CN101827223B - 基于行频归一化的非共线tdi ccd成像数据内视场拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法，包括提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息；提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息；对N片TDI CCD影像分别进行行频归一化处理；对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行平移拼接。本发明通过对非共线TDI CCD相机的每片TDI CCD获取的影像进行行频归一化处理，使得重采样后的影像上每一条扫描行的积分时间相同，从而为基于片间相对平移的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接创造条件，最终形成空间上连续无缝的完整虚拟扫描景。本发明简单实用，对多片TDI CCD成像的行积分时间跳变、片间不同步等情况，具有较强的适用性和通用性。

Description

基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，具体涉及一种基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法。 

背景技术

对于高分辨率光学相机而言，为了解决由相对孔径减小和成像曝光时间变短等因素所引起的光学系统像面光谱能量不足的问题，采用延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)作为成像传感器是目前一种主要的技术途径。TDSI CCD是利用电荷延时积分原理成像的新型光电成像器件，与普通的单积分线阵CCD相比，能以多重延时积分成像的方式对地物多次曝光，成倍提升系统收集能量的能力，从而在低照度条件下获得高灵敏度、高输出速率、高空间分辨率、大的动态范围和相对较高的信噪比。受单片TDI CCD像元个数的限制，高分辨率光学相机通常以多片TDI CCD视场拼接的方式获取较大的成像视场。由于每片TDI CCD在物理结构上是一个小面阵，加上受外壳包装等限制，多片TDI CCD无法在焦面上按照一条直线进行物理排列，而通常采用品字形或上下交错形的非共线设计，其典型特征可以描述为：将多片TDI CCD在焦面上排成两列，与相机的整机推扫方向垂直；第二列填充由第一列形成的间隙，同一列TDI CCD的首尾像元分别对齐；相邻两片TDI CCD有一定的像元重叠。通常，品字形排列的两列TDI CCD在整机推扫方向的间距相对较大。非共线TDI CCD已成为当前国内外高分辨率光学卫星影像获取的主要传感器，IKONOS，QuickBird，Geoeye-1，WorldviewII，ALOS，OrbView-3，Formosat-2等国外高分辨率商业卫星和我国遥感二号、资源一号02B卫星以及未来即将发射的多颗高分辨率卫星都采用了非共线TDI CCD相机作为成像载荷。与普通的单线阵CCD相比，非共线TDI CCD特殊的物理结构和成像方式给高分辨率卫星影像高精度和高质量的几何处理带来了新的问题。多片TDI CCD宽视场成像所获取的原始数据是按照每片TDICCD成像单独记录的，受传感器的视场摆放位置、地形起伏、行积分时间变化等因素的影响，无法直接形成一个完整的扫描景影像。需要在影像预处理环节对非共线TDI CCD成像数据进行内视场拼接处理以形成空间上连续无缝的完整扫描景，满足后续影像产品的生产和制作要求。 

总体看来，国内外文献对非共线TDI CCD成像数据内视场拼接理论和算法的介绍很少。目前主要的技术途径是由连接点统计相邻影像的水平和垂直偏移量，然后进行片间平移拼接。IKONOS和Quickbird等国外高分辨率商业卫星的光学相机大多采用多片交错形焦面设计，相邻TDI CCD对同一地物的成像时间延迟很短，使得地形起伏和行积分时间变化等因素对非共线TDI CCD成像的影响几乎可以忽略不计(K.Jacobsen，2006.Calibration of OpticalSatellite Sensors[C].International Calibration and Orientation Workshop EuroCOW 2006.Casteldefels，6S.，CD.；K.Jacobsen，2008.Satellite image orientation[C].International Archives of Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial InformationSciences，Vol.XXXVII，Part B1(WG I/5)：703-709.)，只需要简单的片间平移即可满足子像素级的理想拼接精度。而对于采用品字形焦面设计的非共线TDI CCD相机，成像受地形起伏和行积分时间变化等因素的影响较为明显，使得拼接处理的情况要相对复杂。岳庆兴等(2009)(岳庆兴，周强，张春玲，尤淑撑，贾永红，邱振戈.CBERS-02B星全色影像的平差方法[J].国土资源遥感，2009，79(1)：60-63.)指出CBERS-02B卫星HR相机的两侧TDI CCD与中间TDICCD成像数据间存在拼接错位问题，但没有对此展开研究；李世威等(2009)(李世威，刘团结，王宏琦.基于图像匹配的CBERS-02B卫星HR相机图像拼接方法.遥感技术与应用.2009，24(3)：374-378.)提出了基于图像匹配的CBERS-02B卫星HR相机影像内视场拼接处理方法，其本质也是基于大量连接点统计相邻影像间的水平和垂直偏移量，然后对多片影像进行两两平移拼接。但是，传统的平移拼接方法无法顾及景内可能存在的行积分时间跳变，且拼接处理只能在相邻两片TDI CCD成像数据间依次进行。 

星载非共线TDI CCD的整体行积分时间跳变以及片间行积分时间的不一致性，导致相邻两片的偏移量按照某种规律变化，这样传统的相邻两片平移拼接处理方法则不再适用。因此，亟需深入开展非共线TDI CCD成像数据的内视场拼接理论和技术的研究，不断提出对原始成像数据进行拼接预处理即虚拟拼接景生成的新方法、新思路，以改善拼接处理的可靠性、效率和精度，这对于保证卫星影像产品的辐射质量和几何质量等具有十分重要的意义。 

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法，该方法简单实用，可通过对非共线TDI CCD成像数据进行内视场拼接处理形成空间上连续无缝的完整虚拟扫描景。 

本发明提供的技术方案是：通过对每片TDI CCD获取的影像进行沿轨方向上的一维重采样，以实现行频归一化处理，从而使相邻TDI CCD影像的偏移量近似于常量，从而为基于片间平移的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接创造有利条件，最终形成空间上连续无缝的完整虚拟扫描景。该方法简单、易于实现，对多片TDI CCD成像的行积分时间跳变、片间不同步等情况，具有较强的适用性和通用性。 

高分辨率光学相机的焦平面上按非共线方式排列着N片TDI CCD，N为2～20；N片TDICCD同时对地面推扫成像，获取N片TDI CCD影像，第i片TDI CCD影像的行数为Row_i，列数为第i片TDI CCD传感器一行的像元个数Col_i，这里，i＝1，2，3，...N。基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法，包括以下步骤： 

一、提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息。 

1)从辅助数据中提取第i(i＝1，2，3，...N)片TDI CCD影像的行积分时间跳变次数k_i以及每次跳变所对应的扫描行号l_j，这里j＝1，2，3，...k_i； 

2)将影像分为k_i+1段，每段影像的行积分时间周期为t_m，且行号范围为[ls_m，le_m]，这里，m＝1，2，3，...k_i+1，于是， 

当m＝1时，ls_m＝0，le_m＝l₁； 

当1＜m＜k_i+1时，ls_m＝l_m-1，le_m＝l_m； 

当m＝k_i+1时， 

le_m＝Row_i； 

3)基于公式(1)，计算这k_i+1段影像各自的成像时间范围[Ts_m，Te_m]； 

Ts_m＝T₀      (m＝1) 

Ts_m＝Te_m-1   (m＝2，3，...k_i+1)   (1) 

${\mathrm{Te}}_m=T_0+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{le}}_j-{\mathrm{ls}}_j)\×t_j,(m=\mathrm{1,2,3},\·\·\·k_i+1)$

其中，T₀是成像起始时刻； 

二、提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息。 

1)按照公式(2)计算各TDI CCD成像的时间长度P； 

$P=\underset{m=1}{\overset{k_i+1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{le}}_m-{\mathrm{ls}}_m)\×t_m,(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·N)---\left(2\right)$

2)取各片TDI CCD影像扫描行数的最大值 

作为行频归一化处理后影像的行数； 

3)基于公式(4)计算行频归一化后的行积分时间lt； 

$\mathrm{lt}=\frac{P}{L}---\left(3\right)$

三、对N片TDI CCD影像分别进行行频归一化处理。 

1)对于行频归一化处理后的第i片TDI CCD影像，其列数仍为Col_i，行数则变为L；令(p′，q′)为其上某一像点的像素坐标，基于公式(4)计算该像点的成像时刻Tc； 

Tc＝lt×q′    (4) 

2)Tc位于第m(m＝1，2，3，...k_i+1)段成像时间范围内，即满足Ts_m≤Tc≤Te_m，根据公式(5)计算像点(p′，q′)在原始第i片TDI CCD影像上的像素坐标(p，q)，进而通过灰度内插得到其灰度值； 

$q=\frac{{\mathrm{ls}}_m+(\mathrm{Tc}-{\mathrm{Ts}}_m)}{t_m}---\left(5\right)$

p＝p′ 

这样，对Row_i×L个像素依次进行像点坐标和灰度内插计算，输出行频归一化处理后 的第i片TDI CCD影像； 

四、对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行平移拼接。 

1)提取行频归一化处理后的相邻TDI CCD影像的连接点，得到片间偏移量的近似常数； 

2)根据偏移量，对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行两两平移拼接。 

本发明通过对非共线TDI CCD相机的每片TDI CCD获取的影像进行行频归一化处理，使得重采样后的影像上每一条扫描行的积分时间相同，从而为基于片间相对平移的非共线TDICCD成像数据内视场拼接创造条件，最终形成空间上连续无缝的完整虚拟扫描景。本发明简单实用，对多片TDI CCD成像的行积分时间跳变、片间不同步等情况，具有较强的适用性和通用性。 

附图说明

图1是三片非共线TDI CCD成像的原理示意图：(a)相机焦面结构；(b)推扫成像模式；(c)原始影像坐标系。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。图1以最简单的三片TDI CCD为例，给出了非共线TDI CCD相机推扫成像模式的示意图。三片TDI CCD按品字形偏场排列于相机焦平面(图1(a))，沿卫星轨道推扫成像时三片TDI CCD共享一套轨道、姿态和相机外部参数(图1(b))，将三片TDI CCD影像按成像时间(行计数)对齐后形成原始影像(图1(c))，图中p1和p2分别为左片TDI CCD影像和中间片TDI CCD影像的一对同名点，点P是对应的物点。 

高分辨率光学相机的焦平面上按非共线方式排列着N片TDI CCD，N为2～20；N片TDICCD同时对地面推扫成像，获取N片TDI CCD影像，每片影像的行数为Row_i，列数为其TDI CCD传感器一行的像元个数Col_i，这里，i＝1，2，3，...N。基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法，包括以下步骤： 

第一阶段：提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息。 

1)从辅助数据中提取第i(i＝1，2，3，...N)片TDI CCD影像的行积分时间跳变次数k_i以及每次跳变所对应的扫描行号l_j，这里j＝1，2，3，...k_i； 

2)将影像分为k_i+1段，每段影像的行积分时间周期为t_m，且行号范围为[ls_m，le_m]，这里，m＝1，2，3，...k_i+1，于是， 

当m＝1时，ls_m＝0，le_m＝l1； 

当1＜m＜k_i+1时，ls_m＝l_m-1，le_m＝l_m； 

当m＝k_i+1时， le_m＝Row_i； 

3)基于公式(1)，计算这k_i+1段影像各自的成像时间范围[Ts_m，Te_m]； 

Ts_m＝T₀       (m＝1) 

Ts_m＝Te_m-1    (m＝2，3，...k_i+1)   (1) 

${\mathrm{Te}}_m=T_0+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{le}}_j-{\mathrm{ls}}_j)\×t_j,(m=\mathrm{1,2,3},\·\·\·k_i+1)$

其中，T₀是成像起始时刻； 

第二阶段：提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息。 

1)按照公式(2)计算各TDI CCD成像的时间长度P； 

$P=\underset{m=1}{\overset{k_i+1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{le}}_m-{\mathrm{ls}}_m)\×t_m,(i=\mathrm{1,2,3},\·\·\·N)---\left(2\right)$

2)取各片TDI CCD影像扫描行数的最大值 

作为行频归一化处理后影像的行数； 

3)基于公式(4)计算行频归一化后的行积分时间lt； 

$\mathrm{lt}=\frac{P}{L}---\left(3\right)$

第三阶段：对N片TDI CCD影像分别进行行频归一化处理。 

1)对于行频归一化处理后的第i片TDI CCD影像，其列数仍为Col_i，行数则变为L；令(p′，q′)为其上某一像点的像素坐标，基于公式(4)计算该像点的成像时刻Tc； 

Tc＝lt×q′    (4) 

2)Tc位于第m(m＝1，2，3，...k_i+1)段成像时间范围内，即满足Ts_m≤Tc≤Te_m，根据公式(5)计算像点(p′，q′)在原始第i片TDI CCD影像上的像素坐标(p，q)，进而通过灰度内插得到其灰度值； 

$q=\frac{{\mathrm{ls}}_m+(\mathrm{Tc}-{\mathrm{Ts}}_m)}{t_m}---\left(5\right)$

p＝p′ 

这样，对Row_i×L个像素依次进行像点坐标和灰度内插计算，输出行频归一化处理后的第i片TDI CCD影像； 

第四阶段：对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行平移拼接。 

1)提取行频归一化处理后的相邻TDI CCD影像的连接点，得到片间偏移量的近似常数； 

2)根据偏移量，对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行两两平移拼接。 

大量测试和实践结果表明，该方法基本上能满足子像素级的拼接精度。尽管当地形起伏较大时，局部拼接精度会稍有影响。与传统的平移拼接方法相比，该方法顾及了行积分时间跳变、片间行频不一致等因素对非共线TDI CCD成像的影响，具有较高的可靠性。 

Claims (1)

1.基于行频归一化的非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法，包括以下步骤：

一、提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息：

1)高分辨率光学相机的焦平面上按非共线方式排列着N片TDI CCD，N为2～20；

N片TDI CCD同时对地面推扫成像，获取N片TDI CCD影像，第i片TDI CCD影像的行数为Row_i，列数为第i片TDI CCD传感器一行的像元个数Col_i，i＝1，2，3，...N；

2)从辅助数据中提取第i片TDI CCD影像的行积分时间跳变次数k_i以及每次跳变所对应的扫描行号l_j，j＝1，2，3，...k_i；

3)将影像分为k_i+1段，每段影像的行积分时间周期为t_m，且行号范围为[ls_m，le_m]，m＝1，2，3，...k_i+1，于是，

当m＝1时，ls_m＝0，le_m＝l₁；

当1＜m＜k_i+1时，ls_m＝l_m-1，le_m＝l_m；

当m＝k_i+1时， 

le_m＝Row_i；

4)基于公式(1)，计算这k_i+1段影像各自的成像时间范围[Ts_m，Te_m]；

Ts_m＝T₀                      (m＝1)

Ts_m＝Te_m-1                   (m＝2，3，... k_i+1)   (1)

(m＝1，2，3，...k_i+1)

其中，T₀是成像起始时刻；

二、提取每片TDI CCD影像的行积分时间信息：

1)按照公式(2)计算各TDI CCD成像的时间长度P；

(i＝1，2，3，...N)         (2)

2)取各片TDI CCD影像扫描行数的最大值 作为行频归一化处理后影像的行数；

3)基于公式(3)计算行频归一化后的行积分时间lt；

三、对N片TDI CCD影像分别进行行频归一化处理：

1)对于行频归一化处理后的第i片TDI CCD影像，其列数仍为Col_i，行数则变为L；令(p′，q′)为其上某一像点的像素坐标，基于公式(4)计算该像点的成像时刻Tc； 

Tc＝lt×q′      (4)

2)Tc位于第m段成像时间范围内，m＝1，2，3，...k_i+1，即满足Ts_m≤Tc≤Te_m，根据公式(5)计算像点(p′，q′)在原始第i片TDI CCD影像上的像素坐标(p，q)，进而通过灰度内插得到其灰度值；

p＝p′

这样，对Row_i×L个像素依次进行像点坐标和灰度内插计算，输出行频归一化处理后的第i片TDI CCD影像；

四、对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行平移拼接：

1)提取行频归一化处理后的相邻TDI CCD影像的连接点，得到片间偏移量的近似常数；

2)根据偏移量，对行频归一化处理后的N片TDI CCD影像进行两两平移拼接。 

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