 某 地 区一 景 Ｓ ＯＴ ５影 像 进 行 对 地 目标 定 位 ， 得 了 实 地 上 ８ ． ９ ｍ 的 平 面精 度 ； 用 单 个 地 面 控 制 点 对 Ｐ － 获 ３３２ 利
卫星轨道开普 勒参数和传 感器姿 态实施调整后 ， 目标 定 位 精 度 提 高 到 １ ． １ｍ。 试 验 证 实 ， 建 立 的 构 像 方 ４ ２７ 所 程 是 正 确 的 ， 卫 星 遥 感 对 地 目标 定 位 中 有 较 好 的 应 用 前 景 在 关键词 ： 扫 式遥感影像 ； 像 方程 ； 推 构 目标 定 位 ； 度 精
到影 像 成像 时 刻 卫 星星 历 的情 况 下 ， 根据 式 （ ） １ 就
可 以 由影像 坐 标 解 求 其 对 应 点 的地 面 坐 标 ， 实 即 现对 地 目标 定 位 。
对 于 一些 难 以用 精 确数 学 模 型表 达 的大 气 传
播 影 响等 所 引起 的成 像 系统 误 差 若采 用 附加 参 数 模 型进 行 补偿 ， 可 得 到更 严 格 的构 像方 程 。 则 就 构像 方 程 （ ） 言 ， 星 开 普勒 轨 道参 数 可 １而 卫 利 用遥 感 影 像确 定 地 面 目标 的平 面 位 置可 以
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第２ ８卷 第 ５期
２０ ０ ３年 １ Ｏ月
武 汉 大 学 学 报 ・信 息 科 学 版
Ｇｅ ｍａ ｉｓ ａ ｄ Ｉ ｆ ｒ ｔｏ ｃｅ ｃ ｆ ｕ ａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｔｃ ｎ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｎ Ｓ ｉ ｎ ｅ ｏ Ｗ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ
基 于 轨 道 约 束 的 数 学 模 型＿ ， ｒ ｓｈ Ｐ ｌ Ｇｒ － １ Ｆ ｉ ｃ 、 ｏｌ ｕ ］ ｔ 、
ａ、 ｎ 张祖 勋 和 江万 寿 等 对 该 模 型 进 行 了较 为 深 人
能 达 到的 对地 目标 定 位 精度 。
的研 究 ， 其 应 用于 推 扫式 影 像模 拟 、 扫 式立 体 将 推
Ｖ０ ． ８ Ｎｏ ５ １２ ．
０ Ｃ ． ２０ ｔ ０３
文 章 编 号 ：６ １８ ６ （０ ３０ — ５ ５０ １ ７ —８ ０ ２ ０ ） ５０ ０ —５
文献标识码 ： Ａ
缺少 控制 点的 卫星遥 感对地 目标定 位
袁 修 孝 张 过
（ 武 汉 大 学 遥 感 信 息 工 程 学 院 ， 汉 市 珞 喻 路 １ ９号 ，３ ０ ９ １ 武 ２ ４０７）
项 目来 源 ： 国家 自然科 学 基 金 资 助 项 目（ ０ ７ ０ ２ ； 国 高等 学 校 优 秀 博 士 学 位 论 文作 者 专 项 基 金 资 助 项 目（ ０ １ ２ 。 ４１１７）全 ２ ０ ４ ）
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武 汉 大 学 学 报 ・信 息 科 学 版
一
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Ｌｊ －
式 中 ， 为 尺 度 因 子 ； 传 感 器 主距 ； ， ） Ｃ为 （ ０ 为
Ｘ ｒ Ｚｃ 为 地 球 固定 地 面 参 考 系 Ｃ （ｈ ｏ － ｃ ｒ ＴＳ ｔｅｃｎ
ｖ ｎ ｉ ｎ ｌ ｅ ｒ ｓ ｒ ｌｃ ｏ ｄｎ ｔ ｙ ｔ ｍ） ｅ ｔ ａ ｒｅ ｔｉ ｏ ｒ ａ ｅ ｓ ｓｅ 。 ｏ ｔ ａ ｉ
特 性 。轨 道长 半 轴 口和轨 道 偏 心 率 ｅ用 于 描 述卫 星轨道 的大小 和形 状 ； 轨道 倾 角 ｉ 升交 点赤 经 ｎ 和 用 于描述 卫 星轨道 面在空 间 的位 置 ； 轨道 近地 点 角 距 泖 用 于 描述 卫 星 轨 道 在 其 轨 道 面 内 的 旋 转 方 位； 轨道 真近点 角 厂用于描述 卫 星某时 刻 的在 轨位 置 。图 ２示 意了卫 星开普 勒轨 道各参 数 。 图 ２中 ， Ｘａ Ｚ ０一 ａ为 空 间 固定惯 性 参 考 系
ＣＩ ｔ ｅｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｌｉｅ ｔ ｌ ｏ ｒ ｉ ａ ｅ ｓ ｓｅ ， Ｓ（ ｈ ｏ ｖ ｎ ｉ ａ ｒｉ ｏ ｄ ｎ ｔ ｙ ｔ ｍ） Ｏ— ｏ ｎ ａｃ
关 系 式 。按 照 图 ２所示 ， 于 单 线 阵扫 描影 像 ， 对 经
过 一 系列 坐 标 变换 以后 可 得 到利 用 ６个 卫 星开 普
方 向
Hale Waihona Puke Baidu扫 描
图 １ 推 扫 式 成 像 几 何
Ｆｉ ． Ｉ ａ ｉ ｇ Ｐｒｎ ｉ ｌ ｆ ｓ － ｒ ｏ Ｓ ｎ ｏ ｇ １ ｍ ｇｎ ｉｃｐｅｏ Ｐｕ ｈ Ｂ ｏ ｍ ｅ ｓ ｒ
图 ２ 卫 星 开 普 勒 轨 道 参 数
Ｆ ｇ ２ Ｋｅ ｌｒ Ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｏ ａ ｅｌ ｅ Ｏｒ ｉ ｉ． ｐ ｅ ａ ａ ｔ ｒ ｆＳ ｔ ｌｉ ｂｔ ｔ
２ 无 控 制 点 的 Ｓ ＯＴ影 像 目标 定 位 Ｐ
参 照文 献 Ｅ ２ 利 用 卫 星 星 历 计 算 得 到 ， 星 瞬 时 ｌ］ 卫 位 置 可根 据 开普 勒 轨 道 参 数 计 算 出来 ， 点 坐 标 像
通过 影 像几 何 纠 正 实现 。遥 感 影像 几 何 纠正 是 指 在辐 射 校正 的基 础上 改 正原 始 图像 的几何 变 形 以
构像 方 程 是 在 假 设 Ｓ ＯＴ 卫 星 运 行 轨 道 为 圆 形 Ｐ 轨道 的前提 下 建 立 起 来 的 ， 地 球 摄 动 力 的考 虑 对
不全 面 ， 且 忽略 了大气 折射 对 信 号传 播 的 影 响 ， 并 其 优点 在 于仅 用 一个 地 面控 制 点 就可 以调整 卫 星 轨 道参 数 。 本 文参 照 Ｗ ｅｔ ｓｉ ｎ的基 本思 想 ， 先从 单 线 阵 首 推 扫式 传感 器 的成 像 机 理 出发 建立 了影像 构 像方 程， 然后 利 用 一 景 Ｓ ＯＴ ５影 像 在 无 地 面控 制 情 Ｐ － 况 下进 行 对地 目标 定 位 以 及通 过 利用 少 量控 制 点 对 卫 星开 普勒 轨 道参 数 进行 调 整 后 实施 单景 影 像
中 图 法 分 类 号 ： ２ １ ２ Ｐ ３ Ｐ ３． ；２ ７
利用 推 扫 式 传 感 器 获 取 的 遥 感 影 像 越 来 越 多 ， 国外 的 Ｓ ＯＴ、ＫＯＮＯ 如 Ｐ Ｉ Ｓ和 国内 的资 源 ２号 等 。长 期 以来 ， 推 扫 式 卫 星 遥 感 影 像 的 几 何 纠 对 正 主要 是 根据 地 面控 制 点 采 用 多 项 式 拟 合 方 法 ， 对 目标 的定 位 主要 采用 类 共 线 条 件 方 程 ， 高 分 对
曼 ０ｃｔ ＿Ｘ ｙ ｓ ｉ ｎ ／
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Ｒ 邝＝ ｌｎ ｓ ｇｏ￣ ｏｏｉ 一ｓｗｉ ｓｖ ｏ ￣ ｓ ｓｗｏ９ ｗｉ ｃｓ＋ｃｓｓ￣ ｓ ｎ ｌ ｉ Ｊｒ ｉ ｓｇｉｃ ｓｃ ／ ｉ ｃｓ ｎ ｎ ｒ＋ｃ ｏｏ￣ ｎ ｌ
３ ０ ８ ５６ ２／ ６ ０为 春 分 点 的 格 林 尼 治 恒 星 ６ ． ９ １ ｔ８ ４Ｏ 时 。其 中 ， 为 从 １ ３ ９ ｏ年 １月 １日零 时 到成 像 时
刻 之 间的 整数 日， 为 当前 时 刻 ； 、 为 传 感 器 ｔ
在扫描线方 向和卫星运行方 向的侧视角 ； ∞ 一 ＋，为近 地 点角 距 。
遥 感卫 星大 多 是 近极 地 、 阳 同步 轨道 卫 星 。 太
一
般 说来 ， 以用 ６ 参数 描述卫 星 轨道 。 目前通 可 个
标 （ ） ， 与其 地 面坐 标 （ Ｙ， ） 间 的严 密 数 学 Ｘ， Ｚ 之
用 的是用 开普 勒 轨道 参 数 来 表 示 卫 星轨 道 的 各个
像 点 ｋ在 传 感 器 坐 标 系 下 的 坐标 ； Ｘ， Ｚ） 地 （ Ｙ， 为
面点 ｋ在 Ｃ ＴＳ系 的坐 标 ； Ｘ Ｙ ， ） 地 面 点 ｋ （ ， 为 成 像 时卫 星 在 Ｃ ＴＳ下 的坐标 ；
所谓 影 像 构像 方 程就 是 建 立地 面 点 的影像 坐
一
一
一
影 ， 整个 影 像 则为 多 中心 投 影 。 而 图 １中 ， 为 传感 器 主距 ； 影像 上 任 一 像 Ｃ Ｐ为 点 ； 为 扫 描 线 ｋ上 影 像 点 的 坐 标 轴 ； 为 扫 描 线 ｋ的投 影 中心 ； 扫 描 线 ｋ的 主点 ； 扫 Ｏ为 ｌ为 描 线 ｋ从 投 影 中心 发 出 的光 线 。
这里 ， Ｔ＝９ ． ８ ２ ＋ ０ ９ ５６ ２２ ６ ＋ ９ ０ ９９ ７４ ． ８ １ ８ ｄ
可通 过 影像 量 测 获 得 ， 感 器 姿 态 和 侧 视 角 是 已 传
知 的 ， 么 ， 式 （ ） 所 包 含 的未 知 量 仅 为 目标 那 公 １中 点 地面 坐标 （ Ｙ， ） 尺 度 因 子 ｍ。 因此 ， 得 Ｘ， Ｚ 和 在
摘
要 ： 单 线 阵推 扫 式 传 感 器 的 成 像 机 理 出发 ， 用 ６个卫 星 轨 道 开 普 勒 参 数 和 ３个 传 感 器 姿 态 角 建 立 了 从 利
推 扫 式 卫 星 遥 感 影 像 坐标 与 其 地 面 点在 地 心 坐标 系下 的 坐 标 关 系 式 ， 构 像 方 程 。按 照 所 建 立 的 构 像 方 程 ， 即
像 的几 何 纠 正 ［］ Ｇｏ ｃｌｅ １ ； ｎ ａｖ ｓ等 将 该 构像 方 程 与 ０
ｓ ＡＲ定 位 模 型 相 结 合 以 减 少 解 求 定 位 参 数 所 需 的地 面控 制 点［ 均 取 得 了较 好 的结 果 。Ｗｅｔ １ 川， ｓｉ ｎ
收稿 日期 ；０ ３０ —１ ２ ０ —４１ 。
像对提取 Ｄ ＥＭ 及 Ｄｏ 等 方 面 ， 对 推 扫 式 立 Ｍ 并
１ 推 扫 式 影 像 构 像 方 程
单 线 阵推 扫 式成 像 传感 器 是 以 时序 方式 逐行
获 取二 维 图 像 的 。先 在 像 面 上 形 成 一 条 线 影像 ， 然后 卫 星 沿着 预 先 定 义 好 的 轨 道 向 前 推 进 ， 条 逐 扫 描后 形 成一 幅二维 影 像 ， 成像 方 式 如 图 １所 示 。
影 像 上每 一 行 像 元 在 同 一 时 刻 成 像 且 为 中 心 投
体模 型构 像 方 程 进 行 了 简 化 ［ ］ ２ 。然 而 ， 模 型 该
仅 仅 是在 框 幅式 成像 的共 线方 程 基础 上 加 人卫 星
轨 道 约束 条 件 ， 非 本 质 上 的推 扫 式 严 格 构 像 方 并
几何 纠正 ， 以验证 所 建 立 构 像 方 程 的 正确 性 和 所
辨 率卫 星遥 感 影 像 的 处 理 大 多 运 用 有 理 多 项 式 。
这些 方 法 虽然 比较 简 单 ， 都 未 充 分 顾 及 推 扫 式 但 成像 的几 何实 质 。为 了进行 卫 星遥 感 影 像 的精 确 对 地 目标 定 位 ， 要 对 推 扫 式 成 像 建 立 严 格 的 构 需 像 方 程 和有 效 的定 位算 法 。 在推 扫式 影 像 构像 方 程 方 面 ， ａｋ Ｋｒｔ ｙ提 出 了
勒 轨 道 参 数 和传 感 器 姿 态 角 ∞、 所 表 达 的 影
像坐 标 与其 地 面点 在 Ｃ ＴＳ系 统 下 的 坐 标 关 系 式 —— 瞬时 构像 方 程 ：
一
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ｌ— ＧＧ邝Ｂ ０ （ ｙｌ ＡＦ Ｒ １ ｙ 一 ＲＲ ｓ ｌ ） ｚ １
程 。Ｗｅｔ ｓｉ ｎ对 Ｓ Ｏ 成 像 几 何 作 了 有 益 的 探 Ｐ Ｔ
讨 ［ ， 出 了 Ｓ ＯＴ 影 像 的 构 像 方 程 。 Ｒ ｎ ａ ８ 给 ］ Ｐ ａ ｔ—
ｋ ｋ ｏ等 利 用 该 构像 方 程研 究 了 Ｓ ｏｋ ＡＲ 图像 的 成
像 几 何［ ； ａ ｇ利用 该 构像 方 程 进行 了 推 扫式 影 ９ Ｂｎ