GB/T 40523-2021 1：25000 1：50000光学测绘卫星几何检校技术规范

　　ICS 07 . 040 A 75

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40523—2021

　　1 :25 000 1 :50 000 光学测绘卫星

　　几何检校技术规范

　　Technologyspecificationforgeometriccalibrationof1 :25 000 1 :50 000

　　opticalmappingsatellite

　　2021-10-1 1 发布 2021-10-1 1 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40523—202 1

　　GB/T 40523—202 1

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中华人民共和国 自然资源部提出。

　　本标准由全国地理信息标准化技术委员会(SAC/TC 230)归口 。

　　本标准起草单位：自然资源部国土卫星遥感应用中心。

　　本标准主要起草人：唐新明、祝小勇、张过、范大昭、刘小强、付兴科、王霞、王甄铭、窦显辉、李傲。

　　GB/T 40523—202 1

　　1 ∶ 25 000 1 ∶ 50 000 光学测绘卫星

　　几何检校技术规范

　　1 范围

　　本标准规定了 1 ∶ 25 000、1 ∶ 50 000 光学测绘卫星几何检校的总体要求、检校条件、检校项 目和方

　　法、检校精度验证、检校结果及检校周期。

　　本标准适用于 1 ∶ 25 000、1 ∶ 50 000 光学测绘卫星在轨几何检校。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 35642 1 ∶ 25 000 1 ∶ 50 000 光学遥感测绘卫星影像产品

　　CH/T 2009 全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范

　　CH/T 3019 1 ∶ 25 000 1 ∶ 50 000 光学遥感测绘卫星影像产品生产技术规范

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　卫星传感器几何检校 satellitesensorsgeometriccalibration

　　采用卫星地面检校设施或满足几何精度要求的已有地理信息数据(包括数字正射影像和数字高程模型等)，定期对测绘卫星传感器的内外定向参数进行解算，建立传感器严密几何模型的过程。

　　3.2

　　卫星传感器内定向参数 interiororientationparametersofsatellitesensors

　　描述卫星影像像点在像方空间坐标系中的位置所需要的参数。

　　注：卫星传感器内定向参数包括像主点坐标、主距、畸变参数等。

　　3.3

　　卫星传感器外定向参数 exteriororientationparametersofsatellitesensors

　　描述卫星传感器摄影光束在物方空间坐标系中的位置和方位的基本参数及其随时间的变化量。

　　注：卫星传感器外定向参数包括卫星轨道测量数据、摄影中心与轨道测量的偏移量、卫星姿态数据、偏置矩阵等。

　　3.4

　　偏置矩阵 alignmentmatrix

　　卫星传感器在像方空间坐标系中的实际观测方位与卫星姿态测量方位之间夹角所构成的正交旋转矩阵。

　　3.5

　　指向角 pointingfieldangle

　　卫星传感器成像器件的探元在像方空间坐标系中的位置矢量与 x、y轴的夹角。

　　3.6

　　人工标志 artificialtarget

　　人工预先布设的、在卫星遥感影像上易于识别的特征目标。

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　　注：改写 GB/T 14950—2009,定义 4 . 132 。

　　4 总则

　　4 . 1 检校内容

　　检校内容包括监测卫星传感器成像几何精度，定期解算探元指向角、偏置矩阵、主点、主距等参数及其随时间的变化量，减少成像过程中存在的系统误差及其随时间的累积误差，建立传感器严密几何模型。

　　4 . 2 精度要求

　　光学测绘卫星的内定向检校精度应采用指向角角度转换为像元表示，中误差应优于 0 . 3 像元;外定向检校精度应采用卫星姿态角转换为像元表示，中误差应优于 1 像元。

　　4 . 3 检校流程

　　几何检校流程见图 1,具体如下：

　　a) 检校任务设计。根据卫星传感器几何精度监测数据，确定检校任务，进行检校任务设计，主要包括明确检校范围，制定成像计划，设计检校和验证方法等。

　　b) 卫星影像获取。根据检校任务设计，针对检校区域制定成像计划，获取卫星影像。

　　c) 检校控制数据获取。利用高分辨率地面参考数据(DOM、DEM)和待检校卫星影像，采用高精度影像匹配算法获取密集均匀分布的匹配控制数据;或同时开展人工标志布设工作，对标志影像提取像点坐标，获取人工标志控制数据。

　　d) 检校参数解算。根据获得的检校控制数据，结合精密定轨数据、精密定姿数据、成像时间数据等，解算内、外定向参数，建立严密成像模型。

　　e) 检校精度验证。利用地面控制数据，对成像模型进行几何精度验证。

　　f) 检校参数提供。分析参数适用范围和变化趋势，编制精度分析报告，将传感器 CCD 像元指向角、传感器偏置矩阵等检校参数提供生产使用。

　　图 1 几何检校在轨工作流程

　　GB/T 40523—202 1

　　5 检校条件

　　5 . 1 卫星数据获取条件

　　5 . 1 . 1 检校区域位置宜满足以下条件：

　　a) 检校区域宜大于被检星载光学传感器幅宽;

　　b ) 所在地区每月晴天宜不少于 15 d ;

　　c) 地形宜选用平地;

　　d) 地物宜具有多样性、变化缓慢，高层建筑少;

　　e) 交通便利。

　　5 . 1 . 2 人工标志布设场地宜满足以下条件：

　　a) 场地宜大于实际布设面积;场地应平整，相对高差宜小于 30 cm,坡度宜小于 5°;标志布设场地应视线开阔，无建(构)筑物遮挡;

　　b) 气象条件宜选择白天、无雨、风力小于 4 级、阵风不大于 7 级。

　　5 . 1 . 3 卫星拍摄条件要求如下：

　　a) 卫星检校区域无云;

　　b) 检校成像时，卫星侧摆角度应小于 15°。

　　5 . 2 检校控制数据条件

　　5 . 2 . 1 检校控制数据获取方式

　　检校控制数据可采用人工标志获取或自动匹配获取。

　　5 . 2 . 2 自动匹配检校控制数据获取

　　自动匹配获取检校控制数据要求如下：

　　a) 精度要求：用于检校的数字正射影像分辨率应优于 0.2 m,平面精度应优于 0.5 m;用于检校的数字高程模型格网尺寸应优于 5 m,高程精度应优于 1 m。

　　b) 控制数据像方坐标确定：通过待检校影像与数字正射影像匹配获得，采用高精度匹配算法和误匹配点剔除算法，匹配精度应优于 0.1 像元，误匹配率应小于 10%。

　　c) 控制数据物方坐标确定：通过对数字正射影像和数字高程模型进行内插方式获得。

　　5 . 2 . 3 人工标志检校控制数据获取

　　人工标志获取检校控制数据获取要求如下：

　　a) 形状与大小：人工标志的形状与大小应根据实际需要设计，并应能在卫星影像上精确识别和定位 。人工标志形状设计参见附录 A 中图 A. 1、图 A. 2;人工标志的大小设计沿轨向、垂轨向应大于 6 像元。

　　b) 材料：人工标志的材料应具备色彩均匀、无光泽、耐高低温、强度高、朗伯特性好、重量轻等特点，应采用高反射率和低反射率兼顾的特制材料，低反射率应低于 5%,高反射率应高于 60%。

　　c) 标志布设：人工标志应在卫星成像拍摄前完成布设，标志数量应根据检校方法复杂度确定，每片 CCD对应人工标志数量应大于 2 个，标志分布应覆盖每片 CCD全视场。

　　d) 物方三维坐标测定：人工标志坐标测量按 CH/T 2009 执行，并应分别在成像前后进行，测量要求采用国家大地 2 000 坐标系，高程采用大地高，平面精度应优于 0. 1 m,高程精度应优于

　　0 .1 m,测量后应进行记录归档。

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　　6 检校项目和方法

　　6 . 1 检校项目

　　检校项 目包括：

　　a) 根据检校控制数据计算光学测绘卫星影像的外定向参数;

　　b) 根据检校控制数据计算光学测绘卫星影像的内定向参数;

　　c) 根据检校控制数据对检校参数精度进行分析和验证。

　　6 . 2 检校方法

　　检校方法包括：

　　a) 运用空间后方交会、空间前方交会、区域网平差等原理，以共线方程为基础，解求被检传感器的内、外定向参数;

　　b ) 光学测绘卫星检校外定向检校方法参见附录 B, 内定向宜采用指向角检校法或畸变参数检校法，具体参见附录 C、附录 D。

　　7 检校精度验证

　　7 . 1 检校后影像产品生产

　　检校后按 CH/T 3019 进行影像产品生产，产品应满足 GB/T 35642 的要求。

　　7 . 2 检校精度验证

　　产品精度验证应满足以下要求：

　　a) 产品精度利用解算得到的像方坐标和控制数据真实像方坐标按误差计算公式进行计算获得。

　　b) 产品精度主要评价指标包括沿线阵方向精度 mr(单位为像元)、沿轨道方向精度 my(单位为像元)和像平面精度 mry(单位为像元)。其中mr、my、mry分别按公式(1) ~公式(3)计算：

　　mr=槡

　　my=槡

　　mry=槡 …………………………( 3 )

　　式中：

　　ri，yi — 由几何模型解算的像方坐标，单位为像元;

　　ri0 ,yi0 — 由控制点量测的真实像方坐标，单位为像元;

　　n — 检测点数，不少于 20 个，单位为个。

　　8 检校结果及检校周期

　　8 . 1 检校结果

　　检校结果应满足以下要求：

　　GB/T 40523—202 1

　　a) 检校满足检校精度要求的可提供给数据生产使用;

　　b) 检校结果不满足检校精度要求的应进行分析，并在报告中注明不满足精度的项 目，确有必要时重新检校。

　　8 . 2 检校周期

　　光学测绘卫星传感器几何检校周期宜不超过 3 个月。 检校条件容许时，宜适当缩短检校周期。

　　9 质量控制和记录要求

　　9 . 1 质量控制要求如下：

　　a) 几何检校质量控制参照测绘产品质量控制的有关规定执行;

　　b ) 质量检查应覆盖几何检校关键环节;

　　c) 检校质量主要通过控制数据质量、沿线阵和轨道方向检校后残差分布进行控制;

　　d) 几何检校作业过程应严格按流程做好记录。

　　9 . 2 记录主要包括：

　　a) 内、外定向输出记录表，记录表样例参见附录 E 的 E.1 、E.2 ;

　　b ) 几何检校残差表，记录表样例参见 E.3 。

　　c) 人工标志量测记录，如控制点略图、观测手簿、计算结果等;

　　d) 检查报告;

　　e) 技术总结。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　人工标志布设样例

　　图 A. 1、图 A. 2 给出了人工标志布设样例图。

　　图 A.1 人工标志布设样例 一

　　图 A.2 人工标志布设样例二

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　　附 录 B

　　(资料性附录)外定向检校方法

　　B.1 利用检校控制点解求偏置矩阵，补偿载荷安装系统误差。

　　B.2 外定向的解求方法宜按摄影测量中后方交会方法进行。 偏置矩阵可表示为 Ru，见公式(B. 1) 。

　　…………………………( B.1 )

　　式中：

　　RφRwRκ — 传感器在俯仰、横滚、偏航三个方向上的补偿矩阵;

　　φ — 传感器在俯仰方向上的补偿角度;

　　w — 传感器在横滚方向上的补偿角度;

　　κ — 传感器在偏航方向上的补偿角度。

　　B.3 卫星传感器的严密几何模型可按公式(B. 2)变换。

　　式中：

　　Ψx，Ψy — 传感器探元在卫星本体坐标系下的指向角;

　　m — 比例尺分母;

　　Rbody2CTS — 卫星本体坐标系到地球固定地面参考系的旋转矩阵;

　　X，Y，Z — 地面点坐标;

　　Xs ,Ys , Zs — 卫星在地球固定地面参考系下的位置。

　　B.4 公式(B. 1)可变换为公式(B. 3) 。

　　B.5 误差方程见公式(B. 4) 。

　　V=Bx-l，w …………………………( B.4 )

　　式中：

　　解算 x=(BT B)-1 BT l，可计算出偏置矩阵三个角元素(φ,w，κ) ,求解出偏置矩阵。

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　基于指向角的内定向几何检校方法

　　C.1 将计算得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用控制点进行解算，获取每个探元在卫星本体

　　坐标系下的指向角。

　　C.2 主要步骤如下：

　　a) 求解各控制点对应的探元指向角

　　针对传感器第 i个探元，用图像第 i列配准获得的多个控制点求解在卫星本体坐标系下的指

　　向角，将严密成像几何模型转换为公式(C. 1)、公式(C. 2) :

　　mRbody2CTSRU

　　误差方程公式见(C. 3) :

　　V=Bx-l，w …………………………( C.3 )

　　式中：

　　Bx= (tan(Ψx)tan(Ψy))，w 为权矩阵。 利用解算方法 x=(BT B)-1 BT l，可计算出 i探元(tan(Ψx) tan(Ψy))，得到该探元指向角。

　　b) 求解各探元指向角

　　对各 配 准 列 i 探元 进 行 探元 指 向 角解 求，得 到若 干 探元 的 探元 指 向 角：( tan (Ψx) tan(Ψy))1 ,(tan( Ψx)tan(Ψy))2 , … ,(tan( Ψx)tan(Ψy))i。

　　c) 探元指向角处理

　　对解求获取的所有探元指向角进行多项式拟合，再计算所有探元的探元指向角。

　　多项式拟合宜取不超过 5 次多项式，见公式(C. 4) 。

　　tan(Ψx)=a0 + a1s+a2s2 + a3s3 + a4s4 + a5s5

　　tan (Ψy)=b0 + b1s+b2s2 + b3s3 + b4s4 + b5s5

　　式中：

　　s— 探元编号，对应图像列号。

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　　附 录 D

　　(资料性附录)

　　基于畸变参数的内定向几何检校方法

　　D.1 将计算得到的偏置矩阵引入严密成像几何模型，利用检校控制点解求相机畸变参数。

　　D.2 主要步骤如下：

　　a) 建立畸变模型

　　严密成像几何模型见公式(D. 1) :

　　mRRbody2orbit R

　　………( D. 2 )

　　r= …………………………( D.3 )

　　r=r-r0 …………………………( D.4 )

　　式中： y=y-y0

　　(r，y) — 像平面坐标;

　　Δr0 ,Δy0 — 主点偏移量;

　　r0 , y0 — 主点位置;

　　k1 ,k2 — 径向畸变系数;

　　p1 ,p2 — 偏心畸变系数;

　　θ —CCD在焦平面内的旋转量;

　　sy — 缩放比例因子。

　　b) 求解畸变参数

　　对同一相机不同 CCD求解不同的主点偏移量(Δr0,Δy0)、旋转量(θ)和缩放比例因子(sy)。

　　对不同相机求取不同的径向畸变系数(k1 ,k2)、偏心畸变系数(p1 ,p2)。

　　将严密成像几何模型公式(D. 1)转换为公式(D. 5) :

　　ΓX- Xs7

　　Y-Ys

　　LZ- Zs 」

　　a37

　　Rcamera2body

　　c3」

　　………………

　　………………

　　( D. 5 )

　　( D. 6 )

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　　其中，令

　　则公式(D. 6)可变换为

　　Ru 设

　　则

　　设

　　则公式(D. 7)可变换为

　　xx au1 XX + bu1yy+ cu1 ZZ

　　=

　　…………………………( D.8 )

　　yy au2 XX + bu2yy+ cu2 ZZ

　　=

　　令

　　au1 XX + bu1yy+ cu1 ZZ xx

　　fx = -

　　au2 XX + bu2yy+ cu2 ZZ yy

　　fy=au3 XX+bu3yy+cu3 ZZ - ≈≈

　　y =Ru-1 yy

　　列出误差方程

　　V=BX-L，W

　　Γ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx) ∂(fx)7

　　B=

　　L ∂φ ∂w ∂κ ∂Δx0 ∂Δy0 ∂sy ∂θ ∂k1 ∂k2 ∂p1 ∂p2 」

　　式中：

　　W— 权矩阵。

　　利用解算原理 X=(BT B)-1 BT L，解出主点偏移量(Δx0,Δy0)、旋转量(θ)、缩放比例因子(sy)、径向畸变系数(k1 ,k2)和偏心畸变系数(p1 ,p2)。

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　　附 录 E

　　(资料性附录)检校结果示例

　　E.1 外定向检校结果记录示例见表 E. 1 。

　　表 E.1 外定向检校参数示例

　　E.2 内定向检校结果记录示例见表 E. 2 。

　　表 E.2 内定向检校参数示例

　　E.3 几何检校残差表示例见表 E. 3 。

　　表 E.3 几何检校残差表示例