LMCCD相機影像攝影測量首次實踐

王任享,王建榮,胡 莘

1．地理信息工程國家重點實驗室,陜西西安 710054;2．西安測繪研究所,陜西西安 710054

LMCCD相機影像攝影測量首次實踐

王任享1,2,王建榮1,2,胡 莘1,2

1．地理信息工程國家重點實驗室,陜西西安 710054;2．西安測繪研究所,陜西西安 710054

LMCCD相機作為天繪一號衛(wèi)星的有效載荷,是保證其實現(xiàn)無地面控制點攝影測量精度的關(guān)鍵。本文分別利用LMCCD影像和三線陣CCD影像對天繪一號衛(wèi)星的相機參數(shù)進行在軌標定計算,并利用各組在軌標定結(jié)果對定位精度(重點對高程誤差)進行統(tǒng)計分析。試驗結(jié)果表明:與單純的三線陣CCD影像相比,LMCCD影像在相機參數(shù)在軌標定中能有效抵御因衛(wèi)星姿態(tài)變化率導致的光束法平差航線系統(tǒng)變形問題,在天繪一號現(xiàn)有姿態(tài)變化率的水平條件下,利用LMCCD影像進行相機參數(shù)在軌標定可保證天繪一號01星實現(xiàn)無地面控制點攝影測量精度要求。

衛(wèi)星攝影測量;三線陣CCD影像;LMCCD相機;空中三角測量

1 前 言

三線陣CCD相機推掃攝影影像受衛(wèi)星姿態(tài)變化率的影響,其影像的光束法平差航線模型存在系統(tǒng)變形,主要在高程方向呈波浪變化[1-2],給以光束法平差途徑實現(xiàn)無地面控制點衛(wèi)星攝影測量造成困境。2003年筆者在等效框幅相片(簡稱“EFP”)光束法平差基礎(chǔ)上提出的LMCCD相機(line-matrix CCD camera,簡稱LMCCD相機)設(shè)計思想[3],可以解決因衛(wèi)星姿態(tài)變化率導致的光束法平差航線系統(tǒng)變形問題。中國科學院長春光機所有關(guān)專家對LMCCD相機設(shè)計思想從工程可行性進行分析,并付諸實踐[4]。LMCCD相機的提出,有力地支持了天繪一號衛(wèi)星工程的立項[5]。天繪一號01星2010年8月入軌,至今已運行將近3年,運行狀態(tài)良好,實現(xiàn)了其無地面控制點攝影測量的精度目標[6],其中LMCCD相機為該工程目標的實現(xiàn)作出了重要貢獻。兩年多來,筆者持續(xù)利用LMCCD影像和三線陣CCD影像進行相機參數(shù)在軌標定的試驗折研究,分析了兩者在高程方面的誤差特性,得出作為無地面控制點衛(wèi)星攝影測量,衛(wèi)星姿態(tài)變化率對相機參數(shù)在軌標定的影響不可忽視,LMCCD影像在相機參數(shù)在軌標定中抵御衛(wèi)星姿態(tài)變化率方面優(yōu)越于傳統(tǒng)的三線陣CCD影像。

2 LMCCD相機配置及其影像

LMCCD相機是在三線陣CCD相機基礎(chǔ)上增加4個小面陣相機,如圖1所示,即線陣-面陣CCD混合配置相機,4個小面陣影像坐標屬于該定向時刻的真框幅坐標,是LMCCD影像的最重要特征。

圖1 LMCCD相機探測器配置Fig．1 Arrangement of the sensors in LMCCD camera

2003年筆者在學術(shù)思想研究初期進行LMCCD相機推掃攝影模擬[7],模擬生成前視、正視、后視影像及對應(yīng)時刻的小面陣影像,如圖2所示。

圖2 模擬生成的LMCCD影像Fig．2 LMCCD image of simulation

2010年成功發(fā)射的天繪一號衛(wèi)星,首次進行了LMCCD相機的衛(wèi)星影像攝取,如圖3所示,由于篇幅有限,本文只顯示正視影像及小面陣影像,正視影像兩側(cè)的小面陣影像是以連結(jié)點的CCD同名點影像為中心從640像素×480像素大小的小面陣影像中截取的窗口影像。天繪一號衛(wèi)星工程中LMCCD相機在攝影時,小面陣相機只是在EFP時刻才獲取影像,與三線陣CCD影像分開記錄,便于后期處理。

圖3 天繪一號衛(wèi)星LMCCD影像Fig．3 LMCCD image of TH-1 satellite

3 LMCCD影像用于相機參數(shù)在軌標定

筆者在文獻[8]中指出,相機參數(shù)在軌標定的數(shù)學模型要具有框幅相機性質(zhì)的嚴格數(shù)學模型,反解空中三角測量的光束法平差航線模型沒有因衛(wèi)星姿態(tài)變化率造成的系統(tǒng)變形,方能達到相機參數(shù)精確的在軌標定,否則相機標定結(jié)果將有損高程6 m精度的實現(xiàn)。

框幅式相機采取60%的重疊攝影[9],相鄰相片間有固定的連結(jié),進行空中三角測量平差航線模型不帶有衛(wèi)星姿態(tài)變化率造成的系統(tǒng)變形。線陣CCD推掃攝影,相鄰線陣影像間缺乏固定的連結(jié),因而不可能進行經(jīng)典的光束區(qū)域平差[10]。筆者曾提出EFP光束法平差處理三線陣CCD影像[11],期望能像框幅相片那樣,航線模型沒有衛(wèi)星姿態(tài)變化率造成的系統(tǒng)誤差,但未能達到較好的效果,究其根本原因是相鄰定向時刻(或EFP時刻)間缺乏固定的連結(jié)。對此提出LMCCD相機的設(shè)計思想,從衛(wèi)星三線陣CCD影像數(shù)據(jù)獲取的源頭入手,在相鄰定向時刻(或EFP時刻)影像間增加以真框幅像片特征的連結(jié)點像坐標(由小面陣影像量測),如圖4中在110和111之間增加連結(jié)點,使得相鄰定向時刻有固定連結(jié),解決了平差航線的系統(tǒng)變形。從EFP空中三角測量角度講,4個小面陣真框幅坐標的連結(jié)點從本質(zhì)上改變了推掃攝影相鄰定向時刻影像間缺乏固定的連結(jié)的狀態(tài)。

平差采用的等效框幅像片像點分布示于圖5,圖中白圓點是EFP時刻攝影的三線陣CCD影像,黑圓點是連結(jié)點,其中T120、T121、T320、T321是由小面陣CCD相機攝取的真框幅坐標,其余點屬于推算而得的等效框幅坐標,按經(jīng)典的空中三角測量數(shù)學模型進行嚴格的光束法平差。經(jīng)模擬仿真計算,其效果與框幅相片空中三角測量相同,使航線模型不帶有因衛(wèi)星姿態(tài)變化率造成的系統(tǒng)變形。因此, LMCCD影像光束法平差就成為天繪一號衛(wèi)星相機參數(shù)在軌標定的數(shù)學模型和理論基礎(chǔ)。

圖4 正視影像上選取的定向點及連結(jié)點Fig．4 Orientation point and connected point selected in vertical-image

圖5 EFP像片上生成的定向點、連結(jié)點Fig．5 Orientation point and connected point in the EFP image

4 相機參數(shù)在軌標定中地面點高程誤差

LMCCD影像作反解空中三角測量中,由于航線模型不帶有衛(wèi)星姿態(tài)變化率造成的系統(tǒng)變形,原則上絕對定向只要7個未知數(shù),所以在軌標定的光束法平差共有18個獨立待解參數(shù)。按數(shù)學原理,有6個適當分布的地面控制點便得可行解,但從標定結(jié)果可靠性考慮,控制點增加為60個。利用不同數(shù)量控制點、LMCCD影像與三線陣CCD影像分別進行不同組合標定,并分析標定結(jié)果對高程誤差的影響。

4．1 不同數(shù)量控制點在軌標定后定位誤差試驗

利用天繪一號01星在2011年10月7日獲取的LMCCD影像、精密定軌定姿及地面控制點數(shù)據(jù),利用60個和6個地面控制點分別進行LMCCD影像和三線陣CCD影像的相機參數(shù)在軌標定,并對在軌標定結(jié)果和實驗室標定結(jié)果進行定位精度統(tǒng)計,其結(jié)果列于表1所示,60個控制點參與在軌標定后高程誤差分布示于圖6—圖8,6個控制點參與在軌標定后高程誤差分布示于圖9—圖10。

表1 高程誤差統(tǒng)計Tab．1 Statistics of height errors

圖6 實驗室標定參數(shù)前方交會高程誤差分布Fig．6 Distribution of height errors by forward intersection using Lab calibration parameters

圖7 60個控制點參與LMCCD影像標定平差后高程誤差分布Fig．7 Distribution of height errors after calibrationadjustment using LMCCD image with 60 ground control points

圖8 60個控制點參與三線陣CCD影像標定平差后高程誤差分布Fig．8 Distribution of height errors after calibrationadjustment using CCD image with 60 ground control points

圖9 6個控制點參與LMCCD影像標定平差后高程誤差分布Fig．9 Distribution of height errors after calibration-adjustment using LMCCD image with 6 ground control points

圖10 6個控制點參與三線陣CCD影像標定平差后高程誤差分布Fig．10 Distribution of height errors after calibration-adjustment using CCD image with 6 ground control points

從表1和圖6—圖10可以看出:

(1)與三線陣CCD影像相比,利用LMCCD影像進行標定能有效改善高程方向上的精度。

(2)6個控制點參與標定情況下,利用LMCCD和三線陣CCD影像進行標定都是可行的,但高程方向仍有較大誤差,三線陣CCD影像標定后誤差尤為明顯。

4．2 相機參數(shù)多次在軌標定誤差統(tǒng)計

自天繪一號01星2010年8月入軌至2013年3月,利用東北地面試驗場共進行8次相機參數(shù)標定,筆者利用其數(shù)據(jù)分別進行LMCCD影像和三線陣CCD影像相機參數(shù)標定光束法平差計算,并分別統(tǒng)計其高程誤差(相機參數(shù)標定光束法平差計算的高程與控制點實驗場采集高程的較差)列于表2。

從表2可以看出:

(1)60個控制點參與標定情況下,LMCCD影像高程誤差大多數(shù)優(yōu)于6 m,而三線陣CCD影像高程誤差要比LMCCD影像高程誤差大2．5～3倍。

(2)6個控制點參與標定情況下,LMCCD影像標定尚可滿足可行解,而三線陣CCD影像標定誤差過大,不滿足可行解。

(3)LMCCD影像和三線陣CCD影像光束法平差應(yīng)用的原理及數(shù)學模型完全相同, LMCCD影像平差時僅僅將每排的上下連結(jié)點CCD影像推算的“等效框幅”坐標代之以小面陣影像推算的真框幅相片坐標,按文獻[5]第五章的分析,可以得出三線陣CCD影像平差比LMCCD影像平差高程誤差大的原因是天繪一號01星姿態(tài)變化率存在不可忽視的量值。利用LMCCD影像進行相機地面標定是天繪01星實現(xiàn)無地面控制點目標定位高程精度6 m的重要環(huán)節(jié)。

表2 標定結(jié)果對高程誤差統(tǒng)計Tab．2 Statistics of height errors with calibration result

5 結(jié) 論

LMCCD小面陣影像為EFP法平差連結(jié)點提供了其真框幅相片坐標,使得EFP平差成為具有框幅相片性能的空中三角測量,有效地抵御了衛(wèi)星姿態(tài)變化率對平差結(jié)果的影響,依此反解空中三角測量進行相機在軌標定的結(jié)果,明顯優(yōu)于單純只有三線陣CCD影像。天繪一號01星工程中利用LMCCD影像進行相機參數(shù)在軌標定后,經(jīng)多功能EFP光束法平差后無地面控制點條件下定位精度中誤差達到10．3 m/5．7 m(平面/高程1σ),實現(xiàn)工程指標[13-14]。

實際工程實踐中,衛(wèi)星姿態(tài)變化率對平差的影響難以把握,無地面控制點衛(wèi)星攝影測量工程的相機參數(shù)在軌標定選用LMCCD相機影像是一個重要選項。

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(責任編輯:張燕燕)

First Practice of LMCCD Camera Imagery Photogrammetry

WANG Renxiang1,2,WANG Jianrong1,2,HU Xin1,2
1．State Key Laboratory of Geo-Information Engineering,Xi’an 710054,China;2．Xi’an Institute of Surveying and Mapping,Xi’an 710054,China

The LMCCD camera is one of the payload in TH-1 satellite,which is the key step to ensure photogrammetry accuracy without ground control point．The camera parameters of TH-1 is calibrated on-orbit using LMCCD imagery and three-line-array CCD imagery,and the position accuracy are statisticed using different on-orbit calibration results especially the elevation error．The experimental results shows:The adjustment strip system deformation caused by satellite attitude change rate can be resisted in camera on-orbit calibration using LMCCD imagery compared with the single three-line-array CCD imagery．Under condition of the satellite attitude change rate in TH-1,it can be ensure 01 star of TH-1 photogrammetry accuracy without ground control point with camera parameters on-orbit calibration using LMCCD imagery．

satellite photogrammetry;three-line array CCD imagery;LMCCD camera;aerial triangulation

WANG Renxiang(1933—),male,academician of Chinese Academy of Engineering,majors in satellite photogrammetry methods and applications．

WANG Jianrong

P236

A

1001-1595(2014)03-0221-05

2013-09-10

王任享(1933—),男,中國工程院院士,從事衛(wèi)星攝影測量的理論和應(yīng)用研究。

王建榮

E-mail:jianrongwang＠sina．com

WANG Renxiang,WANG Jianrong,HU Xin．First Practice of LMCCD Camera Imagery Photogrammetry[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(3):221-225．(王任享,王建榮,胡莘．LMCCD相機影像攝影測量首次實踐[J]．測繪學報,2014,43(3): 221-225．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0032

修回日期:2013-12-16