CN107389095B - 一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，步骤1，通过图像匹配的方法，得到任意相邻实际影像片间重叠像元数和片间位移；步骤2，利用卫星下传的辅助数据建立严格物理成像模型，计算得到任意相邻模型影像片间重叠像元数和片间位移；步骤3，根据步骤1中实际片间重叠像元数与步骤2中模型片间重叠像元数之间的偏差，计算星上下传的辅助数据中的最终偏流角误差；步骤4，对星上下传的偏流角进行修正。本发明通过对比根据辅助数据建模计算得到的片间重叠像元数与真实影像匹配得到的片间重叠像元数，来计算偏流角误差，实现对卫星下传的辅助数据中的偏流角进行修正。

Description

一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法

技术领域

本发明属于航天摄影测量领域，在相机内部TDICCD交错排列或品字形排列的情况下，通过统计相邻片间重叠像元数偏差，实现对卫星偏流角进行修正的一种方法。

背景技术

目前高分辨率光学卫星常用TDICCD器件，其成像质量好，但由于视场小且外壳较大，因此常将多片TDICCD在焦平面上交错排列以扩大视场范围，同时为了避免由于卫星偏流角控制精度不够造成漏扫，相邻片之间有一定数量的像元重叠。在卫星下传的辅助数据中，包含三个姿态角，它们分别是：俯仰角、滚动角和偏航角。在TDICCD中，偏航角即偏流角，让卫星平台偏转一个角度(即调整偏流角)的目的是：使得TDICCD排列方向与推扫方向时时保持垂直，这样可以保证片间重叠像元数不变。

如果姿态角无误差，那么用辅助数据建模计算得到的重叠像元数与通过图像匹配得到的重叠像元数一致。但实际上，由于卫星姿态角存在测量误差(即姿态确定误差)，尤其是偏流角的测量误差相对较大，这导致实际的片间重叠像元数与用辅助数据建模计算得到的重叠像元数不一致(存在偏差)。经计算，在相邻片间距离2600像素的情况下，0.06度的偏流角测量误差将导致片间2600*tan(0.06)＝2.7像素的重叠像元数偏差。

在TDICCD推扫成像的情况下，卫星姿态角中的滚动角和俯仰角误差分别导致影像垂轨和沿轨方向的几何定位误差(这个问题可以通过简单的坐标平移来解决)，而偏流角误差使得拼接后影像的内部几何精度降低(这个问题很难解决)。

本发明提出一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，因偏流角误差使得拼接影像的内部几何精度降低，若用修正后的偏流角建立各片影像的几何成像模型，并对各片影像进行虚拟化几何拼接处理，(与修正前相比)可以提高拼接后影像的内部几何精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下，一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，包括如下步骤：

步骤1，通过图像匹配的方法，得到任意相邻实际影像片间重叠像元数和片间位移；

步骤2，利用卫星下传的辅助数据建立严格物理成像模型，计算得到任意相邻模型影像片间重叠像元数和片间位移；

步骤3，根据步骤1中实际影像片间重叠像元数与步骤2中模型影像片间重叠像元数之间的偏差，计算星上下传的辅助数据中的最终偏流角误差Δ，实现方式如下，

设第k片影像与第k+1片影像的实际影像片间重叠像元数和片间位移分别为N₁(k，k+1)和L₁(k，k+1)，模型影像片间重叠像元数和片间位移分别为N₂(k，k+1)和L₂(k，k+1)，则第k片和第k+1片影像的片间位移量为L(k，k+1)＝[L₁(k，k+1)+L₂(k，k+1)]/2，其偏流角误差Δ_k，k+1可由下式计算得到，

最终偏流角误差Δ为，

其中，m表示影像总片数；

步骤4，对星上下传的偏流角yaw_old进行修正，得到yaw_new＝yaw_old+Δ，其中Δ为步骤3计算得到的最终偏流角误差。

进一步的，步骤1的实现方式如下，

设匹配得到第k片影像与第k+1片影像的同名点总数n₁，第i个同名点在第k片影像和第k+1片影像中的坐标分别为(x_i，k，y_i，k)和(x_i，k+1，y_i，k+1)，第k片与第k+1片之间的重叠像元数为，

其中，w为单片影像的像素宽，每个单片影像的像素宽相同，k的取值为1～m-1，m为影像总片数；

第k片与第k+1片之间的位移为，

通过上述公式计算得到任意相邻实际影像片间重叠像元数和片间位移；所述图像匹配的方法采用基于特征点的灰度匹配方法或基于特征矢量的sift匹配方法。

进一步，步骤2的实现方式如下，

设第k片影像的严格物理成像模型为，

正变换(B，L，H)＝f₁(x₁，y₁)反变换(x₁，y₁)＝g₁(B，L，H) (3)

第k+1片影像的严格物理成像模型为，

正变换(B，L，H)＝f₂(x₂，y₂)反变换(x₂，y₂)＝g₂(B，L，H) (4)

若第k片影像上的像点j经正变换f₁后得到地面坐标为(B，L，H)，再通过反变换g₂得到第k+1片的同名像点j’，由j点可计算出片间重叠像元数为d_j＝x₂+w-x₁，片间位移L_j＝y₂-y₁，其中，w为单片影像的像素宽，每个单片影像的像素宽相同；

对影像重叠区从上至下取均匀分布的若干点，设总点数为n₂，统计得到第k片与第k+1片之间的重叠像元数为，

其中，d_j为从第j点计算的重叠像元数，k的取值为1～m-1，m为影像总片数；

统计得到第k片与第k+1片之间的位移为，

通过上述公式计算得到任意相邻模型影像片间重叠像元数和片间位移。

与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明提出一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，该方法通过对比根据辅助数据建模计算得到的片间重叠像元数与真实影像匹配得到的片间重叠像元数，来计算偏流角误差，实现对卫星下传的辅助数据中的偏流角进行修正。利用修正后的偏流角进行基于虚拟线阵的几何拼接处理，可以使得拼接后影像内部几何精度更高。

具体实施方式

以下实施例详细说明本发明技术方案。

步骤1.通过图像匹配的方法，得到实际影像片间重叠像元数N₁(k，k+1)和片间位移L₁(k，k+1)；

为了统一图像坐标系，首先假设各片图像的首行对应于同一成像时刻。

再假设匹配得到第k片影像与第k+1片影像的同名点总数n₁，第I个同名点在第k片影像和第k+1片影像中的坐标分别为(x_i，k，y_i，k)和(x_i，k+1，y_i，k+1)，则可以计算出第k片与第k+1片之间的重叠像元数为：

其中，w为单片影像的像素宽，每个单片影像的像素宽相同；

第k片与第k+1片之间的位移：

其中k的取值为1～m，m为影像总片数，通过上述公式计算得到任意相邻实际影像片间重叠像元数和片间位移；本实施例中图像匹配的方法可采用基于特征点的灰度匹配、基于特征矢量的sift匹配等；

步骤2.利用卫星下传的辅助数据建立严格物理成像模型，计算得到模型影像片间重叠像元数N₂(k，k+1)和片间位移L₂(k，k+1)；

为了统一图像坐标系，首先假设各片图像的首行对应于同一成像时刻。

再假设第k片影像的严格物理成像模型为：

正变换(B，L，H)＝f₁(x₁，y₁)反变换(x₁，y₁)＝g₁(B，L，H) (3)

第k+1片影像的严格物理成像模型为：

正变换(B，L，H)＝f₂(x₂，y₂)反变换(x₂，y₂)＝g₂(B，L，H) (4)

以上严格物理成像模型中的正变换、反变换为现有技术，具体计算公式可参见文献：金淑英,胡芬,王密,潘俊.一种TDI CCD推扫影像的坐标反变换方法[J].武汉大学学报(信息科学版),2016,(05):590-597.

若第k片上的像点j(坐标为(x₁，y₁))经正变换f₁后得到地面坐标为(B，L，H)，再通过反变换g₂得到第k+1片的同名像点j’(坐标为(x₂，y₂))，由j点可计算出片间重叠像元数为d_j＝x₂+w-x₁，片间位移量L_j＝y₂-y₁，其中，w为单片影像的像素宽，每个单片影像的像素宽相同；

对影像重叠区从上至下取均匀分布的若干点，设总点数为n₂，分别按上式计算每点的片间重叠像元数和片间位移量，然后统计出第k片与第k+1片之间的重叠像元数为：

其中d_j为从第j点计算的重叠像元数；

同理统计出第k片与第k+1片之间的位移：

通过上述公式计算得到任意相邻模型影像片间重叠像元数和片间位移。

步骤3.对比片间重叠像元数偏差，计算偏流角误差Δ；

首先根据第k片和第k+1片之间的重叠像元数N₁(k，k+1)，N₂(k，k+1)和位移L₁(k，k+1)，L₂(k，k+1)，计算偏流角误差Δ_k，k+1。

先计算片间位移量L(k，k+1)＝[L₁(k，k+1)+L₂(k，k+1)]/2，则偏流角误差Δ_k，k+1可由下式计算得到：

所以最终偏流角误差：

其中，m为总片数。

步骤4.对星上下传的偏流角yaw_old进行修正，得到yaw_new；

yaw_new＝yaw_old+Δ (9)

其中，Δ为步骤3计算得到的最终偏流角误差。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过图像匹配的方法，得到任意相邻实际影像片间重叠像元数和片间位移；

步骤2，利用卫星下传的辅助数据建立严格物理成像模型，计算得到任意相邻模型影像片间重叠像元数和片间位移；

步骤3，根据步骤1中实际影像片间重叠像元数与步骤2中模型影像片间重叠像元数之间的偏差，计算星上下传的辅助数据中的最终偏流角误差Δ，实现方式如下，

设第k片影像与第k+1片影像的实际影像片间重叠像元数和片间位移分别为N₁(k，k+1)和L₁(k，k+1)，模型影像片间重叠像元数和片间位移分别为N₂(k，k+1)和L₂(k，k+1)，则第k片和第k+1片影像的片间位移量为L(k，k+1)＝[L₁(k，k+1)+L₂(k，k+1)]/2，其偏流角误差Δ_k，k+1可由下式计算得到，

最终偏流角误差Δ为，

其中，m表示影像总片数；

步骤4，对星上下传的偏流角yaw_old进行修正，得到yaw_new＝yaw_old+Δ，其中Δ为步骤3计算得到的最终偏流角误差。

2.如权利要求1所述的一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，其特征在于：步骤1的实现方式如下，

设匹配得到第k片影像与第k+1片影像的同名点总数n₁，第i个同名点在第k片影像和第k+1片影像中的坐标分别为(x_i，k，y_i，k)和(x_i，k+1，y_i，k+1)，第k片与第k+1片之间的重叠像元数为，

其中，w为单片影像的像素宽，每个单片影像的像素宽相同，k的取值为1～m-1，m为影像总片数；

第k片与第k+1片之间的位移为，

通过上述公式计算得到任意相邻实际影像片间重叠像元数和片间位移；所述图像匹配的方法采用基于特征点的灰度匹配方法或基于特征矢量的sift匹配方法。

3.如权利要求1或2所述的一种基于相邻片间重叠像元数偏差统计的偏流角修正方法，其特征在于：步骤2的实现方式如下，

设第k片影像的严格物理成像模型为，

正变换(B，L，H)＝f₁(x₁，y₁)反变换(x₁，y₁)＝g₁(B，L，H) (3)

第k+1片影像的严格物理成像模型为，

正变换(B，L，H)＝f₂(x₂，y₂)反变换(x₂，y₂)＝g₂(B，L，H) (4)

若第k片影像上的像点j经正变换f₁后得到地面坐标为(B，L，H)，再通过反变换g₂得到第k+1片的同名像点j’，由j点可计算出片间重叠像元数为d_j＝x₂+w-x₁，片间位移L_j＝y₂-y₁，其中，w为单片影像的像素宽，每个单片影像的像素宽相同；

对影像重叠区从上至下取均匀分布的若干点，设总点数为n₂，统计得到第k片与第k+1片之间的重叠像元数为，

其中，d_j为从第j点计算的重叠像元数，k的取值为1～m-1，m为影像总片数；

统计得到第k片与第k+1片之间的位移为，

通过上述公式计算得到任意相邻模型影像片间重叠像元数和片间位移。