CN109612439B - 基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法 - Google Patents

基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，包括以下步骤：1)给定需要计算交会角的左影像Image1上影像点IP1(r1,c1)，通过影像匹配确定右影像Image2上的同名像点IP2(r2,c2)；2)通过有理函数立体定位模型计算对应的地面点GP(B,L,H)，通过有理函数模型分别计算左影像光线上的物方点GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)和右影像光线上的物方点GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)，并据此计算立体影像交会角α；3)通过有理函数模型计算基线长度。与现有技术相比，本发明具有无物理参数直接计算、通用性强等优点。

Description

基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法
技术领域
本发明涉及摄影测量领域，尤其是涉及一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法。
背景技术
传统的摄影测量确定像方坐标与地面坐标之间的关系是依据传感器模型包括内外方位元素、轨道参数、传感器平台的方位参数等建立的。随着遥感和摄影技术的发展，传感器的成像方式各异，因而其成像模型千变万化，这就大大增加了实际操作的复杂性。有理函数模型(Rational Function Model，RFM)通过数学函数来拟合像方坐标与物方坐标的对应关系。基于有理函数模型的成像模型并不要求了解传感器的实际构造和成像过程，因此它适用于不同类型的传感器，应用上独立于传感器的类型。基于以上特点，很多卫星资料供应商把有理函数模型作为影像传递的标准。影像提供的有理函数模型系数是从严格物理成像模型重新计算得到，并替换严格物理成像模型，作为影像标准提供给用户，从而避免直接将卫星轨道星历和传感器重要物理参数信息提供给用户。因此，如果没有轨道等物理参数，从有理函数模型无法直接获取立体影像的交会角和基线长度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，包括以下步骤：
1)给定需要计算交会角的左影像Image1上影像点IP1(r1,c1)，通过影像匹配确定右影像Image2上的同名像点IP2(r2,c2)；
2)通过有理函数立体定位模型计算对应的地面点GP(B,L,H)，通过有理函数模型分别计算左影像光线上的物方点GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)和右影像光线上的物方点GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)，并据此计算立体影像交会角α；
3)通过有理函数模型计算基线长度。
所述的步骤2)中，通过有理函数立体定位模型计算地面点GP(B,L,H)，所述的有理函数立体定位模型具体为：
Figure BDA0001905117440000021
其中，P1、P2、P3、P4分别为左影像的有理函数，P5、P6、P7、P8分别为右影像的有理函数，(r1,c1)为左影像Image1上影像点IP1的像面坐标，(r2,c2)为右影像Image2上的同名像点IP2的像面坐标。
所述的步骤2)中，根据左影像Image1上影像点IP1并给定高程Ho1+Hs1，基于左影像有理函数模型计算出左影像光线上的物方点GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)，所述的左影像有理函数模型具体为：
Figure BDA0001905117440000022
根据右影像Image2上影像点IP2并给定高程Ho2+Hs2，基于右影像有理函数模型计算出右影像光线上的物方点GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)，所述的右影像有理函数模型具体为：
Figure BDA0001905117440000023
将GP(B,L,H)，GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)，GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)的地理坐标转换成空间三维坐标(X,Y,Z)，(X1,Y1,Z1)，(X2,Y2,Z2)，则立体影像交会角α的表达式为：
Figure BDA0001905117440000024
其中，n1为矢量(GP,GP1)，n2为矢量(GP,GP2)。
所述的步骤3)具体包括以下步骤：
31)在左影像上确定与点IP1(r1,c1)在同一成像时刻的两个影像点IP1-1(r1,0)和IP1-2(r1,Co1+Cs1)，并在右影像上确定与点IP2(r2,c2)在同一成像时刻的两个影像点IP2-1(r2,0)和IP2-2(r2,Co2+Cs2)，Co1、Cs1分别为左像片的平移参数和比例系数，Co2，Cs2分别为右像片的平移参数和比例系数；
32)根据左影像的点IP1-1(r1,0)和给定高程Ho1+Hs1和Ho1-Hs1，通过左影像有理函数模型计算对应成像光线上的两个物方点坐标GP1-1(B1,L1,Ho1+Hs1)和GP1-2(B2,L2,Ho1+Hs1)，并根据左影像的点IP1-2(r1,Co1+Cs1)和给定高程Ho1+Hs1和Ho1-Hs1，通过左影像有理函数模型计算对应成像光线上的两个地面坐标GP1-3(B3,L3,Ho1+Hs1)和GP1-4(B4,L4,Ho1-Hs1)；
33)根据右影像的点IP2-1(r2,0)和给定高程Ho2-Hs2和Ho2+Hs2，通过右影像有理函数模型计算成像光线上的两个物方点坐标GP2-1(B5,L5,H5)和GP2-2(B6,L6,H6)，并根据右影像的点IP2-2(r,Co2+Cs2)和给定高程Ho2-Hs2和Ho2+Hs2，通过右影像有理函数模型计算对应成像光线上的两个地面坐标GP2-3(B3,L3,Ho2-Hs2)和GP2-4(B4,L4,Ho1+Hs1)；
34)分别将GP1-1,GP1-2,GP1-3,GP1-4地理坐标转换成空间三维坐标，并计算矢量(GP1-1,GP1-2)与矢量(GP1-3,GP1-4)的交点O1，即对应影像点IP1(r1,c1)成像时刻的摄影中心；
35)分别将GP2-1,GP2-2,GP2-3,GP2-4地理坐标转换成空间三维坐标，计算矢量(GP2-1,GP2-2)与矢量(GP2-3,GP2-4)的交点O2，即对应影像点IP2(r2,c2)成像时刻的摄影中心；
37)计算交点O1和O2之间的距离即为基线长度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、解决在影像未提供卫星轨道等物理参数的情况下，无法直接获取立体像对的交会角和基线长的问题。
二、在不同轨道，不同传感器类型的影像中具有通用性。
附图说明
图1为基于有理函数模型的立体影像交会角的计算示意图。
图2为基于有理函数模型计算立体像对基线长的示意图。
图3a为后视影像同名像点示意图。
图3b为下视影像同名像点示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明提供一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，用以在没有影像物理成像参数条件下，从有理函数模型估计立体影像交会角和基线长度。
有理函数模型介绍
在有理函数模型中，像面坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(B,L,H)为自变量的多项式的比值，即：有理函数模型可表示为：
Figure BDA0001905117440000041
每个P(B,L,H)是一个20项的三阶多项式：
Pi(B,L,H)＝a0+a1B+a2L+a3H+a4BL+a5BH+a6LH+a7B2+a8L2+a9H2
+a10BLH+a11B2L+a12B2H+a13BL2+a14B2H+a15BH2+a16BH2
+a17B3+a18L3+a19H3
多项式系数ai称为有理多项式系数，这样一个有理函数模型共有80个系数。左像片的有理函数用P1,P2,P3,P4表示，右像片的有理函数用(P5,P6,P7,P8)来表示。
地面点坐标(B,L,H)和像点坐标(r,c)是经过归一化之后的坐标。假设地面点的真实坐标为(B0,L0,H0)，则归一化后的坐标
Figure BDA0001905117440000042
把左像片的平移参数记为：BO1,LO1,HO1,RO1,CO1左像片的比例系数记为：BS1,LS1,HS1,rS1,CS1。把右像片的平移参数记为：BO2,LO2,HO2,RO2,CO2，右像片的比例系数记为BS2,LS2,HS2,RS2,CS2。
本发明的具体步骤如下：
如图1所示，基于有理函数模型的立体影像交会角的计算方法包括以下步骤：
(1)给定需要计算交会角的左影像Image1上影像点IP1(r1,c1)，通过影像匹配确定右影像Image2上的同名像点IP2(r2,c2)；
(2)通过同名像点坐标IP1(r1,c1),IP2(r2,c2)和有理函数立体定位模型：
Figure BDA0001905117440000051
计算对应的地面点GP(B,L,H)；
利用左影像点IP1(r1,c1)，并给定高程Ho1+Hs1，基于左影像有理函数模型：
Figure BDA0001905117440000052
计算出左影像光线上的物方点GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)；
利用右影像点IP2(r2,c2)，并给定高程Ho2+Hs2，基于右影像有理函数模型：
Figure BDA0001905117440000053
计算出右影像光线上的物方点GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)；
将GP(B,L,H)，GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)，GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)地理坐标转换成空间三维坐标(X,Y,Z)，(X1,Y1,Z1)，(X2,Y2,Z2)。矢量(GP,GP1)记为n1＝(X1-X,Y1-Y,Z1-Z)，矢量(GP,GP2)记为n2＝(X2-X,Y2-Y,Z2-Z),两个向量之间的夹角α即所求交会角，计算公式
Figure BDA0001905117440000054
如图2所示，基于有理函数模型的立体影像基线长度的计算方法具体包括以下步骤：
(1)给定需要计算成像基线的左影像Image1上影像点IP1(r1,c1)，通过影像匹配确定右影像Image2上的同名像点IP2(r2,c2)；
(2)确定左影像上与点IP1(r1,c1)同一成像时刻(同一行)上的两个影像点IP1-1(r1,0)和IP1-2(r1,Co1+Cs1).确定右影像上与点IP2(r2,c2)同一成像时刻(同一行)上的两个影像点IP2-1(r2,0)和IP2-2(r2,Co2+Cs2)；
(3)利用左影像点IP1-1(r1,0)，分别给定高程Ho1+Hs1和Ho1-Hs1，基于左影像有理函数模型：
Figure BDA0001905117440000061
Figure BDA0001905117440000062
计算该成像光线上的两个物方点坐标GP1-1(B1,L1,Ho1+Hs1)，GP1-2(B2,L2,Ho1+Hs1)。同理，计算出IP1-2(r1,Co1+Cs1)在给定高程Ho1+Hs1和Ho1-Hs1下的地面点坐标GP1-3(B3,L3,Ho1+Hs1)和GP1-4(B4,L4,Ho1-Hs1)；
(4)利用右影像点IP2-1(r2,0)，分别给定高程Ho2-Hs2和Ho2+Hs2，基于右影像有理函数模型：
Figure BDA0001905117440000063
Figure BDA0001905117440000064
计算该成像光线上的两个物方点坐标GP2-1(B5,L5,H5)和GP2-2(B6,L6,H6)。同理，计算出IP2-2(r,Co2+Cs2)在给定高程Ho2-Hs2和Ho2+Hs2下的地面点坐标GP2-3(B3,L3,Ho2-Hs2)和GP2-4(B4,L4,Ho1+Hs1)；
(5)将GP1-1,GP1-2,GP1-3,GP1-4地理坐标转换成空间三维坐标，计算矢量(GP1-1,GP1-2)与矢量(GP1-3,GP1-4)的交点O1(X1,Y1,Z1)，即对应影像点IP1(r1,c1)成像时刻的摄影中心O1(X1,Y1,Z1)；
(6)将GP2-1,GP2-2,GP2-3,GP2-4地理坐标转换成空间三维坐标，计算矢量(GP2-1,GP2-2)与矢量(GP2-3,GP2-4)的交点O2(X2,Y2,Z2)，即对应影像点IP2(r2,c2)成像时刻的摄影中心O2(X2,Y2,Z2)；
(7)计算O1(X1,Y1,Z1)，O2(X2,Y2,Z2)之间的距离即为所求的基线长度。
实施例：
本次实验选取资源三号卫星一景影像的下视影像与后视影像，该影像同时提供了有理函数模型和轨道姿态等参数，可用来验证本发明方法的有效性。在影像上选取25组同名像点(如图3a和3b所示)。根据有理函数模型分别计算交会角与基线长，并在卫星星历文件中根据对应像点的成像时间插值出卫星坐标来计算立体像对的交会角和基线长进行检验，实验结果见表1。交会角偏差约0.08％，基线长度偏差约0.6％，均小于1％，说明本发明方法是有效的。
表1基于有理函数模型计算的交会角和基线长的对比验证
Figure BDA0001905117440000071
本发明在获取立体影像交会角和基线长度后的应用有：
(1)计算同名像点的匹配误差
当高分辨率光学遥感卫星获取同轨立体多视影像时，立体像对通过大量的同名像点进行前方交会，得到地面点物方坐标。因此同名像点的量测误差会对前方交会的精度产生影响。同名像点的匹配误差如下：
Figure BDA0001905117440000081
H即为基线长。
(2)在南极应用中设定冰流速筛选测高数据
对于成像时间有差异的影像，通过设定冰流速的阈值，筛选出符合冰流速的ICESat/GLAS测高数据。冰流速的阈值可以通辻以下方法算出:根据立体影像的交会角α，然后设定高程误差限差δh，通辻公式即可算出平面误差δp。根据影像成像间隔，用平面误差σp除以成像间隔可估算出冰流速。
Figure BDA0001905117440000082
通过以上筛选，得到可用做高程控制的ICESat/GLAS测高数据。

Claims (4)

1.一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)给定需要计算交会角的左影像Image1上影像点IP1(r1,c1)，通过影像匹配确定右影像Image2上的同名像点IP2(r2,c2)；
2)通过有理函数立体定位模型计算对应的地面点GP(B,L,H)，通过有理函数模型分别计算左影像光线上的物方点GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)和右影像光线上的物方点GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)，并据此计算立体影像交会角α；
3)通过有理函数模型计算基线长度，具体包括以下步骤：
31)在左影像上确定与点IP1(r1,c1)在同一成像时刻的两个影像点IP1-1(r1,0)和IP1-2(r1,Co1+Cs1)，并在右影像上确定与点IP2(r2,c2)在同一成像时刻的两个影像点IP2-1(r2,0)和IP2-2(r2,Co2+Cs2)，Co1、Cs1分别为左像片的平移参数和比例系数，Co2，Cs2分别为右像片的平移参数和比例系数；
32)根据左影像的点IP1-1(r1,0)和给定高程Ho1+Hs1和Ho1-Hs1，通过左影像有理函数模型计算对应成像光线上的两个物方点坐标GP1-1(B1,L1,Ho1+Hs1)和GP1-2(B2,L2,Ho1+Hs1)，并根据左影像的点IP1-2(r1,Co1+Cs1)和给定高程Ho1+Hs1和Ho1-Hs1，通过左影像有理函数模型计算对应成像光线上的两个地面坐标GP1-3(B3,L3,Ho1+Hs1)和GP1-4(B4,L4,Ho1-Hs1)；
33)根据右影像的点IP2-1(r2,0)和给定高程Ho2-Hs2和Ho2+Hs2，通过右影像有理函数模型计算成像光线上的两个物方点坐标GP2-1(B5,L5,H5)和GP2-2(B6,L6,H6)，并根据右影像的点IP2-2(r,Co2+Cs2)和给定高程Ho2-Hs2和Ho2+Hs2，通过右影像有理函数模型计算对应成像光线上的两个地面坐标GP2-3(B3,L3,Ho2-Hs2)和GP2-4(B4,L4,Ho1+Hs1)；
34)分别将GP1-1,GP1-2,GP1-3,GP1-4地理坐标转换成空间三维坐标，并计算矢量(GP1-1,GP1-2)与矢量(GP1-3,GP1-4)的交点O1，即对应影像点IP1(r1,c1)成像时刻的摄影中心；
35)分别将GP2-1,GP2-2,GP2-3,GP2-4地理坐标转换成空间三维坐标，计算矢量(GP2-1,GP2-2)与矢量(GP2-3,GP2-4)的交点O2，即对应影像点IP2(r2,c2)成像时刻的摄影中心；
37)计算交点O1和O2之间的距离即为基线长度。
2.根据权利要求1所述的一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，其特征在于，所述的步骤2)中，通过有理函数立体定位模型计算地面点GP(B,L,H)，所述的有理函数立体定位模型具体为：
Figure FDA0002304110290000021
其中，P1、P2、P3、P4分别为左影像的有理函数，P5、P6、P7、P8分别为右影像的有理函数，(r1,c1)为左影像Image1上影像点IP1的像面坐标，(r2,c2)为右影像Image2上的同名像点IP2的像面坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，其特征在于，所述的步骤2)中，根据左影像Image1上影像点IP1并给定高程Ho1+Hs1，基于左影像有理函数模型计算出左影像光线上的物方点GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)，所述的左影像有理函数模型具体为：
Figure FDA0002304110290000022
根据右影像Image2上影像点IP2并给定高程Ho2+Hs2，基于右影像有理函数模型计算出右影像光线上的物方点GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)，所述的右影像有理函数模型具体为：
Figure FDA0002304110290000023
4.根据权利要求3所述的一种基于有理函数模型的立体影像交会角和基线长度估计方法，其特征在于，将GP(B,L,H)，GP1(B1,L1,Ho1+Hs1)，GP2(B2,L2,Ho2+Hs2)的地理坐标转换成空间三维坐标(X,Y,Z)，(X1,Y1,Z1)，(X2,Y2,Z2)，则立体影像交会角α的表达式为：
Figure FDA0002304110290000031
其中，n1为矢量(GP,GP1)，n2为矢量(GP,GP2)。
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