CN112164118B - 一种地理图像处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地理图像处理系统方法，包括以下步骤：S1、对卫星图片进行预处理；S2、提取卫星图片中的特征参数，建立框标坐标系；S3、选取卫星图片内的多个地面控制点，S4、根据框标坐标系，选取相应的多项式，计算多项式参数；S5、选取验证控制点进行多项式参数验证，S6、计算图片外方位元素；S7、计算地面坐标；地理图像处理系统包括中央处理器、扫描模块、检索模块、筛选模块以及计算模块。本发明在对卫星图片进行影像内定向的过程中选取一个圆上的地面控制点以及圆心处的控制点，采用该地理图像处理系统及方法能够提高卫星信息的准确性，准确判断地理图片中的位置信息。

Description

一种地理图像处理系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星图片定位领域，尤其是一种地理图像处理系统及方法。
背景技术
随着遥感技术的快速发展，获得了大量的遥感影像数据，如何从这些影像中提取人们感兴趣的对象已成为人们越来越关注的问题。但是传统的方法不能满足人们已有获取手段的需要。
尤其是根据卫星图片获取图片中的位置信息，对于地质勘察，物质研究、遥感遥测、军事科学、生物科学、医学影像、交通监控、刑事侦察等领域具有重要的意义。
现有技术中只是通过对卫星图片的几何校正，将地理信息投影到卫星图片上，从而实现图片对相应位置信息的记录；然而现有的几何校正方法无法保证较高的精度。
例如中国专利申请ZL201810463439.6公开的海岛礁卫星影像无地面控制点定位方法及系统，虽然在实现定位的过程中无需采用地面控制点，因此减少了对地面控制点参数的依赖；但是其定位过程复杂，定位精度受到较多参数的影响，可控性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术缺陷，提供一种能够通过卫星图片准确定位卫星图片中各个点的位置信息的地理图像处理系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种地理图像处理方法，包括以下步骤：
S1、对卫星图片进行预处理；
S2、提取卫星图片中的特征参数，所述特征参数包括图片的长度L1、宽度L2以及卫星图片中的扫描坐标系；并建立框标坐标系，所述框标坐标系是指以像素为单位的图像坐标系；
S3、选取卫星图片内的多个地面控制点，扫描图片上地面控制点对应的像点；根据步骤S2中提取的图片扫描坐标系以及建立的框标坐标系，确定地面控制点的扫描坐标以及框标坐标；同时确定地面控制点的地面坐标；
设所述地面控制点中某点地面坐标为(a、b、c)，其他点地面坐标(x、y、z)满足(x-a)2+(y-b)2＝R2；其中a、b、c、R均为常量；
S4、根据框标的数量，选取相应的多项式，所述框标具有理论坐标(x′，y′)和扫描坐标(x、y)；
当选取框标的数量为3个时，选取以下多项式：
x′＝a0+a1x+a2y；
y′＝b0+b1x+b2y；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中a0、a1、a2、b0、b1、b2为多项式系数，
当选取的框标的数量大于或者等于4个时，选取以下多项式：
x′＝a1+a2x+a3y+a4xy；
y′＝b1+b2x+b3y+b4xy；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4为多项式系数；
将得到的地面控制点的扫描坐标以及框标坐标带入到选取的多项式公式中，计算多项式变量；
S5、选取验证控制点，所述验证控制点的地面坐标为(x1、y1、z1)，其中(x1-a)2+(y1-b)2＝R2；根据步骤S2中建立的框标坐标系确定验证控制点的框标坐标；
然后将框标坐标带入步骤S4中确定的多项式进行坐标系的转换得到计算坐标，将该计算坐标与其扫描坐标进行比较，判断多项式的变量是否满足误差要求，实现如下，
设计算坐标为(x计、y计)，扫描坐标(x扫、y扫)，按照以下公式进行判定：
(x计-x扫)2-(y计-y扫)2＝γ2
如果计算的扫描坐标误差γ小于或者等于相应预设阈值，则符合要求；
如果不符合要求，在卫星图片内选取多个新的地面控制点，重复步骤S3，直到γ小于或者等于相应预设阈值；
根据获得的多项式变量，将扫描坐标转为框标坐标实现影像内定向；
S6、利用地面控制点以及在图片上的像点，根据共线条件方程计算图片外方位元素；
S7、根据步骤S4中内方位定向获得内定向元素以及步骤S5中得到的外方位元素，通过以下公式计算对应点的地面坐标，迭代求解从而实现图片上点的精准定位，
Figure BDA0002712481490000021
Figure BDA0002712481490000022
其中，X、Y、Z为地面坐标，x、y、f为内方位元素，Xs、Ys、Zs为外方位元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3均为常数。
而且，在步骤S3中通过GPS测量或者通过全站仪进行测量得到地面控制点实际测量的地面坐标。
而且，在步骤S6中采用一张影片单像空间后方交会的方法获得外方位元素。
而且，在步骤S1中，对卫星图片进行预处理，包括对卫星图片进行图像复原和增强。
本发明还相应提供一种地理图像处理系统，用于实现如上所述的地理图像处理方法。
而且，包括中央处理器、扫描模块、检索模块、筛选模块以及计算模块；
所述扫描模块，用于实现对卫星图片的扫描，获得卫星图片上各个点的扫描坐标；
所述检索模块，用于对扫描到的卫星图片进行检索，通过轮廓检索方法获得卫星图片的大致地理位置信息；
所述筛选模块，用于通过检索到的地理位置信息筛选出该地区合适的地面控制点；
所述计算模块，用于通过GPS计算出地面控制点的地面坐标；
所述中央处理器，用于实现对卫星图片实现预处理的、提取特性参数、建立框标坐标系，并且实现卫星图片的内方位定向、外方位定向以及地面坐标的计算。
而且，所述扫描模块包括扫描设备和扫描软件；所述扫描设备用于对纸质卫星图片进行扫描得到数字图片；从而实现数字图片信息的获取；所述扫描软件用于对数字图片进行扫描。
而且，所述扫描设备采用图片扫描仪。
本发明的有益效果是：
本发明所述的地理图像处理方法，由于在对卫星图片进行影像内定向的过程中通过选取一个圆上的地面控制点以及圆心处的控制点，从而实现对左边转换多项式变量的计算；然后，通过选取特定的验证点，实现对多项式变量的验证，从而保证内定向坐标系转化的准确性。
从而能够保证内定向的准确性，然后根据内定型和选取的地面控制点；计算图像的外方位元素；从而实现图像的外部定向，最后通过内部定向和外部定向以及扫面坐标计算出对应点的地面坐标；从而能够对卫星图片进行数据提取，对图片信息进行处理，准确判断地理图片中各个点的位置信息。
采用该地理图像处理系统及方法能够提高卫星信息的准确性，准确判断地理图片中的位置信息。
附图说明
图1是本发明实施例中地理图像处理系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中地理图像处理方法流程框图；
图3是本发明实施例中共线条件方程的原理图；
图4是本发明实施例中像素坐标系建立示意图；
图中标示：图3中的A、B、C、D、E为地面控制点的实际测量的地面坐标点；a、b、c、d、e为图片中的地面控制点对应的像素点，坐标为框标坐标；坐标系X、Y、Z为地面坐标系；坐标系X1、Y1、Z1为相机坐标系；图4中u代表横轴，v代表纵轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述技术方案进一步说明。
如图2、3所示，本发明实施例提供的一种地理图像处理方法，主要包括在对卫星图片进行影像内定向的过程中通过选取一个圆上的地面控制点以及圆心处的控制点，从而实现对左边转换多项式变量的计算；然后，通过选取多个验证点，实现对多项式变量的验证，将计算坐标与扫描坐标进行比较，从而保证内定向坐标系转化的准确性。实施例所提供方法的具体实现包括以下步骤：
S1、对卫星图片进行预处理；
优选的，预处理包括对卫星图片进行图像复原和增强，例如采用中国专利申请ZL201911236795.5公开的基于卫星图片缺陷的图像复原和增强方法。
S2、提取卫星图片中的特征参数，所述特征参数包括图片的长度L1、宽度L2以及卫星图片中的扫描坐标系；建立框标坐标系；
参见图4，所述框标坐标系是指以像素为单位的图像坐标系，也称像素坐标系；以CCD图像平面的左上角顶点为原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴；提取图片的长度L1、宽度从而确定图形的边界；
通过提取扫描坐标系和建立框标坐标系可以实现两个坐标系之间的坐标的切换，根据扫描像素点的坐标得到该像素点的框标坐标。
S3、选取卫星图片内的多个地面控制点，扫描图片上地面控制点对应的像点；根据步骤S2中提取的图片扫描坐标系以及建立的框标坐标系，确定地面控制点的扫描坐标以及框标坐标；同时确定地面控制点的地面坐标；
具体实施时，可以通过GPS测量或者通过全站仪进行测量得到地面控制点的实际测量的地面坐标；
设所述地面控制点的其中一点地面坐标为(a、b、c)；其他点地面坐标(x、y、z)满足(x-a)2+(y-b)2＝R2；其中a、b、c、R均为常量；
S4、根据框标的数量，选取相应的多项式：所述框标具有理论坐标(x′，y′)和扫描坐标(x、y)；
当选取框标的数量为3个时，选取以下多项式：
x′＝a0+a1x+a2y；
y′＝b0+b1x+b2y；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中a0、a1、a2、b0、b1、b2为多项式系数，
当选取的框标的数量大于或者等于4个时，选取以下多项式：
x′＝a1+a2x+a3y+a4xy；
y′＝b1+b2x+b3y+b4xy；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4为多项式系数；
将得到的地面控制点的扫描坐标以及框标坐标带入到选取的多项式公式中，计算多项式变量；
S5、选取验证控制点，所述验证控制点的地面坐标为(x1、y1、z1)，其中(x1-a)2+(y1-b)2＝R2；根据步骤S2中建立的框标坐标系确定验证控制点的框标坐标；
然后将框标坐标带入步骤S4中确定的多项式进行坐标系的转换得到计算坐标，将该计算坐标与其扫描坐标进行比较，判断多项式的变量是否满足误差要求；
具体的，设计算坐标为(x计、y计)，扫描坐标(x扫、y扫)；按照以下公式进行判定：
(x计-x扫)2-(y计-y扫)2＝γ2
如果计算的扫描坐标误差γ小于或者等于相应预设阈值(实施例设为0.1，即为最大误差值，具体实施时该值设定越小精度越高，则符合要求；
如果不符合要求，在取卫星图片内选取多个新的地面控制点，重复步骤S3，直到γ小于或者等于相应预设阈值；
根据获得的多项式变量，将扫描坐标转为框标坐标实现影像内定向；
S6、利用地面控制点以及在图片上的像点，根据共线条件方程计算图片外方位元素；参见图3，图3中的A、B、C、D、E为地面控制点的实际测量的地面坐标点，即圆上的地面控制点以及圆心处的控制点；a、b、c、d、e为图片中的地面控制点对应的像素点，坐标为框标坐标；坐标系X、Y、Z为地面坐标系；坐标系X1、Y1、Z1为相机坐标系；具体实施时，可采用一张影片单像空间后方交会的方法获得外方位元素；
S7、根据步骤S4中内方位定向获得内定向元素以及步骤S5中得到的外方位元素通过以下公式计算对应点的地面坐标，迭代求解：
Figure BDA0002712481490000051
Figure BDA0002712481490000052
其中，X、Y、Z为地面坐标，x、y、f为内方位元素，Xs、Ys、Zs为外方位元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3均为常数；从而实现图片上点的精准定位。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
如图1所示，本发明实施例公开了一种地理图像处理系统，包括中央处理器、扫描模块、检索模块、筛选模块以及计算模块；
所述扫描模块用于实现对卫星图片的扫描，获得卫星图片上各个点的扫描坐标；
所述检索模块用于对扫描到的卫星图片进行检索；通过轮廓检索方法获得卫星图片的大致地理位置信息；
所述筛选模块用于通过检索到的地理位置信息筛选出该地区合适的地面控制点；
所述计算模块用于通过GPS计算出地面控制点的地面坐标；
所述中央处理器用于实现对卫星图片实现预处理的、提取特性参数、建立框标坐标系，并且实现卫星图片的内方位定向、外方位定向以及地面坐标的计算。
具体的，所述扫描模块包括扫描设备和扫描软件；所述扫描设备用于对纸质卫星图片进行扫描得到数字图片；从而实现数字图片信息的获取；所述扫描软件用于对数字图片进行扫描。所述扫描设备采用图片扫描仪。
实施例所述的地理图像处理系统在工作的过程中包括以下步骤：
1、通过中央处理器，对卫星图片进行预处理；具体的，对卫星图片进行图像复原和增强。采用中国专利申请ZL201911236795.5公开的基于卫星图片缺陷的图像复原和增强方法；同时，提取卫星图片中的特征参数，建立框标坐标系；其中，所述扫描模块用于实现对卫星图片的扫描，获得卫星图片上各个点的扫描坐标；
2、通过检索模块对扫描到的卫星图片进行检索；通过轮廓检索方法获得卫星图片的地理位置信息；所述筛选模块通过检索到的地理位置信息筛选出该地区合适的地面控制点；
选取卫星图片内的多个地面控制点，通过扫描模块扫描图片上地面控制点对应的像点；确定地面控制点的地面坐标、扫描坐标以及框标坐标；通过GPS测量或者通过全站仪进行测量得到地面控制点的实际测量地面坐标。
所述地面控制点的其中一点地面坐标为(a、b、c)；其他点地面坐标(x、y、z)满足(x-a)2+(y-b)2＝R2；其中a、b、c、R均为常量；
3、通过计算模块应用GPS计算出地面控制点的地面坐标；
具体的，地面控制点选取公路、铁路交叉点、河流叉口、农田界线等，并且选取其中均匀地分布在图像内的控制点；具有精确的定位识别标志，从而保证空间配准的精度。
根据框标理论坐标和扫描坐标的多少，选取相应的多项式：
选取的框标的理论坐标(x′，y′)和扫描坐标(x、y)数量为3个，选取以下多项式：
x′＝a0+a1x+a2y；
y′＝b0+b1x+b2y；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中a0、a1、a2、b0、b1、b2为多项式系数，
选取的框标的理论坐标(x′，y′)和扫描坐标(x、y)数量大于或者等于4个，选取以下多项式：
x′＝a1+a2x+a3y+a4xy；
y′＝b1+b2x+b3y+b4xy；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4为多项式系数；
将得到的地面控制点的扫描坐标以及框标坐标带入到选取的多项式公式中，计算多项式变量；
4、通过筛选模块选取验证控制点，所述验证控制点的地面坐标为(x1、y1、z1)，其中(x1-a)2+(y1-b)2＝R2；根据步骤S2中建立的框标坐标系确定验证控制点的框标坐标；
然后将框标坐标带入步骤S4中确定的多项式进行坐标系的转换得到计算坐标，将该计算坐标与其扫面坐标进行比较，判断多项式的变量是否满足误差要求；
具体的，计算坐标为(x计、y计)，扫描坐标(x扫、y扫)；按照以下公式进行判定：
(x计-x扫)2-(y计-y扫)2＝γ2
如果计算的扫描坐标误差γ小于或者等于0.1；则符合要求；如果不符合要求，在取卫星图片内选取多个新的地面控制点，重复步骤S3，直到γ小于或者等于0.1；根据获得的多项式变量；将扫描坐标转为框标坐标实现影像内定向；
5、利用地面控制点以及在图片上的像点，根据共线条件方程计算图片外方位元素；具体的，采用一张影片单像空间后方交会的方法获得外方位元素。
6、根据步骤S4中内方位定向获得内定向元素以及步骤S5中得到的外方位元素通过以下公式计算对应点的地面坐标，根据以下公式，迭代求解：
Figure BDA0002712481490000071
Figure BDA0002712481490000081
其中，X、Y、Z为地面坐标，x、y、f内方位元素，Xs、Ys、Zs为外方位元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3均为常数；从而实现图片上点的精准定位。
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 (8)

1.一种地理图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对卫星图片进行预处理；
S2、提取卫星图片中的特征参数，所述特征参数包括图片的长度L1、宽度L2以及卫星图片中的扫描坐标系；并建立框标坐标系，所述框标坐标系是指以像素为单位的图像坐标系；
S3、选取卫星图片内的多个地面控制点，扫描图片上地面控制点对应的像点；根据步骤S2中提取的图片扫描坐标系以及建立的框标坐标系，确定地面控制点的扫描坐标以及框标坐标；同时确定地面控制点的地面坐标；
设所述地面控制点中某点地面坐标为(a、b、c)，其他点地面坐标(x、y、z)满足(x-a)2+(y-b)2＝R2；其中a、b、c、R均为常量；
S4、根据框标的数量，选取相应的多项式，所述框标具有理论坐标(x′，y′)和扫描坐标(x、y)；
当选取框标的数量为3个时，选取以下多项式：
x′＝Aa0+Aa1 x+Aa2 y；
y′＝Ab0+Ab1 x+Ab2 y；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中Aa0、Aa1、Aa2、Ab0、Ab1、Ab2为多项式系数，
当选取的框标的数量大于或者等于4个时，选取以下多项式：
x′＝Ba1+Ba2 x+Ba3 y+Ba4 xy；
y′＝Bb1+Bb2 x+Bb3 y+Bb4 xy；
其中(x、y)为扫描坐标，(x′、y′)为框标坐标；其中Ba1、Ba2、Ba3、Ba4、Bb1、Bb2、Bb3、Bb4为多项式系数；
将得到的地面控制点的扫描坐标以及框标坐标带入到选取的多项式公式中，计算多项式变量；
S5、选取验证控制点，所述验证控制点的地面坐标为(x1、y1、z1)，其中(x1-a)2+(y1-b)2＝R2；根据步骤S2中建立的框标坐标系确定验证控制点的框标坐标；
然后将框标坐标带入步骤S4中确定的多项式进行坐标系的转换得到计算坐标，将该计算坐标与其扫描坐标进行比较，判断多项式的变量是否满足误差要求，实现如下，
设计算坐标为(x计、y计)，扫描坐标(x扫、y扫)，按照以下公式进行判定：
(x计-x扫)2-(y计-y扫)2＝γ2
如果计算的扫描坐标误差γ小于或者等于相应预设阈值，则符合要求；
如果不符合要求，在卫星图片内选取多个新的地面控制点，重复步骤S3，直到γ小于或者等于相应预设阈值；
根据获得的多项式变量，将扫描坐标转为框标坐标实现影像内定向；
S6、利用地面控制点以及在图片上的像点，根据共线条件方程计算图片外方位元素；
S7、根据步骤S4中内方位定向获得内定向元素以及步骤S6中得到的外方位元素，通过以下公式计算对应点的地面坐标，迭代求解从而实现图片上点的精准定位，
Figure FDA0002953182220000021
Figure FDA0002953182220000022
其中，X、Y、Z为地面坐标，x、y、f为内方位元素，Xs、Ys、Zs为外方位元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3均为常数。
2.根据权利要求1所述的一种地理图像处理方法，其特征在于：在步骤S3中通过GPS测量或者通过全站仪进行测量得到地面控制点实际测量的地面坐标。
3.根据权利要求2所述的一种地理图像处理方法，其特征在于：在步骤S6中采用一张影片单像空间后方交会的方法获得外方位元素。
4.根据权利要求3所述的一种地理图像处理方法，其特征在于：在步骤S1中，对卫星图片进行预处理，包括对卫星图片进行图像复原和增强。
5.一种地理图像处理系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-4任一项所述的地理图像处理方法。
6.根据权利要求5所述的地理图像处理系统，其特征在于：包括中央处理器、扫描模块、检索模块、筛选模块以及计算模块；
所述扫描模块，用于实现对卫星图片的扫描，获得卫星图片上各个点的扫描坐标；
所述检索模块，用于对扫描到的卫星图片进行检索，通过轮廓检索方法获得卫星图片的大致地理位置信息；
所述筛选模块，用于通过检索到的地理位置信息筛选出相应地区合适的地面控制点；
所述计算模块，用于通过GPS计算出地面控制点的地面坐标；
所述中央处理器，用于实现对卫星图片实现预处理的、提取特性参数、建立框标坐标系，并且实现卫星图片的内方位定向、外方位定向以及地面坐标的计算。
7.根据权利要求6所述的一种地理图像处理系统，其特征在于：所述扫描模块包括扫描设备和扫描软件；所述扫描设备用于对纸质卫星图片进行扫描得到数字图片；从而实现数字图片信息的获取；所述扫描软件用于对数字图片进行扫描。
8.根据权利要求7所述的一种地理图像处理系统，其特征在于：所述扫描设备采用图片扫描仪。
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