專利名稱：Ccd立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)平差處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理方法及應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于月球CXD立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)的平差處理方法。
背景技術(shù)：
(XD立體相機(jī)是一臺只有一組光學(xué)鏡頭、探測器大小為1024X 1024的面陣相機(jī)，在面陣上讀取沿垂直于飛行方向上的第11行、第512行和第1013行，分別作為前視、正視和后視三個不同視角的影像陣列，每行線陣的像元數(shù)為512列，前視、正視和后視相鄰線陣之間視角差均為16. 7°，成像譜段為0.5 0.75 的可見光波段。根據(jù)衛(wèi)星預(yù)定的在軌飛行參數(shù)，相機(jī)的掃描速度設(shè)為11. 89幀/秒，以保證衛(wèi)星在200km高的軌道上三條線陣同時向前、向下和向后三個方向以推掃方式獲取的三幅二維影像條帶都能對衛(wèi)星飛過的 月面進(jìn)行100%成像。三條影像條帶幾乎是同時獲取的，幅寬為60km，在衛(wèi)星飛行方向具有100%的重疊，在赤道附近相鄰軌道影像條帶的重疊度約為41%，高緯度地區(qū)重疊度更大，為月表三維地形幾何重建提供了足夠的影像信息。圖2給出CXD立體相機(jī)圖像數(shù)據(jù)獲取的過程。CXD立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)平差處理的主要目的是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在不同時間、不同位置等獲取的影像數(shù)據(jù)在全月范圍內(nèi)的無縫鑲嵌和絕對定向，根據(jù)衛(wèi)星攝影測量原理，平差處理的首要任務(wù)是解算三線陣影像數(shù)據(jù)每條線陣的外方位元素(即獲取該線陣影像時刻衛(wèi)星的空間位置和姿態(tài)信息)。由于CCD立體相機(jī)在同一個掃描周期內(nèi)只有前視、正視和后視三條影像，受外方位元素變化、地形起伏等的影響，用于計(jì)算該條線陣外方位元素的同名像點(diǎn)(至少需要6個)，不可能都落在此三條影像上，因此無法從幾何上解算該掃描周期的外方位元素，需要用一些簡化的算法近似處理。對于衛(wèi)星攝影而言，平臺較平穩(wěn)，外方位元素變化不大，Hofmann、王任享等人提出采用適當(dāng)大間距的時刻，即定向時刻或EFP時刻，將航線模型離散化，近似的表達(dá)航線模型和外方位元素。上世紀(jì)80年代，德國學(xué)者Hofmann等人首次在MOMS項(xiàng)目中創(chuàng)立了處理三線陣CXD影像的光束法平差方法，即“定向影像法”。該方法將僅僅依靠三線陣影像本身無法解算CCD影像每一個采樣周期(時刻)的外方位元素問題化解為只解算“定向影像”時刻的外方位元素，而任意CCD影像采樣時刻的外方位元素則從其相鄰的定向影像值中內(nèi)插得到。因此平差計(jì)算只需要解算這些定向影像的外方位元素，從而減少了外方位元素的數(shù)量和計(jì)算量。等效像片法是王任享等人提出的一種處理方法，該算法把一定時間間隔的一組線陣影像進(jìn)行變換，生成一個面中心投影的等效影像，然后用面中心投影的算法來處理。這一方法也減少了外方位元素的數(shù)量和計(jì)算量。雖然，定向片法和等效像片法等處理方法明顯減少了平差處理中的外方位元素的數(shù)量，但是用于解算外方位元素的加密點(diǎn)(同名像點(diǎn))坐標(biāo)也是平差處理中待解算的未知數(shù)，數(shù)量巨大，增加了平差處理的工作量和難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，通過借鑒定向片法和EFP (等效像片)法等對整條航線影像數(shù)據(jù)近似處理的方法，采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的理論與方法，提出了一種針對CXD立體相機(jī)月球三線陣影像數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理的方法，克服了無法從幾何上解算CXD立體相機(jī)三線陣影像每一條掃描線外方位元素的難題。本發(fā)明的CXD立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)平差處理方法包括步驟步驟I，獲取月面圖像數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；步驟2，利用圖像自動匹配技術(shù)提取同一軌不同視角的圖像數(shù)據(jù)以及相鄰軌道圖像數(shù)據(jù)的同名像點(diǎn)；步驟3，利用上述數(shù)據(jù)以及同名像點(diǎn)，采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行測區(qū)平差處理；步驟4，在測區(qū)平差的基礎(chǔ)上進(jìn)行全月球平差處理。優(yōu)選地，將全月球表面分為多個制圖區(qū)，每個制圖區(qū)再劃分為多個測區(qū)，每個測區(qū)
有若干航帶影像。優(yōu)選地，所述不同視角包括前視、正視和后視。優(yōu)選地，匹配算法采用尺度不變特征變換SIFT特征匹配和最小二乘匹配相結(jié)合的方式。優(yōu)選地，采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，再采用最小二乘匹配實(shí)現(xiàn)圖像精匹配。優(yōu)選地，所述獨(dú)立模型通過以下方式構(gòu)建在測區(qū)范圍內(nèi)得到正視影像上的定向片序列，前視與正視、正視與后視、前視與后視上的同名定向片組成定向片對，每個定向片對經(jīng)過相對定向處理構(gòu)建獨(dú)立模型，該獨(dú)立模型是獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差的最小單元。本發(fā)明的方法在平差處理中不需要解算外方位元素和加密點(diǎn)的坐標(biāo)，而是解算另外一組參數(shù)(相對定向參數(shù)和絕對定向參數(shù))，用于三線陣影像數(shù)據(jù)在全月范圍內(nèi)的無縫鑲嵌和絕對定向，待解算的未知數(shù)的個數(shù)明顯少于現(xiàn)有技術(shù)中的上述兩種方法，明顯簡化了平差處理過程，但是數(shù)據(jù)處理精度并未降低。


圖I為測區(qū)平差算法和全球平差算法的處理流程圖；圖2為CXD立體相機(jī)月表三線陣影像數(shù)據(jù)獲取過程示意圖；圖3為CXD立體相機(jī)正視影像上定向片劃分示意圖；圖4a和4b為獨(dú)立模型線性誤差改正前后結(jié)果比較示意圖；圖5a和5b為CXD立體相機(jī)平差處理測區(qū)劃分空間分布示意圖；圖6a和6b為測區(qū)平差和全球平差月面控制點(diǎn)空間分布示意圖；圖6c為圖6b的局部放大圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。參照圖I的流程圖，詳細(xì)描述了本發(fā)明的月球CCD立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)的平差處理方法。本發(fā)明的平差處理方法所依賴的前提條件是衛(wèi)星攝影平臺較平穩(wěn)，外方位元素變化不大的特點(diǎn)。參照圖1，在執(zhí)行該平差處理方法時，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與組織。其中以CE-I (嫦娥一號)為例，衛(wèi)星在其壽命期間共獲得1000多軌圖像數(shù)據(jù)，從其中選擇了 628 (該數(shù)據(jù)僅是示例性的，可根據(jù)實(shí)際情況選擇任意合適的數(shù)量)軌色調(diào)均一與光照條件差異小等圖像質(zhì)量較好的、覆蓋全月面的圖像數(shù)據(jù)。另外，為了進(jìn)行平差處理還必須準(zhǔn)備圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)是測控部門根據(jù)地面觀測對CE-I衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量得到的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)，姿態(tài)是由衛(wèi)星上攜帶的儀器設(shè)備測量得到的衛(wèi)星平臺滾動、俯仰、偏航等數(shù)據(jù)。為了保證平差結(jié)果在全球范圍內(nèi)的一致性，必須實(shí)現(xiàn)上述選取的圖像數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)的無縫鑲嵌和絕對定向，在全月范圍內(nèi)進(jìn)行平差處理。為了進(jìn)行全球平差處理，將全球劃分為若干測區(qū)，先進(jìn)行測區(qū)平差處理，再進(jìn)行全球平差處理。 將全月球表面分為若干制圖區(qū)，例如，分為S70° _N70°，S70 ° -S90 °和N70° -N90°這三個制圖區(qū)，每個制圖區(qū)再劃分為若干測區(qū)，全球共202測區(qū)，每個測區(qū)大約20條航帶影像。為了保證測區(qū)之間的連接條件，裁剪數(shù)據(jù)時相鄰測區(qū)在沿經(jīng)度方向重疊約4°，沿緯度方向重疊約2°。測區(qū)劃分結(jié)果參見圖4a和4b。圖4a為S70° _N70°中低緯度制圖區(qū)測區(qū)劃分示意圖，共有170個測區(qū)，緯度跨度范圍為14°，共10個緯度帶，經(jīng)度跨度范圍隨著緯度不同而不同；圖4b為S70° -S90°和N70° -N90°極區(qū)制圖區(qū)測區(qū)劃分示意圖，共有32個測區(qū)。圖中給出了每個測區(qū)的編號信息。在該步驟中，將所獲取的月面圖像數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)的星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)等按照測區(qū)進(jìn)行裁剪并按照測區(qū)編號命名的文件夾管理起來，作為后續(xù)圖像匹配和平差處理的輸入數(shù)據(jù)。之后，利用上述步驟中獲取的月面圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行三線陣影像自動匹配匹配處理步驟。圖像匹配主要是實(shí)現(xiàn)每個測區(qū)內(nèi)同軌內(nèi)前視、正視和后視圖像之間，以及相鄰軌道圖像數(shù)據(jù)之間重疊區(qū)同名像點(diǎn)的提取。匹配算法米用SIFT (Scale Invariant Feature Transform)特征匹配和最小二乘匹配相結(jié)合的方式?；赟IFT描述符的特征匹配因具有對影像尺度、亮度、對比度、旋轉(zhuǎn)、平移、微小仿射的不變性，已被成功地應(yīng)用到了很多領(lǐng)域，是目前最佳的特征描述符。SIFT特征匹配不僅對圖像的尺度變化和旋轉(zhuǎn)具有不變性，對光照的變化和圖像變形具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，而且在計(jì)算過程中主要利用了 DOG差分算子，找到的特征大部分是“blobs” (圓狀點(diǎn))，這恰好適合月球影像紋理貧乏，具有較多微小撞擊坑的圓狀點(diǎn)這一特征。其中CXD圖像空間分辨率為120m，對于直徑在500m以內(nèi)的撞擊坑由于邊緣的強(qiáng)反射在圖像上表現(xiàn)為亮圓狀點(diǎn)。圖像精匹配主要是通過最小二乘匹配實(shí)現(xiàn)的，最小二乘匹配算法最難解決的問題是初始位置的確定，這里我們采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，然后再采用最小二乘匹配，實(shí)現(xiàn)圖像精匹配。圖像匹配精度優(yōu)于0. 3像元，CXD立體相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的空間分辨率為120m。三線陣影像自動匹配包括同軌圖像數(shù)據(jù)(包括前視、正視與后視圖像兩兩之間)和相鄰軌道圖像數(shù)據(jù)之間的自動匹配，自動匹配的主要目的是提取用于平差參數(shù)(即相對定向參數(shù)和絕對定向參數(shù))解算的加密點(diǎn)(或同名像點(diǎn))的圖像坐標(biāo)。根據(jù)上述同名像點(diǎn)匹配方法，在同航帶、相鄰航帶、相鄰測區(qū)的前視、正視和后視影像上選取數(shù)量和分布滿足相對定向、測區(qū)平差、全球平差要求的同名像點(diǎn)，也就是圖I中所示的相對定向連接點(diǎn)、絕對定向連接點(diǎn)以及全球平差連接點(diǎn)。然后，在立體環(huán)境下對這些同名像點(diǎn)人工檢查和修測。這些同名像點(diǎn)是后續(xù)測區(qū)平差和全球平差處理的輸入數(shù)據(jù)。在獲取上述同名像點(diǎn)之后，進(jìn)行測區(qū)平差處理。參照圖1，其中虛線框內(nèi)的步驟為測區(qū)平差處理過程。為了實(shí)現(xiàn)三線陣影像數(shù)據(jù)在全月范圍內(nèi)的無縫鑲嵌和絕對定向，將全球劃分為若干測區(qū)，先進(jìn)行測區(qū)平差處理，再進(jìn)行全球平差處理。測區(qū)平差和全球平差均采用采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)。
根據(jù)Hofmann、王任享等人提出定向片原理，在測區(qū)范圍內(nèi)的正視影像條帶上每隔50行選擇定向時刻，以定向時刻為中心160行作為定向片寬度，得到正視影像上的定向片序列，前視與后視影像上的定向片邊界通過圖像匹配確定。前視與正視、正視與后視、前視與后視上的同名定向片組成定向片對，每個定向片對經(jīng)過相對定向處理構(gòu)建獨(dú)立模型。圖3為CXD立體相機(jī)正視影像上定向片劃分示意圖。圖中橫方向代表CXD立體相機(jī)正視影像條帶的高度，高度為512像素，長度與實(shí)際的影像掃描行數(shù)一致。黑色實(shí)線為獨(dú)立模型中心線(圖中在左側(cè)用虛線已經(jīng)標(biāo)注)，該中心線對應(yīng)的線陣數(shù)據(jù)獲取時刻即為該模型定向時刻，相鄰中心線間距為50行。獨(dú)立模型的高度與影像條帶的高度一致，即512像素，以獨(dú)立模型中心線為中心，模型寬度為160行。符號“ ”代表同名像點(diǎn)在定向片上的位置，由圖像匹配產(chǎn)生。該獨(dú)立模型是獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差的最小單元，測區(qū)平差的目的就是將定向片對構(gòu)建的獨(dú)立模型在測區(qū)范圍內(nèi)無縫的連接起來，形成整個測區(qū)的地面立體模型。測區(qū)平差處理過程分以下幾步完成(I)定向片內(nèi)定向?qū)⑼顸c(diǎn)的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以定向片像主點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。變換公式如下所示
權(quán)利要求
1.一種CXD立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)平差處理方法，該方法包括步驟 步驟1，獲取月面圖像數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)； 步驟2，利用圖像自動匹配技術(shù)提取同一軌不同視角的圖像數(shù)據(jù)以及相鄰軌道圖像數(shù)據(jù)的同名像點(diǎn)； 步驟3，利用上述數(shù)據(jù)以及同名像點(diǎn)，采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行測區(qū)平差處理； 步驟4，在測區(qū)平差的基礎(chǔ)上進(jìn)行全月球平差處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I進(jìn)一步包括 將全月球表面分為多個制圖區(qū)，每個制圖區(qū)再劃分為多個測區(qū)，每個測區(qū)有若干航帶影像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在在于，步驟2中所述不同視角包括前視、正視和后視。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟2進(jìn)一步包括匹配算法采用尺度不變特征變換SIFT特征匹配和最小二乘匹配相結(jié)合的方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟2進(jìn)一步包括采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，再采用最小二乘匹配實(shí)現(xiàn)圖像精匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述獨(dú)立模型通過以下方式構(gòu)建在測區(qū)范圍內(nèi)得到正視影像上的定向片序列，前視與正視、正視與后視、前視與后視上的同名定向片組成定向片對，每個定向片對經(jīng)過相對定向處理構(gòu)建獨(dú)立模型，該獨(dú)立模型是獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差的最小單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟3進(jìn)一步包括步驟 將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以定向片像主點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)； 利用定向片對的同名像點(diǎn)坐標(biāo)，通過共面條件建立誤差方程，解求定向片的相對定向元素； 利用相對定向元素解算該定向片對構(gòu)建的獨(dú)立模型上每個同名像點(diǎn)的模型坐標(biāo)； 計(jì)算同名像點(diǎn)的月面坐標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于， 將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以定向片像主點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)，變換公式如下
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于， 利用定向片對的同名像點(diǎn)坐標(biāo)，通過共面條件建立誤差方程，解求定向片的相對定向元素，共面條件滿足的方程如下
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于， 利用相對定向元素解算該定向片對構(gòu)建的獨(dú)立模型上每個同名像點(diǎn)的模型坐標(biāo)，由下式計(jì)算
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將全月球表面按照一定的原則劃分成若干區(qū)塊，在測區(qū)平差的基礎(chǔ)上，以測區(qū)為單元進(jìn)行全球平差。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟4進(jìn)一步包括 采用圖像自動匹配技術(shù)，在相鄰測區(qū)圖像數(shù)據(jù)重疊區(qū)域選擇一定數(shù)量的同名像點(diǎn)作為測區(qū)連接點(diǎn)； 弓I入激光測月數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，提高控制網(wǎng)的絕對控制精度； 選擇用于全球平差處理的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，并解算測區(qū)絕對定向參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CCD立體相機(jī)三線陣影像數(shù)據(jù)平差處理方法，該方法包括步驟步驟1，獲取月面圖像數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；步驟2，利用圖像自動匹配技術(shù)提取同一軌不同視角的圖像數(shù)據(jù)以及相鄰軌道圖像數(shù)據(jù)的同名像點(diǎn)；步驟3，利用上述數(shù)據(jù)以及同名像點(diǎn)，采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行測區(qū)平差處理；步驟4，在測區(qū)平差的基礎(chǔ)上進(jìn)行全月球平差處理。本發(fā)明的方法在平差處理中不需要解算外方位元素和加密點(diǎn)的坐標(biāo)，在保證數(shù)據(jù)處理精度的前提下明顯簡化了平差處理過程。
文檔編號G01C11/00GK102735216SQ20111008746
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者任鑫, 劉建軍, 李春來, 牟伶俐, 王文睿, 鄒小端 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺