CN102243074A

CN102243074A - 基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法

Info

Publication number: CN102243074A
Application number: CN2010101720228A
Authority: CN
Inventors: 顾行发; 余涛; 臧文乾; 郭红; 孟庆岩; 徐辉
Original assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS; Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: CN102243074B

Abstract

本发明的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，具体步骤为：1)选取DEM数据构建三维地形场景；2)根据传感器内、外方位元素模拟由传感器位置和姿态确定的投射光线；3)对三维地形场景和投射光线进行求交计算，获取框幅式航空遥感影像在地形起伏状态下的影像覆盖的几何变形；4)运用计算机3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。本发明针对航空遥感框幅式相机成像过程中，可能出现的影像几何变形进行了仿真，以成像机理为基础，可视化展示了航空遥感成像的过程。通过本发明的模拟，用户可以模拟由于航空平台(飞机等)的抖动导致的姿态变化、传感器参数变化、地形起伏变化等因素影像下造成的影像几何变形。

Description

基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法

技术领域

本发明涉及航空遥感成像领域，尤指一种航空遥感成像几何变形仿真方法。

背景技术

目前以面阵CCD相机为基础的航空数字遥感系统是遥感学科发展的重要方向。针对航空遥感影像成像特点，开展与影像几何处理相关问题的研究具有重要的现实意义和应用价值，因为这有助于保证图像较高的几何定位精度和图像几何质量，进而充分发挥该传感器图像数据的应用效力。

要处理大量的不同成像类型的遥感数据，就必须为每种数据源建立与其对应的影像几何模型以实现遥感影像的定位。因此，遥感影像的定位技术的关键是建立传感器成像的数学模型。

遥感传感器成像模型是建立影像上像素点和地物点之间坐标相互换算的模型，地物点的像平面坐标(x，y)与其对应的地面点物空间坐标(X，Y，Z)之间的数学关系可以通过传感器成像模型建立起来。传感器成像模型的目的是为了正确描述物方空间坐标系中的地面点坐标与它在影像平面上像点坐标之间的几何关系。传感器成像模型也是进行图像几何性能在轨测试和评价、图像几何校正以及图像应用的基础。因此，要有效地使用遥感卫星影像必须首先解决传感器的成像模型问题。

遥感传感器的成像模型通常可分为两大类：严密传感器成像模型和通用传感器成像模型。严密传感器成像模型与传感器的物理和几何特性紧密相关，由于每个遥感传感器的探测器、光学系统以及卫星本体坐标的不同，每个遥感传感器的严密成像模型也不同，它依据传感器成像特性，利用成像瞬间地面点、传感器镜头透视中心和相应像点在一条直线上的严格几何关系建立的数学模型。

随着遥感技术和航天技术的发展，传感器的构造越来越复杂，探测器件、成像方式也会发生了很大变化，严密传感器成像模型繁杂的操作文档也势必给用户带来极大的不便。比较起来，通用传感器成像模型并不要求了解传感器的实际成像过程，应用上独立于传感器的类型，与具体传感器无关、直接以形式简单的数学函数如一般多项式、有理函数等描述地面点和相应像点之间关系的数学模型，因此它适用于不同类型的传感器。其既可以简化与影像终端用户的接口，又可以隐藏出于技术保密的目的暂时不向用户公开的轨道参数和成像参数。

以有理函数模型拟合严密传感器成像模型已成为对遥感影像进行定位处理的主要形式之一。但是，包括有理函数模型在内的几种通用传感器成像模型都依赖一定数量的地面控制点，有的甚至多达几十个。在通常情况下，测量地面控制点需要花费巨大的人力、物力和财力，即使能够利用现有的大比例尺地形图也费时费力且精度上很难保证。因此，研究不用控制点或者用少量地面控制点来确定从影像到地面目标的成像模型就更具有重要的价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用光线追踪技术，结合航空遥感成像模型，在虚拟三维地形场景中再现了航空影像成像的几何变形的仿真方法。

为实现上述目的，本发明的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，具体步骤为：1)选取DEM数据构建三维地形场景；2)根据传感器内、外方位元素模拟由传感器位置和姿态确定的投射光线；3)对三维地形场景和投射光线进行求交计算，获取框幅式航空遥感影像在地形起伏状态下的影像覆盖的几何变形；4)运用计算机3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。

进一步，步骤1)中选取地形起伏变化明显的DEM数据，以JAVA3D或openGL或Direct3D技术进行三维地形场景的构建。

进一步，所述三维地形场景以三角形面为最小基元。

进一步，步骤2)中通过计算机图形学中坐标转换和投影转换算法，模拟由传感器探元发出的光线在步骤1)中构建的三维地形场景中所能拍摄到的地面位置和范围。

进一步，传感器投影中心在空间坐标系中的位置与姿态决定传感器的发射光线的位置与方向，传感器内、外方位元素描述了传感器投影中心的位置和姿态。

进一步，内方位元素描述投影中心与影像像元之间相关位置的参数，外方位元素确定投影光束在投影瞬间的空间位置和姿态的参数。

进一步，步骤2)中投射光线模拟具体步骤为：根据传感器内方位元素和传感器视场角确定投射光线在影像坐标系下的位置和方向，通过坐标转换将影像坐标系下的投射光线位置和方向转换到地面全局坐标系下。

进一步，所述影像坐标系为以传感器投影中心位置为原点，航空平台飞行方向为X轴，垂直于影像方向指向天空为Z轴，X轴与Z轴的叉乘确定Y轴；所述地面全局坐标系的坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点。

进一步，步骤3)中三维地形场景和投射光线求交计算具体为：判断投射光线所在射线与三维地形场景中三角形所在平面是否相交并计算交点，该交点即为传感器在起伏地形上的投影点，从而确定传感器探元空间采样地物点与影像像元的对应关系，确定影像像元在地球表面的投影位置，对传感器的探元进行逐个模拟，直到模拟全部传感器探元在地面上的投影定位，进行求出传感器地形覆盖的几何变形。

进一步，投射光线所在射线与三维地形场景中三角形所在平面求交计算包括减少线面相交计算的剔除算法，具体为：将投射光线所在射线看作平面一和平面二的交线，先对三维地形场景中所有三角形平面与平面一进行相交测试，然后将与平面一相交的三角形平面和平面二进行相交测试，来排除不能与投射光线所在射线相交的三维地形场景中的众多三角形平面。

进一步，步骤4)中的计算机3D图形可视化技术包括openGL、Directe3D和JAVA3D技术。

本发明针对航空遥感框幅式相机成像过程中，可能出现的影像几何变形进行了仿真，以成像机理为基础，可视化展示了航空遥感成像的过程。通过本发明的模拟，用户可以模拟由于航空平台(飞机等)的抖动导致的姿态变化、传感器参数变化、地形起伏变化等因素影像下造成的影像几何变形。本发明可应用与航空遥感成像机理研究，为影像构像方程的建立提供虚拟实验平台。本发明能够模拟飞机在地形起伏状况下的地面投影区域，通过模拟指定航线下成像覆盖范围，能够预先对航空摄影航线下获取影像的质量进行评价，支持航线优化设计。

附图说明

图1为本发明的航空遥感成像几何变形仿真方法的流程图；

图2为地形起伏造成的像点位移；

图3为本发明几何变形仿真方法构建的DEM三维场景；

图4为飞行姿态外方位角元素示意图；

图5为射线与三角形求交算法示意图；

图6为光线与三角形求交运算的有效剔除算法示意图；

图7为不同观测角度和地形状况下的影像覆盖几何变形。

具体实施方式

本发明的航空遥感成像几何变形仿真方法是基于航空遥感成像原理和光线追踪技术，结合计算机图形学中坐标转换和投影转换算法，可以模拟由航空传感器探元发出的光线在DEM三维场景中的所能拍摄到的地面位置和范围，进而获得由于传感器倾斜和地形起伏影响的遥感影像几何变形。传感器成像几何变形仿真流程图如图1所示，输入DEM数据和传感器参数，DEM数据用于构建虚拟三维场景，传感器参数用于计算光线的位置和方向向量。在三维场景中影像像元成像模拟模块中，计算传感器中各探元的投射光线在地面上的投影位置。以上过程完成了整个仿真过程中的数据运算，为了能够对数据深入的理解和洞察，运用计算机3D图形可视化技术(如openGL，Direct3D等)，将计算结果在计算机虚拟3D环境中再现。对本发明的仿真方法具体介绍如下：

1.航空遥感成像几何变形原理

航空遥感因其机动灵活、空间分辨率高、平台可装载多种传感器，在波段、空间和时相的选择方面可根据应用需求而定，因而在国民经济各领域已获得了广泛应用。由于航空影像是中心投影，存在传感器倾斜和地形起伏两种误差影响，致使航空影像上有几何变形，各处比例尺不一致，相关方位发生变化，若要利用航空影像制作正射影像图是，必须消除倾斜误差和投影误差。这种几何变形主要由两种因素引起：地面水平时，传感器倾斜引起的像点位移及方向偏差；地形起伏在水平影像上引起的像点位移(物镜畸变、大气折光、地球曲率等造成的几何变形这里暂时不考虑)。

当传感器与地面水平时，设有地面任意点A，该点相对高程基准面的高度为h，在投影面上的成像点为a。A点在基准面上的对应投影点为A₀，A₀在投影面上的成像点为a₀。设O点为成像面底点，a₀点的坐标为y，对应的A点到中轴光线的距离为R，则aa₀＝δ_h即为地面起伏造成的像点偏移，如图2所示。

2.光线追踪技术

光线追踪技术是真实感计算机图形学中的主要算法之一，最基本的光线追踪算法是从光源发出光线，遇到物体表面发生反射和折射，光线沿着反射或折射的方向继续前进，直到遇到新的物体。实际的光线追踪算法的追踪方向是与光传播的方向相反的，是视线追踪。

3.算法原理

(1)DEM地形三维场景构建

实验数据选取地形起伏变化明显的DEM数据，以JAVA3D技术构建三维地形场景，如图3。图中以三角形面为最小基元，用于计算光线与地面的交点。

(2)光线追踪与传感器参数

本发明模拟从传感器发出的光线与模拟三维地形相交，求取交点位置及影像覆盖范围以确定遥感影像的几何变化，传感器投影中心在空间坐标系中的位置与姿态决定了发射光线的位置与方向。内、外方位元素描述了投影中心的位置和姿态，内方位元素描述投影中心与影像像元之间相关位置的参数，外方位元素度确定投影光束在投影瞬间的空间位置和姿态的参数。内方位元素一般视为已知，有制造厂家测得，外方位元素中飞行姿态参数在本体坐标系中描述，其空间姿态的三个参数是：翻滚(Roll)为绕本体坐标系Y轴(飞行方向)的旋转，俯仰(Pitch)为绕本体坐标系X轴(飞机横轴)的旋转，航偏(Yaw)为绕本体坐标系Z轴(右手规则确定)的旋转，见图4，曝光位置由投影中心在地面坐标系中的位置决定。

由以上可知，根据传感器内方位元素和FOV(传感器视场角)可确定光线在影像坐标系(以传感器投影中心位置为原点，航空平台飞行方向为X轴，垂直于影像方向指向天空为Z轴，X轴与Z轴的叉乘确定Y轴)下的位置和方向，设某点在影像(0XYZ)坐标系下的坐标为X，Y，Z；在地面(Oxyz)坐标系下的坐标为x，y，z。从OXYZ坐标系到Oxyz坐标系的转换为：

这里的θ和

分别是叶片法向在世界坐标系Oxyz下的天顶角和方位角(由外方位元素确定)。x，y，z为此点在叶片右手局部坐标系下的坐标分量，经上述转换矩阵，得到该点在右手地面坐标系下的坐标分量x，y，z。

由于投射光线的初始位置和方向是通过局部坐标系下传感器的物理参数确定的，为了与全局坐标系下的场景进行求交运算，有必要把投射光线的位置和方向转换到统一的全局坐标系下。通过以上坐标转换公式，可将影像坐标系下的投射光线位置和方向转换到地面全局坐标系(坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点)下，进行与地面坐标系下的三维地形场景的求交运算。本发明将传感器倾斜的几何因素加入光线追踪过程。

(3)光线追踪与地形起伏

本发明将模拟由传感器位置和姿态确定的投射光线与地形三维场景的求交过程，进而获取框幅式航空遥感影像在地形起伏状况下的影像覆盖的几何变形。这里将DEM三维地形场景面以连续的三角形面表示，将光线在地形表面定位的运算抽象成射线与三角形平面的求交运算。

射线与三角形的求交运算时计算机图形学中基本算法之一。光线与平面的求交运算也是光线追踪方法中最费时的计算，通过现有光线与平面求交运算的算法，本发明采用了Tomas Moller于1997年发表的文章中介绍的线面快速求交算法。

减少计算量的策略主要是：1、提高线面求交的速度；2、减少线面求交的次数。

1.线面求交算法

射线与多边形的求交算法基本都是先求出射线与多边形所在平面求交，然后判断交点是否在多边形内。但是针对计算机各种运算所需时间和空间代价的不同，可以进行人为的优化，但总体来说运行效率相差不大。本发明选取一种比较高效的线面求交算法，具体步骤如下：

设射线方程为R(t)＝O+tD，t≥0，其中R(t)表示射线，O表示射线的起始点，D表示射线的方向向量，t表示沿射线方向的距离。三角形内的一个点T(u，v)由下式给出：

T(u，v)＝(1-u-v)V₀+uV₁+vV₂，u≥0，v≥0，u+v≤1，求射线与平面的交点，联立以上两方程，得O+tD＝(1-u-v)V₀+uV₁+vV₂，即

[\begin{matrix} - D, & V_{1} - V_{0}, & V_{2} - V_{0} \end{matrix}] [\begin{matrix} t \\ u \\ v \end{matrix}] = O - V_{0}

设E₁＝V₁-V₀，E₂＝V₂-V₀，T＝O-V₀得

[\begin{matrix} t \\ u \\ v \end{matrix}] = \frac{1}{|\begin{matrix} - D, & E_{1}, & E_{2} \end{matrix}|} [\begin{matrix} |\begin{matrix} T, & E_{1}, & E_{2} \end{matrix}| \\ |\begin{matrix} - D, & T, & E_{2} \end{matrix}| \\ |\begin{matrix} - D, & E_{1}, & T \end{matrix}| \end{matrix}]

由于|A，B，C|＝-(A×C)·B＝-(C×B)·A，所以

[\begin{matrix} t \\ u \\ v \end{matrix}] = \frac{1}{(D \times E_{2}) \cdot E_{1}} [\begin{matrix} (T \times E_{1}) \cdot E_{2} \\ (D \times E_{2}) \cdot T \\ (T \times E_{1}) \cdot D \end{matrix}] = \frac{1}{P \cdot E_{1}} [\begin{matrix} Q \cdot E_{2} \\ P \cdot T \\ Q \cdot D \end{matrix}]

其中P＝D×E₂，Q＝T×E₁。

于是得到射线与三角形所在平面的交点。如果解满足条件t＞＝0、0＜＝u＜＝1且0＜＝v＜＝1，就说明射线与三角形相交。如图5所示。

交点为：

[\begin{matrix} x \\ y \\ z \end{matrix}] = [\begin{matrix} x_{A} \\ y_{A} \\ z_{A} \end{matrix}] + u [\begin{matrix} x_{B} - x_{A} \\ y_{B} - y_{A} \\ z_{B} - z_{A} \end{matrix}] + u [\begin{matrix} x_{C} - x_{A} \\ y_{C} - y_{A} \\ z_{C} - z_{A} \end{matrix}]

其中，(x_A、y_A、z_A)，(x_B、y_B、z_B)，(x_C、y_C、z_C)分别表示与光线相交的地面三角形基元的三个点，(x、y、z)是光线与地形表面的交点，即传感器像元在起伏地形上的投影点。

2.减少线面求交次数

由于直线可以看作两个互不平行的平面相交而成，与该直线相交的三角形必定与这两个互不平行的平面都相交，因此，只要与其中的一个平面不相交，那么该三角形就可以剔除出去。剩下的三角形必定与直线相交，此时再进行排序，得到与射线首先相交的三角形。此流程首先排除了不可能与射线相交的众多三角形，避免了大量线面相交测试计算。

如图6，有射线和5个三角形。将射线看作平面1和平面2的交线，先对所有三角形与平面1进行相交测试，得出三角形2和5与平面1相交，然后对三角形2和5与平面2进行相交测试，只有三角形5与平面2相交，于是得到与设想相交的三角形2。在大场景中与射线相交的三角形很多，因此还需要求各自交点与射线源点的距离，进行排序，取距离最小的三角形。

(4)光线追踪与几何变形

传感器倾斜和地形因素改变了遥感传感器空间成像的几何关系，是造成影像变形的主要原因。由于航空遥感平台飞行高度相对较低，地物高程与航高的可比性大，导致航空遥感影像受地形因素的影响较显著。为模拟传感器倾斜和地形因素对影像框幅几何变形的影像，根据传感器内方位元素和外方位元素，模拟从传感器发射的光线在三维地形场景中的运行轨迹，当其与地面相交，求出交点位置。通过以上模拟，可以确定传感器探元空间采样地物点的与影像像元的对应关系，即确定了影像像元在地球表面的投影位置。逐个探元进行模拟，直到模拟完全部传感器探元在地面上的投影定位，进而求出传感器地形覆盖的几何变形。本方法可以对遥感影像像元点在DEM数据上精确定位，影像像元的几何定位精度随着DEM数据经度的提高而提高，离散点的位置就是影像各像元在地面的投影位置。

图7为利用光线追踪技术模拟的不同观测角度和地形影像下的影像框幅的几何变形，从图中可以看出，在地形变化剧烈的情况下，影像框幅的几何变形多样性也会增加。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims

1.一种基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，具体步骤为：1)选取DEM数据构建三维地形场景；2)根据传感器内、外方位元素模拟由传感器位置和姿态确定的投射光线；3)对三维地形场景和投射光线进行求交计算，获取框幅式航空遥感影像在地形起伏状态下的影像覆盖的几何变形；4)运用计算机3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。

2.如权利要求1所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，步骤1)中选取地形起伏变化明显的DEM数据，以JAVA3D或openGL或Direct3D技术进行三维地形场景的构建。

3.如权利要求2所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，所述三维地形场景以三角形面为最小基元。

4.如权利要求1所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，步骤2)中通过计算机图形学中坐标转换和投影转换算法，模拟由传感器探元发出的光线在步骤1)中构建的三维地形场景中所能拍摄到的地面位置和范围。

5.如权利要求4所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，传感器投影中心在空间坐标系中的位置与姿态决定传感器的发射光线的位置与方向，传感器内、外方位元素描述了传感器投影中心的位置和姿态。

6.如权利要求5所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，内方位元素描述投影中心与影像像元之间相关位置的参数，外方位元素确定投影光束在投影瞬间的空间位置和姿态的参数。

7.如权利要求6所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，步骤2)中投射光线模拟具体步骤为：根据传感器内方位元素和传感器视场角确定投射光线在影像坐标系下的位置和方向，通过坐标转换将影像坐标系下的投射光线位置和方向转换到地面全局坐标系下。

8.如权利要求7所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，所述影像坐标系为以传感器投影中心位置为原点，航空平台飞行方向为X轴，垂直于影像方向指向天空为Z轴，X轴与Z轴的叉乘确定Y轴；所述地面全局坐标系的坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点。

9.如权利要求8所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，步骤3)中三维地形场景和投射光线求交计算具体为：判断投射光线所在射线与三维地形场景中三角形所在平面是否相交并计算交点，该交点即为传感器在起伏地形上的投影点，从而确定传感器探元空间采样地物点与影像像元的对应关系，确定影像像元在地球表面的投影位置，对传感器的探元进行逐个模拟，直到模拟全部传感器探元在地面上的投影定位，进行求出传感器地形覆盖的几何变形。

10.如权利要求9所述的基于光线追踪技术的航空遥感成像几何变形仿真方法，其特征在于，投射光线所在射线与三维地形场景中三角形所在平面求交计算包括减少线面相交计算的剔除算法，具体为：将投射光线所在射线看作平面一和平面二的交线，先对三维地形场景中所有三角形平面与平面一进行相交测试，然后将与平面一相交的三角形平面和平面二进行相交测试，来排除不能与投射光线所在射线相交的三维地形场景中的众多三角形平面。