CN105551053A - 一种小面阵星载tdi ccd相机的快速几何精校正方法 - Google Patents
一种小面阵星载tdi ccd相机的快速几何精校正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种小面阵星载TDI？CCD相机的快速几何精校正方法，该方法的基本步骤为：(1)使用星载定姿系统获取的外方位元素和地形数据，计算足印图像各像点的坐标；(2)使用足印图像上像主点附近的小区域图像与标准参照图像匹配得到相机的水平定位误差；(3)用水平误差对足印图像各个像点的坐标进行改正；(4)根据改正后的坐标和地形数据的高程，计算得到像点较为精确的地理位置，实现相机精校正的目的。本发明不需要测量精确外方位元素，具有较高的效率，在满足实时处理需求的同时能够得到较为精确的几何校正结果。
Description
技术领域
本发明属于遥感对地观测技术领域，涉及一种小面阵星载TDICCD相机的快速几何精校正方法。
背景技术
由于星上星敏感器测姿不准，新一代卫星通过一个对地观测的CCD相机，通过与地面控制点影像匹配获取地面的精确指向数据。
由于卫星姿态控制与测量技术的限制，CCD相机成像时的姿态测量结果存在一个较大偏差，直接使用卫星自带系统测得的原始姿态数据对图像进行几何校正，在水平方向上结果会存在较大的系统性偏差。而由原始测量姿态的偏差，在解算地理坐标时通过DEM获得的像点高程也不完全精确，各像点的高程估算会出现错误，则校正后的图像会出现不规则的变形，用图像匹配的方式得到的控制点，很可能达到几个像元的误差。
提供准确的足印相机几何精校正结果对于立体测图卫星数据处理具有非常重要的意义。一是在激光分解时，足印相机几何校正的不规则变形可能会给全波形的激光回波组分带来干扰，影响波形分解的结果，甚至会导致分解后的波形与地物的关联错误。第二个影响是激光指向依靠足印相机与参照的匹配，若使用不精确的几何校正结果进行匹配，很可能会有几个像元的偏差甚至更大的误匹配结果，造成激光指向的计算结果不准确，最终也影响的广义控制点的生成。
立体测图卫星数据处理系统需要在较短的时间内处理百万级的激光数据，而每一个激光光斑都需要一次几何精校正的结果，这就需要几何精校正的算法具有极高的效率才能满足整个数据处理系统的速度需求。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种小面阵星载TDICCD相机的快速几何精校正方法。
本发明提供的技术方案采用如下步骤：
(1)相机像主点及临近像点坐标计算；具体方法步骤如下：
(1-1)获取CCD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数，获得测区的DEM数据，对于像主点为中心的128×128小窗口图像，使用直接定位法得到小图像每个像元的地面平面坐标点；
(1-2)将坐标点转为WGS84坐标系下；
(1-3)将计算得到的坐标值都加一个统一的平面地理偏移，第一次迭代时初值设为<0,0>；
(1-4)根据添加地理偏移后的平面坐标从DEM上获取高程，重新计算像点坐标；
(2)根据得到的坐标，使用最近邻法对像主点及临近像点进行重采样；使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，重采样后的分辨率与参照图像的分辨率相同；
(3)将重采样图像与参考双线阵图像进行地理约束下的匹配；方法步骤如下：
(3-1)用校正重采样图像与参照图像的子图进行模板匹配，得到其在参照图像上的位置；
(3-2)根据步骤(1)中(1-1)得到的像主点位置确定其在重采样图像上的像点位置；
(3-3)根据步骤(2)得到的像主点在重采样图像上位置、根据(3-2)得到的重采样图像在参照图像上的位置，计算得到像主点在参照图像上的位置；
(3-4)根据参照自身的几何定位结果，计算像主点在参照上的位置的地理坐标；
(4)计算重采样图像的平面误差偏移；用计算得到的像主点真实地理坐标减去像主点匹配得到的地理坐标，得到像主点的平面误差偏移；
(5)算法迭代控制，判断新的平面偏移误差与上一次迭代得到的平面偏移是否相同，若两次结果相同，或者差值小于1个像元，则认为算法趋于稳定，进入下一步处理；否则进行步骤(2)处理；根据限差判断算法进行下一步或者跳回步骤(1)重新进行计算；
(6)使用得到的平面误差偏移对图像进行几何精校正，步骤如下：
(6-1)获取CCD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数，获得测区的DEM数据，对于像主点为中心的128×128小窗口图像，使用直接定位法得到小图像每个像元的地面平面坐标点；
(6-2)将坐标点转为WGS84坐标系下；
(6-3)将计算得到的坐标值都加一个统一的平面地理偏移，第一次迭代时初值设为<0,0>；
(6-4)根据添加地理偏移后的平面坐标从DEM上获取高程，重新计算像点坐标；
(6-5)使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，得到最终的几何精校正结果。
本发明具有良好的可扩展性，可满足所有类似的星载高分辨率TDICCD相机精校正的业务需求，具有快速、高精度的特点。
附图说明
图1是卫星TDICCD相机的快速几何精校正方法流程图。
图2是像元畸变示意图，图(a)为姿态误差引起的CCD图像几何变形图(b)为像点位置偏差示意图。
图3是计算像点平面地理坐标的流程图。
图4是使用偏移距离对相机图像精确校正流程图。
具体实施方式
为更好地阐述本发明的技术方案和优点，下面将结合附图对本发明的实施过程做进一步的描述。
本发明的理论基础是小视场角图像各像元水平偏移量近似相同。图2是像元水平误差变化情况，图2(a)是由于星上姿态测量设备的误差导致的几何校正后图像的地理偏移。图中显示了姿态不准会导致所有像元往同一个方向偏移。
图2(b)是CCD相机的任意两个像点的变形情况。其中O是相机中心，G是星下点，A1、B1是地面上的两个点，由于姿态的误差，其校正后的位置在A2、B2处。
其中A1与A2之间的几何畸变情况可表示为：
由于相机视场角较小，即θA≈0，,△θ≈0则：
LA≈H*tan△θ
则可认为点A与点B的几何变形长度相同：
LA≈H*tan△θ≈LB
根据上述公式的推导，由于相机的视场角较小，各个像元经过几何校正后其地理偏差都可认为近似相同。若能够找到像主点的平面偏移量，则可对图像所有的像点的坐标进行改正，得到精确的校正结果。该方法不需要对相机的指向进行精确的检校，能够快速实现相机的精校正。
本发明的第一步涉及CCD图像的粗校正，图3为本发明使用共线方程，根据内方位元素、卫星姿态、相机安置角、初始高程计算像点平面坐标的原理图。包含以下步骤：
获取CCD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数，获得测区的DEM数据。
使用直接定位法得到像主点周围128×128的窗口内每个像元的地面平面坐标点。首先根据焦距、像元尺寸、像元畸变检校值计算该像点的内方位元素；
使用星下点的DEM的高程值作为直接法定位的初始值，使用共线方程、根据内方位元素、卫星姿态、相机安置角、初始高程计算像元的平面坐标；
将计算得到的坐标值都加一个统一的平面地理偏移(第一次迭代时初值可设为<0,0>)；
根据计算得到的水平坐标从DEM中读取高程值，以该高程值作为像点的新的高程值；
使用新高程值再次计算平面坐标并重复前面步骤，直到新的高程与上一步迭代得到的高程相同。
将大地坐标点转为WGS84坐标系下。
使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，重采样后的分辨率与参照图像的分辨率相同。
本发明第二步是根据匹配获取像主点的水平偏移值，图4为获取像主点平面偏移的流程图。包含以下步骤：
根据相机像主点的地理坐标获取相机像主点对应于参照图像上的位置，在参照图像的相应位置上提取一定大小的图像。
用上一步所得的CCD重采样图像与参照图像的子图进行模板匹配，得到其在参照图像上的位置；
根据模板匹配得到的校正图像子图在参照图像上的位置，可以得到子图中心点在参照图像上的位置，计算出参照图像位置上的平面地理坐标；
计算出校正图像各像点的平面地理坐标，进而可得到原始图像控制点像元对应的平面地理坐标；
计算平面误差偏移，由第1步得到的像主点的地理坐标(加了偏移改正的结果)计算其在校正重采样图像上的位置
根据图像匹配获取像主点对应于参照图像上的位置，进而通过参照图像的坐标得到像主点的准确地理坐标；
用准确地理坐标减去第1步得到的像点地理坐标(未添加偏移改正的结果)，得到新的加了平面误差偏移。
判断算法下一步的操作：判断新的平面偏移误差与上一次迭代得到的平面偏移是否相同，若两次结果相同，或者差值小于1个像元，则认为算法趋于稳定，进入下一步处理。
本发明第6步涉及一种CCD图像精校正方法。该方法包括以下几个步骤：
获取CCD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数，获得测区的DEM数据。
使用直接定位法得到每一个像元的地面平面坐标点。首先根据焦距、像元尺寸、像元畸变检校值计算该像点的内方位元素；
使用星下点的DEM的高程值作为直接法定位的初始值，使用共线方程、根据内方位元素、卫星姿态、相机安置角、初始高程计算像元的平面坐标；
将计算得到的坐标值都加一个统一的平面地理偏移(第一次迭代时初值可设为<0,0>)；
根据计算得到的水平坐标从DEM中读取高程值，以该高程值作为像点的新的高程值；
使用新高程值再次计算平面坐标并重复前面步骤，直到新的高程与上一步迭代得到的高程相同。
将大地坐标点转为WGS84坐标系下。
使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，重采样后的分辨率与参照图像的分辨率相同。
根据平面地理坐标，获取DEM上对应像元的高程值，以该值作为该平面坐标的高程，得到三维控制点。本发明使用DEM作为控制点的高程来源，避免了解决了双线阵数据高程不足带来的不利影响。
CCD相机的最主要目的是为了与双线阵图像进行匹配得到。由于地形起伏的影响，若使用未检校的外方位元素对相机进行几何校正，图像会出现不规则的几何变形。使用这种含不规则变形的图像与双线阵图像进行匹配，即使匹配成功，不规则的变形很可能会导致匹配的目标点偏离真实的位置，造成最终CCD指向计算的结果的误差。本发明认为所有像元的几何定位误差近似相同，通过图像匹配得到几何定位的偏移值，进而可实现图像的准确定位，为激光器的指向精确测量提供了有效的数据支撑。
Claims (1)
1.一种小面阵星载TDICCD相机的快速几何精校正方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)CCD相机像主点及临近像点坐标计算；具体方法步骤如下：
(1-1)获取CCD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数，获得测区的DEM数据，对于像主点为中心的128×128小窗口图像，使用直接定位法得到小图像每个像元的地面平面坐标点；
(1-2)将坐标点转为WGS84坐标系下；
(1-3)将计算得到的坐标值都加一个统一的平面地理偏移，第一次迭代时初值设为<0,0>；
(1-4)根据添加地理偏移后的平面坐标从DEM上获取高程，重新计算像点坐标；
(2)根据得到的坐标，使用最近邻法对像主点及临近像点进行重采样；使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，重采样后的分辨率与参照图像的分辨率相同；
(3)将重采样图像与参考双线阵图像进行地理约束下的匹配；方法步骤如下：
(3-1)用校正重采样图像与参照图像的子图进行模板匹配，得到其在参照图像上的位置；
(3-2)根据步骤(1)中(1-1)得到的像主点位置确定其在重采样图像上的像点位置；
(3-3)根据步骤(2)得到的像主点在重采样图像上位置、根据(3-2)得到的重采样图像在参照图像上的位置，进一步计算得到像主点在参照图像上的位置；
(3-4)根据参照自身的几何定位结果，计算像主点在参照上的位置的地理坐标；
(4)计算重采样图像的平面误差偏移；用计算得到的像主点真实地理坐标减去像主点匹配得到的地理坐标，得到像主点的平面误差偏移；
(5)算法迭代控制，判断新的平面偏移误差与上一次迭代得到的平面偏移是否相同，若两次结果相同，或者差值小于1个像元，则认为算法趋于稳定，进入下一步处理；否则进行步骤(2)处理；根据限差判断算法进行下一步或者跳回步骤(1)重新进行计算；
(6)使用得到的平面误差偏移对图像进行几何精校正，步骤如下：
(6-1)获取CCD图像成像时卫星平台的瞬时姿态数据、CCD图像的像元畸变参数，获得测区的DEM数据，对于像主点为中心的128×128小窗口图像，使用直接定位法得到小图像每个像元的地面平面坐标点；
(6-2)将坐标点转为WGS84坐标系下；
(6-3)将计算得到的坐标值都加一个统一的平面地理偏移，第一次迭代时初值设为<0,0>；
(6-4)根据添加地理偏移后的平面坐标从DEM上获取高程，重新计算像点坐标；
(6-5)使用双线性插值法，根据每一个像点的WGS84坐标，对图像进行重采样，得到最终的几何精校正结果。
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