专利名称：一种航空线阵ccd影像几何粗纠正算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种航空线阵CCD影像的几何粗纠正算法，特别是一种基于GPS/INS(Global Positioning System，全球定位系统、Inertial Navigation System，惯性导航系统)组合导航技术的航空线阵CCD影像几何粗纠正算法。
背景技术：
当前，线阵CCD在摄影测量和遥感中得到广泛的应用，例如，用于普通飞机上的有LH Systems的ADS40、AirMISR、DPA等，安装在直升机上的TLS，安装在卫星上的有SPOT，IKONOS等。线阵CCD传感器通常采用推帚式扫描成像，其每次成像一行，不同于面阵或者画幅式的每次成像一幅。对于航空遥感，飞机的姿态变化比较剧烈，侧滚一般在3°～25°间变化，直飞时航向也只能保持在5°以内，在这种情况下，线阵CCD传感器采集的影像会发生严重的几何变形和扭曲，导致影像难以进行后续处理和使用，因此，传统上都需要使用地面控制点进行后处理，处理难度比较大。
目前，由于GPS和INS的发展与成熟，直接用GPS/INS组合系统提供成像时的外方位元素的方法开始应用。GPS/INS组合定位系统是新型的姿态位置测量系统，GPS是一种纯粹的几何定位系统，误差不随时间积累，但是，其动态可靠性差，噪声大，受外部因素影响比较多，数据输出率也比较低。INS是一种纯惯导系统，它的误差是随时间积累的。GPS/INS组合系统可以扬长避短绝对精度高的GPS数据，作为外部量测输入，在运动过程中频繁修正INS，以控制其误差随时间积累；而短时间内高精度的INS定位结果，可以很好解决GPS动态环境中的信号失锁和周跳问题。不仅如此，INS还可以辅助GPS接收机增强其抗干扰能力，提高捕获和跟踪卫星信号的能力。
可惜的是，目前由于相应的GPS/INS技术的发展滞后，因此，基于GPS/INS组合导航技术的航空线阵CCD影像的几何粗纠正一直还很少有专门的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GPS/INS组合导航技术的航空线阵CCD影像几何粗纠正算法，解决GPS/INS组合导航系统应用于航空摄影测量和遥感的技术困难。
本发明的技术思路如下GPS/INS组合系统的测量值一般都包括载体的三维位置(X，Y，Z)和三个导航角(Ф，Θ，Ψ)，三维位置(X，Y，Z)一般是在WGS84坐标系中的坐标，而三个导航角则一般取载体坐标系和当地水平坐标系的旋转角。
载体坐标系的定义为原点在载体中心，右手直角坐标系。
当地水平坐标系原点在测量区域某点，X轴沿WGS84椭球指向东，Y轴沿WGS84椭球指向北，右手直角坐标系。
线阵CCD传感器成像一般采用推帚式成像，每条扫描线都有一个投影中心，同时每条扫描线都有自己的外方位元素。
对于多中心的线阵CCD传感器影像，要实现几何粗校正的前提条件是能够得到每条扫描线的外方位元素。由摄影测量的基本原理，对于中心投影影像，有如下的共线方程XA=XS+(ZA-ZS)a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f]]>YA=YS+(ZA-ZS)b1x+b2y-b3fc1x+c2y-c3f---(1)]]>(XS，YS，ZS)是投影中心在地面摄影测量坐标系中的坐标，(x，y，-f)是像点的像空间坐标，对于线阵CCD，x＝0，(XA，YA，ZA)是像点对应的地面点的坐标。
像空间坐标系的定义为原点在光学系统的投影中心，X轴指向飞行方向，Y轴指向左侧，Z轴向上，构成右手直角坐标系。地面摄影测量坐标系的选择和用户选择的制图坐标系相关。
像空间坐标系到地面摄影测量坐标系的旋转矩阵为A，定义如下A=a1a2a3b1b2b3c1c2c3]]>
因此，几何粗校正的关键就是得到旋转矩阵A。在摄影测量中，像素(xp，yp，-f)和它对应的地面点坐标(Xp，Yp，Zp)有如下关系XpYpZpm=XcYcZcm+kAxpyp-fpi---(3)]]>(Xc，Yc，Zc)是在地面摄影测量坐标系中的光学中心坐标，k是点依赖的比例因子。
由GPS/INS组合系统提供的参数，可以得到载体坐标系到当地水平坐标系的旋转关系，以及当地水平坐标系到WGS84坐标系的旋转。因此，可以得到如下关系，XpYpZpm=XcYcZcm+kCEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCicxpyp-fpi---(4)]]>其中，Cic是像空间坐标系变换到线阵CCD传感器坐标系的旋转矩阵；Ccb是线阵CCD传感器坐标系到载体坐标系的旋转矩阵；Cbg是载体坐标系变换到当地水平坐标系的旋转矩阵，由姿态位置测量系统记录的导航角(Ф，Θ，Ψ)提供；CgE是当地水平坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵；CEm是WGS84坐标系到地面摄影测量坐标系变换矩阵。
比较(3)(4)两式，有A=CEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCic---(5)]]>这就是由GPS/INS系统的导航角得到摄影测量的旋转矩阵的公式。
具体的实现步骤如下1)获取原始航空线阵CCD影像和GPS/INS组合导航数据；2)提取航带影像数据与行对应的位置和姿态数据；3)利用公式(5)计算像空间坐标系到物空间坐标系的旋转矩阵；
4)由共线方程(1)进行几何粗纠正，得到散乱点坐标；5)灰度值重采样，得到粗纠正后的影像。
本发明的优点在于解决了把GPS/INS组合系统测量的数据直接用于航空线阵CCD影像几何粗纠正的技术难题。
图1是公知的线阵CCD传感器所采用的推帚式扫描成像原理图。
图2是本发明的几何粗纠正程序流程图。
图3是未使用本发明的几何粗纠正算法原始航空线阵CCD影像。
图4是图3影像使用本发明的几何粗纠正算法后的纠正了的影像。
具体实施例方式
下面结合1～图4给出本发明的一个较好实施例。
GPS/INS组合系统采用加拿大Applanix公司的POS/AV 510，其输出的数据定义如下
说明1、POS坐标系的定义为X轴指向航向；Y轴指向飞机右侧；Z轴向下。输出的POS数据是基于用户定义的参考坐标系的；2、时间是GPS周秒格式；3、经纬度和高度是参考坐标系原点的WGS84坐标；4、速度定义在游移方位坐标系中，转换到北东地坐标系(NED)中为
VN＝VXcosα-VYsinαVE＝-VXsinα-VYcosαVD＝-VZα是游移方位角。
5、航向角W定义是针对游移方位坐标系的，转换成偏北航向角T需要减去游移方位角T＝W-α俯仰角、侧滚角、偏航角是参考坐标系相对于北东地坐标系的旋转角，含义如下北东地坐标系绕其Z轴(垂直向下)顺时针旋转偏北航向角，再绕其Y轴(指东)顺时针旋转俯仰角，再绕其X轴(指北)顺时针旋转侧滚角，得到的坐标轴方向就和参考坐标系完全相同；线阵CCD影像由中国科学院上海技术物理研究所提供，CCD像元大小为12μm×12μm，等效焦距为20mm，沿飞行方向瞬时视场为1.2mrad，垂直飞行方向瞬时视场为0.6mrad，飞行航高为1000米。
几何粗纠正过程如图2所示S101、从图3获取原始航空线阵CCD影像和POS/AV510数据；S102、提取需要处理的航带数据和对应的位置姿态数据，提取的影像数据见图3；S103、利用公式(5)A=CEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCic]]>计算像空间坐标系到物空间坐标系的旋转矩阵；计算所用的各矩阵为Cbg=cosΘcosΨsinΦsinΘcosΨ-cosΦsinΨcosΦsinΘcosΨ+sinΦsinΨcosΘsinΨsinΦsinΘsinΨ+cosΦcosΨcosΦsinΘsinΨ-sinΦcosΨ-sinΘsinΦcosΘcosΦcosΘ]]>CgE=-sinbcosl-sinl-cosbcosl-sinbsinlcosl-cosbsinlcosb0-sinb]]>
Cic=1000-1000-1]]>CcbcosΘycosΘzcosΘysinΘz-sinΘysinΘxsinΘycosΘz-cosΘxsinΘzsinΘxsinΘysinΘz+cosΘxcosΘzsinΘxcosΘysinΘxsinΘycosΘz+sinΘxsinΘzcosΘxsinΘysinΘz-sinΘxcosΘzcosΘxcosΘy]]>(Ф，Θ，Ψ)是POS/AV 510提供的导航角，(l，b)是POS/AV 510提供的载体的经纬度坐标，(Θx，Θy，Θz)是成像传感器安装角。
S104、由共线方程(1)XA=XS+(ZA-ZS)a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f]]>YA=YS+(ZA-ZS)b1x+b2y-b3fc1x+c2y-c3f]]>进行几何粗纠正，得到散乱点坐标；S105、灰度值重采样，得到粗纠正后的影像，见图4。
比较图3和4，可见几何粗纠正后效果较好，影像的可视性大大增强。
权利要求
1.一种基于GPS/INS组合导航技术的航空线阵CCD影像几何粗纠正算法，其步骤包括1)获取原始航空线阵CCD影像和GPS/INS组合导航数据；2)提取航带影像数据与行对应的位置和姿态数据；3)根据由GPS/INS系统的导航角(Φ，Θ，Ψ)得到摄影测量的旋转矩阵A=CEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCic]]>计算像空间坐标系到物空间坐标系的旋转矩阵；4)根据多中心线阵CCD传感器影像的中心投影的共线方程进行几何粗纠正，得到散乱点坐标，共线方程式为XA=XS+(ZA-ZS)a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f]]>YA=YS+(ZA-ZS)b1x+b2y-b3fc1x+c2y-c3f]]>其中(XS，YS，ZS)是投影中心在地面摄影测量坐标系中的坐标，(x，y，-f)是像点的像空间坐标，对于线阵CCD，x＝0，(XA，YA，ZA)是像点对应的地面点坐标；5)灰度值重采样，得到粗纠正后的影像。
全文摘要
一种航空线阵CCD影像几何粗纠正算法，包括步骤1.获取原始航空线阵CCD影像和GPS/INS组合导航数据；2.提取航带影像数据与行对应的位置和姿态数据；3.根据由GPS/INS系统的导航角(Φ，Θ，Ψ)得到摄影测量的旋转矩阵
文档编号G01C21/24GK1693851SQ20051002655
公开日2005年11月9日 申请日期2005年6月8日 优先权日2005年6月8日
发明者徐卫明, 王建宇, 舒嵘, 马艳华, 马德敏, 胡培新, 金星, 张冰娜 申请人:中国科学院上海技术物理研究所