CN103398701B - 一种基于物方投影面的星载非共线tdi ccd影像拼接方法 - Google Patents

Abstract

一种基于物方投影面的星载非共线时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)影像拼接方法，包括以下步骤：(a).利用非共线TDI CCD相机获取非共线TDI CCD影像，建立所述非共线TDI CCD影像的传感器几何模型；(b).定义物方投影面；(c).根据所述的传感器几何模型和所定义的物方投影面建立拼接影像与所述非共线TDI CCD影像之间的像点坐标映射关系；(d).根据所述拼接影像与所述非共线TDI CCD影像之间的像点坐标映射关系对非共线TDI CCD影像进行重采样，生成重采样的拼接影像；(e).构建所述重采样的拼接影像的有理函数模型。本发明理论严密，具有良好的适应性，满足无缝拼接的要求。

Description

一种基于物方投影面的星载非共线TDI CCD影像拼接方法

技术领域

本发明涉及测绘科学与技术领域，尤其是涉及一种基于物方投影面的星载非共线TDICCD影像拼接方法。

背景技术

时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)能在不降低成像空间分辨率的同时，有效地提高空间相机的成像灵敏度和信噪比，因而正逐步取代常规CCD器件成为高分辨率光学推扫式相机的主流传感器。由于单片TDI CCD的像元个数有限，在空间相机的设计上，为了保证获取较高空间分辨率和一定幅宽的影像，需要将多片TDI CCD连接排列以获得较大的成像视场。然而，由于TDI CCD在物理结构上是一个小面阵，加上受器件外壳包装等物理因素的限制，多片TDI CCD在焦面上很难直接按照一条直线进行物理排列，而是通常采用非共线TDICCD焦面视场拼接或光学拼接的成像系统设计方式。目前，IKONOS、QuickBird等高分辨率商业卫星以及我国资源三号、资源一号02B/02C、遥感二号等卫星上的光学相机均采用了非共线TDI CCD成像系统设计。

非共线TDI CCD相机所获取的非共线TDI CCD影像(即原始影像)是按照每片TDICCD成像单独记录的，受传感器焦面摆放位置关系、偏流角控制、卫星姿态角、地面高程以及行积分时间等因素的影响，无法直接形成一幅完整的扫描景影像。

针对非共线TDI CCD影像拼接的现有技术，公开号为CN101799293A的中国专利申请公开了一种基于分段仿射变换的星载三片非共线TDI CCD影像拼接方法，公开号为CN101827223A的中国专利申请公开了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。这两种非共线TDI CCD影像拼接方法都是基于片间匹配的像面平移拼接。

然而，这些传统的基于片间匹配的像面平移拼接方法不仅在理论上缺乏严密性，而且也没能充分考虑非共线TDI CCD相机的成像特点，因而在积分时间跳变、地形起伏剧烈和大侧摆等复杂成像条件下并不适用。多片TDI CCD影像的高精度和高可靠拼接是保证成像数据后期处理和应用质量的基础，因此，围绕该类相机成像数据的严格拼接理论和方法展开研究，具有重要的意义和应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于物方投影面的星载非共线TDI CCD影像拼接方法。

本发明提出的技术方案如下：

一种基于物方投影面的星载非共线时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)影像拼接方法，包括以下步骤：

(a).利用非共线TDI CCD相机获取非共线TDI CCD影像，建立所述非共线TDI CCD影像的传感器几何模型；

(b).定义物方投影面；

(c).根据所述的传感器几何模型和所定义的物方投影面建立拼接影像与所述非共线TDICCD影像之间的像点坐标映射关系；

(d).根据所述的像点坐标映射关系对非共线TDI CCD影像进行重采样，生成重采样的拼接影像；

(e)构建所述重采样的拼接影像的有理函数模型。

本发明基于物方空间地物分布的连续性，沿卫星推扫成像地面目标轨迹方向，对物方投影面上的成像覆盖区域划分等间隔格网，格网大小与非共线TDI CCD影像的地面分辨率相一致，首先，将拼接影像的像点与物方投影面格网点一一对应，然后，基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型便可建立起拼接影像与非共线TDI CCD影像的像点坐标映射关系，最后，采用间接法影像纠正的方式对非共线TDI CCD影像进行重采样生成拼接影像。本发明理论严密，具有良好的适应性。拼接影像的生成过程等效于沿卫星推扫成像的地面目标轨迹方向对非共线TDI CCD影像进行了一次准系统几何校正。当非共线TDI CCD片间几何定位精度一致性时，拼接影像上每个像点灰度信息具有唯一可确定性，满足无缝拼接的要求。

附图说明

图1为本发明的基于物方投影面的星载非共线TDI CCD影像拼接方法的原理示意图；

图2为本发明的基于物方投影面的星载非共线TDI CCD影像拼接方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明。

本发明利用非共线TDI CCD的片间摄影几何约束关系，基于物方空间地物分布的连续性，建立拼接影像与非共线TDI CCD影像(即原始影像)的像点坐标换算关系，进而实现对非共线TDI CCD影像的无缝拼接处理。其技术内涵主要体现在两个方面：(1)以某种形式建立拼接影像像点与物方空间的坐标映射关系；(2)基于非共线TDI CCD的成像几何模型建立物方空间与非共线TDI CCD影像像点的坐标映射关系。于是，本发明提出了一种基于物方投影面的星载非共线TDI CCD影像拼接方法。如图1所示，拼接影像上的像点与所建立的物方投影面等间隔格网点一一对应；基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型，可反投影计算物方投影面任一投影点所对应的分片TDI CCD影像像点坐标，这样便建立了拼接影像与非共线TDI CCD影像的像点坐标对应关系。

如附图2所示，本方法的实施可以分为以下几个步骤：

(a).利用非共线TDI CCD相机获取非共线TDI CCD影像，建立所述非共线TDI CCD影像的传感器几何模型：

对于星载线阵推扫式成像数据，其严格成像几何模型由公式(1-1)表达：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}84}={\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}84}+{\mathrm{mR}}_T{R}_{\mathrm{GF}}{R}_{\mathrm{FB}}{R}_{\mathrm{BS}}\left[\begin{array}{c}\tan \left(\mathrm{\α}\right)\\ \tan \left(\mathrm{\β}\right)\\ -1\end{array}\right]---(1-1)$

其中，α，β分别为成像探元的光线相对于相机焦平面横轴和纵轴方向的指向角；m为摄影比例尺因子； ${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}84}$ 为地面点的WGS84地心直角坐标； ${\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}84}$ 为成像时刻卫星在WGS84地心直角坐标系下的坐标；R_BS为是相机坐标系与卫星本体坐标系之间的旋转矩阵；R_FB为卫星本体坐标系到轨道坐标系之间的姿态矩阵；R_GF为轨道坐标系与地球惯性坐标系CIS之间的坐标转换矩阵；R_T为像点成像时刻地球惯性坐标系CIS到地球固定坐标系CTS的坐标转换矩阵。

由相机的外方位元素和每片TDI CCD的探元指向角，基于公式(1-1)建立每片TDICCD影像的严格成像几何模型，所有分片TDI CCD影像的严格成像几何模型共同构成非共线TDI CCD影像(即原始影像)的传感器几何模型。

(b).定义物方投影面：

将物方投影面定义在成像区域所对应的通用横轴墨卡托(UTM)投影坐标系下，投影面的高程取WGS84大地坐标系下的平均椭球高H。

(c).根据所述的传感器几何模型和所定义的物方投影面建立拼接影像与所述非共线TDI CCD影像之间的像点坐标映射关系：

(c1)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型和物方投影面的高程值H，分别计算非共线TDI CCD影像第一列的首、尾像素在物方投影面上投影点坐标，将两个投影点的连线方向定义为非共线TDI CCD推扫成像时地面目标轨迹在物方投影面上的近似前进方向，即拼接影像的每一列在物方投影面上的排列方向；

(c2)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型和物方投影面的高程值H，计算非共线TDI CCD影像在物方投影面上的投影覆盖区域AOP(Area ofProiection)；

(c3)确定拼接影像在物方投影面上的覆盖区域AOI(Area of Interest)：取AOP在拼接影像列排列方向上的最小外廓矩形；

(c4)令拼接影像上每个像素所对应的物方投影面采样间隔大小相同，且等于非共线TDI CCD影像的地面采样间隔GSD(Ground Sampling Distance)，进而确定拼接影像的行数和列数；

(c5)建立拼接影像像点与物方投影面投影点之间的二维坐标转换关系，如公式(1-2)：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=R_2^2\left(\begin{array}{c}G\left[\begin{array}{c}s\\ l\end{array}\right]\end{array}+\left[\begin{array}{c}\mathrm{dX}\\ \mathrm{dY}\end{array}\right]\right)---(1-2)$

式中，

$\left[\begin{array}{c}s\\ l\end{array}\right]$ 为拼接影像像点的像素坐标；

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]$ 为拼接影像像点在物方投影面上投影点的平面坐标；

G为物方投影面采样间隔；

是根据拼接影像在物方投影面上的列排列方向确定的二维坐标旋转矩阵；

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{dX}\\ \mathrm{dY}\end{array}\right]$ 为坐标平移量；

(c6)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型，确定物方投影面投影点 $\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ H\end{array}\right]$ 对应的非共线TDI CCD影像像点的像素坐标 $\left[\begin{array}{c}{s}^{\′}\\ l^{\′}\end{array}\right],$ 至此便建立了拼接影像与非共线TDI CCD影像的像点坐标映射关系；

(d).根据所述的像点坐标映射关系对非共线TDI CCD影像进行重采样，生成重采样的拼接影像：

根据拼接影像与非共线TDI CCD影像之间的像点坐标映射关系，采用间接法影像纠

正的方式对非共线TDI CCD影像进行重采样，生成重采样的拼接影像；

(e).构建所述重采样的拼接影像的有理函数模型：

(e1)由所述重采样的拼接影像上的任意一点影像坐标 $\left[\begin{array}{c}s\\ l\end{array}\right],$ 根据所述公式(1-2)，得到其对应的物方投影面投影点 $\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ H\end{array}\right]$ 坐标；

(e2)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型，确定物方投影面投影点 $\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ H\end{array}\right]$ 对应的非共线TDI CCD影像像点的像素坐标 $\left[\begin{array}{c}{s}^{\′}\\ l^{\′}\end{array}\right];$

(e3)通过非共线TDI CCD影像上的影像坐标 $\left[\begin{array}{c}{s}^{\′}\\ l^{\′}\end{array}\right]$ 加上高程值H，利用非共线TDI CCD影像的传感器几何模型正变换公式生成对应的大地坐标 $\left(\begin{array}{c}\mathrm{lat}\\ \mathrm{lon}\\ H\end{array}\right);$

(e4)根据步骤(e1)、(e2)、(e3)所建立的流程得到拼接影像严密传感器几何模型的正算公式 $\left(\begin{array}{c}\mathrm{lat}\\ \mathrm{lon}\end{array}\right)=T\left(\begin{array}{c}{s}^{\′}\\ l^{\′}\\ H\end{array}\right),$ 其中，T表示由拼接影像像点坐标正算到大地经纬度坐标的转换关系；根据该正算公式构建像方均匀分布的控制点立体格网，获得所述重采样的拼接影像的有理函数模型。

本发明基于物方空间地物分布的连续性，沿卫星推扫成像地面目标轨迹方向，对物方投影面上的成像覆盖区域划分等间隔格网，格网大小与非共线TDI CCD影像(即原始影像)的地面分辨率相一致，首先，将拼接影像的像点与物方投影面格网点一一对应，然后，基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型便可建立起拼接影像与非共线TDI CCD影像的像点坐标映射关系，最后，采用间接法影像纠正的方式对非共线TDI CCD影像进行重采样生成拼接影像。本发明理论严密，具有良好的适应性。拼接影像的生成过程等效于沿卫星推扫成像的地面目标轨迹方向对非共线TDI CCD影像进行了一次准系统几何校正。当非共线TDI CCD片间几何定位精度一致性时，拼接影像上每个像点灰度信息具有唯一可确定性，满足无缝拼接的要求。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换而不脱离本发明技术方案的精神，其均应当涵盖本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种基于物方投影面的星载非共线时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)影像拼接方法，包括以下步骤：

(a).利用非共线TDI CCD相机获取非共线TDI CCD影像，建立所述非共线TDI CCD影像的传感器几何模型，其中，所述步骤(a)包括：对于星载线阵推扫式成像数据，其严格成像几何模型由公式(1-1)表达，

其中，α，β分别为成像探元的光线相对于相机焦平面横轴和纵轴方向的指向角；m为摄影比例尺因子；为地面点的WGS84地心直角坐标；为成像时刻卫星在WGS84地心直角坐标系下的坐标；R_BS为相机坐标系与卫星本体坐标系之间的旋转矩阵；R_FB为卫星本体坐标系到轨道坐标系之间的姿态矩阵；R_GF为轨道坐标系与地球惯性坐标系CIS之间的坐标转换矩阵；R_T为像点成像时刻地球惯性坐标系CIS到地球固定坐标系CTS的坐标转换矩阵

由相机的外方位元素和每片TDI CCD的探元指向角，基于公式(1-1)建立每片TDI CCD影像的严格成像几何模型，所有分片TDI CCD影像的严格成像几何模型共同构成非共线TDI CCD影像的传感器几何模型；

(b).定义物方投影面；

(c).根据所述的传感器几何模型和所定义的物方投影面建立拼接影像与所述非共线TDI CCD影像之间的像点坐标映射关系，其中，所述步骤(c)包括：

(c1)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型和物方投影面的高程值H，分别计算非共线TDI CCD影像第一列的首、尾像素在物方投影面上投影点坐标，将两个投影点的连线方向定义为非共线TDI CCD推扫成像时地面目标轨迹在物方投影面上的近似前进方向，即拼接影像的每一列在物方投影面上的排列方向；

(c2)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型和物方投影面的高程值H，计算非共线TDI CCD影像在物方投影面上的投影覆盖区域(AOP)；

(c3)确定拼接影像在物方投影面上的覆盖区域(A01)：取AOP在拼接影像列排列方向上的最小外廓矩形；

(c4)令拼接影像上每个像素所对应的物方投影面采样间隔大小相同，且等于非共线TDI CCD 影像的地面采样间隔(GSD)，进而确定拼接影像的行数和列数；

(c5)建立拼接影像像点与物方投影面投影点之间的二维坐标转换关系，如公式(1-2)：

式中，

为拼接影像像点的像素坐标；

为拼接影像像点在物方投影面上投影点的平面坐标；

G为物方投影面采样间隔；

是根据拼接影像在物方投影面上的列排列方向确定的二维坐标旋转矩阵；为坐标平移量；

(c6)基于非共线TDI CCD影像的传感器几何模型，确定物方投影面投影点对应的非共线TDI CCD影像像点的像素坐标至此便建立了拼接影像与非共线TDI CCD影像的像点坐标映射关系；

(d).根据所述的像点坐标映射关系对非共线TDI CCD影像进行重采样，生成重采样的拼接影像；

(e).构建所述重采样的拼接影像的有理函数模型。

2.如权利要求1所述的基于物方投影面的星载非共线时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)影像拼接方法，所述步骤(b)包括：将物方投影面定义在成像区域所对应的通用横轴墨卡托(UTM)投影坐标系下，投影面的高程值取WGS84大地坐标系下的平均椭球高H。

3.如权利要求1所述的基于物方投影面的星载非共线时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)影像拼接方法，所述步骤(d)包括：根据拼接影像与非共线TDI CCD影像之间的像点坐标映射关系，采用间接法影像纠正的方式对非共线TDI CCD影像进行重采样，生成重采样的拼接影像。