一种星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法
【专利摘要】一种星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，包括根据原始单帧图像的成像几何，建立原始单帧图像的共线方程模型；对每个原始单帧图像进行几何纠正处理，包括构建物方局部坐标与地心直角坐标的相互换算关系，构建切平面图像坐标与物方局部坐标之间的相互换算关系，对每个原始单帧图像划分虚拟立体格网，解算原始单帧图像对应的有理多项式模型系数，建立每个原始单帧图像坐标与切平面图像坐标之间的正反计算关系，基于有理多项式模型对各原始单帧图像进行几何纠正，得到物方切平面坐标系下的帧图像；对所得物方切平面坐标系下的所有帧图像进行基于坐标的拼接，得到拼接后的图像；解算拼接后图像对应的有理多项式模型系数。
【专利说明】一种星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天与航空摄影测量领域，涉及星载线阵传感器在垂轨摆扫成像方式下的高精度几何预处理方法。
【背景技术】
[0002]线阵CXD (电荷耦合元件图像传感器)是目前获取高分辨率光学卫星影像的主要传感器。在高分辨率光学成像过程中，由于镜头焦距长导致C⑶观测视场窄。采用垂轨摆扫成像方式代替沿轨推扫成像方式可以有效增大观测视场角。然而，在垂轨摆扫成像方式下，由于反光镜摆扫运动导致成像关系比较复杂、所得图像的几何畸变很大，这在高精度几何应用中亟需解决。
[0003]常规的线阵摆扫影像通过格网点坐标内插来实现系统几何纠正，如果用户希望利用地面控制点对系统几何纠正产品进行更高精度的几何处理就只能采用常规的多项式模型，这样，产品的几何精度(特别是内部几何精度)对地面控制点的分布、数量有较大的依赖性，产品的几何精度难以得到保障。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的问题是:针对星载线阵传感器摆扫成像方式，提供一种高精度的几何预处理方法，以解决图像内部几何畸变大的问题；而且，通过给出图像的有理多项式模型，能够使用户可以利用地面控制点对图像进行后续更高精度的几何处理。
[0005]本发明的技术方案为一种星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，进行以下步骤，
[0006]步骤1，根据原始单帧图像的成像几何，建立原始单帧图像的共线方程模型；
[0007]步骤2，对每个原始单帧图像进行几何纠正处理，包括以下子步骤，
[0008]步骤2.1，建立物方局部坐标系和物方切平面坐标系，构建物方局部坐标与地心直角坐标的相互换算关系；
[0009]所述物方局部坐标系O-XYZ定义为，经过原始图像中心点的光线与物方平均高程面Htl相交的交点为物方局部坐标系的原点O ;XY为物方切平面，与参考椭球面相切，Z轴垂直于XY切平面向上为正；χ轴沿飞行方向，Y轴垂直于飞行方向，XYZ组成右手系；物方局部坐标系下的坐标记为物方局部坐标；
[0010]物方切平面坐标系O-XY定义为，物方切平面坐标系的原点O、X轴、Y轴都与物方局部坐标系的原点O、X轴、Y轴重合，X轴、Y轴的刻度单位为米；物方切平面坐标系下的坐标记为物方切平面坐标；
[0011]步骤2.2，建立切平面图像坐标系，并构建切平面图像坐标与物方局部坐标之间的相互换算关系；
[0012]所述切平面图像坐标系O’ -V Y’定义为，位于物方切平面上，切平面图像坐标系的X’轴、Y’轴与物方切平面坐标系的X轴、Y轴平行，X’轴、Y’轴的刻度单位为像素，原点0’为物方切平面坐标系下的图像范围的最小外接矩形的左上角点；切平面图像坐标系下的坐标记为切平面图像坐标；
[0013]步骤2.3，对每个原始单帧图像划分虚拟立体格网，计算虚拟立体格网点的地心直角坐标，并将虚拟立体格网点作为控制点，解算原始单帧图像对应的有理多项式模型系数；
[0014]步骤2.4，根据步骤2.3所得每个原始单帧图像的有理多项式模型和步骤2.1、步骤2.2，建立每个原始单帧图像坐标与切平面图像坐标之间的正反计算方式；
[0015]步骤2.5，基于步骤2.4根据有理多项式模型建立的正反计算方式，对各原始单帧图像进行几何纠正，得到物方切平面坐标系下的帧图像；
[0016]步骤3，对步骤2.5所得物方切平面坐标系下的所有帧图像进行基于坐标的拼接，得到拼接后的图像；
[0017]步骤4，解算步骤3所得拼接后图像对应的有理多项式模型系数。
[0018]而且，步骤I中，建立原始单帧图像的共线方程模型如下，
[0019]设Rt、Rgf, Rfb, Rbs分别为t时刻下从地心惯性坐标系到地固地心直角坐标系的旋转矩阵、从轨道坐标系到地心惯性坐标系的旋转矩阵、从本体坐标系到轨道坐标系的旋转矩阵、从相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，[Xt Yt ZJt为t时刻卫星质心在地心直角坐标系下的坐标矢量，[x(l) y(I) 1]T为通过像点p(s, I)的光线在相机坐标系下的矢量,则其对应物点P在地心直角坐标系下的坐标[Xp Yp ZP]T为:
[0020]
【权利要求】
1.一种星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于，进行以下步骤， 步骤1，根据原始单帧图像的成像几何，建立原始单帧图像的共线方程模型； 步骤2，对每个原始单帧图像进行几何纠正处理，包括以下子步骤， 步骤2.1，建立物方局部坐标系和物方切平面坐标系，构建物方局部坐标与地心直角坐标的相互换算关系； 所述物方局部坐标系O-XYZ定义为，经过原始图像中心点的光线与物方平均高程面H。相交的交点为物方局部坐标系的原点0 ;XY为物方切平面，与参考椭球面相切，Z轴垂直于XY切平面向上为正；X轴沿飞行方向，Y轴垂直于飞行方向，XYZ组成右手系；物方局部坐标系下的坐标记为物方局部坐标； 物方切平面坐标系O-XY定义为，物方切平面坐标系的原点O、X轴、Y轴都与物方局部坐标系的原点O、X轴、Y轴重合，X轴、Y轴的刻度单位为米；物方切平面坐标系下的坐标记为物方切平面坐标； 步骤2.2，建立切平面图像坐标系，并构建切平面图像坐标与物方局部坐标之间的相互换算关系； 所述切平面图像坐标系0’ -V V定义为，位于物方切平面上，切平面图像坐标系的X’轴、Y’轴与物方切平面坐标系的X轴、Y轴平行，X’轴、Y’轴的刻度单位为像素，原点0’为物方切平面坐标系下的图像范围的最小外接矩形的左上角点；切平面图像坐标系下的坐标记为切平面图像坐标； 步骤2.3，对每个原始单帧图像划分虚拟立体格网，计算虚拟立体格网点的地心直角坐标，并将虚拟立体格网点作为控制点，解算原始单帧图像对应的有理多项式模型系数； 步骤2.4，根据步骤2.3所得每个原始单帧图像的有理多项式模型和步骤2.1、步骤.2.2，建立每个原始单帧图像坐标与切平面图像坐标之间的正反计算方式； 步骤2.5，基于步骤2.4根据有理多项式模型建立的正反计算方式，对各原始单帧图像进行几何纠正，得到物方切平面坐标系下的帧图像； 步骤3，对步骤2.5所得物方切平面坐标系下的所有帧图像进行基于坐标的拼接，得到拼接后的图像； 步骤4，解算步骤3所得拼接后图像对应的有理多项式模型系数。
2.根据权利要求1所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:步骤I中，建立原始单帧图像的共线方程模型如下， 设Rt、Rgf, Rfb, Rbs分别为t时刻下从地心惯性坐标系到地固地心直角坐标系的旋转矩阵、从轨道坐标系到地心惯性坐标系的旋转矩阵、从本体坐标系到轨道坐标系的旋转矩阵、从相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，[Xt Yt ZJt为t时刻卫星质心在地心直角坐标系下的坐标矢量，[X(I) y(l) 1]T为通过像点P (s，I)的光线在相机坐标系下的矢量，则其对应物点P在地心直角坐标系下的坐标[Xp Yp ZP]T为:
3.根据权利要求2所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:步骤2.1中，构建物方局部坐标与地心直角坐标的相互换算关系如下， 设物方局部坐标系原点的地心直角坐标为(Xtl, Ytl, Ztl),地理坐标为(UBtl), Btl为纬度，L0为经度，任一物点P的地心直角坐标为(XP，Yp, Zp)，物点P的物方局部坐标为(xP，yP, zP)， 从地心直角坐标(XP，Yp，Zp)到物方局部坐标(Xp，yp，zp)的换算公式为，
4.根据权利要求3所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:步骤2.2中，构建切平面图像坐标与物方局部坐标之间的相互换算关系如下， 设切平面图像坐标系原点的物方局部坐标为(Xtl, y0, Ztl)，任一物点P的物方局部坐标为(xP，yP, zP)，相应物方切平面图像坐标为(sP，Ip)， 从物方局部坐标(Xp，yp，zp)到切平面图像坐标(sP，Ip)的换算公式为:
5.根据权利要求4所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:步骤2.3中，对某原始单帧图像划分虚拟立体格网，计算虚拟立体格网点的地心直角坐标实现方式如下， 设星载线阵传感器的探元数为N，每次扫描的子帧数为W，对应地面的高程范围为[Hmin，HmaJ，则原始单帧图像大小为N行XW列；假设经过某像点p (S，I)的光线与K个高程面HpH2,...，Hk相交，(S，I)为像点的原始单帧图像坐标，0≤I ≤N-1,0≤s^ff-1,Hmin ^ Hk ^ Hmax, I≤k≤K，得到K个交点P1, P2,, Pk,根据公式(I)求出这些交点对应的地心直角坐标[Xpi Ypi ZP1]T, [Xp2 Yp2 Zp2]1,..., [XPK Ypk Zpk]T，进而求得这些交点对应的地理坐标(LP1, Bpi)，(Lp2, Bp2)，…，(LPk, Bpk)。
6.根据权利要求5所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:步骤2.4中，根据有理多项式模型，建立每个原始单帧图像坐标与切平面图像坐标之间的正反计算方式如下， 设原始单帧图像对应的有理多项式模型为:S = fx(B, L,H), I = fy(B, L,H)(7) 其中fx，fy为有理多项式函数，(B，L，H)为物点的地理坐标，(s，I)为对应像点的原始单帧图像坐标； 基于有理多项式模型的坐标反算，包括首先由切平面图像坐标按照公式(6)求得物方切平面坐标(Xp, yP),物方切平面坐标(Xp, yP)加上Zp=O得到物方局部坐标(xP, yP, zP);然后，先根据公式(4)将物方局部坐标(xP，yP，Zp)转换为地心直角坐标(XP，Yp，Zp)，再计算出地理坐标作为(B，L，H)代入公式(7)求出原始单帧图像坐标； 基于有理多项式模型的坐标正算，包括以下子步骤， 步骤a，设物点的初始高程值H(°)为平均高程，将原始单帧图像坐标和物点的初始高程值代入公式(I)求得物点的地心直角坐标[Xp Yp ZP]T，再根据公式(2)求得物方局部坐标的初始结果(X(°)，y(°)，z(°))； 步骤b，令迭代次数k=l ； 步骤c，令物点的高程值H(k) = H0rf)-z (k_D，再代入公式(I)求得物点的地心直角坐标作为新的[Xp Yp ZP]T，再根据公式(2)求得物方局部坐标的第k次迭代结果(x(k),y(k),z(k))； 步骤d，判断是否|z(k)| <TZ，Tz为预设的阈值，是则迭代终止，输出当前的物方局部坐标0^)，7&)，2&))，否则令1^+1，返回步骤。继续迭代； 步骤e，根据公式(5)将物方局部坐标换算成切平面图像坐标。
7.根据权利要求6所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:步骤4中，解算步骤3所得拼接后图像对应的有理多项式模型系数实现如下， 首先，对步骤2.3所得各原始单帧图像的虚拟立体格网点取并集后，重新计算这些虚拟立体格网点的图像坐标，包括先根据公式(2)、(3)将各虚拟立体格网点的地理坐标换算成物方局部坐标，再根据所得公式(5)将物方局部坐标换算成切平面图像坐标； 然后，将所有坐标变换后的虚拟立体格网点作为控制点，解算出拼接后图像对应的有理多项式模型系数。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述星载线阵传感器垂轨摆扫影像的几何预处理方法，其特征在于:所述地心直角坐标和地理坐标都是定义在以地球质心为原点的参考椭球上的，以地球质心为原点的参考椭球为WGS84椭球。
【文档编号】G06T5/50GK103778610SQ201410033502
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】金淑英, 王密 申请人:武汉大学