專利名稱：：一種rpc模型正變換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于攝影成像
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種RPC模型正變換方法。技術(shù)背景由于嚴密成像幾何模型具有較高的定位精度，因此一直是攝影測量學(xué)的首選，衛(wèi)星遙感影像處理常常要利用嚴密成像幾何模型。然而，一些高性能的傳感器系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了商業(yè)化，但是由于衛(wèi)星平臺和有效載荷等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是航天大國的技術(shù)機密，高分辨率傳感器的核心信息和衛(wèi)星軌道參數(shù)并未公開，如IK0N0S等衛(wèi)星，無法利用嚴格成像幾何模型進行處理；同時傳感器成像方式的多樣化也對攝影測量軟件提出了模型通用化的要求，這樣在軟件框架設(shè)計時就不必為現(xiàn)有的或?qū)砜赡軙霈F(xiàn)的各種類型的傳感器一一確定其嚴格幾何模型的形式，而可以統(tǒng)一采用通用模型進行處理，從而大大降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性，更易于軟件升級和維護，特別在同時處理多源衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)時，通用成像幾何模型更能顯示出其優(yōu)勢。常見的通用成像幾何模型有以下幾種多項式、直接線性變換、仿射變換、有理函數(shù)模型等。RPC模型是衛(wèi)星遙感影像的通用成像幾何模型其中的一種，它適用于各類傳感器包括最新的航空和航天傳感器模型?；赗PC的成像模型并不要求了解傳感器的實際特性和成像過程，是一種能獲得和嚴格成像模型近似一致精度的形式簡單的廣義成像模型?！猌)e",(尸,丄,//)其中(x,r)為正則化的影像坐標，(;^,w)為正則化的地面點坐標。Mw7/(尸，丄，//)、De(尸,丄，//)、A^w、CP，丄,//)、De"、CP，丄,7/)為三次多項式(尸，丄，=。2丄+a3_P+a4//+flsiP+a6i//+<77尸//+a8i2+a9P2+a18i2//++a20//3(P，丄,//)=6,+62￡+63P+647/+65ZP+66￡//+67P//+68丄2++610//2+6尸丄//+612丄3+613iP2+614i//2+6,5i2JP+616/13+617戶//2+618丄2//+619P2//+620i/3M/附、,(P，丄,H)=c,+c2i+c]尸+c4W+c5iP+c6￡//+c7P//+c8i2+c9P2+c,0//2+cllPi//+c12i3+c13i/>2+cMZJ/2+cl5￡2P+cl6P3+cl7P//2+c18i2//+c19^2//+c2()//3Z)e",(尸,丄,^丄+c^P+d4//+^丄P+d6i//+t/7P//+c/8￡2+c/9P2其中，三次多項式的系數(shù)"p…,"2。，、…A。，A,…,^是RPC文件中提供的模型參數(shù)，6,和《通常為1，/^分別為影像列數(shù)值和行數(shù)值。所謂正則化，是一項處理無限大、發(fā)散以及一些不合理表示式的方法，其方法透過引入一項輔助性的概念——正則化因子。在RPC模型中運用這種方法對地面點和影像點的坐標進行處理。正則化地面點坐標定義公式為1丄owg!fatfe-丄6WG—OFF"-服/g/zr_off其中，正貝M七因子丄v4r—OFF、丄^r—SC4丄五、丄CWG—OFF、丄(97VG—SC4丄五、—OFF、/ffi/G//71—SC4M是RPC文件中包含的地面點坐標正則化模型參數(shù)。Latitude表示經(jīng)度、Longitude表示緯度、Height表示高程，此三項即可代表地面點的空間坐標。注某點沿鉛垂線方向到大地水準面的距離，通常稱為絕對高程或海拔，本
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簡稱高程。正則化影像坐標定義公式為〗，丄!力e-￡認—OFF_〖皿—SC4LE其中，正則化因子&4M尸—(9FF、S4M尸-510^^、Z/iV￡_OF_F、W五—SC4i^也是RPC文件中包含的影像坐標正則化模型參數(shù)，sample代表影像列坐標，其數(shù)值即為"line代表影像行坐標，其數(shù)值即為/。在基于RPC模型的幾何應(yīng)用中首先需要基于RPC模型的正反變換。RPC正變換是指根據(jù)RPC模型的關(guān)系式，從地面控制點坐標到遙感影像平面坐標的變換過程。RPC反變換則是根據(jù)RPC模型的關(guān)系式，從原始遙感影像和影像中每個像素對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)到一定地圖投影的變換過程。但是在現(xiàn)有技術(shù)中，基于RPC模型的正變換都是利用最小二乘平差理論實現(xiàn)正變換，首先假定在地面的初始位置，然后迭代求解，由于假定的初始位置不一定準確，并且收斂的控制條件不一定是是最優(yōu)的，有可能導(dǎo)致收斂位置的不準確。因此在RPC模型的實際應(yīng)用中急切需要應(yīng)用先進的科技手段，提高RPC模型正變換的可靠性，并提供一種新的RPC模型的正變換的方法以使基于RPC模型的幾何處理獲得更高的精度和可靠性
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種全新的基于RPC模型反變換的正變換方法，解決了目前RPC模型正變換迭代不一定收斂的RPC模型應(yīng)用中的瓶頸問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是將RPC模型反變換結(jié)果引入RPC模型正變換過程進行迭代變換，其過程包括以下步驟，步驟1，設(shè)置高程數(shù)值&'和RPC模型參數(shù)，設(shè)定中心點經(jīng)緯度坐標為(",。,—。,,，",。_/,)、邊長為^"-"和。'。"-"的地面矩形區(qū)域，其中4個角點的經(jīng)緯度坐標為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>步驟2，利用RPC反變換模型計算地面矩形區(qū)域4個角點和中心點對應(yīng)的影像像點坐標；步驟3，利用上述5個點的經(jīng)緯度坐標和影像像點坐標，根據(jù)仿射變換關(guān)系式^'=/°+^+/2>;，利用最小二乘原理計算影像的近似仿射變換參數(shù)。to:g0+g^+g2y/。,7;,/2,^。，&,&，x、y分別表示正則化的影像像點坐標的列數(shù)值和行數(shù)值，A,、分別表示正則化的地面點坐標的緯度數(shù)值和經(jīng)度數(shù)值；步驟4，根據(jù)影像的近似仿射變換參數(shù)/。,yi,/i,g。，g,，&求解量測給定的量測像點坐標(x。,凡)對應(yīng)的近似經(jīng)緯度坐標(Dto。,D,。");步驟5，根據(jù)RPC模型的反變換模型計算地面點坐標(",d。，&,)對應(yīng)的理論像點坐標(A，^);步驟6，計算殘差e，計算公式為^(k-xA|)2+(k-力l)2，如果殘差e滿足設(shè)定的差值范圍，直接輸出(DK,，A。)作為量測像點坐標(&,凡)對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(A。,b,A^)，否則以為中心點經(jīng)緯度坐標縮小地面矩形區(qū)域范圍，然后返回步驟2迭代運行，直到殘差e滿足設(shè)定的差值范圍。而且，步驟6.1，根據(jù)公式PS^xD,。,,^/平,((x,-x2)*(x,-x2)+(乂i2)n乂-少2》計算(。,。,。,/),。,,，/^)位置附近的影像的像素大小^，其中像點坐標"，")為地面點(A。,。,Z)^,A^)所對應(yīng)的像點坐標，像點坐標""力)為地面點(U^A。,一^,A。^A。,)所對應(yīng)的像點坐標，^為縮小取值系數(shù)；步驟6.2，根據(jù)像素大小PS調(diào)整地面矩形區(qū)域范圍，地面矩形區(qū)域4個角點的經(jīng)緯度坐標為(A。(a+e,x尸S,A。a+e,x尸S)，(Dto,a—e,x尸S,D,氣+e,x尸S),+e,.x尸S，-e,x戶S)，(DK-e,x尸S，Dtoa_。x尸S)，其中e,H^-xJ，表示列方向的殘差，e/=k-A|，表示行方向的殘差。而且，縮小取值系數(shù)^的取值為0.0010.05。本發(fā)明提出了一種全新的基于RPC模型反變換的正變換方法，將反變換結(jié)果引入進行迭代，克服了現(xiàn)有技術(shù)收斂難度，提高RPC模型正變換的可靠性，使基于RPC模型的幾何處理獲得更高的精度和可靠性。并且本發(fā)明的實現(xiàn)可在提供的現(xiàn)有模型參數(shù)下完成，實現(xiàn)方便。本發(fā)明提供的方案將可在衛(wèi)星遙感影像處理的各方面工作中均到重要作用，例如影像的幾何糾正、影像匹配和核線排列等方面。圖1是本發(fā)明流程圖。具體實施方式本發(fā)明將RPC模型反變換結(jié)果引入RPC模型正變換過程進行迭代變換，具體實施時可采用計算機程序完成，流程可參見附圖。本發(fā)明的RPC模型正變化過程包括以下步驟，步驟1，設(shè)置高程數(shù)值^'和RPC模型參數(shù)，設(shè)定中心點經(jīng)緯度坐標為d—。/,，化"—。/,)、邊長為""和的地面矩形區(qū)域，其中4個角點的經(jīng)緯度坐標為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>,c。fe/2.0)經(jīng)緯度坐標的含義在大地坐標系中，某點大地經(jīng)度，就是通過該點的子午面與起始子午面所構(gòu)成的二面角。由起始子午面起算，向東為正，叫東經(jīng)，向西為負，叫西經(jīng)。這點的法線與赤道面的夾角，叫做大地緯度，由赤道面起算，向北為正，叫北緯，向南為負，叫南緯。由大地經(jīng)度和大地緯度所表示的地面點坐標就成為經(jīng)緯度坐標。經(jīng)緯度坐標加上高程即可標注地面點的坐標。為了滿足下列步驟的計算條件，本發(fā)明先設(shè)置高程數(shù)值^。'，RPC模型參數(shù)則由影像供應(yīng)商提供，具體實施時輸入即可。設(shè)定的地面矩形區(qū)域，需要迭代時會進行調(diào)整。步驟2，利用RPC反變換模型計算地面矩形區(qū)域4個角點和中心點對應(yīng)的影像像點坐標。步驟3，利用上述5個點的經(jīng)緯度坐標和影像像點坐標，根據(jù)仿射變換關(guān)系式"'。'=/°+/>+/2>;，利用最小二乘原理計算影像的近似仿射變換參數(shù)/。，/;，《，&，&，&，x、y分別表示正則化的影像像點坐標的列數(shù)值和行數(shù)值，分別表示正則化的地面點坐標的緯度數(shù)值和經(jīng)度數(shù)值；仿射變換是平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等運算的組合，仿射變換關(guān)系式的系數(shù)即為仿射變換參數(shù)。步驟4，根據(jù)影像的近似仿射變換參數(shù)/。,y;,/i,g。,gj，&求解量測給定的量測像點坐標(&,凡)對應(yīng)的近似經(jīng)緯度坐標(d,。,",d—);所謂量測像點坐標(x。,凡)，是具體實施時根據(jù)衛(wèi)星圖像量測某像點得到的，其對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標("K，A。b)為待求解值，此步驟得到的結(jié)果為近似值，還需視能否滿足精度要求決定直接輸出該值為待求解值或迭代修正。步驟5，根據(jù)RPC模型的反變換模型計算地面點坐標(A。,Aa)對應(yīng)的理論像點坐標(x,，^);計算理論像點坐標0c。,凡)，是用于將反變換結(jié)果引入正變換過程以便修正。RPC模型的反變換模型即公式一，點7/)在步驟4中獲得的近似經(jīng)緯度坐標(Z^，Z),。。)結(jié)合高程數(shù)值1^，即可分別作為P、L、H帶入上式求解X、Y值，獲得對應(yīng)的理論像點坐標(^力)。步驟6，計算殘差e,計算公式為^(lxa-xj)2+(k-力l)2，如果殘差e滿足設(shè)定的差值范圍，直接輸出(dk，d,。。)作為量測像點坐標(x。,jO對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(dK,Ab)，否則以(A。,，A。)為中心點經(jīng)緯度坐標縮小地面矩形區(qū)域范圍，然后返回步驟2迭代運行，直到殘差e滿足設(shè)定的差值范圍。因為高程數(shù)值A(chǔ)"可給定，本發(fā)明通過迭代運算后獲得給定高程數(shù)值對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(A。,，A。h)，那么量測像點坐標(x。,A)對應(yīng)的地面點坐標即本發(fā)明實施時，可根據(jù)精度需要設(shè)定差值范圍，例如設(shè)定為殘差e小于0.01像素，殘差是指變量的真值與觀測值之差。e、；k-;c」，表示列方向的殘差，e,=k-a|，表示行方向的殘差，e=(|x。-x6|)2+(|;;a-a|)2，表示距離上的殘差。為了提高每次迭代運算結(jié)果精度，保證收斂過程，本發(fā)明還提供了迭代時調(diào)整地面矩形區(qū)域的具體方法步驟6.1，根據(jù)公式PS^xZV,#/平""-&)*(^-^)+""2)*"-少2))計算(Ad,，A,)位置附近的影像的像素大小^，其中像點坐標"，力)為地面點(zv,，z^。，A,)所對應(yīng)的像點坐標，并且數(shù)值為"A);像點坐標"，h)為地面點(i^,+"^。,，。,。,化。,^)所對應(yīng)的像點坐標，^為縮小取值系數(shù)，sqrt表示開平方；縮小取值系數(shù)^的取值范圍可根據(jù)具體情況選取，例如0.0010.05，本發(fā)明實施例選用0.01，則PS=0.01xD;。,，fe/—(x,-x2)*(x-x2)+(^—k)承O;,-y2))具體實施時，對影像的像素大小^的計算并不限于此種方式，例如調(diào)整緯度數(shù)值，計算(A。,。+0.01><^。,,,^(/^)對應(yīng)的像點坐標；如果改為調(diào)整經(jīng)度，相應(yīng)可改成計算(",^",。。+0.0"^。,^,/^)對應(yīng)的像點坐標；或者經(jīng)度緯度同時調(diào)整也可。相應(yīng)的，公式中分子也需要相應(yīng)的改變。步驟6.2，根據(jù)像素大小PS調(diào)整地面矩形區(qū)域范圍，地面矩形區(qū)域中心點和4個角點的經(jīng)緯度坐標為(U^xi^Z^+^xPS)，(&—e,xM，+e,x尸S)，權(quán)利要求1.一種RPC模型正變換方法，其特征在于將RPC模型反變換結(jié)果引入RPC模型正變換過程進行迭代變換，其過程包括以下步驟，步驟1，設(shè)置高程數(shù)值Dhei和RPC模型參數(shù)，設(shè)定中心點經(jīng)緯度坐標為(Dlat_off，Dlon_off)、邊長為Dlat_scale和Dlon_scale的地面矩形區(qū)域，其中4個角點的經(jīng)緯度坐標為(Dlat_off+Dlat_scale/2.0，Dlon_off+Dlon_scale/2.0)；(Dlat_off-Dlat_scale/2.0，Dlon_off+Dlon_scale/2.0)；(Dlat_off+Dlat_scale/2.0，Dlon_off-Dlon_scale/2.0)；(Dlat_off-Dlat_scale/2.0，Dlon_off-Dlon_scale/2.0)；步驟2，利用RPC反變換模型計算地面矩形區(qū)域4個角點和中心點對應(yīng)的影像像點坐標；步驟3，利用上述5個點的經(jīng)緯度坐標和影像像點坐標，根據(jù)仿射變換關(guān)系式<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><mfencedopen=''close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>D</mi><mi>lat</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mi>x</mi><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mi>x</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>D</mi><mi>lon</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>g</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mi>x</mi><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>2</mn></msub><mi>x</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="A2007100528090002C1.gif"wi="158"he="46"img-content="drawing"img-format="tif"/-->利用最小二乘原理計算影像的近似仿射變換參數(shù)f0，f1，f2，g0，g1，g2，x、y分別表示正則化的影像像點坐標的列數(shù)值和行數(shù)值，Dlat、Dlon分別表示正則化的地面點坐標的緯度數(shù)值和經(jīng)度數(shù)值；步驟4，根據(jù)影像的近似仿射變換參數(shù)f0，f1，f2，g0，g1，g2求解量測給定的量測像點坐標(xa，ya)對應(yīng)的近似經(jīng)緯度坐標(Dlata，Dlona)；步驟5，根據(jù)RPC模型的反變換模型計算地面點坐標(Dlata，Dlona，Dhei)對應(yīng)的理論像點坐標(xb，yb)；步驟6，計算殘差e，計算公式為e＝(|xa-xb|)2+(|ya-yb|)2，如果殘差e滿足設(shè)定的差值范圍，直接輸出(Dlata，Dlona)作為量測像點坐標(xa，ya)對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(Dlatb，Dlonb)，否則以(Dlata，Dlona)為中心點經(jīng)緯度坐標縮小地面矩形區(qū)域范圍，然后返回步驟2迭代運行，直到殘差e滿足設(shè)定的差值范圍。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RPC模型正變換方法，其特征在于以(",。,，D—)為中心點經(jīng)緯度坐標縮小地面矩形區(qū)域范圍的步驟是，步驟6.1，根據(jù)公式PS屻xZ^,/^t((x,-X2"(x,-X2)+"i2"Cy，-少2》計算(A。,。,A^,,A)位置附近的影像的像素大小^，其中像點坐標"")為地面點(Dto,A。，Dte,)所對應(yīng)的像點坐標，像點坐標"，^)為地面點(i^+^化,A。"。,u所對應(yīng)的像點坐標，^為縮小取值系數(shù)；步驟6.2，根據(jù)像素大小PS調(diào)整地面矩形區(qū)域范圍，地面矩形區(qū)域4個角點的經(jīng)緯度坐標為(A*+&XPS,A氣+6,X尸S)，(Dm,—e,X尸S,D,。"a+&X尸S)，(DK+e,x尸S,A。a-。x尸S)，(A。,a-^xA?！猠,x，其中e,Hx。-x^，表示列方向的殘差，e,l凡-W，表示行方向的殘差。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的RPC模型正變換方法，其特征在于縮小取值系數(shù)^的取值范圍為0.0010.05。全文摘要本發(fā)明涉及一種RPC模型正變換方法，該方法將反變換結(jié)果引入正變換過程進行迭代變換，其過程包括以下步驟設(shè)置高程、和RPC模型參數(shù)，設(shè)定地面矩形區(qū)域；計算地面矩形區(qū)域4角點和中心點的影像像素坐標；計算仿射變換系數(shù)；計算量測像點坐標對應(yīng)的近似經(jīng)緯度坐標；計算理論像點坐標；計算殘差e，如果殘差e滿足設(shè)定的差值范圍，輸出近似經(jīng)緯度坐標作為量測像點坐標對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標，否則調(diào)整地面矩形區(qū)域，然后返回迭代，直到殘差e滿足差值范圍。本發(fā)明的技術(shù)方案能夠確保在影像供應(yīng)商提供的有限條件下獲得精確的地面點位置，在遙感影像應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。文檔編號G06T17/05GK101101674SQ200710052809公開日2008年1月9日申請日期2007年7月23日優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日發(fā)明者劉佳瑩,過張,馬洪超申請人:武漢大學(xué)