CN105046667A - 45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法，其通过对45°旋转扫描方式的空间相机原理及成像过程进行分析，在遥感图像中的位置与其对应的地面位置之间，建立了合理的位置对应模型，并构建了原始图像与校正图像的坐标转换关系。依据坐标转换关系对原始遥感图像进行空间坐标投影。对投影后的离散点，利用Delaunay三角剖分算法进行重采样。对于共用主光学系统的对地遥感设备，多个波段之间可以共用坐标投影关系以及Delaunay三角网格，从而可以简便地对所有波段的数据进行校正。本发明方法合理、实施简易，对图像畸变的改善效果明显。

Description

45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法

技术领域

本发明涉及光学遥感应用领域，具体涉及45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法。

背景技术

扫描成像是空间相机最常见的一种成像模式，而45°旋转扫描方式由于其扫描镜尺寸小、幅宽大、稳定性好、能观测冷空间等诸多优点，被广泛用于空间相机中，典型的如中分辨率光谱成像仪、扫描辐射计等。通过45°旋转扫描反射镜结合多元并扫的方式成像，而45°扫描镜带来的像旋转，可以由K镜消旋系统或软件消旋方法予以消除。然而，在45°旋转扫描反射镜推扫过程中，其在垂直于星下点轨迹方向的大幅宽会带来图像中的几何畸变，表现为地面同一目标可能在图像中对应不同的像素点，对图像如实反映地物分布造成了严重影响，故而需要对畸变进行校正。

几何畸变校正的目的是要建立正确的畸变图像像素位置与校正图像像素位置之间的对应关系。根据所需要先验信息的情况，目前的校正方法可以分为两类：严格几何校正和近似几何校正。严格几何校正需要卫星轨道参数、拍摄时刻的卫星姿态参数、传感器参数、地表参数、环境参数等。当这些参数无法获得的时候，只能采用近似几何校正方法，回避真实的成像过程，而直接对产生的几何畸变进行模拟，常用的有多项式模型、有理函数模型、局部区域模型等。严格几何校正中的很多参数实际很难获得，而近似几何校正的精度和稳定性受模型对畸变的描述能力限制。针对45°旋转扫描方式空间相机的图像几何畸变，目前尚未有现成的校正方法可以对其处理。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法。

本发明通过对45°旋转扫描方式的空间相机原理及成像过程进行分析，在遥感图像中的位置与其对应的地面位置之间，建立了合理的位置对应模型，进一步构建了原始图像与校正图像的坐标转换关系。

根据本发明提供的一种45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法，包括如下步骤：

步骤1：建立原始图像与校正图像的坐标转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}{i}^{\′}=\frac{R}{L_0}\·\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}sin\frac{2A\·i}{N-1})-\frac{2A\·i}{N-1})\\ j^{\′}=\frac{R}{H}\·\frac{sin\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}\sin \frac{2A}{N-1}i)-\frac{2A}{N-1}i)}{sin\frac{2A}{N-1}i}j\end{array}\right.$

其中：(i,j)、(i’,j’)表示同一目标点分别在原始图像、校正图像中的行列号坐标；R表示地球半径；H表示轨道高度；L₀表示星下点像元分辨率；N表示原始图像列数；A表示观测角度范围；原始图像为遥感图像；

步骤2：通过所述坐标转换关系，对原始图像进行空间坐标投影；

步骤3：对投影后得到的离散点，利用Delaunay三角剖分算法进行重采样；首先构造Delaunay三角网格，然后对于采样网格上的每一点，利用该点所在的三角形顶点的数据进行自然邻域插值；从而获得原始图像经畸变校正后的数字校正图像。

优选地，多个波段之间共用所述坐标转换关系、空间坐标投影关系以及Delaunay三角网格。

对于共用主光学系统的对地遥感设备，具有相同地面像元间隔的不同波段，位置对应模型是完全相同的；地面像元间隔不同的波段之间，位置对应模型也是相同的，仅存在参数上的差异。所以，多个波段之间可以共用坐标投影关系以及Delaunay三角网格，从而可以简便地对所有波段的数据进行校正。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明图像几何校正方法，通过对45°旋转扫描方式的空间相机原理及成像过程进行分析，建立了合理的坐标转换关系。

2、本发明通过空间坐标投影以及基于Delaunay三角剖分算法的重采样，得到了校正图像。

3、本发明通过坐标转换关系的共用，可以便捷地对不同波段实施校正处理。因此，本发明方法合理、实施简易，能够对图像几何畸变的有明显改善效果，应用前景广泛。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为45°旋转扫描方式的空间相机成像过程示意图；

图2为45°旋转扫描方式的空间相机图像几何畸变示意图。

图3A-图3F分别为45°旋转扫描反射镜转过三个不同角度下的原始图像与校正图像。

图中：

1-45°旋转扫描反射镜

2-望远镜系统

3-焦平面

4-地面像元

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明涉及遥感图像处理领域。本发明的目的在于提供一种适用于45°旋转扫描方式下的空间相机图像几何校正方法，解决图像失配问题。本发明主要的改进点在于：通过对45°旋转扫描方式的空间相机原理及成像过程进行分析，在遥感图像中的位置与其对应的地面位置之间，建立了合理的位置对应模型，并构建了原始图像与校正图像的坐标转换关系。依据坐标转换关系对原始遥感图像进行空间坐标投影。对投影后的离散点，利用Delaunay三角剖分算法进行重采样。对于共用主光学系统的对地遥感设备，多个波段之间可以共用坐标投影关系以及Delaunay三角网格，从而可以简便地对所有波段的数据进行校正。本发明方法合理、实施简易，对图像畸变的改善效果明显。

对本发明的理论分析基础简介如下：

如附图1所示，通过45°旋转扫描反射镜1的旋转推扫，将地面较宽范围内，结合卫星的相对运动获得二维图像。在45°旋转扫描反射镜旋转一圈的时间内，卫星星下点沿轨运动多元探测器对应的地面距离，保证相邻两转内捕获的数据相接。

将地球作为半径为R的球体，当在45°旋转扫描反射镜距离天底旋过α弧度时，采样位置偏离星下点的地面距离L_x为

$L_x=R\·\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}sin\mathrm{\α})-\mathrm{\α})---\left(1\right)$

其中H为轨道高度，R为地球半径。

若多元并扫探测器的间隔为d，光学系统焦距为f，那么物距L远处，在沿轨方向地面像元间隔L_y可以由如下公式确定：

$L_y=\frac{d}{f}L---\left(2\right)$

依据成像几何关系，在45°旋转扫描反射镜距离天底旋过α弧度时的物距L满足

$L=R\frac{sin\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}sin\mathrm{\α})-\mathrm{\α})}{sin\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

公式(3)中，当α→0时，L→H，即星下点的地面像元间隔为

$L_0=\frac{d}{f}H---\left(4\right)$

若扫描观测角为±A，当0<α<A时，L_y>L₀，这是造成中分辨率光谱成像仪的遥感图像存在畸变的最主要原因。附图2所示即为几何畸变示意图，遥感图像中的各像素坐标实际在地球分布并不均匀。

在分析了成像中的几何关系之后，利用其对畸变图像进行校正，该校正方法包括：

以垂轨方向为x方向，沿轨方向为y方向，对每转推扫获得的图像带进行分析，以图像中心点为坐标原点，畸变校正的目的就是要建立畸变图像像素位置(i,j)与校正图像像素位置(i’,j’)之间的对应关系。对于多元探测器，记探测器元数为P，对于尺寸为P×N的中分辨率光谱成像仪1级图像，若扫描镜电机匀速转动，那么位置(i,j)旋过的角度α_i为

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{2A}{N-1}i,i=-\frac{N}{2}+1,-\frac{N}{2}+2,...,\frac{N}{2}---\left(5\right)$

根据公式(1)可以得出，

$\begin{array}{c}{i}^{\&prime;}=\frac{R}{L_0}\&CenterDot;\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}{\mathrm{sin\&alpha;}}_i)-{\mathrm{\&alpha;}}_i)\\ =\frac{R}{L_0}\&CenterDot;\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}\sin \frac{2A\&CenterDot;i}{N-1})-\frac{2A\&CenterDot;i}{N-1})\end{array}---\left(6\right)$

每转推扫中对星下点轨迹的位置即为(0,j),根据公式(2)～公式(5)可以得出，

$\begin{array}{c}{j}^{\&prime;}=\frac{L_y}{L_0}j\\ =\frac{R}{H}\&CenterDot;\frac{sin\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}{\mathrm{sin\&alpha;}}_i)-{\mathrm{\&alpha;}}_i)}{{\mathrm{sin\&alpha;}}_i}j\\ =\frac{R}{H}\&CenterDot;\frac{sin\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}\sin \frac{2A}{N-1}i)-\frac{2A}{N-1}i)}{\sin \frac{2A}{N-1}i}j\end{array}---\left(7\right)$

依据对应关系公式(6)与公式(7)，可以将原始位置坐标投影到校正图像中，其中涉及的固有参数包含R、H、L₀、A、N，其中地球半径R≈6371km，N可以从图像产品知悉，而参数H、L₀、A均为中分辨率光谱成像仪的常见指标参数，容易获取，故而该方法在遥感图像应用领域是可行的。

根据位置对应关系进行投影之后，位置坐标点并非均匀采样网格位置，故而需要进行重采样。由于投影之后的坐标点非均匀，故而一般插值方法不能适用，需要进行散点插值方法。常用的散点插值方法为Delaunay三角剖分算法，首先构造Delaunay三角网格，然后对于均匀采样网格上的每一点，利用其所在的三角形顶点的数据进行自然邻域插值。

对于相同分辨率的不同波段，其位置对应关系是相同的，由散点坐标构造出的Delaunay三角网格也是相同的，只是三角顶点处的数据不相同而已。所以，具有相同分辨率的不同波段可以共用三角网格简化计算。

附图3为本发明对某型卫星中分辨率光谱成像仪遥感图像实施校正前后的对比图。其中图3A、图3C和图3E分为为α在0.52、0.70、0.96(30°、40°、55°)时的原始图像，图3B、图3D和图3F分别为对应的校正图像。由图3A-图3F可以看出，当45°旋转扫描反射镜旋过的角度α由0变大时，原始图像中存在的畸变也越来越严重，而本发明方法很好地解决了图像中由于畸变导致的失配。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立原始图像与校正图像的坐标转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}{i}^{\&prime;}=\frac{R}{L_0}\&CenterDot;\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}sin\frac{2A\&CenterDot;i}{N-1})-\frac{2A\&CenterDot;i}{N-1})\\ j^{\&prime;}=\frac{R}{H}\&CenterDot;\frac{sin\left(arcsin\right(\frac{R+H}{R}\sin \frac{2A}{N-1}i)-\frac{2A}{N-1}i)}{sin\frac{2A}{N-1}i}j\end{array}\right.$

其中：(i,j)、(i’,j’)表示同一目标点分别在原始图像、校正图像中的行列号坐标；R表示地球半径；H表示轨道高度；L₀表示星下点像元分辨率；N表示原始图像列数；A表示观测角度范围；原始图像为遥感图像；

步骤2：通过所述坐标转换关系，对原始图像进行空间坐标投影；

步骤3：对投影后得到的离散点，利用Delaunay三角剖分算法进行重采样；首先构造Delaunay三角网格，然后对于采样网格上的每一点，利用该点所在的三角形顶点的数据进行自然邻域插值；从而获得原始图像经畸变校正后的数字校正图像。

2.根据权利要求1所述的45°旋转扫描方式空间相机的图像几何校正方法，其特征在于，多个波段之间共用所述坐标转换关系、空间坐标投影关系以及Delaunay三角网格。