JP2011128784A

JP2011128784A - Ｒｐｃ計算装置

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Publication number: JP2011128784A
Application number: JP2009285297A
Authority: JP
Inventors: Naritaka Itakura; 成孝板倉; Yoshitaka Nakano; 貴敬中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: JP5349273B2

Abstract

【課題】ＲＰＣ計算装置において、フィッティングに用いる地表面上の対応点の取り方、点数を、衛星の姿勢情報、軌道情報および撮像モードによって最適化することで、高精度のＲＰＣモデルを高速に計算する。
【解決手段】ＲＰＣ計算装置は、人工衛星で撮像した衛星画像に対して、ＲＰＣモデルの係数を算出するとともに、上記衛星画像を取得した時の各画素に対応した衛星の撮像条件により地表面上の対応点のサンプリング条件を決定するサンプリング条件設定部と、上記衛星画像の各画素におけるセンサの視軸を計算する視軸ベクトル計算部と、上記サンプリング条件設定部および上記視軸ベクトル計算部からのデータにより地表上の対応点を計算する地表対応点計算部と、フィッティングにより上記ＲＰＣモデルの係数を決定する関数モデルフィッティング部と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、撮像画像の歪みを補正するためのＲＰＣモデルを計算するＲＰＣ計算装置に関するものである。

人工衛星から地表を撮像した場合、光学系の非線形性、衛星の揺動の影響、また、三次元の地表面を二次元の画像データにすることから、地表面と衛星の像面が非線形な結像関係となり、撮像画像に歪みを生じる。従って正確な画像データを得るためには上記影響を補正する必要があり、地表面上の任意の点と衛星の画像座標を結びつける関数モデルとしてＲＰＣ（ＲａｔｉｏｎａｌＰｏｌｙｎｏｍｉｎａｌＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）モデルが一般に用いられる。ＲＰＣモデルでは地表面から像面への射影関係を８０項の有理多項式で表しており、衛星の軌道情報やカメラモデルからＲＰＣモデル計算するために、地表面上の対応点を用いたフィッティングが用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

ＪａｃｅｋＧｒｏｄｅｃｋｉ，「ＩＫＯＮＯＳＳＴＥＲＥＯＦＥＡＴＵＲＥＥＸＴＲＡＣＴＩＯＮ−ＲＰＣＡＰＰＲＯＡＣＨ」，ＰｒｏｃｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡＳＰＲＳＡｎｎｕａｌｍｅｅｔｉｎｇ，２００１，ＡＳＰＲＳ，Ａｐｒｉｌ２００１

ＲＰＣモデルの係数を計算する場合、用いる地表面上の対応点の取り方および点数はＲＰＣモデルの精度や計算時間に大きな影響を与える。このため、対応点の取り方・点数の最適化が非常に重要となるが、従来のＲＰＣ計算装置では、衛星の姿勢や軌道等の状態の違いに対し上記条件が最適化されていないと精度が低下し、精度の良いＲＰＣ出力が得られないという課題があった。
また、ＲＰＣモデルの精度低下を抑制するために多くの対応点を用いた場合、必要数以上の対応点でフィッティングすることになり、計算時間が増加するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＲＰＣ計算装置において、フィッティングに用いる地表面上の対応点の取り方、点数を、衛星の姿勢情報、軌道情報および撮像モードによって最適化することで、高精度のＲＰＣモデルを高速に計算することを目的とする。

この発明に係るＲＰＣ計算装置は、人工衛星で撮像した衛星画像に対して、ＲＰＣ（ＲａｔｉｏｎａｌＰｏｌｙｎｏｍｉｎａｌＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）モデルの係数を算出するものであり、上記衛星画像を取得した時の各画素に対応した衛星の撮像条件により地表面上の対応点のサンプリング条件を決定するサンプリング条件設定部と、上記衛星画像の各画素におけるセンサの視軸を計算する視軸ベクトル計算部と、上記サンプリング条件設定部および上記視軸ベクトル計算部からのデータにより地表上の対応点を計算する地表対応点計算部と、フィッティングにより上記ＲＰＣモデルの係数を決定する関数モデルフィッティング部と、を備える。

この発明に係るＲＰＣ計算装置は、サンプリング条件設定部において、衛星画像データを取得した時の各画素に対応した衛星姿勢情報データ、衛星軌道情報データおよび撮像モードデータにより、ｚ軸方向に関しては４層以上、ｘ軸方向に関しては参照点数を５点以上、ｙ軸方向に関してはＲＰＣモデルで決まる精度に収束する参照点以上で分割するようにサンプリング条件を決定し、決定したサンプリング条件に基づき地表対応点計算部および関数モデルフィッティング部でＲＰＣモデルの係数を算出することで、ＲＰＣモデルとして最大の精度が得られる。

この発明の実施形態１に係るＲＰＣ計算装置の構成を示す構成図である。ＲＰＣモデルを説明するための図である。人工衛星に生じる揺動の強度を説明するための図である。ｚ軸方向の分割数に対するＲＰＣの計算精度を示した図である。ｘ軸方向の分割数に対するＲＰＣの計算精度を示した図である。ｙ軸方向の分割数に対するＲＰＣの計算精度を示した図である。人工衛星の姿勢に対するＲＰＣの計算精度を示した図である。この発明の実施形態２に係るＲＰＣ計算装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明のＲＰＣ計算装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係るＲＰＣ計算装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態１に係るＲＰＣ計算装置１は、図１に示すように、衛星画像データ６、衛星画像データ６を取得した時の各画素に対応した衛星姿勢情報データ７、衛星軌道情報データ８および撮像モードデータ９が入力され、これらのデータを用いてＲＰＣモデル１０を算出し出力する。

そして、ＲＰＣ計算装置１は、入力された衛星姿勢情報データ７、衛星軌道情報データ８および撮像モードデータ９を用いて地表面上の対応点のサンプリング条件を決定するサンプリング条件設定部２と、衛星姿勢情報データ７および衛星軌道情報データ８を用いて衛星画像データ６の画素毎にセンサの視軸を計算する視軸ベクトル計算部３と、サンプリング条件設定部２および視軸ベクトル計算部３からのデータを用いて地表上の対応点を計算する地表対応点計算部４と、フィッティングによりＲＰＣモデルの係数を決定し、ＲＰＣモデル１０を出力する関数モデルフィッティング部５と、を有する。

次に、この発明の実施の形態１に係るＲＰＣ計算装置１の動作について説明する。
ＲＰＣ計算装置１では、まず、衛星画像データ６を取得した時の各画素に対応した衛星姿勢情報データ７、衛星軌道情報データ８および撮像モードデータ９がサンプリング条件設定部２に入力され、入力されたこれらのデータを用いて最適な地表面上の対応点のサンプリング条件を設定する。

視軸ベクトル計算部３は、入力された衛星姿勢情報データ７および衛星軌道情報データ８を用いて衛星画像データ６の画素毎にセンサの視軸ベクトルを計算する。

人工衛星によっては、例えば衛星の軌道に拠らず地表の一領域を時間をかけて撮影する撮像モード（積分撮像モード、ＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）撮像モード）を備えるものがあり、このときの最適なサンプリング条件は通常の撮像モードの場合とは異なる。よって撮像モードデータ９とは、撮像モードによって適したサンプリング条件に切り替えるためのデータである。

サンプリング条件設定部２で決定されるサンプリング条件については、図２に示すＲＰＣモデルの模式図の通り、衛星の走査方向の垂直方向（ＣＴ方向）を地表面のｘ軸方向、衛星の走査方向（ＡＴ方向）を地表面のｙ軸方向、地表面の高さ方向をｚ軸方向として説明する。また、本実施の形態では地表面の対応点は必ず４隅の点を含み、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向共に等間隔に設定することとする。

人工衛星に生じる揺動の強度は、図３に示す通り、一般的に周波数の増加に伴い減少する。そこで人工衛星に対し図３に示した強度分布の揺動を与えた場合における、地表面の高さ方向（ｚ軸方向）の層数に対するＲＰＣ精度のシミュレーション結果の一例を図４に示す。
図４からも分かるようにｚ軸方向の分割数が４層未満では精度が著しく低下する。また、４層以上に層数を増やしても精度の変化はあまり見られない。
人工衛星の姿勢、高度、地上分解能（ＧＳＤ）、撮像領域および分割する地表面の高度（ｚ軸方向の高度）等を変化させても同様の傾向が見られることから、ｚ軸方向に関しては４層以上で分割するようにサンプリング条件を決定することで、ＲＰＣモデルの係数を高精度に計算可能なＲＰＣ計算装置１が得られる。また、計算時間を考慮するとＲＰＣ精度が得られる最小分割数である４層が望ましい。

次に、人工衛星に対して周波数に応じた強度分布の揺動を与えた場合の、ｘ軸方向の参照点数に対するＲＰＣ精度のシミュレーション結果の一例を図５に示す。
ｘ軸方向およびｙ軸方向に関しては、ｚ軸方向のように自ら地表面の高度と層数を決定するのではなく、例えば１０００×１０００画素からなるような衛星の撮像画像から、サンプリングする点を間引いて参照点数を決定する。図５から分かるようにｘ軸方向の参照点を５点未満として分割した場合は精度が著しく低下する。また、参照点を５点以上に増やしても精度の変化はあまり見られない。
ｚ軸方向と同様に、人工衛星の撮像条件を変化させても上記傾向は変化しないことから、ｘ軸方向に関しては５点以上の参照点で分割するようにサンプリング条件を決定することで、ＲＰＣモデルの係数を高精度に計算可能なＲＰＣ計算装置１が得られる。また、計算時間を考慮するとＲＰＣ精度が得られる最小参照点数である５点での分割が望ましい。

最後に、人工衛星に対して周波数に応じた強度分布の揺動を与えた場合の、ｙ軸方向の参照点数に対するＲＰＣ精度のシミュレーション結果の一例を図６に示す。図６より、ｙ軸方向では使用する参照点数の増加に比例してＲＰＣの精度が向上し、最終的に衛星の姿勢や軌道等の条件により決定されるＲＰＣモデルで決まる精度に収束する。これはＲＰＣモデルの関数モデルが３次関数で表されるため、ＲＰＣモデルにより補正される誤差は主に低周波成分となり、高周波成分の誤差はそのままＲＰＣモデルの誤差として残り、いくら参照点数を増やしても上記誤差は改善されず最終的にＲＰＣモデルで決定される精度に収束するためである。従って、ｙ軸方向では、ＲＰＣモデルで決まる精度に収束する参照点数以上で分割するようにサンプリング条件を決定することで、高精度にＲＰＣモデルの係数を計算可能なＲＰＣ計算装置１が得られる。また、計算時間を考慮するとＲＰＣモデルで決まる精度に収束する最小の参照点数で分割することが望ましい。

上記ＲＰＣモデルで決まる精度は一般的に人工衛星の姿勢および軌道により影響を受ける。図２に示したＡＴ軸の回転方向をロール角、ＣＴ軸の回転方向をピッチ角とし、ＲＰＣモデルで決まる計算精度のロール角及びピッチ角に対する依存性を図７に示す。図７から分かるように、ＲＰＣモデルで決まる精度はロール角の影響を受けず、ピッチ角の影響を受けることが分かる。また、ＲＰＣモデルで決まる計算精度は当然ながら人工衛星の高度に影響し、衛星の高度が２倍であれば、衛星に同様の揺動が生じた場合には誤差も２倍となる。
従って人工衛星の揺動の高周波成分により生じるＲＰＣモデルの誤差のＲＭＳをΔ１（ｆ）（ｒａｄ）、衛星の高度をｈ（ｍ）、衛星のピッチ角をθ_{ｐｉｔｃｈ}により生じる誤差をΔ２（θ_{ｐｉｔｃｈ}）（ｒａｄ）とするとＲＰＣモデルで決まる精度Δ_ｒｐｃは式（１）で表される。

ここで、地表面の対応点は必ず４隅の点を含み、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向共に等間隔とし、ｚ軸方向は４層以上、ｘ軸方向の参照点数は５点以上で分割すれば、ＲＰＣモデルの精度はｙ軸方向の分割数でほぼ決まる。
ｙ軸方向の分割数に対するＲＰＣ精度のサンプリング結果の平均値（例えば、１０回以上のサンプリング結果の平均値）を表す関数をΔａｖｅ（ｙ）とすると、式（２）が成り立つｙ軸方向の分割数にすることで、ＲＰＣモデルとして最大の精度が得られる。

以上のように、ＲＰＣ計算装置１のサンプリング条件設定部２において、衛星画像データ６を取得した時の各画素に対応した衛星姿勢情報データ７、衛星軌道情報データ８および撮像モードデータ９により、ｚ軸方向に関しては４層以上、ｘ軸方向に関しては参照点数を５点以上、ｙ軸方向に関してはＲＰＣモデルで決まる精度に収束する参照点以上で分割するようにサンプリング条件を決定し、決定したサンプリング条件に基づき地表対応点計算部４および関数モデルフィッティング部５でＲＰＣモデルの係数を算出することで、ＲＰＣモデルとして最大の精度が得られる。
また、ｚ軸方向の分割数を４層、ｘ軸方向の参照点数を５点、ｙ軸方向の参照点数をＲＰＣモデルで決まる精度に収束する最小の参照点数と３軸方向ともに精度が得られる最小の分割数にサンプリング条件を決定することで、精度の良いＲＰＣモデルの計算を最短時間で行うことが可能となる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係るＲＰＣ計算装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態２に係るＲＰＣ計算装置１Ｂは、この発明の実施の形態１に係るＲＰＣ計算装置１に視軸ベクトル補正部１１を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は簡略化する。
視軸ベクトル補正部１１は、衛星画像データ６とともに地表位置情報データ１２が入力される。

次に、この発明の実施の形態２に係るＲＰＣ計算装置１Ｂの動作について説明する。
実施の形態１では、視軸ベクトル計算部３に入力された衛星姿勢情報データ７および衛星軌道情報データ８を用いて衛星画像データ６の画素毎にセンサの視軸ベクトルを計算しているが、衛星姿勢情報データ７および衛星軌道情報データ８の精度によっては、視軸ベクトル計算部３により計算された視軸ベクトルには無視できない誤差が生じる可能性がある。このため精度の良いＲＰＣモデルを得るためには視軸ベクトルの誤差を補正する必要がある。

そこで実施の形態２では、衛星画像データ６、および衛星画像データ６中に存在する地表面の正確な地表位置情報データ（例えば、緯度経度などの水平位置および高度が正確な値で判明している特長的な地形の基準点であるＧＣＰ（ＧｒｏｕｎｄＣｏｎｔｒｏｌＰｏｉｎｔ）を含む地図データ、または事前に撮像された位置情報が正確である衛星画像等）を視軸ベクトル補正部１１に入力し、双方のＧＣＰの位置の比較に基づいて視軸ベクトルの誤差量を算出する。
そして、算出した視軸ベクトルの誤差量データにより、衛星画像データ６の位置補正を行い、位置補正衛星画像データに変換して地表対応点計算部４に入力することで、衛星軌道の誤差を補正した更に高精度のＲＰＣモデルが算出可能となる。
また、視軸ベクトルの誤差量データは視軸ベクトル計算部３にもフィードバックされ、ＲＰＣモデルの対応点を決定するための視軸ベクトルは、補正後の視軸ベクトルを用いて算出する。
以上のように、正確な位置情報データにより視軸ベクトルの誤差を補正しているので、より正確なＲＰＣモデルの算出が可能となる。

１、１ＢＲＰＣ計算装置、２サンプリング条件設定部、３視軸ベクトル計算部、４地表対応点計算部、５関数モデルフィッティング部、６衛星画像データ、７衛星姿勢情報データ、８衛星軌道情報データ、９撮像モードデータ、１０ＲＰＣモデル、１１視軸ベクトル補正部、１２地表位置情報データ。

Claims

人工衛星で撮像した衛星画像に対して、ＲＰＣ（ＲａｔｉｏｎａｌＰｏｌｙｎｏｍｉｎａｌＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）モデルの係数を算出するＲＰＣ計算装置において、
上記衛星画像を取得した時の各画素に対応した衛星の撮像条件により地表面上の対応点のサンプリング条件を決定するサンプリング条件設定部と、
上記衛星画像の各画素におけるセンサの視軸を計算する視軸ベクトル計算部と、
上記サンプリング条件設定部および上記視軸ベクトル計算部からのデータにより地表上の対応点を計算する地表対応点計算部と、
フィッティングにより上記ＲＰＣモデルの係数を決定する関数モデルフィッティング部と、
を備えることを特徴とするＲＰＣ計算装置。
上記サンプリング条件設定部は、衛星の姿勢情報データ、衛星の軌道情報データまたは撮像モードデータのいずれか、および上記画像情報データの組み合わせにより地表面上の対応点のサンプリング条件を決定することを特徴とする請求項１に記載のＲＰＣ計算装置。
上記サンプリング条件設定部は、地表面の対応点は必ず４隅の点を含む条件で等間隔に設定し、地表の高度方向を４層以上で分割し、また、衛星の走査方向の垂直方向（ＣＴ方向）の参照点を５点以上として分割するようにサンプリング条件を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のＲＰＣ計算装置。
上記サンプリング条件設定部は、衛星の走査方向（ＡＴ方向）を、ＲＰＣモデルで決まる精度に収束する参照点数以上で分割するようにサンプリング条件を決定することを特徴とする請求項３に記載のＲＰＣ計算装置。
人工衛星で取得した衛星画像データと、衛星画像データ中に存在する地表面の正確な位置情報データを含むデータを入力し、双方の位置情報データの比較に基づき視軸ベクトルを補正する視軸ベクトル補正部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＲＰＣ計算装置。