CN102243299B

CN102243299B - 无人机载sar图像正射纠正装置

Info

Publication number: CN102243299B
Application number: CN 201110083967
Authority: CN
Inventors: 段连飞; 黄国满; 王占操; 张东升; 陈荣刚; 王晶; 戴少华; 刘剑
Original assignee: 段连飞
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: CN102243299A

Abstract

一种无人机载SAR图像正射纠正装置，包括航空像片DEM数据提取模块、SAR图像正射纠正模块、正射图像应用模块；航空像片DEM数据提取模块采用无人机航空像片提取DEM数据，然后进行像片定向解算，再实现DEM数据的提取，再对DEM数据进行粗差剔除，同时对航空像片进行几何纠正，纠正的像片、DEM粗差剔除以后的数据与经SAR图像正射纠正模块纠正后的SAR图像进入正射图像应用模块实现图像融合处理；SAR图像正射纠正模块依据基于高程改正的多项式SAR纠正模型和控制点信息进行定向参数解算，在正射纠正过程中需要DEM数据作为基础，解算以后的数据经过正射纠正精度分析后输出到正射图像应用模块。本发明的优点是：技术针对性强、解算可靠性和纠正精度高、纠正成功率高。

Description

无人机载SAR图像正射纠正装置

【技术领域】

本发明涉及无人机技术，具体地说是涉及一种无人机载SAR图像正射纠正装置。

【背景技术】

合成孔径雷达(SAR)是六十年代末发展起来的先进的雷达探测系统。美国是最早研制此类雷达的国家之一。早期的全盛孔径雷达安装在有人驾驶飞机上。当时的合成孔径雷达存在距离分辨率较低、实时数据处理能力弱等不足。随着现代电子技术，计算机技术和航天技术的发展，合成孔径雷达技术已经逐步走向成熟，并从只能安装在有人驾驶的飞机上转向安装在无人驾驶飞机和宇宙飞行器等多种空(天)工作平台上。我国的合成孔径雷达研制工作70年代中期开始起步，目前已进入实际应用阶段，在国土测绘，资源普查、城市规划、重点工程选址、抢险救灾等领域发挥了重要作用。

在无人机信息处理方面，正射影像是一种基础性的产品。正射影像不仅统一了图像比例尺利于图像判读，而且可以和DEM(数字高程模型)数据结合用于电子沙盘的制作，具有广泛的用途。但是从无人机载SAR图像处理设备和技术来看，存在以下缺点：

(1)缺少正射纠正的设备

由于SAR是一种新的无人机任务载荷，目前对SAR图像进行处理的技术和设备还不完善，没有无人机载SAR图像正射纠正的方法和设备。

(2)现有技术和设备无法应用

目前，有人机载SAR图像处理有一套完善的测绘保障体系，且有人机飞行稳定性好，成像幅面大，容易选择纠正基础信息；无人机飞行稳定性差，成像幅面小，且没有良好的测绘保障，往往纠正的基础信息无法满足，造成了有人机载SAR图像正射纠正设备无法满足无人机的信息处理需要。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种无人机载SAR图像正射纠正装置，满足了无人机载SAR图像使用部门对正射图像的要求。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种无人机载SAR图像正射纠正装置，包括航空像片DEM数据提取模块、SAR图像正射纠正模块、正射图像应用模块；

航空像片DEM数据提取模块采用无人机航空像片提取DEM数据，然后进行相片定向解算，再实现DEM数据的提取，获取到DEM数据为粗数据，再对DEM数据进行粗差剔除，该模块同时对航空像片进行几何纠正，纠正的像片、DEM粗差剔除以后的数据与经SAR图像正射纠正模块纠正后的SAR图像进入正射图像应用模块实现图像融合处理；

SAR图像正射纠正模块依据基于高程改正的多项式SAR纠正模型和控制点信息，进行定向参数解算，该模块在正射纠正过程中需要DEM数据作为基础，该数据从航空像片DEM数据提取模块中直接获取，定向参数解算以后的SAR图像经过正射纠正精度分析后作为正射图像输出到正射图像应用模块。

本发明进一步具体为：

所述正射图像应用模块由三维显示与漫游、图像融合、平面坐标拾取功能子模块以及手轮、脚盘、脚踏、三维鼠标外设组成，在外设的控制下，实现DEM支持下的SAR三维再现与漫游、航空像片与SAR正射图像的融合处理，以及指定目标点的平面坐标拾取。

所述航空像片DEM数据提取模块中，航空像片定向解算包括：首先进行无人机航空像片内定向，完成图像坐标到像方坐标的转换；其次，通过影像匹配实现左右影像同名点的自动识别，并进行相对定向解算；再次，通过绝对定向解算，实现立体模型坐标到大地坐标的转换。

所述航空像片DEM数据提取模块中，航空像片几何纠正为依据像片的已知检校信息对像片的几何变形进行纠正。

所述航空像片DEM数据提取模块中，DEM数据提取包括：在航空像片定向解算的基础上，根据SAR图像收容面积，自动划定DEM提取的源像片范围，进行DEM数据提取，DEM数据提取的间隔设置要结合航空像片的摄影航高和扫描分辨率考虑，同时也要考虑到航摄相机的焦距因素，设扫描分辨率为s，航高为H，航摄相机焦距为f，则DEM数据提取间隔最小设置为(H*5)/(f*s)米。

所述航空像片DEM数据提取模块中，DEM数据进行粗差剔除包括：采用基于坡度信息的格网数据粗差处理方法，对DEM粗数据进行粗差检测处理；而后采用基于移动曲面拟合方法对DEM数据进行内插处理，生成规则格网型DEM数据文件。

在粗差检测中，计算待检测点周围24个点的坡度和坡度变化率，并建立坡度多项式曲面和坡度变化率曲面，当待检测点坡度和坡度变化率到曲面的距离均同时超过一定阈值，则视该点需要剔除，并用DEM曲面拟合值来代替当前的粗差值；在DEM数据内插过程中，采用内插位置周围至少7个点构建内插拟合曲面，求解内插点的高程值，当该点处理完毕，移动到下一个位置，按照规则依次进行内插。

所述SAR图像正射纠正模块中，SAR图像正射纠正包括：

首先，依据纠正数学模型，利用地面控制点以及SAR技术参数进行定向参数解算；其次，进行逐点坐标映射，设正射图像上任意一点p的坐标为(X′，Y′)，由正射图像左下角图廓点地面坐标(X₀，Y₀)与正射图像比例尺分母M计算p点对应的地面坐标(X_p，Y_p)，计算地面点坐标，进而依据纠正模型，由p(X，Y，Z)计算出SAR图像像点坐标p(x，y)，其中Z是P点的高程，由DEM内插求得，DEM数据为经过粗差检测和内插处理后的数据；再次，灰度内插，由于所得的像点坐标不一定落在像元素中心，为此必须进行灰度内插，综合计算量和内插精度，采用双线性内插，求得像点p的灰度值g(x，y)；最后，灰度赋值，将像点p的灰度赋值给纠正后像元素，依次对每个纠正像元素完成上述运算，即能获得SAR正射图像。

所述SAR图像正射纠正模块中，正射纠正精度分析包括：对经过SAR图像正射纠正的结果图像进行纠正精度分析，若检查点的纠正精度不满足指标要求，则需要重新检查DEM数据和控制点数据的精度，去除或替换误差过大的数据，重新进行正射图像提取。

所述SAR图像正射纠正模块中，控制点由地形图上读取或者从同一区域的航空像片上读取，对于摄影比例尺较大、覆盖范围小的SAR图像，则从几何纠正后的航空像片上获取。

本发明的优点是：

1.技术针对性强。本方法针对无人机载SAR图像的特点，提出了包括纠正模型在内的一整套正射纠正方法和实现机制，克服传统有人机载SAR图像处理方法无法移植使用的问题，解决当前尚没有无人机载正射纠正设备的难题。

2.解算可靠性和纠正精度高。针对目前通常使用的SAR图像正射纠正模型(非线性方程)会出现迭代不回归问题，提出了基于高程改正的多项式纠正模型，该模型即避免了不回归解算的问题，提高了解算可靠性，又考虑到了地形起伏引起的误差改正，具有较高的纠正精度，多次纠正试验验证本方法的精度(小于6像素)高于现有方法(小于8像素)。

3.纠正成功率高。对于信息贫乏区或当无人机载SAR图像收容面积较小时，往往是获取不到正射纠正所需的DEM数据，造成纠正处理失败。本方法提出综合使用无人机航空像片进行DEM数据提取，克服传统SAR图像正射纠正数据来源单一的问题，从而提高了纠正成功率。

【附图说明】

图1为本发明无人机载SAR图像正射纠正装置的模块组成框图；

图2为本发明无人机载SAR图像正射纠正装置的SAR图像正射纠正流程图。

【具体实施方式】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1，所述无人机载SAR图像正射纠正装置包括航空像片DEM数据提取模块、SAR图像正射纠正模块、正射图像应用模块三个部分。

1.航空像片DEM数据提取模块

DEM数据是无人机载SAR图像正射纠正的基础数据，本装置采用无人机航空像片提取DEM数据，该模块在像片内定向、相对定向、绝对定向的前提下，实现DEM数据的提取，获取到DEM数据为粗数据，还需要对DEM数据进行粗差剔除、内插处理，提高DEM数据的精度，DEM数据除了是SAR图像正射纠正的基础数据，同时也是正射图像应用中三维显示的支撑数据。该模块同时要对航空像片进行几何纠正，纠正的像片与正射纠正后的SAR图像进入正射图像应用模块实现图像融合处理，满足图像分析和图像解译使用需求。

2.SAR图像正射纠正模块

SAR图像正射纠正的实现是建立在SAR纠正模型基础之上的，依据基于高程改正的多项式SAR纠正模型和控制点信息，进行定向参数解算，控制点的精度决定着模型参数的求解精度，控制点可以由地形图上读取，也可从同一区域的航空像片上读取。对于摄影比例尺较大、覆盖范围小的SAR图像，为了保证一定的精度，则需要从几何纠正后航空像片上获取。该模块在正射纠正过程中需要DEM数据作为基础，该数据从航空像片DEM数据提取模块中直接获取。正射纠正的精度分析是保证正射处理可靠、稳定的一项重要工作，精度分析中将检查点代入纠正模型进行计算，给出精度评定的定量值。

3.正射图像应用模块

该模块主要由三维显示与漫游、图像融合、平面坐标拾取功能子模块以及手轮、脚盘、脚踏、三维鼠标外设组成。在外设的控制下，可以实现DEM支持下的SAR三维再现与漫游；可以实现航空像片与SAR正射图像的融合处理，满足无人机多源图像分析需要；可以实现指定目标点的平面坐标拾取，使无人机载SAR图像单片定位成为可能。

(二)主要技术指标

1.DEM数据提取精度：≤5米

2.纠正精度(RMS)：＜6像素

3.单片定位精度(RMS)：＜10米

4.图像融合精度：＜6像素

(三)操作过程

装置的简要操作过程为：

1.航空像片定向解算

首先进行无人机航空像片内定向，完成图像坐标到像方坐标的转换；其次，通过影像匹配实现左右影像同名点的自动识别，并进行相对定向解算；再次，通过绝对定向解算，实现立体模型坐标到大地坐标的转换。

2.航空像片几何纠正

依据像片的已知检校信息对像片的几何变形进行纠正。

3.DEM数据提取

在航空像片定向解算的基础上，根据SAR图像收容面积，自动划定DEM提取的源像片范围，进行DEM数据提取，DEM数据提取的间隔设置要结合航空像片的摄影航高和扫描分辨率考虑，同时也要考虑到航摄相机的焦距因素，一般情况下，设扫描分辨率为s(单位：像素/米)，航高为H(单位：米)，航摄相机焦距为f(单位：米)，则DEM数据提取间隔最小设置为(H*5)/(f*s)米。

4.DEM数据处理

经过初步的DEM数据提取，取得了DEM的粗数据，这些数据中还存在错误和误差较大的数据点，采用基于坡度信息的格网数据粗差处理方法，对DEM粗数据进行粗差检测处理，在粗差检测中，计算待检测点周围24个点的坡度和坡度变化率，并建立坡度多项式曲面和坡度变化率曲面，当待检测点坡度和坡度变化率到曲面的距离均同时超过一定阈值(一般设为2倍方差)，则视该点需要剔除，并用DEM曲面拟合值来代替当前的粗差值；而后采用基于移动曲面拟合方法对DEM数据进行内插处理，生成规则格网型DEM数据文件，在DEM数据内插过程中，采用内插位置周围至少7个点构建内插拟合曲面，求解内插点的高程值，当该点处理完毕，移动到下一个位置，按照规则依次进行内插。。

5.SAR图像正射纠正

首先，依据纠正数学模型，利用地面控制点以及SAR技术参数进行定向参数解算；其次，进行逐点坐标映射，设正射图像上任意一点p的坐标为(X′，Y′)，由正射图像左下角图廓点地面坐标(X₀，Y₀)与正射图像比例尺分母M计算p点对应的地面坐标(X_p，Y_p)，计算地面点坐标，进而依据纠正模型，由p(X，Y，Z)计算出SAR图像像点坐标p(x，y)，其中Z是P点的高程，由DEM内插求得，DEM数据为经过粗差检测和内插处理后的数据；再次，灰度内插，由于所得的像点坐标不一定落在像元素中心，为此必须进行灰度内插，综合计算量和内插精度，采用双线性内插，求得像点p的灰度值g(x，y)；最后，灰度赋值，将像点p的灰度赋值给纠正后像元素，依次对每个纠正像元素完成上述运算，即能获得SAR正射图像，纠正流程如图2所示。

6.正射纠正精度分析

对经过SAR图像正射纠正的结果图像进行纠正精度分析，若检查点的纠正精度不满足指标要求，则需要重新检查DEM数据和控制点数据的精度，去除或替换误差过大的数据，重新进行正射图像提取。

7.正射图像输出

对于精度满足指标要求的正射图像，可以输出作为信息处理产品，可以输出至正射图像应用模块内综合DEM数据实现三维再现可以综合航空像片实现无人机多源图像融合，也可以直接从正射图像上读取目标平面坐标。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：包括航空像片DEM数据提取模块、SAR图像正射纠正模块、正射图像应用模块；

SAR图像正射纠正模块依据基于高程改正的多项式SAR纠正模型和控制点信息，进行定向参数解算，该模块在正射纠正过程中需要DEM数据作为基础，该数据从航空像片DEM数据提取模块中直接获取，定向参数解算以后的SAR图像经过正射纠正精度分析后作为正射图像输出到正射图像应用模块；

所述正射图像应用模块由三维显示与漫游、图像融合、平面坐标拾取功能子模块以及手轮、脚盘、脚踏、三维鼠标外设组成，在外设的控制下，实现DEM支持下的SAR三维再现与漫游、航空像片与SAR正射图像的融合处理，以及指定目标点的平面坐标拾取，其主要技术指标为：1.DEM数据提取精度：≤5米；2.纠正精度(RMS)：＜6像素；3.单片定位精度(RMS)：＜10米；4.图像融合精度：＜6像素；

所述SAR图像正射纠正模块中，SAR图像正射纠正包括：首先，依据纠正数学模型，利用地面控制点以及SAR技术参数进行定向参数解算；其次，进行逐点坐标映射，设正射图像上任意一点p的坐标为(X′，Y′)，由正射图像左下角图廓点地面坐标(X₀，Y₀)与正射图像比例尺分母M计算p点对应的地面坐标(X_p，Y_p)，计算地面点坐标，进而依据纠正模型，由p(X，Y，Z)计算出SAR图像像点坐标p(x，y)，其中Z是p点的高程，由DEM内插求得，DEM数据为经过粗差检测和内插处理后的数据；再次，灰度内插，由于所得的像点坐标不一定落在像元素中心，为此必须进行灰度内插，综合计算量和内插精度，采用双线性内插，求得像点p的灰度值g(x，y)；最后，灰度赋值，将像点p的灰度赋值给纠正后像元素，依次对每个纠正像元素完成上述运算，即能获得SAR正射图像。

2.如权利要求1所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：所述航空像片DEM数据提取模块中，航空像片定向解算包括：首先进行无人机航空像片内定向，完成图像坐标到像方坐标的转换；其次，通过影像匹配实现左右影像同名点的自动识别，并进行相对定向解算；再次，通过绝对定向解算，实现立体模型坐标到大地坐标的转换。

3.如权利要求1所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：所述航空像片DEM数据提取模块中，航空像片几何纠正为依据像片的已知检校信息对像片的几何变形进行纠正。

4.如权利要求1或2所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：所述航空像片DEM数据提取模块中，DEM数据提取包括：在航空像片定向解算的基础上，根据SAR图像收容面积，自动划定DEM提取的源像片范围，进行DEM数据提取，DEM数据提取的间隔设置要结合航空像片的摄影航高和扫描分辨率考虑，同时也要考虑到航摄相机的焦距因素，设扫描分辨率为s，航高为H，航摄相机焦距为f，则DEM数据提取间隔最小设置为(H*5)/(f*s)米。

5.如权利要求4所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：所述航空像片DEM数据提取模块中，DEM数据进行粗差剔除包括：采用基于坡度信息的格网数据粗差处理方法，对DEM粗数据进行粗差检测处理；而后采用基于移动曲面拟合方法对DEM数据进行内插处理，生成规则格网型DEM数据文件。

6.如权利要求5所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：在粗差检测中，计算待检测点周围24个点的坡度和坡度变化率，并建立坡度多项式曲面和坡度变化率曲面，当待检测点坡度和坡度变化率到曲面的距离均同时超过一定阈值，则视该点需要剔除，并用DEM曲面拟合值来代替当前的粗差值；在DEM数据内插过程中，采用内插位置周围至少7个点构建内插拟合曲面，求解内插点的高程值，当该点处理完毕，移动到下一个位置，按照规则依次进行内插。

7.如权利要求1所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：所述SAR图像正射纠正模块中，正射纠正精度分析包括：对经过SAR图像正射纠正的结果图像进行纠正精度分析，若检查点的纠正精度不满足指标要求，则需要重新检查DEM数据和控制点数据的精度，去除或替换误差过大的数据，重新进行正射图像提取。

8.如权利要求1所述的无人机载SAR图像正射纠正装置，其特征在于：所述SAR图像正射纠正模块中，控制点由地形图上读取或者从同一区域的航空像片上读取，对于摄影比例尺较大、覆盖范围小的SAR图像，则从几何纠正后的航空像片上获取。