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一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及線陣推掃式衛(wèi)星遙感影像處理技術(shù)，屬于攝影測(cè)量與遙感【技術(shù)領(lǐng)域】。特別是一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法。本方法以傳統(tǒng)框幅式中心投影影像核線理論為基礎(chǔ)，針對(duì)線陣推掃式立體成像的特點(diǎn)，以投影軌跡法核線模型為基礎(chǔ)，提出了一種簡(jiǎn)便的近似嚴(yán)格的核線影像生成方法。該方法運(yùn)算簡(jiǎn)單，無任何輔助數(shù)據(jù)，并且可以高精度地生成線陣推掃式遙感衛(wèi)星影像的立體核線影像對(duì)，有效地滿足后續(xù)遙感數(shù)據(jù)處理的需求。
【專利說明】一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及線陣衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理，屬于攝影測(cè)量與遙感【技術(shù)領(lǐng)域】。特別是一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]利用星載線陣推掃式傳感器獲取遙感影像，實(shí)現(xiàn)立體量測(cè)是遙感應(yīng)用的一個(gè)重要方面。法國(guó)的SPOT衛(wèi)星、美國(guó)的IKONOS衛(wèi)星、我國(guó)的“天繪一號(hào)”和“資源三號(hào)”衛(wèi)星都載有線陣推掃式傳感器。這是目前對(duì)地觀測(cè)十分有效的傳感器，具有很好的應(yīng)用前景。線陣推掃式遙感影像具有“行中心投影”的特點(diǎn)，各掃描行都有它自身的外方位元素，但相鄰掃描行的外方位元素之間又有著緊密的聯(lián)系。同框幅式中心投影影像相比，線陣推掃式影像具有獨(dú)特的輻射和幾何特性，因此那些傳統(tǒng)的適用于框幅式中心投影立體成像的模型與方法已不再普遍適用。
[0003]核線是立體攝影測(cè)量中分析立體像對(duì)幾何關(guān)系的一個(gè)基本概念。70年代初，美國(guó)攝影測(cè)量學(xué)者U.V.Helava等提出了一維核線相關(guān)的概念，核線的作用才在攝影測(cè)量自動(dòng)化的研究中受到重視。從立體影像上提取三維信息，一個(gè)最重要的約束條件就是核線約束，我們?cè)诶没叶葓D像自動(dòng)尋找同名像點(diǎn)時(shí)，只需在同名核線上進(jìn)行一維搜索即可。許多現(xiàn)有的匹配算法都利用這個(gè)約束條件來限制匹配的搜索空間以縮短匹配時(shí)間和提高匹配結(jié)果的可靠性。盡管核線的關(guān)系在立體圖像處理中非常有用，但是對(duì)于線陣推掃式遙感影像來說，其幾何關(guān)系比框幅式中心投影影像復(fù)雜得多，因此它不可能像常規(guī)的框幅式中心投影影像那樣具有嚴(yán)格的核線定義。因此對(duì)于線陣推掃式遙感影像，研究建立核線的理論基礎(chǔ)和核線的應(yīng)用技術(shù)既有理論意義，也有實(shí)用價(jià)值。
[0004]針對(duì)上述情況，許多攝影測(cè)量工作者做了不懈努力，試圖建立線陣推掃式影像的核線模型。早在上世紀(jì)80年代末，張祖勛、周月琴就針對(duì)SPOT異軌立體影像提出基于同名像點(diǎn)坐標(biāo)多項(xiàng)式擬合的近似核線生成方法。Taejung Kim對(duì)基于嚴(yán)格模型的投影軌跡法進(jìn)行了深入地分析，明確了核曲線的形狀，同時(shí)得出核曲線在一定范圍內(nèi)似直線的特性，為后續(xù)的核線應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。Michel Morgan等根據(jù)高分辨率衛(wèi)星影像成像視場(chǎng)角小的特點(diǎn)，提出基于平行投影模型的近似核線生成方法。胡芬利用投影軌跡法獲取核線在基準(zhǔn)面上的方向，沿著核線方向進(jìn)行投影以獲取近似核線。利用該方法可以直接由立體影像的定向參數(shù)建立原始影像和核線影像之間的嚴(yán)格坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用對(duì)應(yīng)關(guān)系可以生成核線影像。張過提出基于有理函數(shù)模型，利用投影軌跡法制作線陣推掃式衛(wèi)星核線影像及其幾何模型的重建方法。總的來說，上述方法還存在一些不足:①大部分是一種近似的方法，僅對(duì)最終的結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，整個(gè)過程缺乏定量分析；②核線采樣需要一些輔助數(shù)據(jù)的支撐，或者需要DEM數(shù)據(jù)，或者需要重建核線影像的幾何模型，核線采樣過程復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)線陣推掃式遙感衛(wèi)星影像，在定量分析和總結(jié)基于投影軌跡法的核線模型特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法，步驟如下:
[0007](I)根據(jù)立體遙感影像提供的RPC參數(shù)可以得到影像范圍內(nèi)實(shí)地的地形起伏，包括最大的高程值hmax和最小的高程值hmin ；
[0008](2)從立體像對(duì)左影像的第I列或者行開始，這里選擇列或者行的依據(jù)是根據(jù)核線的方向與影像行和影像列的夾角大小來確定，如果核線的方向與列方向夾角小，則取影像列方向，如果核線的方向與行方向夾角小，則取影像行方向，選擇列或者行方向的中心像點(diǎn)(q)，利用投影軌跡法將中心像點(diǎn)(q)和左像投影中心(S)確定的光線投影到右像上，投影這條光線上高程為最大高程hmax和最小高程hmin的兩個(gè)物方點(diǎn)(QjPQ2)到右像上，確定兩個(gè)像點(diǎn)(?’和q’ 2);
[0009](3)判斷右像上兩個(gè)像點(diǎn)(q/和q’2)是否在右像的像幅范圍內(nèi)，如果不在則返回(I)，繼續(xù)從下一列或者行開始；如果在，則根據(jù)這兩點(diǎn)確定一條直線(I’)，記錄直線方程參數(shù) a’ x+b’ y+c’ = O ；
[0010](4)確定右像上兩個(gè)像點(diǎn)(?’和q’ 2)的中點(diǎn)(q’ 3)，利用投影軌跡法將中點(diǎn)(q’ 3)和右像投影中心(S’)和確定的光線投影到左像上，投影這條光線上高程為hmax和hmin的兩個(gè)物方點(diǎn)(QjPQ4)到左像，確定兩個(gè)像點(diǎn)(qjPq4);
[0011](5)判斷兩個(gè)像點(diǎn)(q3和q4)是否在左像的像幅范圍內(nèi)，如果不在則返回步驟
(I)，繼續(xù)從下一列或者行開始；如果在，則根據(jù)這兩點(diǎn)確定一條直線(I)，記錄直線方程參數(shù) ax+by+c = O ；
[0012](6)確定兩條同名核線的直線方程后，利用左右像上的直線(I和1’)，分別在左像和右像內(nèi)沿直線進(jìn)行重采樣，即可獲得左像和右像核線影像上的第一行或者列；
[0013](7)返回步驟(I)重復(fù)進(jìn)行，直到確定核線影像上的最后一行或者列；
[0014](8)對(duì)左像和右像，記錄各自若干直線方程的參數(shù)，形成一個(gè)參數(shù)文件，利用這個(gè)參數(shù)文件可以實(shí)現(xiàn)核線影像坐標(biāo)到原始影像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。
[0015]實(shí)驗(yàn)表明該方法運(yùn)算簡(jiǎn)單，無任何輔助數(shù)據(jù)，并且可以高精度地生成線陣推掃式遙感衛(wèi)星影像的立體核線影像對(duì)，有效地滿足后續(xù)遙感數(shù)據(jù)處理的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是投影軌跡法核線模型。其中Q為地面點(diǎn)，S(Xs，Ys，Zs)和S’(X’s，Ys’，z’s)分別為左像和右像的投影中心，一條光線由地面點(diǎn)Q出發(fā)，經(jīng)過左像投影中心S (Xs，Ys, Zs)，在左像上成像點(diǎn)q，這條光線上的任意一點(diǎn)Q’ (X, Y, Z)均可唯一投影到右影像上，這些點(diǎn)的投影軌跡將在右像上形成一條曲線，這條曲線我們稱之為q的核線。q,為q的同名點(diǎn)，顯然位于這條曲線上。
[0017]圖2是核線采樣示意圖。I為左像上某一列(行)，q為I上一像點(diǎn)，S和S’分別為左像和右像的投影中心，hmax、hmin分別為影像范圍內(nèi)的最大高程和最小高程值，Q1, Q2分別為像點(diǎn)q和投影中心S連線與最大高程、最小高程的交點(diǎn)，q/，q’ 2為Q1, Q2在右像上的兩個(gè)像點(diǎn)，q’ 3為q/，q’ 2的中點(diǎn)，Q3, Q4分別為像點(diǎn)q3’和投影中心連線與最大高程、最小高程的交點(diǎn)，q3，Q4為Q3, Q4在左像上的兩個(gè)像點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0018]1、基于投影軌跡法核線模型基本原理
[0019]如圖1所示，一條光線從地面點(diǎn)Q出發(fā)，經(jīng)過左像的投影中心S (Xs，Ys, Zs)成像于左像上的q點(diǎn)，如果把這條光線上的每一個(gè)點(diǎn)都投影到右像上，那么這些點(diǎn)的投影軌跡將在右像上形成一條曲線，這條曲線我們稱之為q的核線。如果q'為q的同名點(diǎn)，顯然它總是位于這條曲線上。這就是基于投影軌跡法的核線模型。
[0020]2、基于投影軌跡法的核線影像生成方法
[0021](I)基本思想
[0022]從基于投影軌跡法的核線模型定量分析的結(jié)論知，基于投影軌跡法的核線模型與傳統(tǒng)的核線模型特性類似，具有良好的近似直線特性和共軛特性:對(duì)于不同類型的遙感影像，在像幅范圍內(nèi)，直線的近似特性是可以滿足子像素的處理要求，因此在像幅范圍內(nèi)，可以把該核曲線的模型看作直線來進(jìn)行處理；對(duì)于不同類型的遙感影像，在像幅范圍內(nèi)，在核線近似直線特性的支持下，核線的共軛特性也是可以滿足子像素的處理要求，因此在像幅范圍內(nèi)，利用該核曲線可以實(shí)現(xiàn)影像匹配的過程由二維向一維簡(jiǎn)化。利用這兩條結(jié)論，借鑒傳統(tǒng)框幅式遙感影像直接在傾斜相片上采集核線影像的方法逐行(列)進(jìn)行核線采集，獲得完整的核線影像。
[0023]根據(jù)上述核線模型，如圖2所示，已知左像上的一個(gè)像點(diǎn)q，首先根據(jù)投影軌跡法將該某一行上的中心像點(diǎn)和左像投影中心確定的光線投影到右像上，形成一條曲線I’ ；其次擬合一條直線用于近似描述該曲線，這條直線就是右像上的核線，按照直線I’的方程分別在右原始影像上采樣，就形成右像對(duì)應(yīng)核線影像的一行；然后選擇這條直線段的中點(diǎn)像點(diǎn)q’ 3，同樣根據(jù)投影軌跡法將該像點(diǎn)和右像投影中心投影到左像上，形成一條曲線，擬合該曲線確定左像上的一條直線，這條直線就是與I’對(duì)應(yīng)的核線1，按照直線I的方程分別在左原始影像上采樣，就形成左像核線影像的一行；最后記錄I和I’的直線方程參數(shù)，利用該參數(shù)即可將核線影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為原始影像的坐標(biāo)；如果遍歷所有的影像行，即可獲取完整的核線影像。
[0024](2)方法步驟
[0025]①根據(jù)立體遙感影像提供的RPC參數(shù)可以得到影像范圍內(nèi)實(shí)地的地形起伏，包括最大的聞程值hmax和最小的聞程值hmin ；
[0026]②從立體像對(duì)左影像的第I列(行)開始(這里選擇列或者行的依據(jù)是根據(jù)核線的方向與影像行和影像列的夾角大小來確定，如果核線的方向與列方向夾角小，則取影像列方向，如果核線的方向與行方向夾角小，則取影像行方向)，選擇列(行)方向的中心像點(diǎn)q，利用投影軌跡法將q和左像投影中心S確定的光線投影到右像上，考慮運(yùn)算量，只需投影這條光線上高程為hmax和hmin的兩個(gè)物方點(diǎn)Q1和Q2到右像上，確定兩個(gè)像點(diǎn)q/和q’ 2 ;
[0027]③判斷q/和q’ 2是否在右像的像幅范圍內(nèi)。如果不在則返回第一步，繼續(xù)從下一列(行)開始；如果在，則根據(jù)這兩點(diǎn)確定一條直線I’，記錄直線方程參數(shù)a’ x+b’ y+c’ =O ；
[0028]④確定右像上q/和q’2的中點(diǎn)q’3，利用投影軌跡法將9’3和右像投影中心S’和確定的光線投影到左像上，考慮運(yùn)算量，只需投影這條光線上高程為hmax和hmin的兩個(gè)物方點(diǎn)Q3和Q4到左像，確定兩個(gè)像點(diǎn)q3和q4 ;
[0029]⑤判斷q3和q4是否在左像的像幅范圍內(nèi)。如果不在則返回(I)，繼續(xù)從下一列(行)開始；如果在，則根據(jù)這兩點(diǎn)確定一條直線1，記錄直線方程參數(shù)ax+by+c = O ；
[0030]⑥確定兩條同名核線的直線方程后，利用左右像上的直線方程I和I’，分別在左右像內(nèi)沿直線進(jìn)行重采樣，即可獲得左像和右像核線影像的第一行；
[0031]⑦返回第一步重復(fù)進(jìn)行，直到確定核線影像上的最后一行；
[0032]⑧對(duì)左像和右像，記錄各自若干直線方程的參數(shù)，形成一個(gè)參數(shù)文件。利用這個(gè)參數(shù)文件可以實(shí)現(xiàn)核線影像坐標(biāo)到原始影像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。
[0033]核線影像坐標(biāo)與原始影像的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式⑴: y = epiηnith - X —I
< X = -—y — -- ，(1- O…/7 -1 )(.v = 0...height — I)
Qi a
y=i(I)
[0034]其中，X和y表示原始影像的像素坐標(biāo)值，分別為列數(shù)和行數(shù)；X’和y’表示核線影像的像素坐標(biāo)值，分別為列數(shù)和行數(shù)；epiwidth表示核線影像的寬度；height表示原始影像的高度；n表示核線方程的個(gè)數(shù)，i表示直線的編號(hào)，ai； bi； Ci表示直線方程的參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于投影軌跡法的線陣衛(wèi)星遙感影像核線影像生成方法，其特征在于:步驟如下: (1)根據(jù)立體遙感影像提供的RPC參數(shù)可以得到影像范圍內(nèi)實(shí)地的地形起伏，包括最大的高程值hmax和最小的高程值hmin ； (2)從立體像對(duì)左影像的第I列或者行開始，這里選擇列或者行的依據(jù)是根據(jù)核線的方向與影像行和影像列的夾角大小來確定，如果核線的方向與列方向夾角小，則取影像列方向，如果核線的方向與行方向夾角小，則取影像行方向，選擇列或者行方向的中心像點(diǎn)(q)，利用投影軌跡法將中心像點(diǎn)(q)和左像投影中心(S)確定的光線投影到右像上，投影這條光線上高程為最大高程hmax和最小高程hmin的兩個(gè)物方點(diǎn)(QjPQ2)到右像上，確定兩個(gè)像點(diǎn)(Q1，和q’ 2)； (3)判斷右像上兩個(gè)像點(diǎn)(q/和q’2)是否在右像的像幅范圍內(nèi)，如果不在則返回(1)，繼續(xù)從下一列或者行開始；如果在，則根據(jù)這兩點(diǎn)確定一條直線(I’)，記錄直線方程參數(shù)a，x+b，y+c，= O ； (4)確定右像上兩個(gè)像點(diǎn)(q/和q’2)的中點(diǎn)(q’3)，利用投影軌跡法將中點(diǎn)(q’3)和右像投影中心(S’)確定的光線投影到左像上，只需投影這條光線上高程為hmax和hmin的兩個(gè)物方點(diǎn)(QjPQ4)到左像，確定兩個(gè)像點(diǎn)(qjPq4); (5)判斷兩個(gè)像點(diǎn)(％和％)是否在左像的像幅范圍內(nèi)，如果不在則返回步驟(1)，繼續(xù)從下一列或者行開始；如果在，則根據(jù)這兩點(diǎn)確定一條直線(I)，記錄直線方程參數(shù)ax+by+c = O ； (6)確定兩條同名核線的直線方程后，利用左右像上的直線(I和I’)，分別在左像和右像內(nèi)沿直線進(jìn)行重采樣，即可獲得左像和右像核線影像上的第一行或者列； (7)返回步驟(I)重復(fù)進(jìn)行，直到確定核線影像上的最后一行或者列； (8)對(duì)左像和右像，記錄各自若干直線方程的參數(shù)，形成一個(gè)參數(shù)文件，利用這個(gè)參數(shù)文件可以實(shí)現(xiàn)核線影像坐標(biāo)到原始影像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104197898SQ201410468303
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】鞏丹超, 李綱, 韓軼龍, 張麗, 靳笑琳, 周瑜, 黃艷, 胡玲 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總參謀部測(cè)繪研究所