CN109239745A - 一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法 - Google Patents

Abstract

一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，以适应测图工作站对数据量、影像角度等方面的要求，并保证变换之后精度仍满足测图要求。包括如下步骤：原有影像上按一定间隔编制一个格网；在设定好的高程范围内，在不同的高程复制这一格网，获得所有格网上每个点的三维坐标；已知像方坐标和高程，通过有理多项式正变换将每个格网点的地面坐标求出；影像变换坐标系后，求出所有格网点的新坐标，格网点新坐标和物方坐标一一对应；根据变换后的图像求解变换后的有理多项式的归一化参数；已知归一化参数，格网点新坐标与物方坐标E、N、H的对应关系迭代解算出新的有理多项式参数。

Description

一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法

技术领域

本发明涉及测绘遥感领域，特别涉及一种高分辨率卫星影像及其参数变换方法。

背景技术

随着传感器技术、电子技术及对地观测技术的进步，各国相继发射了多颗高分辨率的遥感卫星，对地实行全方位和全天候观测。目前现有的高分辨率卫星有1.5米的Spot7、1米的Ikonos、0.5米的Pleiades、0.41米的GeoEye、0.3米的WorldView-3等，这些卫星影像的特点是地物辨识度清晰，测图精度高；单景影像覆盖范围大，测图面积广。但由于分辨率较高，影像数据量剧增，单张影像普遍为2GB左右，有的甚至超过4GB，从而导致电脑处理速度降低，空三加密匹配缓慢。目前国内现有的测图工作站对于较大影像数据的支持度不够，随着数据量的增大，测图软件不能打开高分辨率卫星影像，或者显示会出现卡顿和瞬时上下视差现象，影响测图速度和精度。另外卫星轨道与大地坐标系有一定的夹角，而卫星的成像方向与卫星轨道运行方向一致，所以在处理前后视卫星影像组成的立体像对数据时，需要对卫星影像进行一定角度的旋转变换，而用于影像定位的有理多项式参数也应该进行相应的变换，以确保立体定向的坐标与实际坐标一致。因此在不降低原始影像分辨率的条件下，为了保证卫星立体像对定向精度，必须寻求一种行之有效的方法对高分辨率卫星影像及有理多项式参数进行变换。

对于卫星数据的处理涉及两类文件，一类就是普通的影像数据，其格式为tif，或者jpg2000等；一类是有理多项式参数，即卫星影像定位文件，其格式为文本或者xml等。需要使变换后的影像与有理多项式参数相匹配，因此提出了一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，以适应测图工作站对数据量、影像角度等方面的要求，并保证变换之后精度仍满足测图要求。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

本发明的一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，包括如下步骤：

①原有影像上按一定间隔编制一个格网；

②在设定好的高程范围内，在不同的高程复制这一格网，获得所有格网上每个点的三维坐标；

③已知像方坐标和高程，通过有理多项式正变换将每个格网点的地面坐标求出；

④影像变换坐标系后，求出所有格网点的新坐标，格网点新坐标和物方坐标一一对应；

⑤根据变换后的图像求解变换后的有理多项式的归一化参数；

⑥已知归一化参数，格网点新坐标与物方坐标E、N、H的对应关系迭代解算出新的有理多项式参数。

本发明的有益效果是，利用原始影像、变换后的新影像、实际坐标之间的相互关系求解新的有理多项式参数，新的有理多项式参数与新影像配套使用，能有效的控制变换后计算精度，实际坐标解算控制在半个GSD以内；在保证计算精度的同时，拓展遥感数据应用的场景，提高遥感数据的适用性；该方法易于操作，不影响作业效率。

附图说明

本说明书包括如下四幅附图：

图1是控制格网示意图；

图2是影像四参数坐标转换图；

图3是影像裁切和缩放示意图；

图4是影像裁切和缩放示意图；

图示标记：B为纬度坐标，L为经度坐标，H为高程坐标，line、sample为影像坐标。

具体实施方式

下面结合附图和实施样例对本发明作进一步说明。参照图1、2、3，本发明一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法的具体实施步骤如下：

①如图1所示，将影像均分为m行、n列,得到(m+1)×(n+1)个均匀分布的像点；

②将影像覆盖区的高程均分为k层,每层具有相同的高程h,并都有上述(m+1)×(n+1)个像点,于是产生了(m+1)×(n+1)×k个在平面、高程上均匀分布的格网点,并且各点的像坐标(x,y)及高程Z已知；

③利用有理多项式函数,根据各格网点的像点坐标(x,y)和高程Z计算出物方坐标(X,Y),计算公式如下：

式中：a₀～d₁₉：为参数文件中提供的有理多项式参数；x_n,y_n：为图像上对应点的规格化坐标。

规格化图像坐标到图像坐标的变换如下式：

x＝x_n×SAMP_SCALE+SAMP_OFF

y＝y_n×LINE_SCALE+LINE_OFF

式中：x,y：为像点的坐标，左上角为0，单位为像素；x_n,y_n：为规格化坐标；SAMP_SCALE,SAMP_OFF,LINE_SCALE,LINE_OFF为像方规格化参数。

这样就得到(m+1)×(n+1)×k个格网点的全部坐标(图1)。

④影像四参数变换：影像的变换相当于两个平面坐标系的变换，变换前的影像与变换后的影像坐标一一对应，计算公式如下：

其中，x′，y′为变换后的影像坐标值，x，y为变换前的影像坐标值，K为比例因子，θ为旋转角，Δx₀、Δy₀为x，y轴线的平移量；

⑤因为影像变换不影响物方坐标，因此有理多项式中的物方归一化参数不改变；根据变换后的图像宽高求解变换后的有理多项式像方归一化参数：

LNE_SCALE＝max(|Line_max-LIVE_OFF|，

|Line_min-LIVE_OFF|)

SAMP_SCALE＝max(|Samp le_max-SAMP_OFF|，

|Samp le_min-SAMP_OFF|)

⑥利用格网控制点新坐标与物方坐标E，N，H(度，度，米)的对应关系，通过对其进行最小二乘拟合，计算出新的有理多项式参数。公式描述为：

x′＝f_ni(x_n)

式中：x_n＝f_r(E_n，N_n，h_n)；E_n＝f_no1(E，N，h)；N_n＝f_no2(E，N，h)；h_n＝f_no3(E，N，h)；

合写为：

x_n＝f_r(f_no1(E，N，h))

所以：

x′＝f_ni(f_r(f_no1(E，N，h)))

概括为：

x′＝G_r(E，N，h)

用泰勒级数展开并取其一次项，得：

同理：

其矩阵表达式为：

x'＝x₀+AX

即：

v＝AX+I

法化方程为：

BX+L＝0

解之可求得改正数：

反复迭代直至改正数Δ＜σ,σ为控制值。

影像的裁剪、缩放、以及旋转90、180、270都属于坐标变换的特例，也是最常用的几种变换，考虑到变换速度的原因，简化计算公式提高效率。

如图3和图4，影像裁剪时像方物方的关系没有改变、只是原点发生变化，按下式修改两个像方规格化参数：

其中iStartX、iStartY是新图像的原点在原图像的像方坐标。

如图3和图4，影像缩放时影像的原点没有改变时，只是影像的长度和宽度比例发生了变化，按下式修改四个像方规格化参数：

式中scale是缩放系数。

影像旋转90°、180°、270°特殊角度时，则是相当于像方x轴、y轴构成的四个象限发生了变化，只需要将像方规格化参数以及四组有理多项式系数进行交换或者反向即可；

影像旋转90°时：

影像旋转180°时：

影像旋转270°时：

式中iw、ih是原图像的宽度和高度。

本发明利用原始影像、变换后的新影像、实际坐标之间的相互关系求解新的有理多项式参数，新的有理多项式参数与新影像配套使用，能有效的控制变换后计算精度，实际坐标解算控制在半个GSD以内。在保证计算精度的同时，拓展遥感数据应用的场景，提高遥感数据的适用性。该方法易于操作，不影响作业效率，可以很好地适应测图工作站对数据量、影像角度等方面的要求。

以上所述只是用图解说明本发明方法的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体方法和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (4)

1.一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，包括如下步骤：

①原有影像上按一定间隔编制一个格网；

②在设定好的高程范围内，在不同的高程复制这一格网，获得所有格网上每个点的三维坐标；

③已知像方坐标和高程，通过有理多项式正变换将每个格网点的地面坐标求出；

④影像变换坐标系后，求出所有格网点的新坐标，格网点新坐标和物方坐标一一对应；

⑤根据变换后的图像求解变换后的有理多项式的归一化参数；

⑥已知归一化参数，格网点新坐标与物方坐标E、N、H的对应关系迭代解算出新的有理多项式参数。

2.如权利要求1所述的一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，其特征是：影像裁剪时像方物方的关系没有改变、只是原点发生变化，按下式修改两个像方规格化参数：

其中iStartX、iStartY是新图像的原点在原图像的像方坐标。

3.如权利要求1所述的一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，其特征是：影像缩放时影像的原点没有改变时，只是影像的长度和宽度比例发生了变化，按下式修改四个像方规格化参数：

式中scale是缩放系数。

4.如权利要求1所述的一种高分辨率卫星影像及有理多项式参数变换方法，其特征是：影像旋转90°、180°、270°特殊角度时，则是相当于像方x轴、y轴构成的四个象限发生了变化，只需要将像方规格化参数以及四组有理多项式系数进行交换或者反向即可；

影像旋转90°时：

影像旋转180°时：

影像旋转270°时：

式中iw、ih是原图像的宽度和高度。