专利名称：Ccd立体相机三线阵影像数据平差处理方法
技术领域：
本发明涉及图像处理方法及应用领域，特别是涉及一种适用于月球CXD立体相机三线阵影像数据的平差处理方法。
背景技术：
(XD立体相机是一台只有一组光学镜头、探测器大小为1024X 1024的面阵相机，在面阵上读取沿垂直于飞行方向上的第11行、第512行和第1013行，分别作为前视、正视和后视三个不同视角的影像阵列，每行线阵的像元数为512列，前视、正视和后视相邻线阵之间视角差均为16. 7°，成像谱段为0.5 0.75 的可见光波段。根据卫星预定的在轨飞行参数，相机的扫描速度设为11. 89帧/秒，以保证卫星在200km高的轨道上三条线阵同时向前、向下和向后三个方向以推扫方式获取的三幅二维影像条带都能对卫星飞过的 月面进行100%成像。三条影像条带几乎是同时获取的，幅宽为60km，在卫星飞行方向具有100%的重叠，在赤道附近相邻轨道影像条带的重叠度约为41%，高纬度地区重叠度更大，为月表三维地形几何重建提供了足够的影像信息。图2给出CXD立体相机图像数据获取的过程。CXD立体相机三线阵影像数据平差处理的主要目的是实现卫星在不同时间、不同位置等获取的影像数据在全月范围内的无缝镶嵌和绝对定向，根据卫星摄影测量原理，平差处理的首要任务是解算三线阵影像数据每条线阵的外方位元素(即获取该线阵影像时刻卫星的空间位置和姿态信息)。由于CCD立体相机在同一个扫描周期内只有前视、正视和后视三条影像，受外方位元素变化、地形起伏等的影响，用于计算该条线阵外方位元素的同名像点(至少需要6个)，不可能都落在此三条影像上，因此无法从几何上解算该扫描周期的外方位元素，需要用一些简化的算法近似处理。对于卫星摄影而言，平台较平稳，外方位元素变化不大，Hofmann、王任享等人提出采用适当大间距的时刻，即定向时刻或EFP时刻，将航线模型离散化，近似的表达航线模型和外方位元素。上世纪80年代，德国学者Hofmann等人首次在MOMS项目中创立了处理三线阵CXD影像的光束法平差方法，即“定向影像法”。该方法将仅仅依靠三线阵影像本身无法解算CCD影像每一个采样周期(时刻)的外方位元素问题化解为只解算“定向影像”时刻的外方位元素，而任意CCD影像采样时刻的外方位元素则从其相邻的定向影像值中内插得到。因此平差计算只需要解算这些定向影像的外方位元素，从而减少了外方位元素的数量和计算量。等效像片法是王任享等人提出的一种处理方法，该算法把一定时间间隔的一组线阵影像进行变换，生成一个面中心投影的等效影像，然后用面中心投影的算法来处理。这一方法也减少了外方位元素的数量和计算量。虽然，定向片法和等效像片法等处理方法明显减少了平差处理中的外方位元素的数量，但是用于解算外方位元素的加密点(同名像点)坐标也是平差处理中待解算的未知数，数量巨大，增加了平差处理的工作量和难度。
发明内容
本发明的目的在于，通过借鉴定向片法和EFP (等效像片)法等对整条航线影像数据近似处理的方法，采用独立模型法区域网空中三角测量的理论与方法，提出了一种针对CXD立体相机月球三线阵影像数据进行平差处理的方法，克服了无法从几何上解算CXD立体相机三线阵影像每一条扫描线外方位元素的难题。本发明的CXD立体相机三线阵影像数据平差处理方法包括步骤步骤I，获取月面图像数据以及对应的星历数据和姿态数据；步骤2，利用图像自动匹配技术提取同一轨不同视角的图像数据以及相邻轨道图像数据的同名像点；步骤3，利用上述数据以及同名像点，采用独立模型法区域网平差进行测区平差处理；步骤4，在测区平差的基础上进行全月球平差处理。优选地，将全月球表面分为多个制图区，每个制图区再划分为多个测区，每个测区
有若干航带影像。优选地，所述不同视角包括前视、正视和后视。优选地，匹配算法采用尺度不变特征变换SIFT特征匹配和最小二乘匹配相结合的方式。优选地，采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，再采用最小二乘匹配实现图像精匹配。优选地，所述独立模型通过以下方式构建在测区范围内得到正视影像上的定向片序列，前视与正视、正视与后视、前视与后视上的同名定向片组成定向片对，每个定向片对经过相对定向处理构建独立模型，该独立模型是独立模型法区域网平差的最小单元。本发明的方法在平差处理中不需要解算外方位元素和加密点的坐标，而是解算另外一组参数(相对定向参数和绝对定向参数)，用于三线阵影像数据在全月范围内的无缝镶嵌和绝对定向，待解算的未知数的个数明显少于现有技术中的上述两种方法，明显简化了平差处理过程，但是数据处理精度并未降低。
图I为测区平差算法和全球平差算法的处理流程图；图2为CXD立体相机月表三线阵影像数据获取过程示意图；图3为CXD立体相机正视影像上定向片划分示意图；图4a和4b为独立模型线性误差改正前后结果比较示意图；图5a和5b为CXD立体相机平差处理测区划分空间分布示意图；图6a和6b为测区平差和全球平差月面控制点空间分布示意图；图6c为图6b的局部放大图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。参照图I的流程图，详细描述了本发明的月球CCD立体相机三线阵影像数据的平差处理方法。本发明的平差处理方法所依赖的前提条件是卫星摄影平台较平稳，外方位元素变化不大的特点。参照图1，在执行该平差处理方法时，首先进行数据准备与组织。其中以CE-I (嫦娥一号)为例，卫星在其寿命期间共获得1000多轨图像数据，从其中选择了 628 (该数据仅是示例性的，可根据实际情况选择任意合适的数量)轨色调均一与光照条件差异小等图像质量较好的、覆盖全月面的图像数据。另外，为了进行平差处理还必须准备图像数据对应的卫星星历数据和姿态数据，卫星星历数据是测控部门根据地面观测对CE-I卫星进行跟踪测量得到的卫星位置数据，姿态是由卫星上携带的仪器设备测量得到的卫星平台滚动、俯仰、偏航等数据。为了保证平差结果在全球范围内的一致性，必须实现上述选取的图像数据在全球范围内的无缝镶嵌和绝对定向，在全月范围内进行平差处理。为了进行全球平差处理，将全球划分为若干测区，先进行测区平差处理，再进行全球平差处理。 将全月球表面分为若干制图区，例如，分为S70° _N70°，S70 ° -S90 °和N70° -N90°这三个制图区，每个制图区再划分为若干测区，全球共202测区，每个测区大约20条航带影像。为了保证测区之间的连接条件，裁剪数据时相邻测区在沿经度方向重叠约4°，沿纬度方向重叠约2°。测区划分结果参见图4a和4b。图4a为S70° _N70°中低纬度制图区测区划分示意图，共有170个测区，纬度跨度范围为14°，共10个纬度带，经度跨度范围随着纬度不同而不同；图4b为S70° -S90°和N70° -N90°极区制图区测区划分示意图，共有32个测区。图中给出了每个测区的编号信息。在该步骤中，将所获取的月面图像数据，以及对应的星历数据和姿态数据等按照测区进行裁剪并按照测区编号命名的文件夹管理起来，作为后续图像匹配和平差处理的输入数据。之后，利用上述步骤中获取的月面图像数据，进行三线阵影像自动匹配匹配处理步骤。图像匹配主要是实现每个测区内同轨内前视、正视和后视图像之间，以及相邻轨道图像数据之间重叠区同名像点的提取。匹配算法米用SIFT (Scale Invariant Feature Transform)特征匹配和最小二乘匹配相结合的方式。基于SIFT描述符的特征匹配因具有对影像尺度、亮度、对比度、旋转、平移、微小仿射的不变性，已被成功地应用到了很多领域，是目前最佳的特征描述符。SIFT特征匹配不仅对图像的尺度变化和旋转具有不变性，对光照的变化和图像变形具有较强的适应性，而且在计算过程中主要利用了 DOG差分算子，找到的特征大部分是“blobs” (圆状点)，这恰好适合月球影像纹理贫乏，具有较多微小撞击坑的圆状点这一特征。其中CXD图像空间分辨率为120m，对于直径在500m以内的撞击坑由于边缘的强反射在图像上表现为亮圆状点。图像精匹配主要是通过最小二乘匹配实现的，最小二乘匹配算法最难解决的问题是初始位置的确定，这里我们采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，然后再采用最小二乘匹配，实现图像精匹配。图像匹配精度优于0. 3像元，CXD立体相机图像数据的空间分辨率为120m。三线阵影像自动匹配包括同轨图像数据(包括前视、正视与后视图像两两之间)和相邻轨道图像数据之间的自动匹配，自动匹配的主要目的是提取用于平差参数(即相对定向参数和绝对定向参数)解算的加密点(或同名像点)的图像坐标。根据上述同名像点匹配方法，在同航带、相邻航带、相邻测区的前视、正视和后视影像上选取数量和分布满足相对定向、测区平差、全球平差要求的同名像点，也就是图I中所示的相对定向连接点、绝对定向连接点以及全球平差连接点。然后，在立体环境下对这些同名像点人工检查和修测。这些同名像点是后续测区平差和全球平差处理的输入数据。在获取上述同名像点之后，进行测区平差处理。参照图1，其中虚线框内的步骤为测区平差处理过程。为了实现三线阵影像数据在全月范围内的无缝镶嵌和绝对定向，将全球划分为若干测区，先进行测区平差处理，再进行全球平差处理。测区平差和全球平差均采用采用独立模型法区域网平差技术。
根据Hofmann、王任享等人提出定向片原理，在测区范围内的正视影像条带上每隔50行选择定向时刻，以定向时刻为中心160行作为定向片宽度，得到正视影像上的定向片序列，前视与后视影像上的定向片边界通过图像匹配确定。前视与正视、正视与后视、前视与后视上的同名定向片组成定向片对，每个定向片对经过相对定向处理构建独立模型。图3为CXD立体相机正视影像上定向片划分示意图。图中横方向代表CXD立体相机正视影像条带的高度，高度为512像素，长度与实际的影像扫描行数一致。黑色实线为独立模型中心线(图中在左侧用虚线已经标注)，该中心线对应的线阵数据获取时刻即为该模型定向时刻，相邻中心线间距为50行。独立模型的高度与影像条带的高度一致，即512像素，以独立模型中心线为中心，模型宽度为160行。符号“ ”代表同名像点在定向片上的位置，由图像匹配产生。该独立模型是独立模型法区域网平差的最小单元，测区平差的目的就是将定向片对构建的独立模型在测区范围内无缝的连接起来，形成整个测区的地面立体模型。测区平差处理过程分以下几步完成(I)定向片内定向将同名像点的图像坐标转换成以定向片像主点为坐标原点的像平面坐标。变换公式如下所示
权利要求
1.一种CXD立体相机三线阵影像数据平差处理方法，该方法包括步骤 步骤1，获取月面图像数据以及对应的星历数据和姿态数据； 步骤2，利用图像自动匹配技术提取同一轨不同视角的图像数据以及相邻轨道图像数据的同名像点； 步骤3，利用上述数据以及同名像点，采用独立模型法区域网平差进行测区平差处理； 步骤4，在测区平差的基础上进行全月球平差处理。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤I进一步包括 将全月球表面分为多个制图区，每个制图区再划分为多个测区，每个测区有若干航带影像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在在于，步骤2中所述不同视角包括前视、正视和后视。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2进一步包括匹配算法采用尺度不变特征变换SIFT特征匹配和最小二乘匹配相结合的方式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2进一步包括采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，再采用最小二乘匹配实现图像精匹配。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述独立模型通过以下方式构建在测区范围内得到正视影像上的定向片序列，前视与正视、正视与后视、前视与后视上的同名定向片组成定向片对，每个定向片对经过相对定向处理构建独立模型，该独立模型是独立模型法区域网平差的最小单元。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3进一步包括步骤 将图像坐标转换成以定向片像主点为坐标原点的像平面坐标； 利用定向片对的同名像点坐标，通过共面条件建立误差方程，解求定向片的相对定向元素； 利用相对定向元素解算该定向片对构建的独立模型上每个同名像点的模型坐标； 计算同名像点的月面坐标。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于， 将图像坐标转换成以定向片像主点为坐标原点的像平面坐标，变换公式如下
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于， 利用定向片对的同名像点坐标，通过共面条件建立误差方程，解求定向片的相对定向元素，共面条件满足的方程如下
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于， 利用相对定向元素解算该定向片对构建的独立模型上每个同名像点的模型坐标，由下式计算
11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于，将全月球表面按照一定的原则划分成若干区块，在测区平差的基础上，以测区为单元进行全球平差。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括 采用图像自动匹配技术，在相邻测区图像数据重叠区域选择一定数量的同名像点作为测区连接点； 弓I入激光测月数据进行联合平差，提高控制网的绝对控制精度； 选择用于全球平差处理的控制点数据，并解算测区绝对定向参数。
全文摘要
本发明公开了一种CCD立体相机三线阵影像数据平差处理方法，该方法包括步骤步骤1，获取月面图像数据以及对应的星历数据和姿态数据；步骤2，利用图像自动匹配技术提取同一轨不同视角的图像数据以及相邻轨道图像数据的同名像点；步骤3，利用上述数据以及同名像点，采用独立模型法区域网平差进行测区平差处理；步骤4，在测区平差的基础上进行全月球平差处理。本发明的方法在平差处理中不需要解算外方位元素和加密点的坐标，在保证数据处理精度的前提下明显简化了平差处理过程。
文档编号G01C11/00GK102735216SQ20111008746
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者任鑫, 刘建军, 李春来, 牟伶俐, 王文睿, 邹小端 申请人:中国科学院国家天文台