SDGSAT-1多谱段成像仪在轨几何定标方法研究_许殊.pdf

地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷 第6期2022年12月Vol.29 No.6December，2022自然资源统一调查监测技术体系构建SDGSAT-1多谱段成像仪在轨几何定标方法研究Study of On-orbit Geometric Calibration of SDGSAT-1 Multispectral Imager引文格式：许 殊，黄 鹏，陈 勃，等.SDGSAT-1多谱段成像仪在轨几何定标方法研究J.地理信息世界,2022,29(6):30-36.许 殊1,2，黄 鹏1,2，陈 勃1，龙腾飞1，吴梦超1，李山山11.中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094；2.可持续发展大数据国际研究中心，北京 100094基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA19010401）作者简介：许殊（1994），男，江苏扬州人，工程师，硕士，主要从事卫星摄影测量研究工作E-mail：收稿日期：2022-08-02XU Shu1,2，HUANG Peng1,2，CHEN Bo1，LONG Tengfei1，WU Mengchao1，LI Shanshan11.Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;2.International Research Center of Big Data for Sustainable Development Goals,Beijing 100094,China【摘要】针对SDGSAT-1多谱段成像仪像速异速匹配的特点，提出基于时间对齐约束的在轨几何定标方法。为减少由于多谱段成像仪各片CMOS成像速度不恒定、不一致所造成的同影像行行时不一致对定标造成的不利影响，通过时间对齐约束，采用基于探元指向角和安装矩阵的几何定标模型，综合利用绝对定标和相对定标方法，对SDGSAT-1多谱段成像仪进行在轨几何定标。本文方法能将定标景对地定位误差从定标前约90 km提升至优于0.5像素，配准误差优于0.3像素，测试景对地定位误差优于5像素，配准精度优于0.4像素。和传统方法相比，本文方法能提升绝对定标精度，降低片间拼接误差。实验结果表明，本文方法使多谱段成像仪内外部系统误差得到了精确的标定和补偿，较好地消除了内外几何成像参数误差造成的影响。【关键词】多谱段成像仪；时间对齐；像速匹配；几何精度【中图分类号】P237 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）06-0030-07 Abstract：ConsideringcharacteristicsofdifferentCMOSchipsimagesatdifferentspeedsofSDGSAT-1multispectralimager，thispaperproposedanon-orbitgeometriccalibrationmethodbasedongroundcontrolpointsusedforcalibrationwithinthesameimagingperiod.InordertoreducenegativeinfluencecausedbydifferentCMOSchipsimagingspeedswhichimpliesdifferentlinenumberscorrespondtodifferentlinetimes，undertheconstraintofgroundcontrolpointswithinthesameimagingperiod，withtheimagingmodelbasedondetectordirectionangleandadditionalmatrix，themethodusedtheabsoluteandrelativecalibrationjointly.Thepositioningaccuracywasimprovedfrom90kilometerstobetterthan0.5pixelandregistrationaccuracywasbetterthan0.3pixelinimagesusedforcalibration.Thepositioningaccuracywasbetterthan5pixelsandregistrationaccuracywasbetterthan0.4pixelintestimages.Comparedwithclassiccalibrationmethod,theparametersgivenbyproposedmethodhasahigherpositioningaccuracyandabetterstitchingperformancebetweenCMOSchips.Resultsshowedthatproposedmethodworkedandthepositioningaccuracyandregistrationaccuracyofmultispectralimagerwerepromoted.Key words：multispectralimager；sameimagingperiod；imagespeedmatching；geometricaccuracy0 引 言可持续发展科学卫星 1 号（SDGSAT-1）是全球首颗专门服务联合国2030 年可持续发展议程的科学卫星，也是中国科学院首颗地球科学卫星。2021 年 11 月 5 日，SDGSAT-1 在太原卫星发射中心成功发射升空，运行于高度为 505 km，倾角为 97.5的轨道上。针对全球可持续发展目标相关指标监测与评估的需求，SDGSAT-1 卫星设计搭载了热红外、微光及多谱段成像仪 3 种载荷旨在实现人类活动痕迹的精细刻画，为表征人与自然交互作用的可持续发展目标指标提供专属数据支撑1。SDGSAT-1 多谱段成像仪视场大，具备优于 300 km推扫幅宽的成像能力，旨在高效地监测海色信息、蓝碳浮游生物、海水污染等目标。对于大视场相机，大角度侧摆、前后摆、光学系统的场曲引起的成像光学畸变、非正视成像，以及地球不均匀椭球几何特性引起的几何畸变都会引起像速大小和方向发生各向异性畸变2-3。因此，为了获取清晰的遥感图像需要进行动态成像电子312022年 第6期自然资源统一调查监测技术体系构建学像速匹配，这种匹配实质是通过调整行频完成的。像速匹配模式包括同速匹配和异速匹配，同速匹配以相机焦平面中心点为基准统一设置各片互补金属氧化物半导 体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）行频，异速匹配以各 CMOS 片中心点为基准分别设置各片行频。同速匹配便于相机电子学计算和实现，也便于在轨几何定标，离像面中心点越远，像速差异越大，调制传递函数越低；异速匹配增加了像速计算量和控制复杂度，加大了在轨几何定标难度，匹配精度更高，图像调制传递函数更高4。在轨几何定标通过地面手段消除和补偿相机内外部系统误差，是光学遥感卫星实现高精度几何定位的关键环节5-6。主要考虑定标模型、定标方法、定标数据选择、利用约束条件或特殊成像条件减少定标所需控制点等方面，文献 7-20 进行了大量研究。由于异速匹配方法相对较新，目前针对异速匹配的定标研究相对较少。本文针对 SDGSAT-1 卫星多谱段成像仪像速异速匹配的成像特点，在时间对齐的控制点选取原则约束下，采用基于探元指向角和严格成像模型、绝对定标和相对定标相结合的方法，对 SDGSAT-1 卫星多谱段成像仪在轨几何定标方法开展研究。1 SDGSAT-1 多谱段成像仪特点SDGSAT-1 多谱段成像仪装配了两台以 17 夹角安装于共同基板上的相机。每台相机采用离轴三反光学系统，通过数字时间延迟积分成像模式进行成像。焦平面采用反射镜分割光路的机械无交错直线拼接方式（图 1），集成 8片 2 048 像元 CMOS 探测器拼接一个约 16 0002 000 像元的焦平面阵列。相机共有 7 个波段，各波段光谱范围见表 1，不同波段在焦平面上沿轨方向平行排列。由于成像仪视场大、片数多且相对基板存在不可忽略的安装夹角，为避免推扫成像过程中像面上像点像速差异大，行频匹配精度不高引起的相机调制传递函数下降的问题，多谱段成像仪采用异速匹配的像速匹配模式。异速匹配使得每次成像时，不同 CMOS 片相邻影像行行时差不同且不恒定。表2展示了1 336轨A相机B5波段第3、4 片重叠区域 5 组同名点的行数差，表 3 展示了上述情况下 5 组相同行数在各自片上对应的行时差，图 3 为上述区域 CMOS 按照首行对齐的重叠区域 3 个局部放大图，其中红色十字标示出 3 对同名点的具体位置，参考线标示出同名点所在行，参考线附近数字为同名点在该片上的行号。从表 2、3 中可以清楚观察到像速异速匹配造成的图 1 焦平面结构图Fig.1 The layout of focal plane表 1 多谱段成像仪相机主要参数Tab.1 The detailed information of multispectral imager参数多谱段成像仪相机相机类型线阵 CMOS 推扫式光谱谱段范围/nm深蓝 1（B1）：380 420深蓝 2（B2）：420 460蓝（B3）：460 520绿（B4）：520 600红（B5）：630 690红边（B6）：765 805近红外（B7）：805 900CMOS 像元数量7/波段 8/（片波段）2 048/（像元片）相邻 CMOS 重叠一定数量像元地面像元分辨率/m10 视场角/（）34焦距/mm555.5表 2 同名点行数差比较Tab.2 Comparison of difference of line numbers of corresponding points基本信息CMOS 片同名点对行号差/行点 1点 2点 3点 4点 51 336 轨 A 机 B5波段第 3、4 片 819.35 823.32 903.83 979.09 998.90表 3 同行数行时差比较Tab.3 Comparison of difference of line times with the same line numbers基本信息CMOS片相同行号对应行时差/s行 1行 50 001行 100 001行 150 001 行 200 001 1 336 轨 A 机 B5 波段第 3、4 片0.000 20.460 30.919 91.379 01.837 7许 殊，等.SDGSAT-1多谱段成像仪在轨几何定标方法研究32地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷自然资源统一调查监测技术体系构建影响，即同名点影像行差不存在常量或近似常量的关系，而随着行号的增大、不同片的行时差也显著变化。2 SDGSAT-1 多谱段成像仪在轨几何定标方法2.1 在轨几何定标模型由于卫星在发射过程中的星敏解锁、应力释放和在轨运行后热环境的变化，实验室定标确定的几何成像参数与在轨真实值存在一定偏差，直接使用实验室标定值会造成额外的定位误差和内部几何畸变。SDGSAT-1 多谱段成像仪在轨几何定标通过确定描述外部系统误差的安装矩阵和描述内部系统误差的探元指向角以分析并补偿传感器的误差，考虑其具有异速匹配成像特点，在通用几何定标模型基础上增加时间对齐约束。单片几何定标模型为：（1）（2）式中，s为控制点探元号；x(s)、y(s)为探元指向角，分别代表探元s所对应的视线矢量与焦平面的垂直、水平轴的夹角；为比例缩放因子；Rcambody为卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；RbodyJ2000为 J2000 协议惯性坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵；RJ2000WGS84为 WGS84 坐标系到 J2000 协议惯性坐标系的旋转矩阵；(X，Y，Z)为物方点在 WG