CN103679673B - 一种宽视场线阵ccd影像几何畸变模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种宽视场线阵CCD影像几何畸变模拟方法，（1）选取正射底图；（2）根据待模拟卫星相机设计，以线阵平面中心点为基准，建立相机焦平面坐标系；以每段线阵为单位，分段设定带模拟图像每一个像元的焦平面坐标(Xˊ，Y′)；将步骤（1）中选取的正射底图的每一个像元坐标转换到相机焦平面坐标系下，转换后坐标记为(X，Y)；（3）根据空间几何关系，建立待模拟图像焦平面坐标与步骤（1）中选取的正射底图像元焦平面坐标的映射关系，即建立待模拟图像上每一个像元与所述正射底图相应像元的对应关系；（4）根据步骤（3）中建立的映射关系，依次从所述正射底图上采样灰度值，采用双线性插值的方法，重新计算待模拟图像每一个像元的灰度值，即可得到宽视场多线阵CCD模拟的图像。

Description

一种宽视场线阵CCD影像几何畸变模拟方法

技术领域

本发明涉及一种宽视场多线阵拼接CCD影像几何畸变模拟方法，特别涉及一种宽视场大幅宽多片线阵CCD拼接的卫星影像几何畸变的模拟。

背景技术

利用高分辨率遥感卫星进行航天摄影测量具有影像获取迅速、成本低、不受区域限制等优点。在国防方面，高分辨率卫星遥感影像(HRSI)可用于情报收集、变化检测、精确制图和目标指引等方面；在民用方面，HRSI可用于制图、建筑、采矿、城市规划、土地利用、资源管理、农业调查、环境监测和地理信息服务等诸多领域。因此，世界上许多国家都在积极研制高分辨率遥感卫星。目前，世界各国都向高空间分辨率、宽覆盖的方向研发新型卫星相机，但受到线阵CCD阵列生产技术的限制，单片线阵长度往往不能够满足需求，只有采用多片线阵CCD阵列拼接的技术，来达到宽覆盖的要求。

一般来说，卫星相机在发射前都会进行实验室定标，校准相机参数，量测线阵CCD阵列位置，检测相机出场时的内部精度。但是在发射期间巨大的震动冲击、在轨运行时的低重力状态，以及巨大温差均会改变线阵CCD阵列的物理特性，导致单片线阵发生形变，相对于实验室定标数据，相机内方位元素加入误差。而在采用多片线阵CCD阵列拼接的相机的影像数据中，这种畸变误差对于影像内部精度的影响更加明显。最终导致卫星影像精度降低，影响使用价值。由于太空环境的复杂性，相机空间几何畸变还不能定量量测，只能够通过影像模拟手段，制作几何畸变模拟影像，从仿真的角度，开展相关研究。但目前现有技术，大多采用从像方空间去加入畸变元素，未能从相机物方空间坐标系中，分段研究单片CCD阵列产生的物理形变，不能模拟多片CCD阵列拼接所共同叠加的畸变。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种宽视场线阵CCD影像几何畸变模拟方法，解决了背景技术中的宽视场多线阵CCD拼接影像几何畸变模拟的技术问题。

本发明的技术解决方案是：通过设定单片线阵畸变角度，依据模拟图像与正射底图的映射关系，提供一种模拟宽视场线阵CCD影像的解决方案。具体为：

一种宽视场线阵CCD影像几何畸变模拟方法，步骤如下：

（1）选取正射底图，所述的正射底图空间分辨率优于待模拟卫星影像，且幅宽大于待模拟卫星相机幅宽；

（2）根据待模拟卫星相机设计，以线阵平面中心点为基准，建立相机焦平面坐标系，其中X轴为沿着线阵长度方向，Y轴为垂直于线阵长度方向；以每段线阵为单位，分段设定待模拟图像每一个像元的焦平面坐标(X'，Y′)；将步骤（1）中选取的正射底图的每一个像元坐标转换到相机焦平面坐标系下，转换后坐标记为(X，Y)；

（3）根据空间几何关系，建立待模拟图像焦平面坐标与步骤（1）中选取的正射底图像元焦平面坐标映射关系，即建立待模拟图像的每一个像元与所述正射底图相应像元的对应关系；

（4）根据步骤（3）中建立的映射关系，依次从所述正射底图上采样灰度值，采用双线性插值的方法，重新计算待模拟图像每一个像元的灰度值，即可得到宽视场多线阵CCD模拟的图像。

所述步骤（4）中的映射关系如下：

$X^{\′}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{(1+\tan \mathrm{\β}\·\tan \frac{1}{2}\mathrm{\β})}(X-l),(X>l)$

X'=cosα·cosβ·X（-l<X<l）

$X^{\&prime;}=\frac{\cos \mathrm{\&alpha;}}{(1+\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;})}(X+l),(X<-l)$

Y'=Y+(X'-l)·tanα（X'>l）

Y'=Y+tanα·X'（-l<X'<l）

Y'=Y+(X'+l)·tanα（X'<-l）

其中，α、β代表线阵畸变角度，其中，畸变角α是相机焦平面内畸变后的CCD阵列向量在焦平面投影与焦平面X轴的夹角；畸变角β是畸变后的CCD阵列向量与相机焦平面的夹角；2l为焦平面中心单片线阵长度，线阵出厂安装时，以Y轴为对称轴，左右各l个像元。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）本发明针对宽视场多线阵拼接CCD相机的设计特点，提出基于分段函数的多片线阵畸变模拟方法，实现了宽视场多线阵CCD拼接相机的几何畸变模拟技术问题。

（2）本发明依据宽视场多线阵CCD拼接相机的CCD阵列物理形变，对每一段线阵CCD阵列采用单独的一套畸变角度，有效地解决了宽视场多线阵CCD拼接相机影像分片模拟的技术问题。

（3）本发明为宽视场多线阵CCD拼接相机提出的方法，兼顾了宽视场多线阵CCD拼接相机成像特性与算法可实行性，对同类卫星的应用也具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明线阵在相机空间坐标系中的旋转示意图；

图3为本发明线阵在焦平面内的旋转示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，如图1所示，本发明步骤如下：

（1）选取正射底图，从空间分辨率考虑，其要求其优于待模拟影像的空间分辨率；从覆盖幅宽角度来说，其要求能覆盖所有的待模拟的线阵探测像元。

（2）建立待模拟图像的相机焦平面坐标系，如图2所示，该坐标系以线阵平面中心点为基准，其中X轴为沿着线阵长度方向，Y轴为垂直于线阵长度方向。在焦平面内，线阵CCD阵列AB是经过实验室标定的，最原始状态的阵列。设MB'是在相机空间坐标系中，是阵列AB畸变后的位置，其上有一点P，P在焦平面上的投影为点P'，坐标为(X'，Y′)。在三角形MPN中，线段MP=MN，P'Q与NN'均垂直于线段MB。

将正射底图每一个像元的坐标系转换到上述相机焦平面坐标系中，转换后的坐标记为(X，Y)。

（3）建立模拟图像与输入图像（即正射底图）像元焦平面映射关系。推导过程如下：

（3.1）垂轨方向坐标映射关系

在三角形MPN中，∠PMN=β（前文已定义），作MR垂直于线段PN。由于MP=MN，所以MR等分∠PMN。在三角形PP’N中，∠P'PN+∠PNP'=90°,且在三角形RMN中，∠RMN+∠RNM=90°,所以，就有。

所以，在三角形PP’N中，有

$\tan \&angle;P^{\&prime;}\mathrm{PN}=\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;}=\frac{P^{\&prime;}N}{{\mathrm{PP}}^{\&prime;}}$ ①

在三角形PMP’中，有

$\tan \&angle;{\mathrm{PMP}}^{\&prime;}=\tan \mathrm{\&beta;}=\frac{{\mathrm{PP}}^{\&prime;}}{{\mathrm{MP}}^{\&prime;}}$ ②

由①②式相乘，得出

$\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;}=\frac{P^{\&prime;}N}{{\mathrm{MP}}^{\&prime;}}$ ③

又因为三角形MP’Q与三角形MNN’相似，得出

$\frac{P^{\&prime;}N}{{\mathrm{MP}}^{\&prime;}}=\frac{{\mathrm{QN}}^{\&prime;}}{\mathrm{MQ}}$ ④

线段MQ的长度为线阵上点P在焦平面的投影P’距离线阵起点M的长度，即MQ=X'-l（假设X>l）⑤

而QN‘=MN’-MQ=

MN·COS∠NMN'-MQ=MN·COSα-MQ=(X-l)·COSα-(X'-l)⑥

将⑤⑥带入③式中，可得

$\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;}=\frac{(X-l)\&CenterDot;\cos \mathrm{\&alpha;}(X^{\&prime;}-l)}{(X^{\&prime;}-l)}$ ⑦

整理可得

$X^{\&prime;}=\frac{\cos \mathrm{\&alpha;}}{(1+\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;})}(X-l)$ （其中X>l）⑧

同理可得

X'=cosα·cosβ·X（其中-l<X<l）

$X^{\&prime;}=\frac{\cos \mathrm{\&alpha;}}{(1+\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;})}(X+l)$ （其中X<-l）

（3.2）沿轨方向坐标映射关系

图3为三片线阵CCD在相机焦平面内的旋转，P’为P点在成像平面内的投影，P’Q垂直MQ，Q点坐标为（X’,Y’）。

假设X>l,在三角形P’MQ中，有P’Q=Y'-Y，MQ=X'-l

则有，

$\tan \&angle;{\mathrm{QMP}}^{\&prime;}=\tan \mathrm{\&alpha;}=\frac{P^{\&prime;}Q}{\mathrm{MQ}}=\frac{Y^{\&prime;}-Y}{X^{\&prime;}-l}$ ⑨

所以，

Y'=Y+(X'-l)·tanα（其中X'>l）

同理可得Y'=Y+tanα·X'（-l<X'<l）

Y'=Y+(X'+l)·tanα（其中X'<-l）

上述，α、β代表线阵畸变角度，其中，畸变角α是相机焦平面内畸变后的CCD阵列向量在焦平面投影与焦平面X轴的夹角；畸变角β是畸变后的CCD阵列向量与相机焦平面的夹角；2l为焦平面中心单片线阵长度，线阵出厂安装时，以Y轴为对称轴，左右各l个像元。

（4）分段线阵模拟角度输入，根据待模拟卫星相机设计参数及相关实验室定标精度指标，结合在轨运行畸变经验系数，设定每段线阵CCD阵列的相对畸变角度(α,β)。其中，畸变角α是相机焦平面内畸变后的CCD阵列向量在焦平面投影与焦平面X轴的夹角；畸变角β是畸变后的CCD阵列向量与相机焦平面的夹角。根据实验室相机焦平面定标参数，相对畸变角度(α,β)为1度以内的随机值，即其中β=sinθ，其中

（5）根据步骤（3）中建立的映射关系，按照分段线阵从正射底图下依次计算每一个模拟像元的灰度值。采用双线阵插值的采样方法，生成模拟影像。

（6）以TIFF格式对模拟影像进行封装。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种宽视场线阵CCD影像几何畸变模拟方法，其特征在于步骤如下：

（1）选取正射底图，所述的正射底图空间分辨率优于待模拟卫星影像，且幅宽大于待模拟卫星相机幅宽；

（2）根据待模拟卫星相机设计，以线阵平面中心点为基准，建立相机焦平面坐标系，其中X轴为沿着线阵长度方向，Y轴为垂直于线阵长度方向；以每段线阵为单位，分段设定待模拟图像每一个像元的焦平面坐标(X'，Y′)；将步骤（1）中选取的正射底图的每一个像元坐标转换到相机焦平面坐标系下，转换后坐标记为(X，Y)；

（3）根据空间几何关系，建立待模拟图像焦平面坐标与步骤（1）中选取的正射底图像元焦平面坐标映射关系，即建立待模拟图像的每一个像元与所述正射底图相应像元的对应关系；

（4）根据步骤（3）中建立的映射关系，依次从所述正射底图上采样灰度值，采用双线性插值的方法，重新计算待模拟图像每一个像元的灰度值，即可得到宽视场多线阵CCD模拟的图像。

2.根据权利要求1所述的一种宽视场线阵CCD影像几何畸变模拟方法，其特征在于：所述步骤（4）中的映射关系如下：

$X^{\&prime;}=\frac{\cos \mathrm{\&alpha;}}{(1+\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;})}(X-l),(X>l)$

X'=cosα·cosβ·X（-l<X<l）

$X^{\&prime;}=\frac{\cos \mathrm{\&alpha;}}{(1+\tan \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\tan \frac{1}{2}\mathrm{\&beta;})}(X+l),(X<-l)$

Y'=Y+(X'-l)·tanα（X'>l）

Y'=Y+tanα·X'（-l<X'<l）

Y'=Y+(X'+l)·tanα（X'<-l）

其中，α、β代表线阵畸变角度，其中，畸变角α是相机焦平面内畸变后的CCD阵列向量在焦平面投影与焦平面X轴的夹角；畸变角β是畸变后的CCD阵列向量与相机焦平面的夹角；2l为焦平面中心单片线阵长度，线阵出厂安装时，以Y轴为对称轴，左右各l个像元。