一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法与流程

本发明涉及一种预处理方法，尤其是涉及一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法。

背景技术：

传统的地面预处理系统的生产流程包括传感器校正、系统几何纠正两个步骤，可分别输出传感器校正产品和系统几何纠正产品两种影像。其中，系统几何纠正产品包含地理定位信息，用户可以直接使用。传感器校正产品有理多项式模型系数，用户可以对影像进行几何精加工，得到含有地理定位信息的影像产品。由于这种传统的地面预处理系统需要输出两种产品，增加了i/o开销，导致时效性降低，难以适应地震、洪涝、森林火灾等应急场合。

技术实现要素：

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法，其特征在于，包括：

步骤1、由对地观测卫星光学传感器通过线阵推扫成像方式获取影像，且经过传感器校正处理；同时利用成像过程中的行时、姿态、轨道等辅助数据和相机定标系数计算了传感器校正影像对应的有理多项式模型系数；其中，传感器校正影像对应的有理多项式模型是指：传感器影像点的二维坐标(x,y)与地球表面点的三维坐标(l,b,h)之间的数学关系式，该数学关系式的具体形式是两个三次多项式之比，故称为有利多项式；

步骤2、将传感器校正影像对应的有理多项式模型系数转换成系统几何纠正影像对应的有理多项式模型系数；转换前的像方坐标对应于传感器校正影像坐标(x1,y1)，转换后的像方坐标对应于平均高程面上的系统几何纠正影像坐标(x2,y2)；这两种像方坐标之间存在如下关系；

x1＝fx(l,b,h),y1＝fy(l,b,h)公式(1)

x1＝fx(l,b,h),y1＝fy(l,b,h)公式(1)

其中：公式(1)右侧(l,b,h)表示对应的高程面h上的点的物方坐标是(l,b)，fx,fy是传感器校正影像对应的有理多项式模型系数；公式(2)中系统几何纠正影像对应于平均高程面h0，物方坐标是(l,b)，其中左上角点的物方坐标是(l0,b0)，两个方向上的采样间隔分别是(dl,db)；

步骤3、对原始影像进行基于平均高程面上的系统几何纠正；系统几何纠正后的影像左上角点对应的物方坐标是(l0,b0)，在两个方向上的采样间隔是(dl,db)，每个像点(x2,y2)的物方坐标(l,b)都是已知的；系统几何纠正后的影像同时也是平均高程面h0上的影像；因此，据原始影像的几何成像模型，由平均高程面h0上的物方坐标(l,b)反算其原始像方坐标，再进行灰度重采样，得到平均高程面上的系统几何纠正影像。

在上述的一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法，步骤2中，根据(x1,y1)求(x2,y2)的过程如下；

步骤2.1、根据公式(1)由(x1,y1)求平均高程面h0上的物方坐标(l,b)；

步骤2.2、求出物方坐标(l,b)的最大最小范围，得到左上角点坐标(l0,b0)；

步骤2.3、根据用户指定的采样间隔(dl,db)，由公式(2)求得(x2,y2)。

在上述的一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法，步骤2.1中，根据有理多项式模型系数，可由点在平均高程面h0上的物方坐标(b,l)求点的像方坐标(x1,y1)，这就是公式(1)；反之，也可由点的像方坐标(x1,y1)求得其在平均高程面h0上的物方坐标(b,l)，这个过程需要迭代，具体如下

1)设置迭代次数为i，物方坐标为(lⁱ,bⁱ)；(其中当i＝0时，物方坐标初值为有理多项式模型系数中的两个物方坐标归一化平移系数)；

2)根据公式(1)计算对应的像方坐标误差dx＝x1-x1ⁱ,dy＝y1-y1ⁱ，其中x1ⁱ＝fx(lⁱ,bⁱ,h0),y1ⁱ＝fy(lⁱ,bⁱ,h0)；

3)列出误差方程式其中分别是公式(1)对x,y对l,b求偏导数的结果；

4)误差方程求解，得到物方坐标的改正数dl,db；

5)更新物方坐标lⁱ⁺¹＝lⁱ+dl,bⁱ⁺¹＝bⁱ+db；

6)判断物方坐标改正数的绝对值是否小于给定的阈值；如果是，输出新的物方坐标；否则，令迭代次数i＝i+1，重复上述2)～6)步骤直至满足迭代结束条件。

在上述的一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法，步骤3采用典型的间接法几何纠正法，具体包括：

步骤3.1计算原始影像四个角点(x,y)对应的平均高程面h0上的物方坐标(l,b)，求四个角点物方坐标的最小外接矩形范围；

步骤3.2、对物方坐标范围内的每个像点，由物方坐标(l,b)反算其原始像方坐标(x,y)；

步骤3.3、根据原始像方坐标(x,y)在原始影像上进行灰度重采样，得到平均高程面h0上的系统几何纠正影像。

本发明创造性的提出一种基于平均高程面的影像快速几何预处理方法。该方法将传感器校正和系统几何纠正两个步骤合二为一，仅输出一种基于平均高程面的系统几何纠正产品。该产品兼有传感器校正产品和系统几何纠正产品的特点，包括带地理定位信息的影像和有理多项式模型系数两部分。一方面，其影像包含有地理定位信息，可以直接作为系统几何纠正产品使用；另一方面，用户也可以利用其有理多项式模型系数对影像进行几何精加工，得到含有地理定位信息的影像产品。本发明提出的这种基于平均高程面的影像快速几何预处理系统，节约了cpu和i/o资源，提高了时效性，也增加了产品的易用性。

本发明是对现有的地面预处理系统的产品及处理流程的一种改进。现有的地面预处理系统的几何处理流程为：1)对原始影像建立物理成像模型；2)根据物理模型可计算多个高程面上的虚拟格网控制点，并基于虚拟格网控制点计算有理多项式模型系数；3)对原始影像进行传感器校正处理，得到传感器校正产品；4)基于有理多项式模型系数，对传感器校正影像进行系统几何纠正，得到系统几何纠正产品。

本发明对现有流程的改进主要在于两部分。a)将现有流程的步骤2)的传感器校正影像对应的有理多项式模型换成系统几何纠正影像对应的有理多项式模型；b)将现有流程的3)4)两步骤合并，直接对原始影像进行基于平均高程面的系统几何纠正。

因此，本发明具有如下优点：1、使得地面预处理系统的产品合二为一，一种产品兼有两种现有产品的功能。2、减少了地面预处理系统的i/o，提高了地面预处理系统的效率。

附图说明

附图1是本发明的一种原理图。

附图2是现有地面预处理系统的1级产品(有rpb)。

附图3是现有地面预处理系统的2级产品(有地理坐标)。

附图4是本发明提出的“基于平均高程的2级产品”(既有rpb，又有地理坐标)。

图2-4中，因高分辨率图像和精确坐标信息不便公开，图中做了马赛克处理，且图中有阴影，为正常，只是为了显示本案的实施例的效果，阴影对本案的实施例没有影响。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明主要包括：

步骤1、由对地观测卫星光学传感器通过线阵推扫成像方式获取影像，且经过传感器校正处理；同时利用成像过程中的行时、姿态、轨道等辅助数据和相机定标系数计算了传感器校正影像对应的有理多项式模型系数；其中，传感器校正影像对应的有理多项式模型是指：传感器影像点的二维坐标(x,y)与地球表面点的三维坐标(l,b,h)之间的数学关系式，该数学关系式的具体形式是两个三次多项式之比，故称为有利多项式；

步骤2、将传感器校正影像对应的有理多项式模型系数转换成系统几何纠正影像对应的有理多项式模型系数；转换前的像方坐标对应于传感器校正影像坐标(x1,y1)，转换后的像方坐标对应于平均高程面上的系统几何纠正影像坐标(x2,y2)；这两种像方坐标之间存在如下关系；

x1＝fx(l,b,h),y1＝fy(l,b,h)公式(1)

x1＝fx(l,b,h),y1＝fy(l,b,h)公式(1)

其中：公式(1)右侧(l,b,h)表示对应的高程面h上的点的物方坐标是(l,b)，fx,fy是传感器校正影像对应的有理多项式模型系数；公式(2)中系统几何纠正影像对应于平均高程面h0，物方坐标是(l,b)，其中左上角点的物方坐标是(l0,b0)，两个方向上的采样间隔分别是(dl,db)；

其中，根据(x1,y1)求(x2,y2)的过程如下；

步骤2.1、根据公式(1)由(x1,y1)求平均高程面h0上的物方坐标(l,b)；本步骤中，根据有理多项式模型系数，可由点在平均高程面h0上的物方坐标(b,l)求点的像方坐标(x1,y1)，这就是公式(1)；反之，也可由点的像方坐标(x1,y1)求得其在平均高程面h0上的物方坐标(b,l)，这个过程需要迭代，具体如下

1)设置迭代次数为i，物方坐标为(lⁱ,bⁱ)；(其中当i＝0时，物方坐标初值为有理多项式模型系数中的两个物方坐标归一化平移系数)；

2)根据公式(1)计算对应的像方坐标误差dx＝x1-x1ⁱ,dy＝y1-y1ⁱ，其中x1ⁱ＝fx(lⁱ,bⁱ,h0),y1ⁱ＝fy(lⁱ,bⁱ,h0)；

3)列出误差方程式其中分别是公式(1)对x,y对l,b求偏导数的结果；

4)误差方程求解，得到物方坐标的改正数dl,db；

5)更新物方坐标lⁱ⁺¹＝lⁱ+dl,bⁱ⁺¹＝bⁱ+db；

6)判断物方坐标改正数的绝对值是否小于给定的阈值；如果是，输出新的物方坐标；否则，令迭代次数i＝i+1，重复上述2)～6)步骤直至满足迭代结束条件。

步骤2.2、求出物方坐标(l,b)的最大最小范围，得到左上角点坐标(l0,b0)；

步骤2.3、根据用户指定的采样间隔(dl,db)，由公式(2)求得(x2,y2)。

步骤3、对原始影像进行基于平均高程面上的系统几何纠正；系统几何纠正后的影像左上角点对应的物方坐标是(l0,b0)，在两个方向上的采样间隔是(dl,db)，每个像点(x2,y2)的物方坐标(l,b)都是已知的；系统几何纠正后的影像同时也是平均高程面h0上的影像；因此，据原始影像的几何成像模型，由平均高程面h0上的物方坐标(l,b)反算其原始像方坐标，再进行灰度重采样，得到平均高程面上的系统几何纠正影像。

其中，采用典型的间接法几何纠正法，具体包括：

步骤3.1计算原始影像四个角点(x,y)对应的平均高程面h0上的物方坐标(l,b)，求四个角点物方坐标的最小外接矩形范围；

步骤3.2、对物方坐标范围内的每个像点，由物方坐标(l,b)反算其原始像方坐标(x,y)；

步骤3.3、根据原始像方坐标(x,y)在原始影像上进行灰度重采样，得到平均高程面h0上的系统几何纠正影像。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。