換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分米級星載TDI C⑶立體測繪相機(jī)成像仿真方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟Sl，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WorIdview-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： (SI 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； (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)(L，B，H)， 其中，L表示經(jīng)度、B表示煒度、H表示橢球高。 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)； 步驟S3,計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)； 步驟S4，相機(jī)幾何建模，其具體包括 步驟S401，計(jì)算相機(jī)安裝模型； 步驟S402,計(jì)算TDI C⑶畸變模型； 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； 步驟S6，計(jì)算濾波前的TDI CCD瞬時(shí)焦面輻照度影像； 步驟S7,用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對TDI CCD瞬時(shí)焦面輻照度影像進(jìn)行濾波，得到一個(gè)時(shí)刻的TDI C⑶離散平均焦面輻照度； 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輻照度影像，累加后取平均，得 到一個(gè)積分區(qū)間內(nèi)的TDI時(shí)間平均輻照度影像； 步驟S9，將一個(gè)積分區(qū)間內(nèi)的TDI時(shí)間平均輻照度影像轉(zhuǎn)換為光生電荷數(shù)影像，并根據(jù) 霰粒噪聲的生成機(jī)制加入噪聲電荷，生成該積分區(qū)間的電荷數(shù)影像； 步驟SlO，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； 步驟S11，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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟Sl中的子步驟(SI 1)具體包括： 首先通過SIFT匹配獲取Worldview-3全色立體影像間的9個(gè)以上（例如，可以為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)為以地面點(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) 行三次以上前方交會(huì)、后方交會(huì)迭代計(jì)算，消除RPC參數(shù)的相對誤差。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2具體包括以下步驟： 步驟S201，計(jì)算慣性系軌道數(shù)據(jù)； 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) 刻為〇，相鄰兩個(gè)質(zhì)心對應(yīng)時(shí)刻相差〇. 1秒，由R可求得軌道周期T:其中G為萬有引力常數(shù)，等于6.67*10-η米3/(千克*秒2)，M為地球質(zhì)量，等于5.98*10 24千 克， 降交點(diǎn)時(shí)刻Tdsd(秒)減去T/4就是第一個(gè)質(zhì)心對應(yīng)的實(shí)際時(shí)間To，SP To = Tdsd_T/4 以下取樣時(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 心角，第一個(gè)質(zhì)心在Z軸上(Z = R)，第i(i = 0，l，···)個(gè)取樣時(shí)刻的衛(wèi)星原點(diǎn)位置為： X = RXcos(9) Y = O Z = RXsin(9) (I) 其中，Θ = (90-(1Θ Xi)/180 ·0Χ3?。 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Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)L度； 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)(Li，Bi，Hi); 步驟S203,計(jì)算經(jīng)度L與目標(biāo)區(qū)域中心經(jīng)度U的偏差Δ L; 步驟S204，衛(wèi)星原點(diǎn)大地坐標(biāo)的經(jīng)度Li (i = 0，l，···）加上AL，得到衛(wèi)星原點(diǎn)的星下點(diǎn)通 過目標(biāo)區(qū)域中心點(diǎn)（LC，BC)的衛(wèi)星原點(diǎn)大地坐標(biāo)序列(1/ ：ι，Β?，Η?)((?=0，1^··)，?Λ = Ι^+Δ L)； 步驟S205,將衛(wèi)星原點(diǎn)大地坐標(biāo)序列（I/轉(zhuǎn)換成地心直角坐標(biāo)序列（X'i， Ζ\)(? = 0，1，···）； 步驟S206,返回步驟201，利用公式（1)計(jì)算衛(wèi)星原點(diǎn)（Xi，Yi，Zi )時(shí)將角度Θ加上 0.00002度； 步驟S207，重復(fù)步驟S202至S206，得到新的衛(wèi)星原點(diǎn)地心直角坐標(biāo)序列(X〃i，Y〃iX〃i); 步驟S208,計(jì)算衛(wèi)星原點(diǎn)速度序列(Vxi，Vyi，Vzi): Vxi= (X77i-X7 ι)/(Τ*0.00002/360) Vyi = (i-Y7 ι)/(Τ*0.00002/360) Vzi = (Z〃 i-X，i) / (T*0 · 00002/360) 其中第i組衛(wèi)星原點(diǎn)位置速度對應(yīng)時(shí)間為:Ti = T〇+i*0.1; 步驟S209，保存衛(wèi)星原點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)(Ti，V i，r i，Z' i，Vxi，Vyi，Vzi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3具體包括以下步驟： 步驟301，計(jì)算指向誤差參數(shù)： 步驟302，利用功率譜分析法獲取姿態(tài)參數(shù)： 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)。 其中，步驟S303具體包括： 每隔1秒統(tǒng)計(jì)生成的姿態(tài)角序列f(ti)的均方差σ，將姿態(tài)角序列的每個(gè)姿態(tài)角乘以σ/ (3yawi)，然后加上偏航指向角系統(tǒng)量yaw%，得到偏航姿態(tài)角序列： yaw(ti) = f (ti)*〇/(S^yawO+yaw7 ο 將姿態(tài)角序列的每個(gè)姿態(tài)角乘以o/Upitcln)，然后加上俯仰指向角系統(tǒng)量pitch%，得 到俯仰姿態(tài)角序列： pitch(ti) = f (ti)*〇/(3*pitchi)+pitch7 o 將姿態(tài)角序列的每個(gè)姿態(tài)角乘以o/Urolh)，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： roll (ti) =f(ti)*〇/(3*ralli)+roll〇〇5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 步驟S401具體包括以下子步驟： 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： 54012, 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rset; 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rS(3t為：54013, 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1/ :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，匕為衛(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，rj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。 54014, 得到相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行位置為：其中，為衛(wèi)星位置歸一化向量，[?，<f為相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐 標(biāo)系的安裝位置向量在地球固連坐標(biāo)系的形式。 54015, 設(shè)相機(jī)成像的積分時(shí)間值為△ t〇，t+A to時(shí)刻的相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行位置為t時(shí)刻相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)的速度矢量為： f該速度矢量在地面的投影為：其中Hcibt為軌道高度。 設(shè)(XD尺寸為a*a，a單位為米，相機(jī)主距為f，則地面分辨率GR=a/f*Hobt。 實(shí)際積分時(shí)間為：重新計(jì)算t時(shí)刻相機(jī)光學(xué)節(jié)點(diǎn)的速度矢量為：6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S402具體包括： 每片TDI CCD的安裝誤差用一個(gè)以CCD列坐標(biāo)為變量的二階多項(xiàng)式表示，根據(jù)相機(jī)光學(xué) 系統(tǒng)的畸變模型將不同視場的畸變量換算為像面位置誤差，與安裝誤差多項(xiàng)式的常數(shù)項(xiàng)相 加，計(jì)算每個(gè)CCD在垂直TDI積分方向的畸變量〇 CSi和每個(gè)CCD在沿TDI積分方向的畸變量 〇ASi，兩個(gè)(XD列之間的亞像元點(diǎn)的畸變量為： 〇as(c) = 〇Asi-〇.5<c-i <0.5 〇cs(c) = 〇cs(i+i)0.5<c-i < I 其中，i表示(XD序列號，C表示列坐標(biāo)，i < c < i+1。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S5具體包括以下步驟： 首先將某一時(shí)刻的TDI CXD成像面細(xì)分為m*m個(gè)更小的子CCD，這時(shí)整個(gè)TDI CXD像面可 以看作一幅分辨率為模擬影像分辨率m倍的框幅式影像。設(shè)TDI CCD積分級數(shù)為M，TDI CCD 單行探元數(shù)為N，則TDI CCD像面構(gòu)成的框幅式影像（以下稱為TDI影像)行數(shù)為M*m，列數(shù)為 N*m; 設(shè)TDI影像四角像面坐標(biāo)為[^，71](1 = 1，2,3,4)，相機(jī)主距為匕則了01影像四角與光 學(xué)系統(tǒng)主點(diǎn)構(gòu)成向量uO = [xi，yi，-f Ki = I，2,3,4); 根據(jù)相機(jī)安裝角、衛(wèi)星平臺(tái)三軸姿態(tài)角、相機(jī)主點(diǎn)位置P[X，Y，Z]、速度向量V[vx，Vy， vz]計(jì)算的相機(jī)安裝矩陣Mset、姿態(tài)矩陣Matt、軌道-物方轉(zhuǎn)換矩陣Mobt將像空間向量uO轉(zhuǎn) 換為物方向量u; 設(shè)u對應(yīng)地面點(diǎn)高程為H，根據(jù)P、H、u可以計(jì)算地面點(diǎn)平面坐標(biāo)(L，B)。將(L，B，H)通過 Wor I d V i ew-3對應(yīng)視角的準(zhǔn)核線影像RPC計(jì)算像面坐標(biāo)，并獲取該點(diǎn)的高程Htrue; 將H替換為Htrue，重復(fù)前面的計(jì)算過程，直到|H-Htrue I小于一定的限差dh，優(yōu)選的，所 述限差為〇. Im; 這樣就得到TDI影像四角坐標(biāo)在Wor Idvi ew-3對應(yīng)視角的準(zhǔn)核線影像上的四個(gè)坐標(biāo)，也 就確定了所需數(shù)據(jù)的概略范圍。將該范圍在TDI積分方向?qū)?yīng)的Worldview-3準(zhǔn)核線影像方 向外擴(kuò)一定距離確定參與計(jì)算的數(shù)據(jù)范圍。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S6具體包括： 將將步驟S5確定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的Wor I dv i ew-3準(zhǔn)核線影像像點(diǎn)對應(yīng)地面點(diǎn)通過TDI影 像的瞬時(shí)外方位元素投射到TDI影像上，加上相應(yīng)的TDI CCD畸變改正量后，按子CCD大小取 整后查找坐標(biāo)對應(yīng)子CCD的行、列號，每個(gè)CCD都有一個(gè)存儲(chǔ)單元記錄投射地面元在 Worldview-3準(zhǔn)核線影像的坐標(biāo)和地面元與TDI影像投影中心的距離。所有地面點(diǎn)都完成投 射后，有投射記錄的子CCD將挑選出距離最近的地面元作為可見地面元，并將對應(yīng)的 Worldview-3準(zhǔn)核線影像DN值轉(zhuǎn)換為像面福照度記錄下來，沒有投射記錄的子CCD福照度通 過周圍有記錄的子CCD輻照度距離倒數(shù)加權(quán)法插值獲得。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S8具體包括以下步驟： S801，計(jì)算各細(xì)分時(shí)間段中心時(shí)刻的TDI C⑶離散平均焦面輻照度； S802,計(jì)算一個(gè)積分時(shí)間段內(nèi)的TDI CCD時(shí)間平均焦面輻照度；具體為：將通過步驟 S801得到的TDI CXD的每個(gè)CCD在各離散時(shí)刻的TDI CXD離散平均焦面輻照度取平均，得到 一個(gè)積分時(shí)間段內(nèi)的TDI C⑶時(shí)間平均焦面輻照度。10. -種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述介質(zhì)中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，所述指令執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求 1 -9中任意一項(xiàng)所述的方法。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分米級星載TDI？CCD立體測繪相機(jī)成像仿真方法和系統(tǒng)，以目前最高分辨率的商業(yè)衛(wèi)星Worldview-3立體影像作為數(shù)據(jù)源，通過立體匹配處理成“影像+地面點(diǎn)”的數(shù)據(jù)形式。以瞬時(shí)TDI？CCD成像面輻照度的獲取為核心步驟，將軌道、姿態(tài)參數(shù)，相機(jī)安裝參數(shù)，TDI？CCD幾何參數(shù)，相機(jī)MTF等有機(jī)地串聯(lián)起來。同時(shí)通過時(shí)間域積分和TDI？CCD多級電荷累加實(shí)現(xiàn)TDI？CCD多級動(dòng)態(tài)積分的模擬，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)相機(jī)輻射響應(yīng)和線陣影像成像的嚴(yán)格模擬。本發(fā)明可以避免傳統(tǒng)成像仿真采用單一數(shù)據(jù)源而難以模擬高分辨率衛(wèi)星立體成像中不同視角對應(yīng)幾何、輻射信息的差異性的缺點(diǎn)，提高了仿真立體測繪衛(wèi)星影像的精度。
【IPC分類】G01C25/00, G06F17/50
【公開號】CN105528500
【申請?zhí)枴緾N201610031601
【發(fā)明人】高小明, 岳慶興, 唐新明, 李國元, 王懷, 李濤, 陳乾福, 陳繼溢, 薛玉彩, 胡芬, 謝金華
【申請人】國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2016年1月19日