一種分米級(jí)星載tdi ccd立體測繪相機(jī)成像仿真方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及衛(wèi)星成像仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種分米級(jí)星載TDI CCD立體測繪 相機(jī)成像仿真方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國首顆民用傳輸型立體測繪衛(wèi)星資源=號(hào)的發(fā)射成功，結(jié)束了我國W往完 全依靠國外高分辨率影像數(shù)據(jù)的歷史。大量試驗(yàn)證明，資源=號(hào)衛(wèi)星無論是分辨能力還是 幾何精度均超過了國外同類衛(wèi)星。資源=號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收W后，地面處理能力也迅速跟進(jìn)， 保障了數(shù)據(jù)的有效利用。資源=號(hào)衛(wèi)星的成功很大程度上得益于先前對衛(wèi)星各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo) 的詳細(xì)論證，而衛(wèi)星成像仿真在資源=號(hào)的技術(shù)指標(biāo)論證和地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中都發(fā)揮了 重要作用。衛(wèi)星成像仿真已經(jīng)成為現(xiàn)代衛(wèi)星工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
[0003] 資源=號(hào)衛(wèi)星正視相機(jī)分辨率最高為2.1米，前后視相機(jī)分辨率為3.6米，主要面 向1:5萬立體測圖，對于更大比例尺的測繪應(yīng)用還不能滿足需求。因此，面向1:1萬立體測圖 的分米級(jí)立體測繪衛(wèi)星也很快被提上議事日程，因此需要研究分米級(jí)立體測繪衛(wèi)星相機(jī)的 成像仿真技術(shù)。
[0004] 在可見、近紅外光學(xué)成像衛(wèi)星的成像仿真技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者提出了物理仿真、 半物理仿真和計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真=種技術(shù)途徑，其中計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的工程成本最低。采用 各子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也就是用數(shù)學(xué)公式描 述信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換的物理過程，簡稱子系統(tǒng)建模。在子系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在軌動(dòng)態(tài)成 像過程的全鏈路的仿真流程，能比較全面地模擬衛(wèi)星的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)對衛(wèi)星在軌成像質(zhì)量 的影響，準(zhǔn)確地模擬出延遲積分成像高分辨率光學(xué)衛(wèi)星在軌成像過程中幾何和福射質(zhì)量的 下降與影像總體幾何、福射精度的對應(yīng)關(guān)系，建立起衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)與在軌成像質(zhì)量之間的 直接關(guān)聯(lián)。
[0005] 真實(shí)的衛(wèi)星相機(jī)成像是對真實(shí)的地面物理場景進(jìn)行福射信息采集和轉(zhuǎn)化的過程， 進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真同樣需要一個(gè)虛擬的數(shù)字物理場景，也就是一個(gè)數(shù)值化的地面模型， 運(yùn)個(gè)地面模型需要包括地面每一點(diǎn)的幾何信息和福射信息。換句話說，地面模型由幾何模 型和福射模型構(gòu)成，幾何模型提供每一地面點(diǎn)的幾何信息，福射模型提供地面每一點(diǎn)的福 射信息。
[0006] 現(xiàn)有的仿真軟件和方法大都局限于衛(wèi)星影像的福射質(zhì)量和幾何分辨能力，不能解 決分米級(jí)TDI CCD立體測繪相機(jī)最關(guān)注的立體幾何精度仿真等問題，因此國產(chǎn)分米級(jí)立體 測繪衛(wèi)星的成像仿真研究十分迫切。衛(wèi)星影像的分辨能力是采樣間隔、MTF、噪聲、平臺(tái)運(yùn) 動(dòng)、工作環(huán)境等一系列因素綜合作用的結(jié)果，要達(dá)到分米級(jí)分辨率和1:10000測繪精度僅僅 實(shí)現(xiàn)CCD對應(yīng)的地面采樣大小達(dá)到分米級(jí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。需要綜合考慮各種影響因素，設(shè)計(jì) 合理的技術(shù)指標(biāo)和工作模式才能實(shí)現(xiàn)。另外，衛(wèi)星成像過程不是簡單的幾何位置轉(zhuǎn)換或福 射信息轉(zhuǎn)換過程，而是幾何、福射因素共同作用的結(jié)果，不能將二者分離開來。立體成像最 顯著的特點(diǎn)是不同視角獲取的影像之間有一定的差異性，體現(xiàn)在幾何和福射兩個(gè)方面。采 用單一的地面幾何模型和福射模型很難對運(yùn)兩個(gè)方面進(jìn)行高精度建模。而視角接近的其他 甚高分辨率立體衛(wèi)星影像本身就包含了運(yùn)種不同視角間幾何信息和福射信息的差異性，因 此可W作為立體成像仿真的數(shù)據(jù)源。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:如何提高衛(wèi)星成像仿真的模擬精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為此，本發(fā)明提出一種分米級(jí)星載TDI CCD立體測繪相機(jī)成像仿真方法和系統(tǒng)，可 充分地消除由于現(xiàn)有技術(shù)的限制和缺陷導(dǎo)致的一個(gè)或多個(gè)問題。
[0009] 本發(fā)明另外的優(yōu)點(diǎn)、目的和特性，一部分將在下面的說明書中得到闡明，而另一部 分對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過對下面的說明的考察將是明顯的或從本發(fā)明的實(shí)施中 學(xué)到。通過在文字的說明書和權(quán)利要求書及附圖中特別地指出的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明 目的和優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明提供了一種分米級(jí)星載TDI CCD立體測繪相機(jī)成像仿真方法，其特征在于， 包括W下步驟：
[0011] 步驟SI,獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成衛(wèi)星立體影像每一點(diǎn) 的影像-幾何模型；其中，所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為Worldview-3衛(wèi)星立體影像和輔助RPC參數(shù)，所述 預(yù)處理具體包括：
[0012] (Sl 1 )，通過多次前方交會(huì)和后方交會(huì)迭代計(jì)算，消除RPC參數(shù)的相對誤差；
[0013] (S12)，通過準(zhǔn)核線立體影像制作和半全局匹配算法計(jì)算左右影像的視差圖，根據(jù) 所述視差圖計(jì)算同名像點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而前方交會(huì)計(jì)算準(zhǔn)核線影像每一點(diǎn)的物方大地坐標(biāo)化， B，H)，其中，L表示經(jīng)度、B表示締度、H表示楠球高。
[0014] 步驟S2,計(jì)算衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，所述衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)包括地球固連坐標(biāo)系下衛(wèi)星的掃 描時(shí)刻、位置、速度數(shù)據(jù)；
[0015] 步驟S3，計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟S4，相機(jī)幾何建模，其具體包括
[0017] 步驟S401，計(jì)算相機(jī)安裝模型；
[0018] 步驟S402,計(jì)算TDI CCD崎變模型；
[0019] 步驟S5,利用步驟S1-S4計(jì)算的數(shù)據(jù)，計(jì)算TDI CCD瞬時(shí)焦面能量影像的數(shù)據(jù)源范 圍；
[0020] 步驟S6,計(jì)算濾波前的TDI CO)瞬時(shí)焦面福照度影像；
[0021] 步驟S7,用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對TDI CO)瞬時(shí)焦面福照度影像進(jìn)行濾波，得到一個(gè)時(shí)刻的 TDI CCD離散平均焦面福照度；
[0022] 步驟S8,計(jì)算一個(gè)積分時(shí)間區(qū)間內(nèi)多個(gè)細(xì)分時(shí)刻的TDI福照度影像，累加后取平 均，得到一個(gè)積分區(qū)間內(nèi)的TDI時(shí)間平均福照度影像；
[0023] 步驟S9,將一個(gè)積分區(qū)間內(nèi)的TDI時(shí)間平均福照度影像轉(zhuǎn)換為光生電荷數(shù)影像，并 根據(jù)靈粒噪聲的生成機(jī)制加入噪聲電荷，生成該積分區(qū)間的電荷數(shù)影像；
[0024] 步驟S10,重復(fù)步驟S8和S9,計(jì)算下一個(gè)積分時(shí)間區(qū)間的電荷數(shù)影像，完成M級(jí)電荷 數(shù)影像累加后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出一行灰度值影像；
[0025] 步驟Sll，計(jì)算一幅模擬影像的每一行灰度值影像，最終輸出一幅模擬影像。
[00%]優(yōu)選的，步驟SI中的子步驟(Sll)具體包括：
[0027] 首先通過SIFT匹配獲取Worldview-3全色立體影像間的9個(gè)W上（例如，可W為9、 16或25個(gè))分布均勻的同名像點(diǎn);通過同名像點(diǎn)前方交會(huì)獲取物方地面點(diǎn)坐標(biāo);執(zhí)行后方交 會(huì)，所述后方交會(huì)為W地面點(diǎn)和對應(yīng)像點(diǎn)作為控制點(diǎn)校正RPC參數(shù)的分子常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)， 執(zhí)行=次W上前方交會(huì)、后方交會(huì)迭代計(jì)算，消除RPC參數(shù)的相對誤差。
[00%]優(yōu)選的，步驟S2具體包括W下步驟：
[0029] 步驟S201，計(jì)算慣性系軌道數(shù)據(jù)；
[0030] 在慣性參考系的XOZ平面上，取一組衛(wèi)星測量坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)，各原點(diǎn)坐標(biāo)與慣性 參考系原點(diǎn)的距離相同，均為R，R等于平均地球半徑加上平均軌道高度;假設(shè)第一個(gè)原點(diǎn)對 應(yīng)時(shí)刻為0，相鄰兩個(gè)質(zhì)屯、對應(yīng)時(shí)刻相差0.1秒，由R可求得軌道周期T:
[0032] 其中G為萬有引力常數(shù)，等于6.67*1〇-11米^(千克*秒2)，M為地球質(zhì)量，等于5.98* 1〇24千克，
[0033] 降交點(diǎn)時(shí)刻Tdsd(秒)減去T/4就是第一個(gè)質(zhì)屯、對應(yīng)的實(shí)際時(shí)間To,即
[0034] To = Tds<i-T/4
[0035] W下取樣時(shí)刻依次加0.1秒為相應(yīng)的實(shí)際時(shí)間，d0 = 36O/(T*lO)為相鄰兩個(gè)原點(diǎn) 的地屯、角，第一個(gè)質(zhì)屯、在巧由上(Z = R),第i(i = 0，l，一)個(gè)取樣時(shí)刻的衛(wèi)星原點(diǎn)位置為：
[0036] X = RXcos(O)
[0037] Y = O
[003引 Z = RXsin(目） (1)
[0039] 其中，目= (90-d 目 Xi)/180.0XJi。
[0040] 設(shè)軌道傾角為I，將取樣坐標(biāo)繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1-90度，然后繞巧自逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)L度； [0041 ] 步驟S202,計(jì)算第i個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星原點(diǎn)(Xi，Yi，Zi)對應(yīng)的初始大地坐標(biāo)化i ,Bi，Hi);
[0042] 步驟S203,計(jì)算經(jīng)度L與目標(biāo)區(qū)域中屯、經(jīng)度Lc的偏差A(yù) L
[0043] 步驟S204,衛(wèi)星原點(diǎn)大地坐標(biāo)的經(jīng)度^(i = 0，l，???）加上A L，得到衛(wèi)星原點(diǎn)的星 下點(diǎn)通過目標(biāo)區(qū)域中屯、點(diǎn)化c，Bc)的衛(wèi)星原點(diǎn)大地坐標(biāo)序列化/ i，Bi，出）（（i = 0,1，…），!/ i 二以+A L);
[0044] 步驟S205,將衛(wèi)星原點(diǎn)大地坐標(biāo)序列化^i,Bi,出)轉(zhuǎn)換成地屯、直角坐標(biāo)序列i， Y'i，Z'i)(i = 0，l，...）；
[0045] 步驟S206,返回步驟201，利用公式（I)計(jì)算衛(wèi)星原點(diǎn)^1，￥1，21)時(shí)將角度目加上 0.00002度；
[0046] 步驟S207,重復(fù)步驟S202至S206,得到新的衛(wèi)星原點(diǎn)地屯、直角坐標(biāo)序列(X"i，Y"i， Z"i);
[0047] 步驟S208,計(jì)算衛(wèi)星原點(diǎn)速度序列(Vxi，Vyi，Vzi):
[004引 Vxi = (X"i-X' i)/(T*0.00002/360)
[0049] Vyi= (Y"i-Y'i)/(T*0.0000 2/360)
[0050] Vzi= U"i-Z'i)/(T*0.00002/360)
[(K)引]其中第i組衛(wèi)星原點(diǎn)位置速度對應(yīng)時(shí)間為:Ti = To+i*0.1;
[0化2] 步驟S209，保存衛(wèi)星原點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)(Ti，X' i，Y' i，Z' i，Vxi，Vyi，Vzi)。
[0053] 優(yōu)選的，步驟S3具體包括W下步驟：
[0054] 步驟301，計(jì)算指向誤差參數(shù)：
[0055] 步驟302，利用功率譜分析法獲取姿態(tài)參數(shù)：
[0056] 步驟S303,將通過步驟S301得到的指向誤差參數(shù)和通過步驟S302得到的姿態(tài)參數(shù) 相加得到最終的姿態(tài)參數(shù)。
[0化7] 其中，步驟S303具體包括：
[0058] 每隔1秒統(tǒng)計(jì)生成的姿態(tài)角序列f(ti)的均方差0,將姿態(tài)角序列的每個(gè)姿態(tài)角乘 W〇/(3yawi)，然后加上偏航指向角系統(tǒng)量yaw^o,得到偏航姿態(tài)角序列：
[0059] yaw(ti) = f (ti)*〇/(3*yawi)+yaw' O
[0060] 將姿態(tài)角序列的每個(gè)姿態(tài)角乘^〇/(391*(：111)，然后加上俯仰指向角系統(tǒng)量 pitch/日，得到俯仰姿態(tài)角序列：
[0061 ] pitch(ti) = f (ti)*〇/(3*pitchi)+pitch' O
[0062] 將姿態(tài)角序列的每個(gè)姿態(tài)角乘W日/(3rolh)，然后加上滾動(dòng)指向角系統(tǒng)量roll%， 得到滾動(dòng)姿態(tài)角序列：
[0063] roll(ti) = f (ti)*〇/(3*rolli)+roll^ 〇〇
[0064] 優(yōu)選的；
[00化]步驟S401具體包括W下子步驟：
[0066] S4011，將相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)位置結(jié)合成像時(shí)刻轉(zhuǎn)換到物方坐標(biāo)系：
[0067] S4012,根據(jù)相機(jī)安裝角計(jì)算相機(jī)測量坐標(biāo)系相對衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣 Tset;
[006引其中，相機(jī)測量坐標(biāo)系相對衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣rset為：
[0069] Mr* M,'
[0070] 其中， -
O
[0074] S4013,計(jì)算相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的安裝向量U在WGS84地球固連坐標(biāo) 系的向量:
[007引 =
[0076]其中，設(shè)相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的安裝位置為(Xs，Ys，Zs)，則U為衛(wèi)星本 體坐標(biāo)系原點(diǎn)到(Xs，Ys，Zs)的向量，r。'為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對t時(shí)刻的局部軌道坐標(biāo)系的旋 轉(zhuǎn)矩陣，r。'為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系原點(diǎn)與WGS84地球固連坐標(biāo)系對應(yīng)旋轉(zhuǎn)矩陣