宽覆盖、中高分辨率的线阵CCD与红外传感器的定位模型研究——以环境一号小卫星为例

环境与灾害监测预报中广泛使用的CCD与红外传感器，由于具有宽幅宽、大视场、中等分辨率的成像特点，现有的定位模型不能满足高精度定位的需求。因此，本课题旨在研究宽覆盖、中高分辨率的CCD影像和红外影像的传感器模型及定位方法，以解决影像的定位问题，尤其是缺少控制点条件下的影像定位问题。研究内容主要包括三个方面：①针对传感器成像特征，提出顾及影像实际变形因素的改进经验模型；②在研究大视场CCD相机的视向模型和对红外扫描镜组件建模的基础上，分别构建CCD相机和红外相机的严密物理传感器模型；③根据构建的宽覆盖、中高分辨率的CCD和红外传感器的严密物理传感器模型，研究大幅面影像RPC参数的求解方法。通过对不同地貌的HJ-1星CCD影像和红外影像的实验来验证和完善上述传感器模型及定位方法，并研制一套适用于宽覆盖、中高分辨率的CCD影像和红外影像定位的软件原型系统。

中国环境与灾害监测预报小卫星星座(简称HJ-1星座)，广泛应用于生态环境和灾害的大范围动态监测和快速重访，其CCD影像和红外影像受到广泛关注，但针对这两种影像的定位模型研究的公开报道较少。HJ-1星CCD相机视场较宽，相机的畸变十分明显，尤其是在视场边缘处。HJ-1-B星上红外相机亦具有宽覆盖的成像特征，采用双面扫描镜多元并扫成像，获取的影像具有全景畸变的几何特性，多元呈“品”字结构的探测器将使每个探测元获取的图像需要有各自的成像模型。此外，HJ-1卫星其姿态的稳定度偏低，姿态测量精度偏低且输出姿态频率也较低，这些因素的共同作用将导致影像几何变形复杂，需针对其成像特征进行定位模型研究。. 针对HJ-1星CCD相机，建立了严密物理传感器模型，在引入DEM数据的情况下进行无/少控制点的几何定位试验，试验表明对1级产品无控制点时定位精度在公里量级。为了更好地分析CCD影像的几何特性，选用大量控制点进行试验，发现在CCD线阵方向误差明显，主要原因是未顾及宽覆盖相机畸变随视场不断变化的成像特征。本研究在考虑CCD相机畸变模型的情况下，提出一种基于一般多项式畸变模型的改进定位模型对影像进行几何定位，实验表明能达约10个像元的精度，在CCD线阵方向的误差能得到明显改善，该定位方法对于推广国产宽覆盖卫星影像的应用具有较大的意义。. 针对HJ-1星红外相机，亦建立其严密物理传感器模型，在引入DEM数据的情况下进行无/少控制点的几何定位试验，试验表明对1级产品少控制点时定位精度在公里量级，因此对于HJ-1星红外影像定位必须要用控制点。针对采用传统的重采样方法纠正后红外影像仍然存在蝴蝶结效应以及在高频部分出现类似锯齿状的现象，本研究提出前向映射和后向映射相结合的反距离加权重采样方法，去除HJ-1-B星红外相机影像的固有变形。. 由于HJ-1星CCD相机和红外相机中低分辨率、宽覆盖的特征决定RPC参数的解求会采用与地形无关的方法。但是，卫星姿态精度十分低且姿态采样间隔较长（8s一次），这就导致卫星在8s时间内的姿态变化情况难以获取，而且CCD影像和红外影像宽覆盖的特征将受地球曲率和地形起伏的影响十分明显，这将导致直接在1级产品上进行RPC参数解求无实际意义。. 基于上述研究方法，本项目形成了一套适用于宽覆盖、中高分辨率的CCD和红外影像定位的软件原型系统。