卫星严格成像模型

1、1. 线阵推扫成像方式一、卫星影像的成像概述一、卫星影像的成像概述1. 线阵推扫成像方式一、卫星影像的成像概述一、卫星影像的成像概述p线阵线阵CCDCCD传感器成像特点传感器成像特点l推扫式成像推扫式成像l沿轨方向服从平行投影，沿轨方向服从平行投影，横轨方向服从中心投影横轨方向服从中心投影l每扫描行的外方位元素随每扫描行的外方位元素随时间变化，并具有很强的时间变化，并具有很强的相关性相关性 （a a）框幅式成像）框幅式成像（b b）线阵）线阵CCDCCD成像成像 线阵线阵CCDCCD影像不能采用传影像不能采用传统框幅式影像处理方法处理统框幅式影像处理方法处理2. 处理线阵推扫影像的成像模型一、

2、卫星影像的成像概述一、卫星影像的成像概述严格成像模型严格成像模型是从轨道模型、姿态模型、是从轨道模型、姿态模型、成像几何等方面出发来建立线阵推扫式成像成像几何等方面出发来建立线阵推扫式成像的构像模型的构像模型 。通用成像模型通用成像模型与具体的传感器成像无关，与具体的传感器成像无关，直接采用数学函数，如多项式、直接线性变直接采用数学函数，如多项式、直接线性变换、仿射变换模型以及换、仿射变换模型以及有理多项式模型有理多项式模型（RPCRPC模型）模型）等形式描述地面点与相应像点等形式描述地面点与相应像点之间的几何关系。之间的几何关系。严格成像模型分为两种： 位置-旋转（PR）模型：采用卫星位置和

3、旋转角度（绕物方空间参考坐标系 笛卡尔坐标系轴线所作的旋转）作为模型参数 轨道-姿态（OA）模型：采用卫星轨道参数（或位置与速度）以及姿态角作为模型参数 二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型位置-旋转（PR）模型：这个模型采用了卫星位置（传感器框标中心点）的坐标和旋转角作为外方位元素 二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型位置-旋转（PR）模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型SSSTZZYYXXRfydfyx266025502440233022202110tbtatbtatbtatbtaZZtbtaYYtbtaXXSSS轨道-姿态（OA）模型

4、：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型OA模型中的姿态角相对于某个相应的“物理”旋转轴。即旁向倾角的轴线是飞行方向；像片旋角的轴线是卫星位置矢量的方向；航向倾角的轴线取与前二个坐标轴正交的方向。轨道-姿态（OA）模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型 SSSTgroundorbitTorbitsensorZZYYXXRRfydfyxorbitsensorgroundorbitorbitgroundsensororbitRRRR表示传感器坐标系到轨道参考系的旋转矩阵，可用姿态角表示；是指轨道参考系到地面参考系的旋转矩阵，可用卫星的位置和速度（或轨道参数来表示）

5、和的精确数学表达式随不同的卫星而有所不同SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型n建立卫星成像模型的本质仍然是传感器成像光线建立卫星成像模型的本质仍然是传感器成像光线的几何性质的几何性质nSPOT-5SPOT-5卫星的成像模型是轨道卫星的成像模型是轨道- -姿态模型，需要依姿态模型，需要依次确定成像光线在不同坐标系下的方向次确定成像光线在不同坐标系下的方向nSPOT-5SPOT-5卫星涉及的坐标系包括：卫星本体系、轨卫星涉及的坐标系包括：卫星本体系、轨道坐标系和地心地固系道坐标系和地心地固系 SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严

6、格成像模型n本体坐标系本体坐标系-（像空间坐标系）（像空间坐标系）n卫星本体坐标系是与卫星平台固联的坐标系，它卫星本体坐标系是与卫星平台固联的坐标系，它的原点在卫星的质心，的原点在卫星的质心，3 3个坐标轴由卫星姿态控制个坐标轴由卫星姿态控制系统定义。它是惯导、姿态控制等的基本坐标系系统定义。它是惯导、姿态控制等的基本坐标系统。在本体坐标系下，相机中的每个统。在本体坐标系下，相机中的每个CCDCCD单元的成单元的成像光线方向由该单元在像光线方向由该单元在CCDCCD阵列上的排列位置和阵列上的排列位置和CCDCCD阵列相对于卫星平台的侧视角有关阵列相对于卫星平台的侧视角有关 SPOT5严格成像模

7、型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型卫星运动方向01Z1X1Y1CCD阵列CCD获取单元p像素p的视向X0Y0姿态变化引起的误差卫星本体系下的成像光线卫星本体系下的成像光线XY ：沿轨道方向的侧视角：沿轨道方向的侧视角 ：垂直于轨道方向的侧视角：垂直于轨道方向的侧视角 SPOT-5辅助数据提供辅助数据提供任意像素在卫星本体系下的成任意像素在卫星本体系下的成像光线矢量可表示为：像光线矢量可表示为：1)()(1XYtgtgu111uuuSPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型n轨道坐标系轨道坐标系-（像空间辅助坐标系）（像空间辅助坐标系）n卫

8、星轨道坐标系是卫星飞行过程中定义瞬间坐标卫星轨道坐标系是卫星飞行过程中定义瞬间坐标系，它的原点在卫星的质心，系，它的原点在卫星的质心，3 3个坐标轴由卫星瞬个坐标轴由卫星瞬间的位置和速度定义。间的位置和速度定义。n轨道坐标系和本体坐标系的原点是重合的，他们轨道坐标系和本体坐标系的原点是重合的，他们之间只存在三个旋转角的关系，这三个旋转角是之间只存在三个旋转角的关系，这三个旋转角是通过卫星的姿态控制系统测定、记录的，也就是通过卫星的姿态控制系统测定、记录的，也就是通常所说的卫星的姿态角。通常所说的卫星的姿态角。 SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型视线向量

9、视线向量 可通过下式计算：可通过下式计算：n轨道坐标系（轨道坐标系（ ）下的视线方向）下的视线方向n 轨道坐标系及视线方向轨道坐标系及视线方向22 22OX Y Z)()(2tPtPZ 222)()(ZtVZtVX222XZY2u 12uMMMuyrp222uuu轨道坐标系的定义轨道坐标系的定义SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型卫星位置、卫星位置、CCDCCD像元视线及地面点间的几何关系像元视线及地面点间的几何关系M=(X,Y,Z)M=(X,Y,Z)为地面上的一点，则为地面上的

10、一点，则M M点可表示为：点可表示为： ZPYPXPuZZuYYuXX3333)(utPMOTSPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型 令1)()()()()()()()()()()(22222222221PXPYyrpZZZYYYXXXPPPtgtgMMMZYXZYXZYXuuZZYYXXyrpZZZYYYXXXMMMZYXZYXZYXuuR)()()()()()()()()(222222222211111213313233PPPYPPPrXXrYYrZZtgrXXrYYrZZ212223313233PPPXPPPrXXrYYrZZtgrXXrYYrZZ

11、类共线方程类共线方程 SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型l 星上搭载的轨道和姿态测量记录设备的采样频率远低于每星上搭载的轨道和姿态测量记录设备的采样频率远低于每一扫描行成像的频率；一扫描行成像的频率；nSPOT-5SPOT-5轨道采样频率：轨道采样频率：3030秒；秒；n姿态采样：姿态采样：0.1250.125秒；秒；nSPOT-5SPOT-5影像影像1200012000扫描行成像时间扫描行成像时间9 9秒：每行秒：每行0.00076s0.00076s；l SPOT-5SPOT-5影像各扫描行外方位元素（轨道位置和姿态角）随影像各扫描行外方位元素（轨道

12、位置和姿态角）随时间变化；时间变化； 必须建立轨道和姿态模型，由影像元数据记录的轨必须建立轨道和姿态模型，由影像元数据记录的轨道姿态值内插出每一扫描行的外方位元素。道姿态值内插出每一扫描行的外方位元素。SPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型pSPOT-5卫星轨道模型卫星轨道模型-拉格朗日插值拉格朗日插值818181)()()()(jjiiijjiiijtttttPtP818181)()()()(jjiiijjiiijtttttVtVSPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型 由轨道姿态模型内插出的卫星轨道位置和姿态角与传感

13、由轨道姿态模型内插出的卫星轨道位置和姿态角与传感器成像时卫星的真实轨道姿态存在偏差，将该偏差描述为随器成像时卫星的真实轨道姿态存在偏差，将该偏差描述为随时间变化的函数。时间变化的函数。 其中：其中： 是卫星轨道和姿态误差改正项系数；是卫星轨道和姿态误差改正项系数； 是根据轨道姿态模型内插出是根据轨道姿态模型内插出的外方位元素初始值；的外方位元素初始值； ,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1obsSSxxobsSSyyobsSSzzobsrrobsppobsyyXtXtcctYtYtcctZtZtcctroll trollteetpitch tpitchteetyaw tyawtee

14、t obsobsobsobsobsobsSSSXtYtZtrolltpitchtyawt、,0,1,0,1,.,xxyycceeSPOT5严格成像模型：二、卫星影像的严格成像模型二、卫星影像的严格成像模型无控制点定位无控制点定位轨道姿态误差直接修正轨道姿态误差直接修正像方中误像方中误差差0102030401020304x4.4514.5274.3808.9590.7610.8480.6591.960y4.8528.2944.2923.6200.6480.6220.3161.556立体立体像对像对物方精度物方精度物方精度物方精度XYZ XYZ 01 & 0233.6224.4319.493.9324.7892.11902 & 0314.2557