专利名称：月球三线阵相机影像仿真数据的生成方法
技术领域：
本发明涉及图像处理领域，特别涉及一种以正摄影像和数字高程模型为基础，仿真生成月球探测器三线阵CCD立体相机前视、正视和后视月球三线阵影像数据的方法。
背景技术：
三线阵相机是一台只有一组光学镜头、探测器大小为1024X1024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，每行线阵的像素数为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例示了“嫦娥一号(CE-I) ”探测器CXD立体相机月表三线阵影像数据获取过程示意图。在探月卫星(例如“嫦娥一号(CE-I) ”)发射之前，要进行大量研究工作，但是根据现有技术，研究工作所需要的数据源，例如月球三线阵相机影像的仿真数据的获取是一大难题，由于受数据源因素的制约，无法进行后期的实验工作，从而使提出的原理和采用的三线阵影像处理方法的正确性得不到有效验证。
发明内容
为了解决现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种以正摄影像和数字高程模型为基础，仿真生成月球探测器三线阵CCD立体相机前视、正视和后视月球三线阵影像数据的方法。该方法包括步骤步骤1，仿真探月卫星轨道数据，轨道参数包括轨道高度、轨道倾角和偏心率；步骤2 :仿真探月卫星姿态数据；步骤3 :根据卫星轨道和姿态数据，利用投影-反投影的方式获得三线阵相机每个像素对应的投影光束在数字高程模型上的投影点位置；步骤4，获取像素灰度值。优选地，上述步骤3进一步包括步骤301，建立相机成像模型，构建每个像素的观测矢量；步骤302，将观测矢量从图像坐标转换到月固坐标；步骤303，求解观测矢量与数字高程模型数据表达的月球表面的交点。优选地，上述步骤3进一步包括采用投影-反投影的方法迭代求解观测矢量与该表面的交点。优选地，上述步骤3进一步包括第一步，求解观测矢量与月球正球体表的交点A ；第二步，将交点A的月固三维直角坐标转换为经纬度坐标和高程值，然后在数字高程模型数据上查询该经纬度对应的高程点B ;第三步，计算B点和A点的距离|ab| ;第四步，如果距离值IAB I不能满足要求，则过B点做投影光线OA的垂线得垂足点C，然后在数字高程模型数据上查询该经纬度对应的高程点D ;第五步，计算D点和c点的距离IdcI ;重复第四步 第五步，直到第五步中的距离值满足要求，迭代计算结束，得到投影光束与数字高程模型的交点坐标。优选地，步骤4进一步包括根据交点位置，采用双线性插值算法从正射影像数据上获取该观测矢量对应仿真影像的像素灰度值。本发明提出了利用正射影像(Clemtine BaseMap)及对应相同月面区域的数字高程模型数据(例如Apollo数字高程模型数据)，结合月球三线阵相机的设计参数、卫星轨道设计参数等，按照三线阵相机的工作原理以及卫星摄影测量中常用的投影-反投影方法进行月球三线阵相机影像仿真，为月球三线阵相机影像数据的进一步研 究提供仿真数据源。
图I为本发明月球三线阵相机影像仿真数据的生成方法的流程图；图2为探月卫星CXD立体相机月表三线阵影像数据获取过程示意图；图3为三维笛卡尔图像坐标和二维像素坐标示意图；图4为投影光线与DEM交点求解算法示意图；图5为仿真实验区DEM数据(Apollo DEM数据)示意图；图6为仿真实验区正射影像数据(Clementine BaseMap)示意图；图7为月球三线阵仿真影像示意图，由上至下依次为前视、正视、后视图。
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。图I为本发明月球三线阵相机影像仿真数据的生成方法的流程图，具体包括以下步骤。在步骤I，仿真探月卫星轨道数据。探月卫星的轨道参数包括轨道高度、轨道倾角和偏心率。本发明以“嫦娥一号(CE-I) ”探测器为例，将其探测标称轨道定义为轨道高度200km，轨道倾角90±5度，偏心率正圆形轨道，偏心率为O。根据上述标称轨道参数在利用卫星轨道仿真软件仿真生成嫦娥一号卫星轨道数据。在步骤2，仿真探月卫星姿态数据。还是以“嫦娥一号”探测器为例，根据经验公式仿真嫦娥一号探测器姿态数据。在步骤3，利用投影-反投影的方式计算每个像素对应的投影光束在数字高程模型上的投影点位置。投影-反投影方法是利用研究区域的正射影像和数字高程模型数据，首先基于投影方程求解与像素对应的数字高程模型投影点，再由投影点坐标反投影到已有影像获取像素灰度值的一种图像仿真方法。根据背景技术中介绍的三线阵C⑶立体相机工作原理，前视、正视与后视线阵均有512个像素，在任意一个成像时刻，从投影中心到像素的射线在月面上的投影位置，即为该时刻该像素在月面上的成像位置，亦即在该时刻该投影位置的月面目标反射太阳的能量沿着该射线方向传输到该像素，由该像素记录为图像数据的灰度值。投影-反投影的算法遵循这一成像过程，首先根据投影中心、像素位置构建观测矢量，然后计算观测矢量与真实月表的交点(这里真实月表用数字高程模型来表达)，然后根据该交点位置从已有的月表图像数据(这里采用正射影像数据)中获取影像灰度值，作为该像素的灰度值。下面给出了该算法的数据处理过程，进一步包括步骤在步骤301，建立相机成像模型，构建每个像素的观测矢量。建立相机成像模型主要目的是建立每个像素在图像坐标系下的观测矢量。图6是三维笛卡尔图像坐标和二维像素坐标的示意图。该图像坐标系是用于表达图像空间的空间坐标。该坐标系的原点位于投影中心，正z轴与光轴方向相反，x，y平面与像平面平行，正X轴方向沿着飞行方向，飞行方向垂直于图像扫描行。像素坐标系是数字图 像的参考系。像主点PP是投影中心0在像平面上垂直投影位置；像平面基准点FC是像平面的中心位置；左上点位置M是像素坐标系的原点位置。内定向元素包括像平面上的主点位置、相机焦距和立体角等(见表I)。表I相机主要几何参数
权利要求
1.一种月球三线阵相机影像的仿真方法，该方法包括步骤 步骤1，仿真探月卫星轨道数据，轨道参数包括轨道高度、轨道倾角和偏心率； 步骤2 :仿真探月卫星姿态数据； 步骤3 :根据卫星轨道和姿态数据，利用投影-反投影的方式获得三线阵相机每个像素对应的投影光束在数字高程模型上的投影点位置； 步骤4，根据所述投影点位置获取像素灰度值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤3进一步包括 步骤301，建立相机成像模型，构建每个像素的观测矢量； 步骤302，将观测矢量从图像坐标转换到月固坐标； 步骤303，求解观测矢量与数字高程模型数据表达的月球表面的交点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤303进一步包括 采用投影-反投影的方法迭代求解观测矢量与该表面的交点。
4.根据权利要求2所述的方法，步骤303进一步包括 第一步，求解观测矢量与月球正球体表的交点A ； 第二步，将交点A的月固三维直角坐标转换为经纬度坐标和高程值，然后在数字高程模型数据上查询该经纬度对应的高程点B ； 第三步，计算B点和A点的距离IAB I ； 第四步，如果距离值IABl不能满足要求，则过b点做投影光线oa的垂线得垂足点C，然后在数字高程模型数据上查询该经纬度对应的高程点D ； 第五步，计算D点和C点的距离IDCI ； 重复第四步 第五步，直到第五步中的距离值满足要求，迭代计算结束，得到投影光束与数字高程模型的交点坐标。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤301进一步包括 矢量P ， 和瓦，分别表示前视、正视和后视图像每个像素的观测矢量,其中 f If = yT5i = k : - €, I y: |,is - Jj1 Cla) ppj—I r— X0■ K= yp. =j x UAh (lb)Li ；〖 —f . %fti t X tan(— ) — %Pb = :: I Cp^i ~ eg) X ps - y§ (ic)- J_f 式中，p S为三线阵相机探测器像素大小，Q为相机的立体角，即前视与正视或正视有后视之间的夹角，cP1-cP^cPb表示像点Pf，Pn，Pb在前视、正视和后视线阵上的列位置，(X(l，y。)为像主点的像平面坐标值，单位为像素。
6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，采用STK软件仿真嫦娥一号探测器轨道数据。
7.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤4进一步包括根据该交点位置从已有的月表图像数据中获取影像灰度值，作为该像素的灰度值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4进一步包括根据交点位置，采用双线性插值算法从正射影像数据上获取该观测矢量对应仿真影像的像素灰度值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4进一步包括所述交点在图像上的像素位置为line = INT {(x_x0) / Ax}pixel = INT {(y-y0) /Ay} 其中(line，pixel)分别为交点在正射影像上对应像素的行号与列号，(X(l，％)为正射影像左上角平面投影直角坐标值，Ax与Ay分别为正射影像在X方向和y方向的空间分辨率大小，INT为取整运算，以该像素为中心，同时考虑该像素周围若干像素，采用双线性内插算法利用该像素灰度值及其周围领域像素灰度值插值计算对应仿真图像像素的灰度值信息。
10.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述姿态数据与轨道数据是相同时间覆盖范围内的。
全文摘要
本发明公开了一种月球三线阵相机影像仿真数据的生成方法，该方法包括步骤步骤1，仿真探月卫星轨道数据，轨道参数包括轨道高度、轨道倾角和偏心率；步骤2仿真探月卫星姿态数据；步骤3根据卫星轨道和姿态数据，利用投影-反投影的方式获得三线阵相机每个像素对应的投影光束在数字高程模型上的投影点位置；步骤4，获取像素灰度值。本发明提出了利用正射影像及对应相同月面区域的数字高程模型数据，结合月球三线阵相机的设计参数、卫星轨道设计参数等，按照三线阵相机的工作原理以及卫星摄影测量中常用的投影-反投影方法进行月球三线阵相机影像仿真，为月球三线阵相机影像数据的进一步研究提供仿真数据源。
文档编号G06T1/00GK102737357SQ20111008730
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, 王文睿, 邹小端 申请人:中国科学院国家天文台