一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法
【专利摘要】本发明涉及线阵推扫式卫星遥感影像的核线模型，属于摄影测量与遥感【技术领域】。特别是一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法。该方法包括直线特性的定量分析方法和共轭特性的定量分析方法。本发明面向线阵推扫式立体成像的特点，针对以投影轨迹法为基础建立的核线模型，提出了一种主要针对核线的直线特性和共轭特性的定量分析方法，利用该方法可以准确测试和分析线阵推扫式遥感卫星影像核线模型的实际应用特性，总结的这些特性为后续高精度地生成线阵推扫式遥感卫星影像的立体核线影像对提供了重要的技术支持。
【专利说明】一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及线阵卫星遥感影像数据处理，属于摄影测量与遥感【技术领域】。特别是一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法。
【背景技术】
[0002]利用星载线阵推扫式传感器获取遥感影像，实现立体量测是遥感应用的一个重要方面。法国的SPOT卫星、美国的IKONOS卫星、我国的“天绘一号”和“资源三号”卫星都载有线阵推扫式传感器。这是目前对地观测十分有效的传感器，具有很好的应用前景。线阵推扫式遥感影像具有“行中心投影”的特点，各扫描行都有它自身的外方位元素，具有独特的辐射和几何特性，因此那些传统的适用于框幅式中心投影立体成像的模型与方法已不再普遍适用。
[0003]核线是立体摄影测量中分析立体像对几何关系的一个基本概念。70年代初，美国摄影测量学者U.V.Helava等提出了一维核线相关的概念。从立体影像上提取三维信息，一个最重要的约束条件就是核线约束。许多现有的匹配算法都利用这个约束条件来限制匹配的搜索空间以缩短匹配时间和提高匹配结果的可靠性。尽管核线的关系在立体图像处理中非常有用，但是对于线阵推扫式遥感影像来说，由于其几何关系比框幅式中心投影影像复杂得多，因此它不可能像常规的框幅式中心投影影像那样具有严格的核线定义。针对上述情况，许多摄影测量工作者做了不懈努力，试图建立线阵推扫式影像的核线模型。目前关于线阵推扫式遥感影像的核线模型，理论最为严密是基于成像几何关系的投影轨迹法。已有的研究表明，基于投影轨迹法的核线模型具有如下特性:①通常情况下，核线是类似双曲线的曲线，但在小范围内可看作近似直线来处理对于一幅图像中一条核线上的某点q以及距离该点一定范围内的相邻点，其同名像点都位于q点的核线上；③同名核线对是存在的。如果两个点是同名像点，那么它们所对应的两条核线是一一对应的，这两条核线上的点也是一一对应的。上述关于核线特性的分析结论尚停留在定性分析的阶段，如何对基于投影轨迹法的核线模型进行准确的定量分析以便于后续的实际应用，尚需要进行深入的研究。
【发明内容】
[0004]现有的基于投影轨迹法的核线模型研究表明:对于线阵推扫式遥感影像，其完整的核线是双曲线，但是在局部范围内，与传统的核线影像类似，具有直线特性和共轭特性。为了定量的分析和总结核线的特性，本发明针对线阵推扫式遥感卫星影像，为准确了解和掌握基于投影轨迹法的核线模型特性，提出了一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法，方法包括直线特性的定量分析方法和共轭特性的定量分析方法，
[0006]①、所述的直线特性的定量分析方法，其步骤如下:
[0007](I)从原始线阵卫星遥感影像立体像对的左像上选择均匀分布的若干测试点(a)，选择的依据是每个固定的影像块选择其中心点作为测试点，整幅影像上的点位分布m行.η列,共有m.η个测试点，m、η均为自然数；
[0008](2)根据每一个测试点在左影像上的像点坐标(a (x，y))，利用左片的RPC参数，按照投影轨迹法确定一条通过投影中心和像点的空间直线，然后利用右片的RPC参数，将该空间直线上的点按照等间隔取样逐一投影到右片上，这些点在右像片上的投影的轨迹就是对应的核曲线(S1B2);
[0009](3)对该核曲线(--)，通过数据拟合的方法确定一条最接近该曲线的近似直线，然后统计这条曲线上的所有点与这条拟合直线的最大距离；
[0010](4)对m.η个测试点，逐步执行上述的操作；确定这些点对应直线的曲率及其每条曲线上与直线拟合差异最大的误差；
[0011]②、所述的共轭特性的定量分析方法，其步骤如下:
[0012](I)根据立体遥感影像提供的RPC参数可以得到影像范围内实际平均高程值have，最大的闻程值hmax,以及最小的闻程值hmin ；
[0013](2)从左影像选取若干均匀分布的m个影像列或者行(I)，这里选择列或者行的依据是根据核线的方向与影像行或者影像列的夹角大小，如果核线的方向与列方向夹角小，则取影像列方向，如果核线的方向与行方向夹角小，则取影像行方向，取每一列或者行影像的中心像点和两个端点，对于这三个点中的每一个像点(q)，像点(q)和投影中心连线与最大高程、平均高程、最小高程的交点为三个物方点(Q1, Q2, Q3)，根据有理函数模型利用像点坐标和对应影像范围内的高程最大值、平均值和最小值三个高程值计算三个物方点(Q1, Q2, Q3)的大地坐标值；
[0014](3)根据有理函数模型计算三个物方点(Q1, Q2, Q3)对应的原始右像像点的像素坐标值，相邻两点取中点，通过这两个点得到对应于像点(q)在右影像上的核线方程(I’);
[0015](4)取所求的核线上的沿垂直于扫描线的中心点(q°)，及其对应高程最大值的地面点(P1),和高程最小值的地面点(P3),根据有理函数模型计算两个物方点(PjPP3)的大地坐标值；
[0016](5)根据左片的有理函数模型计算两个物方点(P1和P3)对应的原始左影像像点的像素坐标值，通过这两个点得到与右影像上的核线方程(I’)对应的左影像上的核线方程(I)，分析直线(I)和左像上的像点(q)的关系，即可确定核线在近似直线特性条件下的共轭特性；
[0017](6)对上述m个均匀分布的图像列或者行，依次执行所述操作，即可得到影像范围内m列或者行影像的共轭特性。
[0018]利用本发明提出的核线模型定量分析方法，结合多种商业卫星遥感影像的试验结果，通过分析可以得出关于基于投影轨迹法的核线模型如下结论:
[0019]?对于不同类型的遥感影像，在像幅范围内，直线的近似特性是可以满足子像素的处理要求，因此在像幅范围内，可以把该核曲线的模型看作直线来进行处理；
[0020]?对于不同类型的遥感影像，在像幅范围内，在核线近似直线特性的支持下，核线的共轭特性也是可以满足子像素的处理要求，因此在像幅范围内，利用该核曲线可以实现影像匹配的过程由二维向一维简化。
[0021]总之，利用该方法可以准确测试和分析线阵推扫式遥感卫星影像核线模型的实际应用特性，总结的这些特性为后续高精度地生成线阵推扫式遥感卫星影像的立体核线影像对提供了重要的技术支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是投影轨迹法核线模型。其中Q为地面点，S(Xs，Ys，Zs)和S’(X’s，Ys’，Z’s)分别为左像和右像的投影中心，一条光线由地面点Q出发，经过左像投影中心S (Xs，Ys, Zs)，在左像上成像点q，这条光线上的任意一点Q’ (X, Y, Z)均可唯一投影到右影像上，这些点的投影轨迹将在右像上形成一条曲线，这条曲线我们称之为q的核线。q,为q的同名点，显然位于这条曲线上。
[0023]图2是直线特性测试示意图。S1, S2分别为左像和右像的投影中心，a为左像像点，A1A2为通过左像像点a和左像投影中心S1的空间直线，a:a2为空间直线A1A2在右像上的核曲线，a’为核曲线a#2上的任意一点。
[0024]图3是共轭特性测试示意图。I为左像上某一列(行)，q为I上一像点，hmax、have、hmin分别为影像范围内的最大高程值、平均高程值和最小高程值，Q1, Q2, Q3分别为像点q和投影中心S1连线与最大高程、平均高程、最小高程的交点，Q1, Q2, Q3分别为Q1, Q2, Q3在右像上的像点，I’为如％，％所在的影像列(行LPdP2J3S I’上的沿垂直于扫描线的中心点Q0和投影中心S2连线与最大高程、平均高程、最小高程的交点。
【具体实施方式】
[0025]1、基于投影轨迹法的核线模型基本原理
[0026]如图1所示，一条光线从地面点Q出发，经过左像的投影中心S(Xs，Ys，Zs)成像于左像上的q点，如果把这条光线上的每一个物方点按照公式(I)都投影到右像上，那么这些点的投影轨迹将在右像上形成一条曲线，这条曲线我们称之为q的核线。如果V为q的同名点，显然它总是位于这条曲线上。这就是基于投影轨迹法的核线模型。
r — N um L [P11^L11 JI n)
Γη — DcnL(Pl^LllJIll)
[0027],、
c = Λ.亂S
η — DenSiPll^LllJi⑴
[0028]式中:
NumL {P , L1, H" ) = ?,,+ a'Lii + a2P + " + aXPn + a,LHn + U1PH11
Γ?Λοοπ?aI^n as^n + a<)Hn + awPnLnHn + auLn +U12L11P11
[0029]
+ anLnHn- + Cil4Ln-Pn + Cil5Pn3 + Cii6PnHn_ + CtllLn-Hn
Hn + al9Hn
DenL、P"，H) 二b、、+b\L" +b2Pn +IxHll +I^4L11P11 +b,LnHn +h(fnHn
+ b7Ln2 +CisPn2 +b9H: +bl0PnLltHn +buL: +bl2LtiPn2
[0030]
+ /认"?2 ^bl4Lll2Pll +/? +IyloPllHll1 +
+ IyliiPll2Hii+bl9H/
N_S ( P?，Ln H ) = + iI L" + Q Pn+^ Hr + (.4 K Pn + C5 L" Hn + iV, Pn Hn[0031 ]+ c^Ln + CgPn + CgHn +CloPnLnHn + cnLn + Cl2LnPn
+ cuLnHn + C14Ln Pn + C15Pn + Cl6Pn Hn + CllLn Hn
+ C1A2H,, +C19H"3
Dei1'S (Pn，Ln ,H11) = d{) + d{ Ln +d:Pn+ (L' Hn + d4 Ln Pn + d- Ln Hn + J6 P Hn
|-0032]+ dlLn + d^,Pn + d9Hn + ^\0PnLnHn + A \Ln + ^12 Ln Pn
LnH; +Cil4Ln2Pn +Cll5Pn^d16PiiHn2 +dnL;Hn
+ d1&P；-Hn+d19H:
[0033]上述公式通常称为有理函数模型(rat1nal funct1n model,简称RFM),模型中(Pn，Ln，Hn)为规则化的地面坐标，(rn，cn)为正则化的影像坐标。& Ci，(Ii)为有理多项式的系数(rat1nal polynomial coefficient,简称 RPC)。
[0034]2、直线特性定量分析方法
[0035]基本原理
[0036]从原始立体像对的左像选择均匀分布的若干像点，根据基于投影轨迹法的核线模型定义，在右像上确定相应的核曲线，并统计分析右像的这种核线在像幅范围内的直线特性。反之也可以统计分析左像上核线的直线特性。
[0037]3、直线特性定量分析方法基本步骤
[0038](I)从线阵卫星遥感影像立体像对的左像上选择均匀分布的若干点a，选择的依据是每个固定的影像块选择其中心点作为测试点，整幅影像上的点位分布m行.η列，共有m.η个测试点。
[0039](2)如图2所示，根据每一个测试点在左影像上的像点坐标a(x，y)，利用左片的RPC参数，按照投影轨迹法确定一条通过左像像点a和左像投影中心SI的空间直线A1A2,然后利用右片的RPC参数，将该空间直线A1A2上的点按照等间隔取样逐一投影到右片上，这些点在右像片上的投影的轨迹就是对应的核曲线a1&2。
[0040](3)对该核曲线a1&2，通过数据拟合的方法确定一条最接近该曲线的近似直线，然后统计这条曲线上的所有点与这条拟合直线的最大距离。
[0041](4)对m.η个测试点，逐步执行上述的操作。确定这些点对应直线的曲率及其每条曲线上与直线拟合差异最大的误差。
[0042]4、共轭特性定量分析方法
[0043]基本原理
[0044]从原始遥感影像立体像对的左像选择均匀分布的若干像点，根据线阵遥感影像扩展核线模型定义，确定右像上相应的核线，然后将右像上相应的点再投影到左像上，并统计分析左像上的核线与左像上的像点的关系，明确从左像到右像核线的共轭关系。反之也可以统计从右像到左像的核线共轭关系。
[0045]5、共轭特性定量分析方法基本步骤
[0046](I)根据立体遥感影像提供的RPC参数可以得到影像范围内实际平均高程值have，最大的闻程值hmax,以及最小的闻程值hmin ；
[0047](2)如图3所示，从左影像选取若干均匀分布的m个影像列(行)，这里选择列或者行的依据是根据核线的方向与影像行或者影像列的夹角大小，如果核线的方向与列方向夹角小，则取影像列方向，如果核线的方向与行方向夹角小，则取影像行方向。取每一列(行)影像的中心像点和两个端点，对于这三个点中的每一个像点q，根据有理函数模型利用像点坐标和对应影像范围内的高程最大值、平均值和最小值三个高程值计算三个物方点Q1, Q2, Q3的大地坐标值；
[0048](3)根据有理函数模型计算Q1, Q2, Q3三个点对应的原始右像像点的像素坐标值，相邻两点取中点，通过这两个点得到对应于点q在右影像上的核线方程I’ ;
[0049](4)取所求的核线上的沿垂直于扫描线的中点q°，及其对应高程最大值的地面点P1，和高程最小值的地面点P3，根据有理函数模型计算两个物方点P1和P3的大地坐标值；
[0050](5)根据左片的有理函数模型计算两个物方点P1和P3对应的原始左影像像点的像素坐标值，通过这两个点得到与I’对应的左影像上的核线方程1，分析直线I和左像上的像点q的关系，即可确定核线在近似直线特性条件下的共轭特性。
[0051](6)对上述m个均匀分布的图像列(行)，依次执行所述操作，即可得到影像范围内m列影像的共轭特性。
【权利要求】
1.一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线特性定量分析方法，其特征在于:该方法包括直线特性的定量分析方法和共轭特性的定量分析方法， ①、所述的直线特性的定量分析方法，其步骤如下: (1)从原始线阵卫星遥感影像立体像对的左像上选择均匀分布的若干测试点(a)，选择的依据是每个固定的影像块选择其中心点作为测试点，整幅影像上的点位分布m行.η列，共有m.η个测试点，m、η均为自然数； (2)根据每一个测试点在左影像上的像点坐标(a(x，y))，利用左片的RPC参数，按照投影轨迹法确定一条通过投影中心和像点的空间直线，然后利用右片的RPC参数，将该空间直线上的点按照等间隔取样逐一投影到右片上，这些点在右像片上的投影的轨迹就是对应的核曲线Wa2)； (3)对该核曲线(--),通过数据拟合的方法确定一条最接近该曲线的近似直线，然后统计这条曲线上的所有点与这条拟合直线的最大距离； (4)对m.η个测试点，逐步执行上述的操作；确定这些点对应直线的曲率及其每条曲线上与直线拟合差异最大的误差； ②、所述的共轭特性的定量分析方法，其步骤如下: (1)根据立体遥感影像提供的RPC参数可以得到影像范围内实际平均高程值have，最大的高程值hmax，以及最小的高程值hmin ； (2)从左影像选取若干均匀分布的m个影像列或者行(I)，这里选择列或者行的依据是根据核线的方向与影像行或者影像列的夹角大小，如果核线的方向与列方向夹角小，则取影像列方向，如果核线的方向与行方向夹角小，则取影像行方向，取每一列或者行影像的中心像点和两个端点，对于这三个点中的每一个像点(q)，像点(q)和投影中心连线与最大高程、平均高程、最小高程的交点为三个物方点(Q1, Q2, Q3)，根据有理函数模型利用像点坐标和对应影像范围内的高程最大值、平均值和最小值三个高程值计算三个物方点(Q1, Q2, Q3)的大地坐标值； (3)根据有理函数模型计算三个物方点(Q1,Q2, Q3)对应的原始右像像点的像素坐标值，相邻两点取中点，通过这两个点得到对应于像点(q)在右影像上的核线方程(I’)； (4)取所求的核线上的沿垂直于扫描线的中心点(q°)，及其对应高程最大值的地面点(P1),和高程最小值的地面点(P3),根据有理函数模型计算两个物方点汜和己)的大地坐标值； (5)根据左片的有理函数模型计算两个物方点(PJPP3)对应的原始左影像像点的像素坐标值，通过这两个点得到与右影像上的核线方程(I’)对应的左影像上的核线方程(1)，分析直线(I)和左像上的像点(q)的关系，即可确定核线在近似直线特性条件下的共轭特性； (6)对上述m个均匀分布的图像列或者行，依次执行所述操作，即可得到影像范围内m列或者行影像的共轭特性。
【文档编号】G01C11/04GK104236527SQ201410468144
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】巩丹超, 龚辉, 韩轶龙, 汤晓涛, 钱方明, 周增华, 黄艳, 胡玲 申请人:中国人民解放军总参谋部测绘研究所