[发明专利]一种基于有理函数模型的卫星成像方向角估计方法

说明书

本发明涉及一种基于有理函数模型的卫星成像方向角估计方法，用于解决在没有严密传感器模型情况下卫星影像成像方向角获取的问题。包括建立地面成像区域的地面坐标系；在地面坐标系的Z轴上取点A，经点A处设置一根高度为h的铅垂线OA；利用有理函数模型前向表达式将铅垂线投影至影像平面；分别计算投影轨迹在影像平面行方向和列方向的像素长度，进而计算卫星成像的方位角；计算投影轨迹整体的像素长度，进而估计卫星成像的倾斜角。本发明的角度估计公式在方位角估计中仅使用了投影轨迹的长度，在倾斜角估计中仅使用了投影估计长度和地面铅垂线的长度，变量在同一尺度范围内，避免了因变量尺度差异过大导致倾斜角估计的误差太大而难以应用的问题。

技术领域

本发明属于卫星立体成像技术领域，特别涉及一种基于有理函数模型的卫星成像方向角估计方法。

背景技术

卫星成像方向角是指卫星成像时，卫星相对于成像区域的方向角，包括方位角和倾斜角。在卫星影像三维重建中，利用方向角不同的卫星影像可以组成具有一定立体交会角的立体像对，从而重建出地面目标的三维模型。然而，立体交会角不同的立体像对重建出来的三维模型质量差异巨大。从现有的研究来看，在卫星影像三维重建中，影像的最大倾斜角小于40°，立体像对的交会角在5°～45°之间时，才能较好的重建出地面目标的三维模型。当立体像对夹角在20°左右时，可以获得较好的重建结果。在多视角卫星影像三维重建中，大量的多视角卫星影像的使得卫星影像的成像结构较为复杂，不同方向角的卫星影像可以组成大量不同交会角的立体像对，对于N张影像，可以组合成N(N-1)/2个立体像对。如何从中选择满足立体交会条件且交会角较好的立体像对，是实现高质量三维重建的关键。

为了选择成像角度较好的卫星影像组成交会角较好的立体像对，需要先获取卫星影像的成像方向角。对于卫星影像供应商，通常可以从卫星影像的严密传感器模型(包含卫星的轨道参数)中得到卫星成像方向角。但是，出于技术保密和传感器模型通用性的考虑，卫星影像供应商通常不会提供卫星影像的严密传感器模型给卫星影像的使用方，而是提供有理函数模型(RFM，Rational Function Model)作为替代。这给卫星影像成像方向角的获取带来了一定的困难。

专利CN 104121884 B公开了一种“卫星影像像元观测天顶角(倾斜角)和方位角的计算方法”，通过恢复观测视线来估计卫星影像的倾斜角和方位角。

专利CN 104121884 B由于在计算公式中直接使用经纬度和地球半径，而恢复的观测视线相对于地球半径来说非常小，经纬度的变化也非常小，导致倾斜角估计的误差极大，难以用于实际的计算。

发明内容

本发明用于解决在没有严密传感器模型情况下卫星影像成像方向角获取的问题，具体以有理函数模型为基础提出了一种卫星影像成像方向角估计方法，从而得到卫星影像的成像方向角。

具体技术内容如下：

步骤(1)、建立地面成像区域的地面坐标系，具体为：在地面成像区域，以成像区域中心点为坐标原点O，以卫星轨道方向为Y轴正方向，以地平面内与Y轴垂直的方向为X轴方向，以地面法线方向为Z轴，建立右手坐标系，即成像区域的地面坐标系；

步骤(2)、在地面坐标系的Z轴上取点A，经点A处设置一根高度为h的铅垂线OA；

步骤(3)、将铅垂线OA投影至影像平面，得到投影轨迹oa，利用有理函数模型前向表达式得到铅垂线两端点在像平面坐标系中的标准化坐标，即(r_o,c_o)以及(r_a,c_a)，其中，以影像左上顶点为原点，在影像平面建立像平面坐标系；

进一步的，有理函数模型具体如下：