基於投影基準面的衛星立體影像像對近似核線生成方法
2023-12-08 07:51:26
專利名稱：基於投影基準面的衛星立體影像像對近似核線生成方法
技術領域：
本發明涉及一種基於物方投影基準面的衛星立體影像近似核線生成方法。該方法將投影基準面是定義為物方坐標系下的平均高程面，並基於衛星飛行軌道的相對平穩性以及「核曲線」在影像範圍內的近似直線性和局部共軛性，確定衛星影像「核曲線」在投影基準面上投影點軌跡的一條近似直線方向，然後將衛星立體影像投影到一對與該方向平行的影像上，從而得到相互平行的近似核線。該方法的特點在於，能夠基於物方投影基準面直接由原始影像定向參數建立核線影像與原始影像的嚴格像點坐標映射關係，從而為衛星影像近似核線重排提供了一種類似於影像數字糾正的實現途徑。實踐表明，該方法能夠生成子像素級上下視差的近乎嚴格的核線影像；由於原始影像與核線影像之間的嚴格坐標對應關係直接由立體影像的定向參數建立，因而具有操作簡單、實用性強的特點；此外，基於投影基準面進行近似核線排列，有利於生成解析度一致、相對於物方水平的核線立體模型，從而更好地滿足人眼立體視覺習慣。目前，該方法已被成功應用於衛星影像的立體測圖和DEM自動生成軟體模塊中，實踐證明了該方法的正確性、可行性和通用性。
圖1為衛星立體影像基於物方投影基準面的核線模型示意圖； 圖2為確定投影基準面上近似核線排列方向的示意圖。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述。概括起來，本方法的實施可以分為四個步驟 第一步定義物方坐標系和投影基準面。
如附圖1所示，以衛星立體影像像對在參考橢球上地面覆蓋區域內的任一點為原點，建立局部直角坐標系o_XYZ。投影基準面PRP(Projection Reference Plane)是定義在局部直角坐標系下的平均高程面，高程為H； 令p1和p2分別為物點P在左右原始影像上的像點，令曲線Ep1和Ep2分別為像點p1和p2基於投影軌跡法定義的核線。根據成像時飛行軌道的相對平穩性以及「核曲線」在影像範圍內的近似直線性和局部共軛性，Ep1和Ep2在PRP上的投影點軌跡也將具有近似直線性，這裡用ED表示該近似直線。儘管不存在嚴格的核面定義，但實際上我們取過直線ED和物點P的平面EP作為物點P的近似核面，從某種程度上講是可行的。對於衛星立體影像，可以將所有同名核線在PRP上的投影點軌跡用平行於ED的直線集合近似表示。
第二步確定衛星影像核曲線在投影基準面上投影點軌跡的近似直線方向。
對於左右原始影像，令f1L為左影像傳感器成像幾何模型坐標正解函數，f1R為右影像傳感器成像幾何模型坐標正解函數，f2L為左影像傳感器成像幾何模型坐標反解函數，f2R為右影像傳感器成像幾何模型坐標反解函數。基於下列運算，確定衛星立體影像像對核曲線在投影基準面上投影點軌跡的近似直線方向 1、如附圖2中所示，在左原始影像的中心取一像點A，在其攝影光線上取兩點P1和P2，對應的高程分別為H+h和H-h，這裡，h可以取任意小於最大高程值的正數，基於式(1)(2)計算P1和P2的坐標； (XP1，YP1)＝f1L(lA，sA，H+h)(1) (XP2，YP2)＝f1L(lA，sA，H-h)(2) 上面函數式中 (lA，sA)為像點A的像素坐標； (Xp1，Yp1，H+h)為P1在局部直角坐標系下的坐標； (Xp2，Yp2，H-h)為P2在局部直角坐標系下的坐標； 2、基於式(3)(4)計算P1、P2在右原始影像上對應的投影點B、C的像素坐標； (lB，sB)＝f2R(XP1，YP1，H+h)(3) (lC，sC)＝f2R(XP2，YP2，H-h)(4) 上面函數式中 (lB，sB)為投影點B的像素坐標； (lC，sC)為投影點C的像素坐標； (Xp1，Yp1，H+h)為P1在局部直角坐標系下的坐標； (Xp2，Yp2，H-h)為P2在局部直角坐標系下的坐標； 3、基於式(5)(6)計算像點B、C在投影基準面上的投影點P3、P4的坐標 (XP3，YP3)＝f1R(lB，sB，H)(5) (XP4，YP4)＝f1R(lC，sC，H)(6) 上面函數式中 (lB，sB)為投影點B的像素坐標； (lC，sC)為投影點C的像素坐標； (XP3，YP3，H)為P3在局部直角坐標系下的坐標； (XP4，YP4，H)為P4在局部直角坐標系下的坐標； 投影點P3、P4的連線方向即為衛星立體影像像對核曲線在投影基準面上投影點軌跡的近似直線方向，即衛星立體影像像對近似核線在投影基準面上的排列方向。
第三步建立核線影像像點與原始影像像點之間的嚴格坐標變換模型。
1、基於傳感器成像幾何模型坐標正解函數，計算左右原始影像在投影基準面上的投影覆蓋範圍； 2、確定左右核線影像在投影基準面上的覆蓋範圍AP(Area of Projection)為了使左右核線影像具有相同行數和列數，且保證同名核線對應的行號相同，令左右核線影像在投影基準面上對應相同矩形覆蓋範圍，取投影基準面上投影覆蓋區域在近似核線排列方向上的最小外廓矩形； 3、令核線影像每個像元所對應的投影基準面採樣間隔相同，且等於原始影像的地面採樣間隔GSD(Ground Sampling Distance)，進而可確定核線影像的行數和列數； 4、於是，核線影像像點與其對應的PRP投影點之間的坐標平移、旋轉和縮放變換關係可以表示如下 上面公式中 (rE，cE)為核線影像像點的像素坐標； (Xp，Yp)為(rE，cE)在投影基準面上投影點的平面坐標； G為原始影像的地面採樣間隔； R是由近似核線在投影基準面上的排列方向確定的二維坐標旋轉矩陣； (dX，dY)為坐標平移量； 5、基於傳感器成像幾何模型的正反解函數，可確定PRP投影點與左右原始影像像點之間的坐標變換關係，如式(9)(10)所示； (lL，sL)＝f2L(Xp，Yp，H)(9) (lR，sR)＝f2R(Xp，Yp，H) (XP，YP)＝f1L(lL，sL，H)(10) (XP，YP)＝f1R(lR，sR，H) 上面公式中 (Xp，Yp，H)為PRP投影點坐標； (lL，sL)為投影點對應的左原始影像像點像素坐標； (lR，sR)為投影點對應的右原始影像像點像素坐標； 因此，組合(7)和(9)便構成了左右核線影像到與左右原始影像的像點坐標變換模型；反之，(8)和(10)組合起來便構成了左右原始影像到左右核線影像的像點坐標變換模型。
第四步近似核線重排。
根據上述所建立的核線影像像點與原始影像像點之間的嚴格對應關係，採用間接法影像數字糾正(張祖勳，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢武漢大學出版社，1997.217-218)的方式進行衛星影像近似核線重排，生成左右核線影像。
權利要求
1.基於投影基準面的衛星立體影像像對近似核線生成方法，包括以下步驟
一、以衛星立體影像像對在參考橢球上地面覆蓋區域內的任一點為原點，建立局部直角坐標系；投影基準面PRP是定義在局部直角坐標系下的平均高程面，高程為H；
二、對於組成衛星立體影像像對的左右原始影像，令f1L為左影像傳感器成像幾何模型坐標正解函數，f1R為右影像傳感器成像幾何模型坐標正解函數，f2L為左影像傳感器成像幾何模型坐標反解函數，f2R為右影像傳感器成像幾何模型坐標反解函數；基於下列運算，確定衛星立體影像像對核曲線在投影基準面上投影點軌跡的近似直線方向
(1)在左原始影像的中心取一像點A，在其攝影光線上取兩點P1和P2，對應的高程分別為H+h和H-h，這裡，h可以取任意小於最大高程值的正數，基於式(1)(2)計算P1和P2的坐標；
(XP1，YP1)＝f1L(lA，sA，H+h) (1)
(XP2，YP2)＝f1L(lA，sA，H-h) (2)
上面函數式中
(lA，sA)為像點A的像素坐標；
(Xp1，Yp1，H+h)為P1在局部直角坐標系下的坐標；
(Xp2，Yp2，H-h)為P2在局部直角坐標系下的坐標；
(2)基於式(3)(4)計算P1、P2在右原始影像上對應的投影點B、C的像素坐標；
(lB，sB)＝f2R(XP1，YP1，H+h) (3)
(lC，sC)＝f2R(XP2，YP2，H-h) (4)
上面函數式中
(lB，sB)為投影點B的像素坐標；
(lC，sC)為投影點C的像素坐標；
(Xp1，Yp1，H+h)為P1在局部直角坐標系下的坐標；
(Xp2，Yp2，H-h)為P2在局部直角坐標系下的坐標；
(3)基於式(5)(6)計算像點B、C在投影基準面上的投影點P3、P4的坐標
(XP3，YP3)＝f1R(lB，sB，H) (5)
(XP4，YP4)＝f1R(lC，sC，H) (6)
上面函數式中
(lB，sB)為投影點B的像素坐標；
(lC，sC)為投影點C的像素坐標；
(XP3，YP3，H)為P3在局部直角坐標系下的坐標；
(XP4，YP4，H)為P4在局部直角坐標系下的坐標；
投影點P3、P4的連線方向即為衛星立體影像像對核曲線在投影基準面上投影點軌跡的近似直線方向，即衛星立體影像像對近似核線在投影基準面上的排列方向；三、建立左右核線影像與左右原始影像之間的像點嚴格坐標變換關係
(1)基於傳感器成像幾何模型坐標正解函數，計算左右原始影像在投影基準面上的投影覆蓋範圍；
(2)確定左右核線影像在投影基準面上的覆蓋範圍為了使左右核線影像具有相同行數和列數，且保證同名核線對應的行號相同，令左右核線影像在投影基準面上對應相同矩形覆蓋範圍，取投影基準面上投影覆蓋區域在近似核線排列方向上的最小外廓矩形；
(3)令左右核線影像每個像元所對應的投影基準面採樣間隔相同，且等於左右原始影像的地面採樣間隔，進而可確定左右核線影像的行數和列數；
(4)於是，左右核線影像像點與其對應的PRP投影點之間的坐標平移、旋轉和縮放變換關係表示如下
上面公式中
(rE，cE)為左右核線影像像點的像素坐標；
(Xp，Yp)為(rE，cE)在投影基準面上投影點的平面坐標；
G為左右原始影像的地面採樣間隔；
R是由衛星立體影像像對近似核線在投影基準面上的排列方向確定的二維坐標旋轉矩陣；
(dX，dY)為坐標平移量；
(5)基於傳感器成像幾何模型的正反解函數，可確定PRP投影點與左右原始影像像
點之間的坐標變換關係，如式(9)(10)所示；
(lL，sL)＝f2L(Xp，Yp，H)
(9)
(lR，sR)＝f2R(Xp，Yp，H)
(XP，YP)＝f1L(lL，sL，H)
(10)
(XP，YP)＝f1R(lR，sR，H)
上面公式中
(Xp，Yp，H)為PRP投影點坐標；
(lL，sL)為投影點對應的左原始影像像點像素坐標；
(lR，sR)為投影點對應的右原始影像像點像素坐標；
因此，組合(7)和(9)便構成了左右核線影像到左右原始影像的像點坐標變換模型；反之，(8)和(10)組合起來便構成了左右原始影像到左右核線影像的像點坐標變換模型。四、根據上述所建立的左右核線影像像點與左右原始影像像點之間的嚴格對應關係，
採用間接法影像數字糾正的方式進行衛星立體影像像對近似核線重排，生成左右
核線影像。
全文摘要
基於投影基準面的衛星立體影像像對近似核線生成方法，包括以下步驟一、建立局部直角坐標系；二、確定衛星立體影像像對核曲線在投影基準面上投影點軌跡的近似直線方向三、建立左右核線影像與左右原始影像之間的像點嚴格坐標變換關係四、採用間接法影像數字糾正的方式進行衛星立體影像像對近似核線重排，生成左右核線影像。該方法能為衛星影像近似核線重排提供了一種類似於影像數字糾正的實現途徑。實踐表明該方法能夠生成子像素級上下視差的近乎嚴格的核線影像；具有操作簡單、實用性強的特點；此外，基於投影基準面進行近似核線排列，有利於生成解析度一致、相對於物方水平的核線立體模型，從而更好地滿足人眼立體視覺習慣。
文檔編號G01C11/00GK101424530SQ20081023671
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者密 王, 芬 胡, 李德仁, 金淑英 申請人:武漢大學