一種小面陣星載tdi ccd相機(jī)的快速幾何精校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小面陣星載TDI CCD相機(jī)的快速幾何精校正方法，該方法的基本步驟為：(1)使用星載定姿系統(tǒng)獲取的外方位元素和地形數(shù)據(jù)，計(jì)算足印圖像各像點(diǎn)的坐標(biāo)；(2)使用足印圖像上像主點(diǎn)附近的小區(qū)域圖像與標(biāo)準(zhǔn)參照圖像匹配得到相機(jī)的水平定位誤差；(3)用水平誤差對足印圖像各個(gè)像點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行改正；(4)根據(jù)改正后的坐標(biāo)和地形數(shù)據(jù)的高程，計(jì)算得到像點(diǎn)較為精確的地理位置，實(shí)現(xiàn)相機(jī)精校正的目的。本發(fā)明不需要測量精確外方位元素，具有較高的效率，在滿足實(shí)時(shí)處理需求的同時(shí)能夠得到較為精確的幾何校正結(jié)果。
【專利說明】
一種小面陣星載TDI CCD相機(jī)的快速幾何精校正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于遙感對地觀測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種小面陣星載TDICXD相機(jī)的快速幾何精校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于星上星敏感器測姿不準(zhǔn)，新一代衛(wèi)星通過一個(gè)對地觀測的CCD相機(jī)，通過與地面控制點(diǎn)影像匹配獲取地面的精確指向數(shù)據(jù)。
[0003]由于衛(wèi)星姿態(tài)控制與測量技術(shù)的限制，CCD相機(jī)成像時(shí)的姿態(tài)測量結(jié)果存在一個(gè)較大偏差，直接使用衛(wèi)星自帶系統(tǒng)測得的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行幾何校正，在水平方向上結(jié)果會(huì)存在較大的系統(tǒng)性偏差。而由原始測量姿態(tài)的偏差，在解算地理坐標(biāo)時(shí)通過DEM獲得的像點(diǎn)高程也不完全精確，各像點(diǎn)的高程估算會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，則校正后的圖像會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的變形，用圖像匹配的方式得到的控制點(diǎn)，很可能達(dá)到幾個(gè)像元的誤差。
[0004]提供準(zhǔn)確的足印相機(jī)幾何精校正結(jié)果對于立體測圖衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理具有非常重要的意義。一是在激光分解時(shí)，足印相機(jī)幾何校正的不規(guī)則變形可能會(huì)給全波形的激光回波組分帶來干擾，影響波形分解的結(jié)果，甚至?xí)?dǎo)致分解后的波形與地物的關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤。第二個(gè)影響是激光指向依靠足印相機(jī)與參照的匹配，若使用不精確的幾何校正結(jié)果進(jìn)行匹配，很可能會(huì)有幾個(gè)像元的偏差甚至更大的誤匹配結(jié)果，造成激光指向的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，最終也影響的廣義控制點(diǎn)的生成。
[0005]立體測圖衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要在較短的時(shí)間內(nèi)處理百萬級的激光數(shù)據(jù)，而每一個(gè)激光光斑都需要一次幾何精校正的結(jié)果，這就需要幾何精校正的算法具有極高的效率才能滿足整個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的問題是:提供一種小面陣星載TDICCD相機(jī)的快速幾何精校正方法。
[0007]本發(fā)明提供的技術(shù)方案采用如下步驟:
[0008](I)相機(jī)像主點(diǎn)及臨近像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算;具體方法步驟如下:
[0009](1-1)獲取CXD圖像成像時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、CXD圖像的像元畸變參數(shù)，獲得測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，對于像主點(diǎn)為中心的128X128小窗口圖像，使用直接定位法得到小圖像每個(gè)像元的地面平面坐標(biāo)點(diǎn)；
[0010](1-2)將坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)系下；
[0011](1-3)將計(jì)算得到的坐標(biāo)值都加一個(gè)統(tǒng)一的平面地理偏移，第一次迭代時(shí)初值設(shè)為〈0，0>;
[0012](1-4)根據(jù)添加地理偏移后的平面坐標(biāo)從DEM上獲取高程，重新計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)；
[0013](2)根據(jù)得到的坐標(biāo)，使用最近鄰法對像主點(diǎn)及臨近像點(diǎn)進(jìn)行重采樣;使用雙線性插值法，根據(jù)每一個(gè)像點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，對圖像進(jìn)行重采樣，重采樣后的分辨率與參照圖像的分辨率相同；
[0014](3)將重采樣圖像與參考雙線陣圖像進(jìn)行地理約束下的匹配;方法步驟如下:
[0015](3-1)用校正重采樣圖像與參照圖像的子圖進(jìn)行模板匹配，得到其在參照圖像上的位置；
[0016](3-2)根據(jù)步驟(I)中(1-1)得到的像主點(diǎn)位置確定其在重采樣圖像上的像點(diǎn)位置；
[0017](3-3)根據(jù)步驟(2)得到的像主點(diǎn)在重采樣圖像上位置、根據(jù)(3-2)得到的重采樣圖像在參照圖像上的位置，計(jì)算得到像主點(diǎn)在參照圖像上的位置；
[0018](3-4)根據(jù)參照自身的幾何定位結(jié)果，計(jì)算像主點(diǎn)在參照上的位置的地理坐標(biāo)；
[0019](4)計(jì)算重采樣圖像的平面誤差偏移；用計(jì)算得到的像主點(diǎn)真實(shí)地理坐標(biāo)減去像主點(diǎn)匹配得到的地理坐標(biāo)，得到像主點(diǎn)的平面誤差偏移；
[0020](5)算法迭代控制，判斷新的平面偏移誤差與上一次迭代得到的平面偏移是否相同，若兩次結(jié)果相同，或者差值小于I個(gè)像元，則認(rèn)為算法趨于穩(wěn)定，進(jìn)入下一步處理；否則進(jìn)行步驟(2)處理;根據(jù)限差判斷算法進(jìn)行下一步或者跳回步驟(I)重新進(jìn)行計(jì)算；
[0021](6)使用得到的平面誤差偏移對圖像進(jìn)行幾何精校正，步驟如下:
[0022](6-1)獲取CCD圖像成像時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、CCD圖像的像元畸變參數(shù)，獲得測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，對于像主點(diǎn)為中心的128X128小窗口圖像，使用直接定位法得到小圖像每個(gè)像元的地面平面坐標(biāo)點(diǎn)；
[0023](6-2)將坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)系下；
[0024](6-3)將計(jì)算得到的坐標(biāo)值都加一個(gè)統(tǒng)一的平面地理偏移，第一次迭代時(shí)初值設(shè)為〈0，0>;
[0025](6-4)根據(jù)添加地理偏移后的平面坐標(biāo)從DEM上獲取高程，重新計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)；
[0026](6-5)使用雙線性插值法，根據(jù)每一個(gè)像點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，對圖像進(jìn)行重采樣，得到最終的幾何精校正結(jié)果。
[0027]本發(fā)明具有良好的可擴(kuò)展性，可滿足所有類似的星載高分辨率TDICCD相機(jī)精校正的業(yè)務(wù)需求，具有快速、高精度的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0028]圖1是衛(wèi)星TDIC⑶相機(jī)的快速幾何精校正方法流程圖。
[0029]圖2是像元畸變示意圖，圖(a)為姿態(tài)誤差引起的CCD圖像幾何變形圖(b)為像點(diǎn)位置偏差示意圖。
[0030]圖3是計(jì)算像點(diǎn)平面地理坐標(biāo)的流程圖。
[0031 ]圖4是使用偏移距離對相機(jī)圖像精確校正流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為更好地闡述本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施過程做進(jìn)一步的描述。
[0033]本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是小視場角圖像各像元水平偏移量近似相同。圖2是像元水平誤差變化情況，圖2(a)是由于星上姿態(tài)測量設(shè)備的誤差導(dǎo)致的幾何校正后圖像的地理偏移。圖中顯示了姿態(tài)不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致所有像元往同一個(gè)方向偏移。
[0034]圖2(b)是CCD相機(jī)的任意兩個(gè)像點(diǎn)的變形情況。其中O是相機(jī)中心，G是星下點(diǎn)，Al、BI是地面上的兩個(gè)點(diǎn)，由于姿態(tài)的誤差，其校正后的位置在A2、B2處。
[0035]其中Al與A2之間的幾何畸變情況可表示為:
[0036]LA=H*[tan(0A+Δ 0)-tan0A]
[0037]由于相機(jī)視場角較小，S卩ΘΑ^0，，ΔΘ^Ο則:
[0038]LA^H*tan Δ θ
[0039]則可認(rèn)為點(diǎn)A與點(diǎn)B的幾何變形長度相同:
[0040]LA^H*tan Δ 0^Lb
[0041]根據(jù)上述公式的推導(dǎo)，由于相機(jī)的視場角較小，各個(gè)像元經(jīng)過幾何校正后其地理偏差都可認(rèn)為近似相同。若能夠找到像主點(diǎn)的平面偏移量，則可對圖像所有的像點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行改正，得到精確的校正結(jié)果。該方法不需要對相機(jī)的指向進(jìn)行精確的檢校，能夠快速實(shí)現(xiàn)相機(jī)的精校正。
[0042]本發(fā)明的第一步涉及CCD圖像的粗校正，圖3為本發(fā)明使用共線方程，根據(jù)內(nèi)方位元素、衛(wèi)星姿態(tài)、相機(jī)安置角、初始高程計(jì)算像點(diǎn)平面坐標(biāo)的原理圖。包含以下步驟:
[0043]獲取CCD圖像成像時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、CCD圖像的像元畸變參數(shù)，獲得測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。
[0044]使用直接定位法得到像主點(diǎn)周圍128X128的窗口內(nèi)每個(gè)像元的地面平面坐標(biāo)點(diǎn)。首先根據(jù)焦距、像元尺寸、像元畸變檢校值計(jì)算該像點(diǎn)的內(nèi)方位元素；
[0045]使用星下點(diǎn)的DEM的高程值作為直接法定位的初始值，使用共線方程、根據(jù)內(nèi)方位元素、衛(wèi)星姿態(tài)、相機(jī)安置角、初始高程計(jì)算像元的平面坐標(biāo)；
[0046]將計(jì)算得到的坐標(biāo)值都加一個(gè)統(tǒng)一的平面地理偏移(第一次迭代時(shí)初值可設(shè)為〈0,0?；
[0047]根據(jù)計(jì)算得到的水平坐標(biāo)從DEM中讀取高程值，以該高程值作為像點(diǎn)的新的高程值；
[0048]使用新高程值再次計(jì)算平面坐標(biāo)并重復(fù)前面步驟，直到新的高程與上一步迭代得到的高程相同。
[0049]將大地坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)系下。
[0050]使用雙線性插值法，根據(jù)每一個(gè)像點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，對圖像進(jìn)行重采樣，重采樣后的分辨率與參照圖像的分辨率相同。
[0051]本發(fā)明第二步是根據(jù)匹配獲取像主點(diǎn)的水平偏移值，圖4為獲取像主點(diǎn)平面偏移的流程圖。包含以下步驟:
[0052]根據(jù)相機(jī)像主點(diǎn)的地理坐標(biāo)獲取相機(jī)像主點(diǎn)對應(yīng)于參照圖像上的位置，在參照圖像的相應(yīng)位置上提取一定大小的圖像。
[0053]用上一步所得的CCD重采樣圖像與參照圖像的子圖進(jìn)行模板匹配，得到其在參照圖像上的位置；
[0054]根據(jù)模板匹配得到的校正圖像子圖在參照圖像上的位置，可以得到子圖中心點(diǎn)在參照圖像上的位置，計(jì)算出參照圖像位置上的平面地理坐標(biāo)；
[0055]計(jì)算出校正圖像各像點(diǎn)的平面地理坐標(biāo)，進(jìn)而可得到原始圖像控制點(diǎn)像元對應(yīng)的平面地理坐標(biāo)；
[0056]計(jì)算平面誤差偏移，由第I步得到的像主點(diǎn)的地理坐標(biāo)(加了偏移改正的結(jié)果)計(jì)算其在校正重采樣圖像上的位置
[0057]根據(jù)圖像匹配獲取像主點(diǎn)對應(yīng)于參照圖像上的位置，進(jìn)而通過參照圖像的坐標(biāo)得到像主點(diǎn)的準(zhǔn)確地理坐標(biāo)；
[0058]用準(zhǔn)確地理坐標(biāo)減去第I步得到的像點(diǎn)地理坐標(biāo)(未添加偏移改正的結(jié)果)，得到新的加了平面誤差偏移。
[0059]判斷算法下一步的操作:判斷新的平面偏移誤差與上一次迭代得到的平面偏移是否相同，若兩次結(jié)果相同，或者差值小于I個(gè)像元，則認(rèn)為算法趨于穩(wěn)定，進(jìn)入下一步處理。
[0060]本發(fā)明第6步涉及一種C⑶圖像精校正方法。該方法包括以下幾個(gè)步驟:
[0061]獲取CCD圖像成像時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、CCD圖像的像元畸變參數(shù)，獲得測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。
[0062]使用直接定位法得到每一個(gè)像元的地面平面坐標(biāo)點(diǎn)。首先根據(jù)焦距、像元尺寸、像元畸變檢校值計(jì)算該像點(diǎn)的內(nèi)方位元素；
[0063]使用星下點(diǎn)的DEM的高程值作為直接法定位的初始值，使用共線方程、根據(jù)內(nèi)方位元素、衛(wèi)星姿態(tài)、相機(jī)安置角、初始高程計(jì)算像元的平面坐標(biāo)；
[0064]將計(jì)算得到的坐標(biāo)值都加一個(gè)統(tǒng)一的平面地理偏移(第一次迭代時(shí)初值可設(shè)為〈0,0?；
[0065]根據(jù)計(jì)算得到的水平坐標(biāo)從DEM中讀取高程值，以該高程值作為像點(diǎn)的新的高程值；
[0066]使用新高程值再次計(jì)算平面坐標(biāo)并重復(fù)前面步驟，直到新的高程與上一步迭代得到的高程相同。
[0067]將大地坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)系下。
[0068]使用雙線性插值法，根據(jù)每一個(gè)像點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，對圖像進(jìn)行重采樣，重采樣后的分辨率與參照圖像的分辨率相同。
[0069]根據(jù)平面地理坐標(biāo)，獲取DEM上對應(yīng)像元的高程值，以該值作為該平面坐標(biāo)的高程，得到三維控制點(diǎn)。本發(fā)明使用DEM作為控制點(diǎn)的高程來源，避免了解決了雙線陣數(shù)據(jù)高程不足帶來的不利影響。
[0070]CXD相機(jī)的最主要目的是為了與雙線陣圖像進(jìn)行匹配得到。由于地形起伏的影響，若使用未檢校的外方位元素對相機(jī)進(jìn)行幾何校正，圖像會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的幾何變形。使用這種含不規(guī)則變形的圖像與雙線陣圖像進(jìn)行匹配，即使匹配成功，不規(guī)則的變形很可能會(huì)導(dǎo)致匹配的目標(biāo)點(diǎn)偏離真實(shí)的位置，造成最終CCD指向計(jì)算的結(jié)果的誤差。本發(fā)明認(rèn)為所有像元的幾何定位誤差近似相同，通過圖像匹配得到幾何定位的偏移值，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)圖像的準(zhǔn)確定位，為激光器的指向精確測量提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種小面陣星載TDI CXD相機(jī)的快速幾何精校正方法，其特征在于包括以下步驟: (I )CCD相機(jī)像主點(diǎn)及臨近像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算;具體方法步驟如下: (1-1)獲取CCD圖像成像時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、CCD圖像的像元畸變參數(shù)，獲得測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，對于像主點(diǎn)為中心的128 X 128小窗口圖像，使用直接定位法得到小圖像每個(gè)像元的地面平面坐標(biāo)點(diǎn)； (1-2)將坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)系下； (1-3)將計(jì)算得到的坐標(biāo)值都加一個(gè)統(tǒng)一的平面地理偏移，第一次迭代時(shí)初值設(shè)為〈O，O〉； (1-4)根據(jù)添加地理偏移后的平面坐標(biāo)從DEM上獲取高程，重新計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)； (2)根據(jù)得到的坐標(biāo)，使用最近鄰法對像主點(diǎn)及臨近像點(diǎn)進(jìn)行重采樣;使用雙線性插值法，根據(jù)每一個(gè)像點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，對圖像進(jìn)行重采樣，重采樣后的分辨率與參照圖像的分辨率相同； (3)將重采樣圖像與參考雙線陣圖像進(jìn)行地理約束下的匹配;方法步驟如下: (3-1)用校正重采樣圖像與參照圖像的子圖進(jìn)行模板匹配，得到其在參照圖像上的位置； (3-2)根據(jù)步驟(I)中(1-1)得到的像主點(diǎn)位置確定其在重采樣圖像上的像點(diǎn)位置；(3-3)根據(jù)步驟(2)得到的像主點(diǎn)在重采樣圖像上位置、根據(jù)(3-2)得到的重采樣圖像在參照圖像上的位置，進(jìn)一步計(jì)算得到像主點(diǎn)在參照圖像上的位置； (3-4)根據(jù)參照自身的幾何定位結(jié)果，計(jì)算像主點(diǎn)在參照上的位置的地理坐標(biāo)； (4)計(jì)算重采樣圖像的平面誤差偏移；用計(jì)算得到的像主點(diǎn)真實(shí)地理坐標(biāo)減去像主點(diǎn)匹配得到的地理坐標(biāo)，得到像主點(diǎn)的平面誤差偏移； (5)算法迭代控制，判斷新的平面偏移誤差與上一次迭代得到的平面偏移是否相同，若兩次結(jié)果相同，或者差值小于I個(gè)像元，則認(rèn)為算法趨于穩(wěn)定，進(jìn)入下一步處理;否則進(jìn)行步驟(2)處理;根據(jù)限差判斷算法進(jìn)行下一步或者跳回步驟(I)重新進(jìn)行計(jì)算； (6)使用得到的平面誤差偏移對圖像進(jìn)行幾何精校正，步驟如下: (6-1)獲取CCD圖像成像時(shí)衛(wèi)星平臺(tái)的瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、CCD圖像的像元畸變參數(shù)，獲得測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，對于像主點(diǎn)為中心的128 X 128小窗口圖像，使用直接定位法得到小圖像每個(gè)像元的地面平面坐標(biāo)點(diǎn)； (6-2)將坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)系下； (6-3)將計(jì)算得到的坐標(biāo)值都加一個(gè)統(tǒng)一的平面地理偏移，第一次迭代時(shí)初值設(shè)為〈O，O〉； (6-4)根據(jù)添加地理偏移后的平面坐標(biāo)從DEM上獲取高程，重新計(jì)算像點(diǎn)坐標(biāo)； (6-5)使用雙線性插值法，根據(jù)每一個(gè)像點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，對圖像進(jìn)行重采樣，得到最終的幾何精校正結(jié)果。
【文檔編號】G06T5/00GK105931200SQ201610235711
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】楊貴, 謝鋒, 舒嶸, 王建宇
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所