专利名称：一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的方法
技术领域：
本发明涉及一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的方法，在遥感图 像几何校正和遥感成像仿真方面具有重要价值，属于遥感成像模拟技术领 域。
背景技术：
遥感成像模拟理论和实现方法的研究在遥感任务预测、成像系统设计、 图像质量评价和图像处理算法验证等领域具有重要的应用价值。早期的遥感 成像模拟主要基于物理仿真，随着计算机技术的发展，遥感成像模拟技术也 有了新的进展，出现了众多计算机模拟仿真技术。
传感器位置和姿态随时间变化，这种变化改变了太阳-地面-传感器三者 之间的几何关系，不仅造成地面物体在图像上成像位置的移动，造成图像的
几何变形；而且影响传感器接收到的辐亮度。现存遥感模拟技术较少考虑传 感器位置和姿态(即外方位元素)对遥感成像过程的影响。
少数现存技术利用传感器外方位元素和视场角或者其它参数建立模拟 图像像元坐标和地面空间坐标之间的几何关系，由模拟图像像元坐标计算出 对应的地面点，并将使用该地面点反射率等数值进行遥感图像模拟的结果作 为待模拟图像像元的模拟结果。实际上，模拟图像的一个像元对应原始输入 图像上 一块区域，因此应根据地面成像区域内多个地面点的模拟结果进行加 权平均生成待模拟图像像元的模拟结果，即进行空间分辨率转换。在进行分 辨率转换过程中，经常使用等比例平均或者距离加权平均和面积加权平均的
方法。实际情况是，模拟图像像元按照传感器像元瞬时视场角与地面原始输 入图像中多个像元对应，原始输入图像像元在传感器像元瞬时视场中的立体 角越大，该像元对模拟图像像元的贡献就越大。因此，使用等比例平均或者 距离加权平均和面积加权平均将给模拟结果带来误差。7页
发明内容
本发明的目的在于，提供一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的方 法，以克服现有技术的不足，建立模拟图像像元坐标和对应空间坐标之间的 几何关系，按照输入图像像元在传感器像元瞬时视场中的立体角进行空间分 辨率转换，实现给定外方位元素下遥感图像模拟。
本发明的技术解决方案为首先利用传感器外方位元素和视场角建立模 拟图像像元坐标和地面空间坐标之间的几何关系，然后与数字高程模型结合 求解出模拟图像像元对应地面成像区域的中心点坐标和四个顶点坐标，最后 按照原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角，进行空间分辨 率转换，生成给定外方位元素下遥感模拟图像。具体步骤如下
(1) 输入原始数据，包括数字高程模型、原始地表图像和传感器外方 位元素以及^L场角；
(2) 计算步骤(1)中设定的传感器视场角下，模拟图像像元在像空间 坐标系中坐标；
(3) 计算步骤(1)中设定的传感器外方位元素下，像空间坐标系到物 空间坐标系的旋转矩阵，并将步骤(2)中模拟图像像元坐标从像空间坐标 系转换到物空间坐标系；
(4) 由步骤(1)输入的数字高程模型和步骤(3)中模拟图像像元在 物空间坐标系中坐标方程，求解坐标方程中待定的比例系数；
(5) 将步骤(4)中得到的比例系数带入步骤(3)中模拟图像像元在 物空间坐标系中坐标方程，得到4莫拟图像像元对应地面成像区域的中心点坐 标；
(6) 修正步骤(2)中模拟图像像元在像空间坐标系中坐标，按照步骤 (3)、步骤(4)和步骤(5),得到模拟图像像元对应地面成像区域的四
个顶点坐标；
(7) 求取地面成像区域中包含的步骤(1 )中输入的原始地表图像像元，并计算原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角；
(8)按照原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角，进 行空间分辨率转换，生成给定传感器外方位元素下遥感模拟图像。
其中，步骤(2)中所述的模拟图像像元在像空间坐标系中坐标为
(tan((x——)-^ +①)，tan(Cy ——)——^ + 6>)， 一i)
、 2 M ， 2 iV ，
其中，x和；;为模拟图像像元在模拟图像中的行号和列号，M和w为模拟图
像的行数和列数，/W&为传感器在沿轨方向上视场角，FOK为传感器在交轨
方向上3见场角，o、 e分别为沿4九方向和交轨方向上3见场角残留偏移。
其中，步骤(3)中所述的模拟图像像元在物空间坐标系中坐标为
、z乂
, M 、
tan((x——)7WC/M + (D) 2
tan(Cy-*)FC^/W + ^
丄
—1
+
、Z"
工
其中，jc和少为模拟图像像元在模拟图像中的行号和列号，M和W为模拟图
像的行数和列数，F6^为传感器在沿轨方向上视场角，FOK为传感器在交轨
方向上^L场角，(D、 P分别为沿轨方向和交轨方向上一见场角残留偏移，(U,Z)
为模拟图像像元在物空间坐标系中坐标，(^,R,Z"为传感器中心在物空间坐
标系中坐标，即传感器外方位线元素，A为比例系数，像空间坐标系到物
间坐标系的旋转矩阵i 由传感器外方位角元素 和a:决定
。00 Ycosw 0 A = 0 cos p sin p 、0 -sinp cosp乂
其中，步骤(4)中所述的模拟图像像元在物空间坐标系坐标方程中待 定比例系数的求解按照
首先由步骤(1)中输入数字高程模型中高程最大值Zm求解比例系数;i
0 1 0 sin<y 0 cos
Y cosa:sin/f 0、 -sin a: cosk 0 00 1的初始值义ini ， Aini=Zs-Zm ，然后以义ini为初始值，按照给定步长t (t>0)逐步增 大/1 ，当i = 0,1,2， 3......时对应比例系数；ii=/lini+it ，计算此时物空间坐标
(XAl， Y,,, Z力)，由数字高程模型得到(X,i， Yj对应的地面实际高程值Zi,比较 Zi和Z,，若Z广Zi小于给定阈值，则此时义i即为所求比例系数；若Z,-Zi大
于给定阈值，则继续增大;ii,计算(x,，， Y,i， zj和zi，直至z,-zi小于给定阈 值，最终得到待定的比例系数;i。
其中，步骤(6)中所述的求解模拟图像像元对应地面成像区域的四个
顶点坐标时，将模拟图像像元在像空间坐标系中坐标修正为
(tan(O — 二)FO^ / M + a + O》tan(O——/ + 6 + 6>)， -1) 2 2
其中，a取值分别为FOFc/2M 、 F(9^/2M、-尸(9^/2肘和-FOP;/2M;与a对应 6取值分别为F6>&/2#、 -FOI^/2iV、 -F6^/2iV和/2iV 。
其中，步骤(7)中所述的原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场 中立体角的计算按照
其中，Q,为原始地表图像像元/在待模拟图像像元瞬时视场中的立体角，4为
原始地表图像像元/在待模拟图像像元瞬时视场中的面积，《为原始地表图 像像元/到传感器中心连线与地面法线之间的夹角，G为原始地表图像像元/ 到传感器中心的距离。
其中，步骤(8)中所述的按照原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时 视场中的立体角，进行空间分辨率转换
其中，Z为模拟图像像元的亮度值，/ = 1、 2、 3…7V为该模拟图像像元包含 的原始地表图像像元的数目，Q为该模拟图像像元的瞬时视场角，^为原^地表图像像元f在待模拟图像像元瞬时视场中的立体角，/,.为模拟图像像元包 含的原始地表图像像元/的亮度值。
本发明 一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的方法，与现有技术相
比的优点在于
(1) 本发明考虑传感器位置姿态变化对遥感成像过程的影响，利用传感 器外方位元素和视场角建立模拟图像像元坐标和地面空间坐标之间的几何 关系，能够实现任意给定传感器外方位元素下遥感图像的精确模拟。
(2) 本发明精确求解模拟图像像元对应地面成像区域的四个顶点坐标， 并由地面成像区域内多个地面点，按照原始地表图像像元在模拟图像像元瞬 时视场中的立体角加权平均进行空间分辨率转换，合成待模拟像元亮度值， 克服了使用等比例平均或者距离加权平均和面积加权平均进行空间分辨率 转换的误差。
图1为本发明实现给定外方位元素下遥感图像模拟方法的流程图。
具体实施例方式
以西藏驱龙地区给定传感器外方位元素下遥感图像的模拟过程为例，如 图1所示，本发明的具体实施方法如下
(1) 输入原始数据，包括数字高程模型、原始地表图像和传感器外方 位元素以及^见场角。
使用西藏驱龙地区地面分辨率为30m的数字高程模型和地表辐亮度数 据。以地表数字高程模型数据左上角点为中心，30m为一个单位长度，正东 正北分别为x轴和y轴，高程方向为z轴，建立物空间坐标系，传感器外方 位元素为(1678, 500， 23500)和(0°， 0°, 0。)，传感器在沿轨方向和交 轨方向上视场角分别为1°和0.8。，模拟图像行数和列数为250和200，沿轨 方向和交4九方向上—见场角残留偏移均设为0。
(2) 计算步骤(1)中设定的传感器视场角下，模拟图像像元在像空间坐标系中坐标。
在步骤(1)中设定的传感器视场角下，模拟图像像元(JC,力在像空间坐
标系中坐标为
(tan(0.004x —0.5) ， tan(0.004;; —0.4) ， 一1)
(3)计算步骤(1)中设定的传感器外方位元素下，像空间坐标系到物 空间坐标系的旋转矩阵，并将步骤(2)中模拟图像像元坐标从像空间坐标 系转换到物空间坐标系。
在步骤(1)中设定的传感器外方位元素下，旋转矩阵R为单位矩阵， ^=莫拟图係 像元(x,力在物空间坐标系中坐标(U，Z)为
^tan(0.004x-0.5)、'1678 、
tan(0.004y-0.4)+500
、z,、 —1」、23500y
其中，/l为待定的比例系数。
(4) 由步骤(1)输入的数字高程模型和步骤(3)中模拟图像像元在 物空间坐标系中坐标方程，求解坐标方程中待定的比例系数。
模拟图像像元在物空间坐标系中坐标方程中比例系数的求解按照 首先由步骤(1)中输入数字高程模型中高程最大值Zm求解比例系数;i 的初始值义ini，则；iini=Zs-Zm ,然后以义ini为初始值，按照给定步长t (1>0)逐 步增大比例系数，当i二0，1，2， 3……时对应比例系数；ii:;iini+it ,计算此时物 空间坐标C， Y^， ZJ，由数字高程模型能够得到(X"， Y力)对应的实际地面
高程值Zi,比4交Zi和Z,，若ZfZi小于给定阈值，则此时/li即为所求比例系 数；若Z,-Zi大于给定阈值，则继续增大;ii,计算(X^ Y"， Z")和Zi,直至 Z, - Zi小于给定阈值，最终得到待定的比例系数/1 。
(5) 将步骤(4)中得到的比例系数带入步骤(3)中模拟图像像元在 物空间坐标系中坐标方程，得到模拟图像像元对应地面成像区域的中心点坐 标。(6) 修正步骤(2)中模拟图像像元在像空间坐标系中坐标，按照步骤 (3)、步骤(4)和步骤(5)，得到模拟图像像元对应地面成像区域的四
个顶点坐标。
将模拟图像像元在像空间坐标系中坐标修正为
(tan(0.004x - 0.5 + ")， tan(0.004j; - 0.4 + b)， — 1) 其中，fl取值分另'J为0.002 、 0.002 、 —0.002和-0.002;与a对应6耳又值分另'J为0.002 、 -0.002、 -0.002和0還。
(7) 求取地面成像区域中包含的步骤(1 )中输入的原始地表图像像元， 并计算原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角。
原始地表图像像元在待模拟图像像元瞬时视场中立体角的计算按照
—4 cos《 ￡ 2,. = ^
其中，Q,为原始地表图像像元/在待模拟图像像元瞬时视场中的立体角，4为
原始地表图像像元/在待模拟图像像元中面积，《为原始地表图像像元/到传 感器中心连线与地面法线之间的夹角，c为原始地表图像像元/到传感器中心 的距离。
(8 )按照原始地表度图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角， 进行空间分辨率转换，生成给定传感器外方位元素下遥感模拟图像。
按照原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角，进行空间 分辨率转换
其中，Z为模拟图像像元的亮度值，/ = 1、 2、 3...iV为该模拟图像像元包含 的原始地表图像像元的数目，Q为该模拟图像像元的瞬时视场角，Q,为原始 地表图像像元/在待模拟图像像元瞬时视场中的立体角，/,为模拟图像像元包 含的原始地表图像像元/的亮度值。
权利要求
1、一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的方法，其特征在于包括以下步骤(1)输入原始数据，包括数字高程模型、原始地表图像和传感器外方位元素以及视场角；(2)计算步骤(1)中设定的传感器视场角下，模拟图像像元在像空间坐标系中坐标；(3)计算步骤(1)中设定的传感器外方位元素下，像空间坐标系到物空间坐标系的旋转矩阵，并将步骤(2)中模拟图像像元坐标从像空间坐标系转换到物空间坐标系；(4)由步骤(1)输入的数字高程模型和步骤(3)中模拟图像像元在物空间坐标系中坐标方程，求解坐标方程中待定的比例系数；(5)将步骤(4)中得到的比例系数带入步骤(3)中模拟图像像元在物空间坐标系中坐标方程，得到模拟图像像元对应地面成像区域的中心点坐标；(6)修正步骤(2)中模拟图像像元在像空间坐标系中坐标，按照步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，得到模拟图像像元对应地面成像区域的四个顶点坐标；(7)求取地面成像区域中包含的步骤(1)中输入的原始地表图像像元，并计算原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角；(8)按照原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中的立体角，进行空间分辨率转换，生成给定传感器外方位元素下遥感模拟图像。
2、 根据权利要求1所述的一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的 方法，其特征在于所述的步骤(2)中模拟图像像元在像空间坐标系中坐 标为(tan((jc--)-^ + <D)， tan((y——)-^ + 6>)， 一l)其中，x和y为模拟图像像元在模拟图像中的行号和列号，M和iV为模拟图 像的行数和列数，FC^为传感器在沿轨方向上视场角，FOK为传感器在交轨 方向上^L场角，①、^分别为沿4九方向和交4九方向上—见场角残留偏移。
3、 根据权利要求1所述的一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的 方法，其特征在于所述的步骤(6)中求解模拟图像像元对应地面成像区 域的四个顶点坐标时，将模拟图像像元在像空间坐标系中坐标修正为(tan((x - *)FOrc / M + a +①)，tan(O —Frf / TV + 6 + P) ， — 1)其中，a取值分别为F(9P;/2M、 FOP;/2M、 -FC^/2M和-FOR/2M;与a对应 6取Y直分别为/ 27V 、 —/ 2iV 、 / 2iV和FOFd / 2iV 。
4、 根据权利要求1所述的一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的 方法，其特征在于所述的步骤(8)中按照原始地表图像像元在模拟图像 像元瞬时视场中的立体角，进行空间分辨率转换其中，￡为模拟图像像元的亮度值，/ = 1、 2、 3…7V为该模拟图像像元包含 的原始地表图像像元的数目，Q为该模拟图像像元的瞬时视场角，Q,为原始 地表图像像元!'在待模拟图像像元瞬时视场中的立体角，/,为模拟图像像元包 含的原始地表图像像元/的亮度值。
全文摘要
本发明一种实现给定外方位元素下遥感图像模拟的方法(1)输入原始数据；(2)计算模拟图像像元在像空间坐标系中坐标；(3)计算像空间坐标系到物空间坐标系的旋转矩阵，将步骤(2)模拟图像像元坐标从像空间坐标系转换到物空间坐标系；(4)求解坐标方程中待定比例系数；(5)求解模拟图像像元对应地面成像区域中心点坐标；(6)求解模拟图像像元对应地面成像区域四个顶点坐标；(7)求取模拟图像像元包含的原始地表图像像元，计算原始地表图像像元在模拟图像像元瞬时视场中立体角；(8)空间分辨率转换，生成给定传感器外方位元素下遥感模拟图像。本发明解决了给定传感器位置和姿态下，由外方位元素和视场角实现遥感图像的高精度模拟。
文档编号G01S7/48GK101604017SQ20091008933
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者娜 李, 王亚超, 贾国瑞, 赵慧洁 申请人:北京航空航天大学