一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法技术

一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，属于微波遥感SAR图像几何校正技术领域，解决如何为星载SAR通用几何校正模型设计一种完整的基于真实地形定位的星载SAR图像RPC校正参数生成方法的问题，本发明专利技术的技术方案根据SAR严密成像模型,采用逆RD定位算法及真实地形信息进行成像区域真实空间均匀采样,生成分布合理的图像地面控制点数组用于RPC方程模型输入；采用谱修正迭代法进行RPC模型方程的最小二乘精确求解,以解决由于方程未知参数过多且强相关引起的方程病态问题，从而使SAR图像通用几何校正得到精度保证和提高。和提高。和提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法


[0001]本专利技术属于微波遥感SAR图像几何校正
，涉及一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法。

技术介绍

[0002]随着越多先进体制星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)卫星升空运行和投入使用，其在科学研究和经济建设中发挥愈发重要作用。由于SAR斜距成像机理，需将其校正到地面坐标以方便开展定量几何分析及影像解译，从而更好的服务地形测绘、资源普查、地质灾害监测预警等应用中。因此，高精度星载SAR几何校正具有重要意义，目前主要有基于SAR严密成像模型和与传感器无关通用几何模型两类方法。图像RPC(Rational Polynomial Coefficients，有理多项式系数)模型即是一种与传感器无关的通用几何校正模型，通过将像素坐标表示为以地面空间坐标为自变量的比值多项式，实现SAR图像的正射投影。由于RPC校正模型规避了SAR成像传感器和平台详细信息，同时在合理选择模型输入的情况下，模型拟合精度接近SAR严密成像模型，具有简单、通用、保密、高效等优点。因此，独立于传感器和平台的RPC模型广泛应用于星载SAR图像几何校正。
[0003]关于RPC模型参数求解，由于通用模型中包含七十八个有理多项式系数(简称其为RPCs)，需要足够多且分布合理的控制点数组进行迭代求解计算。其中关于控制点数组的生成，通常有基于SAR严密成像模型生成关于多个高程面的虚拟控制点方法和直接利用大量地面真实控制点方法；前者生成的数组常较为冗余，后者在实际图像产品生成中往往难以实现；此外，由于未知RPCs数量较多且之间存在较强相关性，其方程求解中常出现方程病态问题也需多加考虑。
[0004]现有技术中，公开号为CN103218780A、公开日期为2013年7月24日的中国专利技术专利申请《基于逆RD定位模型的无控星载SAR图像正射校正方法》公开了一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像正射校正方法，本专利技术以其为技术前提，联合地面真实高度定位给出一种通用RPC校正模型参数生成方法，以服务于具有技术保密特性的SAR通用几何校正。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术的不足，为星载SAR通用几何校正模型设计一种完整的基于真实地形定位的星载SAR图像RPC校正参数生成方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
[0007]1、一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]S1、SAR成像参数及卫星轨道数据获取：获取星载SAR系统成像以及图像参数、卫星轨道数据以及地面高程数据；
[0009]S2、卫星轨道数据多项式拟合：根据SAR成像系统和图像参数中多个时刻的卫星位置和速度数据，拟合卫星轨道关于方位向像素的函数曲线；
[0010]S3、SAR图像四个角点定位：构建斜距
‑
多普勒
‑
地球椭球模型定位方程，迭代求解SAR图像的四个角点地面坐标，即分别为SAR图像对应的第一个方位时刻和最后一个方位时刻分别对应的最近斜距和最远斜距的W6S84坐标，确定SAR图像地面区域范围；
[0011]S4、地面三维网格建立：根据四个角点地理坐标及全球地面DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)数据获得所需图像地理范围内的高程数据信息；对其进行均匀划分为M*N个网格，计算每个格网内的高程最高、最低及中间值的三维坐标信息，共得到3M*N个地面控制点数据；再进行笛卡尔坐标转换，得到地心坐标系统下新的控制点位置矢量组；
[0012]S5、地面控制点数组的逆RD(Range Doppler，斜距多普勒)图像定位：构建斜距误差方程及多普勒频率误差方程，根据卫星轨道像素拟合曲线，对每一个控制点进行逆RD定位方程牛顿迭代求解，获得每一控制点对应的图像像素位置；
[0013]S6、控制点数组的合规性预判及规则化处理：对获得的图像像素位置及其对应的地面三维坐标信息进行合规性预判，去除不在图像范围内的点；进行数据规则化处理，将地面坐标和图像坐标归一化，减少计算过程中的舍入误差；
[0014]S7、RPC模型方程构建及最小二乘求解：建立地面坐标和图像坐标之间的比值多项式，并变形得到关于RPCs的非线性模型；针对方程系数矩阵病态问题，采用基于谱修正迭代法的最小二乘求解，获得RPCs参数的无偏估计；
[0015]S8、模型精度验证：采用已求解RPCs模型参数计算检查点对应图像坐标，通过与严密成像几何模型计算结果进行差值，评定RPC模型参数的像方精度。
[0016]本专利技术的技术方案的创新点在于：1)根据SAR严密成像模型，采用逆RD定位算法及真实地形信息进行成像区域真实空间均匀采样，生成分布合理的图像地面控制点数组用于RPC方程模型输入；2)采用谱修正迭代法进行RPC模型方程的最小二乘精确求解，以解决由于方程未知过多且强相关引起的方程病态问题，从而使SAR图像通用几何校正得到精度保证和提高。
[0017]作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤S1中所述的星载SAR系统成像以及图像参数包括：雷达波长、图像大小、成像多普勒频率信息、图像首行成像时间T0、图像第一个像素的脉冲延迟t0或图像近距R0、脉冲重复频率PRF、距离向采样频率RSR；所述的卫星轨道数据包括：采样点时刻的位置及速度矢量数据。
[0018]作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤S2中所述的拟合卫星轨道关于方位向像素的函数曲线的方法如下：
[0019]S21、关于位置的多项式拟合模型如下：
[0020][0021]其中，m表示像素，x
s
、y
s
、z
s
表示该像素对应的卫星轨道在x方向、y方向、z方向的位置，α
i
，β
i
，γ
i
分别是待拟合的卫星轨道关于方位向像素的函数曲线多项式的系数，i＝1，2，3，4，5；
[0022]S22、关于速度的多项式拟合模型如下：
[0023][0024]其中，vx
s
、vy
s
、vz
s
表示像素m对应的卫星轨道在位置x
s
、y
s
、z
s
处的速度。
[0025]作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤S3中所述的构建斜距
‑
多普勒
‑
地球椭球模型定位方程如下：
[0026]1)地球椭球模型方程：其中，R
e
、R
p
分别为椭球体的半长轴、半短轴；h为目标点的高程，通常可设为成像区域的平均高程；为目标点t的位置矢量坐标；
[0027]2)斜距方程：其中，是卫星位置矢量，R为卫星到目标的斜距，即
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、SAR成像参数及卫星轨道数据获取：获取星载SAR系统成像以及图像参数、卫星轨道数据以及地面高程数据；S2、卫星轨道数据多项式拟合：根据SAR成像系统和图像参数中多个时刻的卫星位置和速度数据，拟合卫星轨道关于方位向像素的函数曲线；S3、SAR图像四个角点定位：构建斜距
‑
多普勒
‑
地球椭球模型定位方程，迭代求解SAR图像的四个角点地面坐标，即分别为SAR图像对应的第一个方位时刻和最后一个方位时刻分别对应的最近斜距和最远斜距的WGS84坐标，确定SAR图像地面区域范围；S4、地面三维网格建立：根据四个角点地理坐标及全球地面DEM数据获得所需图像地理范围内的高程数据信息；对其进行均匀划分为M*N个网格，计算每个格网内的高程最高、最低及中间值的三维坐标信息，共得到3M*N个地面控制点数据；再进行笛卡尔坐标转换，得到地心坐标系统下新的控制点位置矢量组；S5、地面控制点数组的逆RD图像定位：构建斜距误差方程及多普勒频率误差方程，根据卫星轨道像素拟合曲线，对每一个控制点进行逆RD定位方程牛顿迭代求解，获得每一控制点对应的图像像素位置；S6、控制点数组的合规性预判及规则化处理：对获得的图像像素位置及其对应的地面三维坐标信息进行合规性预判，去除不在图像范围内的点；进行数据规则化处理，将地面坐标和图像坐标归一化，减少计算过程中的舍入误差；S7、RPC模型方程构建及最小二乘求解：建立地面坐标和图像坐标之间的比值多项式，并变形得到关于RPCs的非线性模型；针对方程系数矩阵病态问题，采用基于谱修正迭代法的最小二乘求解，获得RPCs参数的无偏估计；S8、模型精度验证：采用已求解RPCs模型参数计算检查点对应图像坐标，通过与严密成像几何模型计算结果进行差值，评定RPC模型参数的像方精度。2.根据权利要求1所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S1中所述的星载SAR系统成像以及图像参数包括：雷达波长、图像大小、成像多普勒频率信息、图像首行成像时间T0、图像第一个像素的脉冲延迟t0或图像近距R0、脉冲重复频率PRF、距离向采样频率RSR；所述的卫星轨道数据包括：采样点时刻的位置及速度矢量数据。3.根据权利要求2所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S2中所述的拟合卫星轨道关于方位向像素的函数曲线的方法如下：S21、关于位置的多项式拟合模型如下：其中，m表示像素，x
s
、y
s
、z
s
表示该像素对应的卫星轨道在x方向、y方向、z方向的位置，α
i
，β
i
，γ
i
分别是待拟合的卫星轨道关于方位向像素的函数曲线多项式的系数，i＝1，2，3，4，5；
S22、关于速度的多项式拟合模型如下：其中，vx
s
、vy
s
、vz
s
表示像素m对应的卫星轨道在位置x
s
、y
s
、z
s
处的速度。4.根据权利要求3所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S3中所述的构建斜距
‑
多普勒
‑
地球椭球模型定位方程如下：1)地球椭球模型方程：其中，R
e
、R
p
分别为椭球体的半长轴、半短轴；h为目标点的高程，通常可设为成像区域的平均高程；为目标点t的位置矢量坐标；2)斜距方程：其中，是卫星位置矢量，R为卫星到目标的斜距，即3)多普勒频率方程：其中，λ为雷达波长，卫星速度矢量，为目标速度矢量，采用ECR坐标系统定义时其值可简化为0。5.根据权利要求4所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S4中所述的进行笛卡尔坐标转换的公式为：其中，为地球第一偏心率。6.根据权利要求5所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S5中所述的构建斜距误差方程及多普勒频率误差方程，根据卫星轨道像素拟合曲线，对每一个控制点进行逆RD定位方程牛顿迭代求解，获得每一控制点对应的图像像素位置的方法具体如下：(1)根据卫星拟合曲线，构建斜距误差方程及多普勒频率误差方程如下：
其中，f
s
为采样频率RSR，C为光速，λ为雷达波长，f
d
(n)为像素对应的多普勒中心频率，根据获取的图像多普勒频率信息，对其进行距离向像素拟合为f
d
(n)＝f0+f1n+f2n2；(2)关于像素位置(m，n)的逆斜距
‑
多普勒方程求解采用牛顿迭代法如下：其中，(m0，n0)为预设初值，则可以得到迭代过程中的第k组解如下：)为预设初值，则可以得到迭代过程中的第k组解如下：其中，其中，其中，其中，其中，其中，偏导系数可简单通过轨道拟合公式获得；(3)通过多次迭代循环，当相邻两个解的差值精度达到收敛值，停止迭代求解，获取目标像素位置。7.根据权利要求6所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S6中所述的进行数据规则化处理，将地面坐标和图像坐标归一化的方法如下：对3M*N个控制点数组的图像坐标和地面坐标进行标准化，设(P，L，H)为地面三维坐标标准化后的地面坐标，(X，Y)为图像像素位置行列值标准化后的影像坐标，其标准化公式如下：
其中，和为地面坐标的标准化参数，即偏移值和比例值；m
off
，m
scale
，n
off
和n
scale
为像素坐标的标准化参数。8.根据权利要求7所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，所述的偏移值和比例值计算公式如下：法，其特征在于，所述的偏移值和比例值计算公式如下：法，其特征在于，所述的偏移值和比例值计算公式如下：法，其特征在于，所述的偏移值和比例值计算公式如下：m
scale
＝max(|m(i，j)
max
‑
m
off
|，|m(i，j)
min
‑
m
off
|)；n
scale
＝max(|n(i，j)
max
‑
n
off
|，|n(i，j)
min
‑
n
off
|)。9.根据权利要求8所述的一种基于逆RD定位模型的星载SAR图像RPC校正参数获取方法，其特征在于，步骤S7中所述的建立地面坐标和图像坐标之间的比值多项式，并变形得到关于RPCs的非线性模型的方法如下：(1)建立地面坐标和图像坐标之间的比值多项式，将地面点坐标(P，L，H)与其对应的像素点坐标(X，Y)用比值多项式关联起来：素点坐标(X，Y)用比值多项式关联起来：其中，Num
line
(P，L，H)＝a0+a1L+a2P+a3H+a4LP+a5LH+a6PH+a7L2+a8P2+a9H2+a
10
PLH+a
11
L3+a
12
LP2+a
13
LH2+a
14
L2P+a
15
P3+a
16
PH2+a

【专利技术属性】
技术研发人员：陶利，曲圣杰，张程，许涛，曹菡，项海兵，姚梦园，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：