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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，屬于攝影測量與遙感【技術領域】。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，針對線陣推掃式立體成像的特點，以投影軌跡法核線模型為基礎，提出了一種簡便的近似嚴格的核線影像生成方法。該方法運算簡單，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，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

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及線陣衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理，屬于攝影測量與遙感【技術領域】。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】
[0002]利用星載線陣推掃式傳感器獲取遙感影像，實現(xiàn)立體量測是遙感應用的一個重要方面。法國的SPOT衛(wèi)星、美國的IKONOS衛(wèi)星、我國的“天繪一號”和“資源三號”衛(wèi)星都載有線陣推掃式傳感器。這是目前對地觀測十分有效的傳感器，具有很好的應用前景。線陣推掃式遙感影像具有“行中心投影”的特點，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]核線是立體攝影測量中分析立體像對幾何關系的一個基本概念。70年代初，美國攝影測量學者U.V.Helava等提出了一維核線相關的概念，核線的作用才在攝影測量自動化的研究中受到重視。從立體影像上提取三維信息，一個最重要的約束條件就是核線約束，我們在利用灰度圖像自動尋找同名像點時，只需在同名核線上進行一維搜索即可。許多現(xiàn)有的匹配算法都利用這個約束條件來限制匹配的搜索空間以縮短匹配時間和提高匹配結果的可靠性。盡管核線的關系在立體圖像處理中非常有用，但是對于線陣推掃式遙感影像來說，其幾何關系比框幅式中心投影影像復雜得多，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格的核線定義。因此對于線陣推掃式遙感影像，研究建立核線的理論基礎和核線的應用技術既有理論意義，也有實用價值。
[0004]針對上述情況，許多攝影測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80年代末，張祖勛、周月琴就針對SPOT異軌立體影像提出基于同名像點坐標多項式擬合的近似核線生成方法。Taejung Kim對基于嚴格模型的投影軌跡法進行了深入地分析，明確了核曲線的形狀，同時得出核曲線在一定范圍內(nèi)似直線的特性，為后續(xù)的核線應用奠定了基礎。Michel Morgan等根據(jù)高分辨率衛(wèi)星影像成像視場角小的特點，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面上的方向，沿著核線方向進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格坐標對應關系，利用對應關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，僅對最終的結果進行了實驗評價，整個過程缺乏定量分析；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，核線采樣過程復雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對線陣推掃式遙感衛(wèi)星影像，在定量分析和總結基于投影軌跡法的核線模型特性的基礎上，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(q)，利用投影軌跡法將中心像點(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的兩個物方點(QjPQ2)到右像上，確定兩個像點(?’和q’ 2);
[0009](3)判斷右像上兩個像點(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)確定右像上兩個像點(?’和q’ 2)的中點(q’ 3)，利用投影軌跡法將中點(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的兩個物方點(QjPQ4)到左像，確定兩個像點(qjPq4);
[0011](5)判斷兩個像點(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)重復進行，直到確定核線影像上的最后一行或者列；
[0014](8)對左像和右像，記錄各自若干直線方程的參數(shù)，形成一個參數(shù)文件，利用這個參數(shù)文件可以實現(xiàn)核線影像坐標到原始影像坐標的轉化。
[0015]實驗表明該方法運算簡單，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，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，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Q出發(fā)，經(jīng)過左像投影中心S (Xs，Ys, Zs)，在左像上成像點q，這條光線上的任意一點Q’ (X, Y, Z)均可唯一投影到右影像上，這些點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，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，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q和投影中心S連線與最大高程、最小高程的交點，q/，q’ 2為Q1, Q2在右像上的兩個像點，q’ 3為q/，q’ 2的中點，Q3, Q4分別為像點q3’和投影中心連線與最大高程、最小高程的交點，q3，Q4為Q3, Q4在左像上的兩個像點。

【具體實施方式】
[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，如果把這條光線上的每一個點都投影到右像上，那么這些點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，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行處理；對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現(xiàn)影像匹配的過程由二維向一維簡化。利用這兩條結論，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，已知左像上的一個像點q，首先根據(jù)投影軌跡法將該某一行上的中心像點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，就形成右像對應核線影像的一行；然后選擇這條直線段的中點像點q’ 3，同樣根據(jù)投影軌跡法將該像點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’對應的核線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轉化為原始影像的坐標；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，考慮運算量，只需投影這條光線上高程為hmax和hmin的兩個物方點Q1和Q2到右像上，確定兩個像點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，考慮運算量，只需投影這條光線上高程為hmax和hmin的兩個物方點Q3和Q4到左像，確定兩個像點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返回第一步重復進行，直到確定核線影像上的最后一行；
[0032]⑧對左像和右像，記錄各自若干直線方程的參數(shù)，形成一個參數(shù)文件。利用這個參數(shù)文件可以實現(xiàn)核線影像坐標到原始影像坐標的轉化。
[0033]核線影像坐標與原始影像的坐標對應關系如公式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表示核線方程的個數(shù)，i表示直線的編號，ai； bi； Ci表示直線方程的參數(shù)。
【權利要求】
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(q)，利用投影軌跡法將中心像點(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的兩個物方點(QjPQ2)到右像上，確定兩個像點(Q1，和q’ 2)； (3)判斷右像上兩個像點(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)確定右像上兩個像點(q/和q’2)的中點(q’3)，利用投影軌跡法將中點(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的兩個物方點(QjPQ4)到左像，確定兩個像點(qjPq4); (5)判斷兩個像點(％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)重復進行，直到確定核線影像上的最后一行或者列； (8)對左像和右像，記錄各自若干直線方程的參數(shù)，形成一個參數(shù)文件，利用這個參數(shù)文件可以實現(xiàn)核線影像坐標到原始影像坐標的轉化。
【文檔編號】G01C11/00GK104197898SQ201410468303
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日: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 申請人:中國人民解放軍總參謀部測繪研究所