CN113902626B - 超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对超宽幅线阵影像行间外方位元素具有强相关性和线阵传感器边缘畸变大的缺陷，提出了附加约束条件(角度一致约束、共面约束)的超宽幅线阵影像严密正射纠正方法，包括：(1)地面控制点采集；(2)构建附加约束条件的严密模型；(3)超宽幅线阵影像严密正射纠正处理。本发明通过约束条件将外方位元素进行解耦，提升了超宽幅线阵影像外方位元素的求解精度，改善了超宽幅线阵影像的正射纠正结果，为超宽幅线阵影像的正射纠正提供了新的解决方案，扩展了超宽幅线阵影像的应用范围。并且该模型受控制点数量和初始值精度的影响较小，可以在选择相对较少控制点的同时达到更高的解算精度，减少了外业工作量，节省了人力物力。

Description

超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法
技术领域
本发明涉及摄影测量与遥感领域，特别涉及到摄影测量中超宽幅线阵影像的正射纠正。
背景技术
正射影像作为地图分析的背景底图具有信息丰富、直观逼真等优点，广泛应用在军事民用领域，例如地形匹配制导、景象匹配末制导、数字城市建设、城市规划设计、地理国情监测等。线阵CCD(Charge Coupled Device，CCD)传感器因其具有分辨率高、结构简单、价格低廉、成像范围广等优点被广泛搭载在无人机、人造卫星等空基、天基平台上用来获取目标的影像信息。
线阵传感器的特殊结构使得其成像几何更为复杂，不再符合传统意义上的中心投影，平行于CCD线阵列的方向上符合行中心投影，而在垂直于CCD线阵列的方向上近似符合平行投影，这导致了CCD线阵传感器获取的各一维影像具有不同的外方位元素(图1)。影像外方位元素的相异性和强相关性以及透镜的边缘畸变(图1)是制约超宽幅线阵正射影像生产精度的主要因素。如何提外方位元素的求解精度成为了超宽幅线阵影像正射纠正的难点，为此国内外很多学者提出了许多不同的解决方案，例如通过线角元素分求、岭估计、主成分估计等方法来解决线元素与角元素的强相关性，这些方法虽然在一定程度上提高了外方位元素的求解精度，但却使纠正模型失去了原有的物理几何含义。
线阵影像的正射纠正是指在地理空间中根据传感器的成像原理，利用辅助信息，改正由于地形起伏引起的像点偏移，使得符合中心投影的原始影像重投影为符合平行投影的正射影像(图2)。当前线阵影像的正射纠正方法主要分为两类：①基于有理函数的通用模型。避开了成像传感器的物理参数，利有理函数，通过大量的地面控制点来拟合正射纠正后的影像与原始影像之间的函数关系。这类方法不受传感器类型的限制具有普适性，但不具有几何物理意义，无法应用于大范围、地形起伏较大的区域。②基于传感器物理参数的严密模型。利用影像的外方位元素信息，通过共线方程恢复成像时刻传感器的空间位置和姿态信息。这类方法具有严密的几何解释，可以改正由传感器自身引起的系统误差，纠正精度不受地形影响，具有全场景精度一致的特性，但需要知道传感器的物理参数和辅助的地形数据。本发明主要讨论基于传感器物理参数的严密模型。
发明内容
本发明针对超宽幅线阵影像外方位元素间具有强相关性和边缘变形大的缺陷，提出了附加约束条件(角度一致约束、共面约束)的超宽幅线阵影像严密正射纠正方法，约束条件的具体说明如下：
角度一致约束条件：如图3所示，SA和SB是两束位于相同扫描行上的成像光线，摄影中心S和地面点A，B的空间坐标分别是(XS,YS,ZS)，(XA,YA,ZA)，(XB,YB,ZB)，地面点A,B对应的像点分别是a,b，其影像坐标分别为(xa,0),(xb,0)。由于CCD探元的位置是固定的，摄影中心与CCD各探元中心的连线构成的向量Sa和向量Sb之间的夹角∠aSb与摄影中心和对应的地面点之间构成的向量SA和向量SB之间的夹角∠ASB保持不变，即∠aSb＝∠ASB，并且与传感器的姿态角无关。
共面约束条件：如图3所示，设地面点C在地面坐标系中的坐标是(XC，YC，ZC)，地面点A，B和摄影中心S组成平面ASB，向量SC平行于坐标系纵轴(OZ)方向向下。正直成像的情况下向量SC位于平面ASB内，非正直成像的情况下，将向量SC与平面ASB的夹角∠CSC'即为旋转角
Figure BDA0003225511230000021
超宽幅线阵影像附加约束条件的严密正射纠正流程如下：
1)利用辅助信息获取原始影像四个角点的坐标，确定待输出图像的范围。
2)利用地面控制点，通过约束模型精确求得各影像行间外方位元素的函数关系。
3)将待输出图像按照目标分辨率划分出若干格网，计算出格网点地理坐标。
4)利用DEM(Digital Elevation Model，DEM)内插出步骤3中格网点地理坐标对应的高程。
5)利用地面坐标和二维线阵影像间的仿射变换关系求解步骤3和步骤4中确定的待输出图像格网地理三维坐标对应于原始影像的初始影像行，给定阈值σ，不断迭代，精确求得格网点对应的外方位元素。
6)利用检查点(Check Points，CPs)计算残差，评估利用附加约束条件的线阵影像正射纠正精度。
7)利用共线方程求格网点在原始影像上的影像坐标。
8)对原始影像进行亮度重采样，并将采样值赋给对应的待输出像元。
本发明采用了上述技术方案，为超宽幅线阵影像的正射纠正提供了新的解决方案。通过约束条件将外方位元素进行解耦，提升了超宽幅线阵影像外方位元素的求解精度，改善了超宽幅线阵影像的正射纠正结果，扩展了超宽幅线阵影像的应用范围。并且该模型受控制点数量和初始值精度的影响较小，可以在选择相对较少控制点的同时达到更高的解算精度，减少了外业工作量，节省了人力物力。
附图说明
图1是超宽幅线阵传感器的成像原理
图2是超宽幅线阵影像严密正射纠正流程
图3是角度一致、共面约束模型
图4地面控制点位置分布
图5a线阵传感器获取的原始影像
图5b正射纠正后的影像
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加详尽清晰，下面结合附图对本发明的具体实施细节作进一步说明，以SPOT卫星影像为例，同样适用于北京一号、北京二号等卫星线阵传感器数据。
实施例：SPOT卫星线阵影像的严密正射纠正
以SPOT卫星获取的覆盖桂林至阳朔范围的一景线阵影像数据为例，采用了附加约束条件的线阵影像正射纠正方法，具体步骤如下：
1)获取原始数据，包括原始影像数据、传感器物理参数、DEM和影像元数据。
2)采集地面控制点(Ground Control Points,GCPs)，获取GCPs的地理坐标和影像坐标。
3)利用共线方程(公式1)列出地面控制点的误差方程。
Figure BDA0003225511230000041
Figure BDA0003225511230000042
4)根据图3中的约束模型选择合适的GCPs(图4)列出角度一致约束方程(公式2)和共面约束方程(公式3)。
Figure BDA0003225511230000043
Figure BDA0003225511230000044
5)利用最小二乘原理将步骤3和步骤4所列的方程联立求解。得到各影像行间外方位元素的函数关系。
6)根据原始影像四个角点的坐标确定待输出影像的范围，给出待输出影像的地面分辨率，开辟待输出影像的存储空间。
7)将待输出图像按照目标分辨率划分出若干格网，计算出格网点的地理坐标。
8)利用DEM内插出步骤7中格网点地理坐标对应的高程，获取待输出影像像元的三维地理坐标。
9)利用地面二维坐标和二维线阵影像间的仿射变换关系求解步骤2中的待输出图像格网坐标对应于原始影像的初始影像行。
10)给定阈值σ＝0.5pixel,若|yg-y0|<σ即为精确求得格网点对应的外方位元素，反之则需不断迭代，直至满足限差要求。
11)利用检查点(Check Points,CPs)计算残差，评估利用附加约束条件的线阵影像正射纠正精度。
12)利用共线方程(公式1)求格网点在原始影像上的影像坐标。
13)利用最邻近像元法对原始影像(图5a)进行亮度重采样，赋值给对应的待输出像元。最终纠正结果见图5b。
本实施例所涉及公式的参数详细说明见表1
表1参数说明
Figure BDA0003225511230000051
本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (6)

1.超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用辅助信息获取原始影像四个角点的坐标，确定待输出图像的范围；
(2)利用地面控制点，通过附加角度一致约束和共面约束后的模型精确求得各影像行外方位元素间的函数关系；
(3)将待输出图像按照目标分辨率划分出若干格网，计算出格网点的地理坐标；
(4)利用数字高程模型内插出步骤(3)中格网点地理坐标对应的高程值；
(5)利用地面坐标和线阵影像间的仿射变换关系求解步骤(3)和步骤(4)
中确定的待输出图像格网地理三维坐标对应于原始影像的初始影像行，给定阈值σ,不断迭代，精确求得格网点对应的外方位元素；
(6)利用检查点地理坐标与影像坐标计算残差，评估线阵影像在附加角度一致约束和共面约束条件后的正射纠正精度；
(7)利用附加角度一致约束和共面约束后的共线方程求格网点在原始影像上的影像坐标；
(8)对原始影像进行亮度重采样，并将采样值赋给对应的待输出像元。
2.根据权利要求1所述的超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法，其特征在于，步骤(1)中辅助信息包括影像服务商提供的xml或dim格式的元数据、星历文件、传感器姿态、传感器的主距、镜头的畸变参数和成像单元的指向角。
3.根据权利要求1所述的超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法，其特征在于，步骤(2)中地面控制点的采集包括野外实测、利用已知的高精度地图或从Google earth底层地图中提取。
4.根据权利要求1所述的超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法，其特征在于，角度一致约束和共面约束。
5.根据权利要求1所述的超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法，其特征在于，步骤(4)中数字高程模型数据包括野外实测地形数据、利用航空影像生产的数据产品和国内外机构免费发布的数据。
6.根据权利要求1所述的超宽幅线阵影像附加约束条件的正射纠正方法，其特征在于，步骤(8)中重采样的方法包括最邻近像元法、双线性内插法和双三次卷积法。
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