天繪一號(hào)衛(wèi)星影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查方法研究

程家勝，穆春迪，王 敏，劉保成

(中國天繪衛(wèi)星中心，北京 102102)

?

天繪一號(hào)衛(wèi)星影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查方法研究

程家勝，穆春迪，王 敏，劉保成

(中國天繪衛(wèi)星中心，北京 102102)

天繪一號(hào)衛(wèi)星是一顆傳輸型立體測繪衛(wèi)星，其職能是實(shí)現(xiàn)全球無控精確定位。為此，后期處理過程中需要準(zhǔn)確獲知每行影像攝影時(shí)刻的衛(wèi)星姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)，衛(wèi)星產(chǎn)品中的行時(shí)文件起到了影像與姿軌數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的橋梁作用。本文在分析影像數(shù)據(jù)、行時(shí)文件、輔助數(shù)據(jù)3者間關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)方式驗(yàn)證了1A級(jí)影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)時(shí)對(duì)產(chǎn)品定位精度的影響，最后提出了一種有效檢查影像與行時(shí)文件對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

天繪一號(hào)衛(wèi)星；立體測繪；姿態(tài)；軌道；行時(shí)文件

天繪一號(hào)衛(wèi)星是一顆傳輸型立體測繪衛(wèi)星，其職能是實(shí)現(xiàn)全球無控精確定位。為此，后期處理過程中需要準(zhǔn)確獲知每行影像攝影時(shí)刻的衛(wèi)星姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)。經(jīng)過提取輔助操作后，原始影像數(shù)據(jù)被分為影像和輔助數(shù)據(jù)兩部分，影像數(shù)據(jù)中不含任何輔助信息，后期處理中只能通過衛(wèi)星產(chǎn)品中的行時(shí)文件將影像與輔助數(shù)據(jù)中的姿軌數(shù)據(jù)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)。如何檢查影像與姿軌數(shù)據(jù)是否對(duì)應(yīng)是本文重點(diǎn)解決的問題。

本文首先對(duì)天繪一號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、行時(shí)文件、輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹，并詳細(xì)分析3者間的關(guān)系；進(jìn)而分析并驗(yàn)證影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查的必要性，最后提出一種影像與行時(shí)文件對(duì)應(yīng)關(guān)系的檢查方法，并通過試驗(yàn)對(duì)該方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 原始影像數(shù)據(jù)

天繪一號(hào)衛(wèi)星原始碼流數(shù)據(jù)經(jīng)過解密、解壓、成像等處理后生成原始影像數(shù)據(jù)，原始影像數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)有影像數(shù)據(jù)和輔助測量數(shù)據(jù)。圖1(a)為天繪一號(hào)衛(wèi)星01星高分辨率相機(jī)某次獲取的原始影像存儲(chǔ)格式示意圖。每行原始影像數(shù)據(jù)由輔助數(shù)據(jù)、絕對(duì)行號(hào)、影像數(shù)據(jù)組成。絕對(duì)行號(hào)占3個(gè)字節(jié)，一般在每次攝影過程中由0開始累積計(jì)數(shù)，相機(jī)每拍攝一行，絕對(duì)行號(hào)加1，如圖1(b)所示。可以看出絕對(duì)行號(hào)與每行影像存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即絕對(duì)行號(hào)是每行影像的唯一標(biāo)識(shí)。

圖1 行時(shí)文件示意圖

預(yù)處理系統(tǒng)收到原始影像數(shù)據(jù)后，首先從原始影像數(shù)據(jù)中提取出輔助數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)輔助數(shù)據(jù)信息對(duì)影像進(jìn)行編目和分景。輔助測量數(shù)據(jù)主要包含行時(shí)文件、衛(wèi)星慣性角速度、星敏四元數(shù)、衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)。

2 行時(shí)文件

衛(wèi)星在攝影過程中產(chǎn)生線陣對(duì)時(shí)信息，建立影像與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。線陣對(duì)時(shí)信息由線陣絕對(duì)行號(hào)和該行影像曝光起始時(shí)刻的時(shí)間組成，保存在影像的輔助數(shù)據(jù)中，隨影像數(shù)據(jù)一起下傳。輔助數(shù)據(jù)中的行時(shí)文件主要由絕對(duì)行號(hào)、行時(shí)標(biāo)時(shí)間、行周期組成，有起始行時(shí)標(biāo)與基準(zhǔn)行時(shí)標(biāo)兩種，如圖2(a)所示。相機(jī)開始攝影時(shí)，記錄首行影像的起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)時(shí)標(biāo)，稱為本次攝影的起始時(shí)標(biāo)；之后，記錄每個(gè)GPS主動(dòng)校時(shí)秒脈沖下降沿到來后的某個(gè)影像行的起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間，稱為本次攝影的基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)。相鄰兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)間的影像行不再打入相應(yīng)的時(shí)標(biāo)，而由地面應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前影像行之前(后)的最近一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)值，以及相機(jī)行周期等參數(shù)內(nèi)插計(jì)算得到，即輔助數(shù)據(jù)中的行時(shí)文件輸出的頻率為1 Hz,地面需要根據(jù)行周期等信息在1 s內(nèi)內(nèi)插出每行影像對(duì)應(yīng)的行時(shí)標(biāo)，內(nèi)插后的行時(shí)文件如圖2(b)所示。

圖2 行時(shí)文件內(nèi)插結(jié)果示意圖

3 影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查的必要性

3.1 影像與行時(shí)的關(guān)系

由前文介紹可知，影像數(shù)據(jù)與姿軌數(shù)據(jù)無直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要以行時(shí)文件為橋梁進(jìn)行對(duì)應(yīng)。行時(shí)文件的作用如圖3所示。影像數(shù)據(jù)與行時(shí)文件通過絕對(duì)行號(hào)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，行時(shí)文件與姿軌等輔助數(shù)據(jù)通過行時(shí)標(biāo)時(shí)間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而間接實(shí)現(xiàn)影像與姿軌數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)。

圖3 影像與姿軌數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)示意圖

3.2 導(dǎo)致影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)的因素

理論上影像與行時(shí)文件通過絕對(duì)行號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，主要有兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致影像與行時(shí)文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系被破壞：一是衛(wèi)星數(shù)據(jù)在下傳過程中偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的情況，表現(xiàn)在影像上即為丟行，如果出現(xiàn)丟行但未進(jìn)行處理，則極可能造成影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)；二是天繪一號(hào)衛(wèi)星的高分辨影像存在條帶拼接、多光譜影像存在波段配準(zhǔn)的問題，如果在拼接和配準(zhǔn)過程中行時(shí)文件沒有與影像一起平移，也會(huì)導(dǎo)致影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)。

3.3 影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品定位精度的影響

影像與行時(shí)文件不對(duì)應(yīng)，理論上會(huì)導(dǎo)致影像與姿軌數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)，進(jìn)而影響產(chǎn)品的定位精度。本節(jié)通過試驗(yàn)的方式對(duì)上述分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

本次試驗(yàn)隨機(jī)選取了1景天繪一號(hào)02星2016年8月15日拍攝的高分辨率影像為測試數(shù)據(jù)，包含1A級(jí)和2級(jí)產(chǎn)品各1景。對(duì)于測試數(shù)據(jù)，分別改變1A級(jí)產(chǎn)品中影像與行時(shí)文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后基于預(yù)處理系統(tǒng)生產(chǎn)2級(jí)產(chǎn)品，并在Global Mapper軟件中讀取地理坐標(biāo)。圖4為行時(shí)文件與原始影像對(duì)應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生變化時(shí)的誤差分布，橫坐標(biāo)分別表示測試行時(shí)文件與準(zhǔn)確行時(shí)文件位置的差值，提前一行記作試驗(yàn)1，推遲一行記作試驗(yàn)-1，并以此類推。

圖4 誤差分布

由圖4可以看出，點(diǎn)距誤差與影像和行時(shí)的對(duì)應(yīng)誤差正相關(guān)關(guān)系比較明顯，即影像與行時(shí)的對(duì)應(yīng)誤差越大，定位誤差也越大。

4 影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查方法

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文選取了一軌03星2016年5月12日拍攝的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中包含高分辨、多光譜、三線陣前視、三線陣正視、三線陣后視5個(gè)傳感器影像各兩景1A級(jí)數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性及預(yù)處理算法的普適性，本次試驗(yàn)結(jié)果可以作為最終的試驗(yàn)結(jié)論。

4.2 方法及步驟

本文假定行時(shí)文件為不變量，僅檢查原始影像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后1A級(jí)產(chǎn)品每行影像對(duì)應(yīng)的行時(shí)文件中的絕對(duì)行號(hào)是否與原始影像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。例如，在1A級(jí)產(chǎn)品中，某一行影像處于該景的第N行，找到該景的行時(shí)文件第N行，并記下絕對(duì)行號(hào)為H1，然后在原始影像中找到該行影像對(duì)應(yīng)的絕對(duì)行號(hào)，并記為H2。

具體步驟為：

(1) 通過編寫C++程序，將原始影像中以模5000為0的行作為起始行，連續(xù)10行全部填0以作標(biāo)記，并輸出對(duì)應(yīng)的絕對(duì)行號(hào)。

(2) 將作完標(biāo)記的原始影像數(shù)據(jù)通過預(yù)處理系統(tǒng)生產(chǎn)成1A級(jí)產(chǎn)品，如圖5所示。

(3) 隨機(jī)挑選若干景生產(chǎn)后的1A級(jí)產(chǎn)品，在Photoshop中打開影像，找到標(biāo)記處的起始行，記下在Photoshop中的縱坐標(biāo)讀數(shù)(坐標(biāo)單位為：像素)，并找到配套的行時(shí)文件相對(duì)位置相同的行，記下絕對(duì)行號(hào)為H1。

(4) 打開步驟(1)中輸出的絕對(duì)行號(hào)文件，記下標(biāo)記處的絕對(duì)行號(hào)為H2。

(5) 以H1-H2為最終的對(duì)應(yīng)偏差，據(jù)此得出影像與行時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 標(biāo)記后高分辨1A級(jí)產(chǎn)品

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)檢查方法的有效性，本次試驗(yàn)分為兩組，試驗(yàn)1中對(duì)原始影像中的丟線進(jìn)行了處理，試驗(yàn)2屏蔽了預(yù)處理算法中關(guān)于丟線處理的模塊。試驗(yàn)結(jié)果見表1，表中H1、H2均用十六進(jìn)制表示。

從表1可以看出，經(jīng)過丟線處理后，天繪一號(hào)衛(wèi)星1A級(jí)產(chǎn)品影像與行時(shí)是完全對(duì)應(yīng)的；未經(jīng)過丟線處理，影像與行時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有隨機(jī)性；試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了本文提出的影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查方法的有效性。

表1 影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查結(jié)果

5 結(jié) 語

影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系的檢查是對(duì)預(yù)處理算法性能評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段。天繪一號(hào)衛(wèi)星每次在軌測試期間都要對(duì)影像與行時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行檢查，以消除影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)對(duì)后期產(chǎn)品定位精度的影響。

本文在對(duì)天繪一號(hào)衛(wèi)星原始影像數(shù)據(jù)、行時(shí)文件、輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了3者間的關(guān)系，并驗(yàn)證了影像與行時(shí)不對(duì)應(yīng)對(duì)定位精度的影響；最后提出了一種影像與行時(shí)文件對(duì)應(yīng)關(guān)系的檢查方法，該方法邏輯嚴(yán)密、步驟簡單，是影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查的有效手段，可以為其他同類型衛(wèi)星影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系的檢查提供參考。

[1] 王任享. 三線陣CCD影像衛(wèi)星攝影測量原理[M]. 北京:測繪出版社, 2006.

[2] 王任享, 胡莘, 楊俊峰, 等. 衛(wèi)星攝影測量LMCCD攝影機(jī)的建議[J]. 測繪學(xué)報(bào), 2004，33(4): 24-28.

[3] 王任享, 王建榮, 王新義, 等. LMCCD相機(jī)衛(wèi)星攝影測量特性[J]. 測繪科學(xué), 2004，29(4): 15-17.

[4] 韓曉青,杜紅悅. 邊緣追蹤模型與SURF檢測結(jié)合提取天繪影像機(jī)場目標(biāo)[J]. 中國圖象圖形學(xué)報(bào), 2016(10): 1337-1347.

[5] 胡莘, 曹喜濱. 三線陣立體測繪衛(wèi)星的測繪精度分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008, 40(5): 695-699.

[6] WANG R X. Mapping Satellite without Control Point in China[J]. Hydrographic Surveying and Charting，2008, 28(5):1-8.

[7] 王任享, 胡莘, 王新義, 等. “天繪一號(hào)”衛(wèi)星工程建設(shè)與應(yīng)用[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2012,16(S0): 2-5.

[8] 臧熹, 楊博, 齊建偉, 等. 一種改進(jìn)的遙感影像地形校正方法[J]. 測繪通報(bào), 2015(1): 75-80.

[9] 毛召武, 程結(jié)海, 袁占良. 一種高分遙感影像物體分割質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[J]. 測繪通報(bào), 2016 (5): 36-40.

[10] 李廣澤，孫德柱，劉全國. CAN總線在測繪相機(jī)控制器中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電光與控制, 2012(8): 82-89.

[11] 明冬萍, 邱玉芳, 周文. 遙感模式分類中的空間統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用——以面向?qū)ο蟮倪b感影像農(nóng)田提取為例[J]. 測繪學(xué)報(bào), 2016，45(7): 825-833.

[12] 孫韜,王鵬波,方俊永,等. 天繪一號(hào)03星三線陣/多光譜載荷影像質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 遙感學(xué)報(bào),2016(6): 1335-1341.

[13] 朱虹. 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2005: 31-55.

[14] 王重陽, 程挺, 王慧, 等. “天繪一號(hào)”衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)方法[J]. 海洋測繪, 2016(4): 31-34.

[15] 黃杰, 王光輝, 胡高強(qiáng), 等. 高分辨率彩色遙感影像變化檢測方法研究[J]. 測繪通報(bào), 2016(8): 30-34.

Checking Image-linetime Relationship for TH-01 Satellite

CHENG Jiasheng,MU Chundi,WANG Min,LIU Baocheng

(Tianhui Satellite Center of China, Beijing 102102, China)

The TH-01 satellite is a transmission type mapping satellite,it’s able to realize global precise positioning without ground control point.However, precise satellite attitude and orbit parameters of every photographing time line are required in post process. Linetime data in archived satellite product actually serve as a bridge between image data and attitude and orbit data. We analyze the intrinsic relationship of image data，linetime data and auxiliary data, and the experiments demonstrate the influences of mismatch of 1A image and timeline data on positioning precision. Then, we propose an approach to checking the matching attribute of 1A image and timeline data. Processing results validate the availability of the proposed method.

TH-01 satellite; stereo mapping satellite; attitude; orbit; linetime data

程家勝，穆春迪，王敏,等.天繪一號(hào)衛(wèi)星影像與行時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系檢查方法研究[J].測繪通報(bào)，2017(6)：13-16.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0180.

2016-10-11；

2017-01-23

國家自然科學(xué)基金(61303188)

程家勝(1984—)，男，碩士，主要從事航天攝影測量等方面的研究工作。E-mail：chengjias_heng@126.com

P23

A

0494-0911(2017)06-0013-04