一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法
【专利摘要】本发明涉及线阵推扫式卫星遥感影像处理技术，属于摄影测量与遥感【技术领域】。特别是一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法。本方法以传统框幅式中心投影影像核线理论为基础，针对线阵推扫式立体成像的特点，以投影轨迹法核线模型为基础，提出了一种简便的近似严格的核线影像生成方法。该方法运算简单，无任何辅助数据，并且可以高精度地生成线阵推扫式遥感卫星影像的立体核线影像对，有效地满足后续遥感数据处理的需求。
【专利说明】一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及线阵卫星遥感影像数据处理，属于摄影测量与遥感【技术领域】。特别是一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法。

【背景技术】
[0002]利用星载线阵推扫式传感器获取遥感影像，实现立体量测是遥感应用的一个重要方面。法国的SPOT卫星、美国的IKONOS卫星、我国的“天绘一号”和“资源三号”卫星都载有线阵推扫式传感器。这是目前对地观测十分有效的传感器，具有很好的应用前景。线阵推扫式遥感影像具有“行中心投影”的特点，各扫描行都有它自身的外方位元素，但相邻扫描行的外方位元素之间又有着紧密的联系。同框幅式中心投影影像相比，线阵推扫式影像具有独特的辐射和几何特性，因此那些传统的适用于框幅式中心投影立体成像的模型与方法已不再普遍适用。
[0003]核线是立体摄影测量中分析立体像对几何关系的一个基本概念。70年代初，美国摄影测量学者U.V.Helava等提出了一维核线相关的概念，核线的作用才在摄影测量自动化的研究中受到重视。从立体影像上提取三维信息，一个最重要的约束条件就是核线约束，我们在利用灰度图像自动寻找同名像点时，只需在同名核线上进行一维搜索即可。许多现有的匹配算法都利用这个约束条件来限制匹配的搜索空间以缩短匹配时间和提高匹配结果的可靠性。尽管核线的关系在立体图像处理中非常有用，但是对于线阵推扫式遥感影像来说，其几何关系比框幅式中心投影影像复杂得多，因此它不可能像常规的框幅式中心投影影像那样具有严格的核线定义。因此对于线阵推扫式遥感影像，研究建立核线的理论基础和核线的应用技术既有理论意义，也有实用价值。
[0004]针对上述情况，许多摄影测量工作者做了不懈努力，试图建立线阵推扫式影像的核线模型。早在上世纪80年代末，张祖勋、周月琴就针对SPOT异轨立体影像提出基于同名像点坐标多项式拟合的近似核线生成方法。Taejung Kim对基于严格模型的投影轨迹法进行了深入地分析，明确了核曲线的形状，同时得出核曲线在一定范围内似直线的特性，为后续的核线应用奠定了基础。Michel Morgan等根据高分辨率卫星影像成像视场角小的特点，提出基于平行投影模型的近似核线生成方法。胡芬利用投影轨迹法获取核线在基准面上的方向，沿着核线方向进行投影以获取近似核线。利用该方法可以直接由立体影像的定向参数建立原始影像和核线影像之间的严格坐标对应关系，利用对应关系可以生成核线影像。张过提出基于有理函数模型，利用投影轨迹法制作线阵推扫式卫星核线影像及其几何模型的重建方法。总的来说，上述方法还存在一些不足:①大部分是一种近似的方法，仅对最终的结果进行了实验评价，整个过程缺乏定量分析；②核线采样需要一些辅助数据的支撑，或者需要DEM数据，或者需要重建核线影像的几何模型，核线采样过程复杂。


【发明内容】

[0005]本发明针对线阵推扫式遥感卫星影像，在定量分析和总结基于投影轨迹法的核线模型特性的基础上，提出了一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法，步骤如下:
[0007](I)根据立体遥感影像提供的RPC参数可以得到影像范围内实地的地形起伏，包括最大的高程值hmax和最小的高程值hmin ；
[0008](2)从立体像对左影像的第I列或者行开始，这里选择列或者行的依据是根据核线的方向与影像行和影像列的夹角大小来确定，如果核线的方向与列方向夹角小，则取影像列方向，如果核线的方向与行方向夹角小，则取影像行方向，选择列或者行方向的中心像点(q)，利用投影轨迹法将中心像点(q)和左像投影中心(S)确定的光线投影到右像上，投影这条光线上高程为最大高程hmax和最小高程hmin的两个物方点(QjPQ2)到右像上，确定两个像点(?’和q’ 2);
[0009](3)判断右像上两个像点(q/和q’2)是否在右像的像幅范围内，如果不在则返回(I)，继续从下一列或者行开始；如果在，则根据这两点确定一条直线(I’)，记录直线方程参数 a’ x+b’ y+c’ = O ；
[0010](4)确定右像上两个像点(?’和q’ 2)的中点(q’ 3)，利用投影轨迹法将中点(q’ 3)和右像投影中心(S’)和确定的光线投影到左像上，投影这条光线上高程为hmax和hmin的两个物方点(QjPQ4)到左像，确定两个像点(qjPq4);
[0011](5)判断两个像点(q3和q4)是否在左像的像幅范围内，如果不在则返回步骤
(I)，继续从下一列或者行开始；如果在，则根据这两点确定一条直线(I)，记录直线方程参数 ax+by+c = O ；
[0012](6)确定两条同名核线的直线方程后，利用左右像上的直线(I和1’)，分别在左像和右像内沿直线进行重采样，即可获得左像和右像核线影像上的第一行或者列；
[0013](7)返回步骤(I)重复进行，直到确定核线影像上的最后一行或者列；
[0014](8)对左像和右像，记录各自若干直线方程的参数，形成一个参数文件，利用这个参数文件可以实现核线影像坐标到原始影像坐标的转化。
[0015]实验表明该方法运算简单，无任何辅助数据，并且可以高精度地生成线阵推扫式遥感卫星影像的立体核线影像对，有效地满足后续遥感数据处理的需求。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1是投影轨迹法核线模型。其中Q为地面点，S(Xs，Ys，Zs)和S’(X’s，Ys’，z’s)分别为左像和右像的投影中心，一条光线由地面点Q出发，经过左像投影中心S (Xs，Ys, Zs)，在左像上成像点q，这条光线上的任意一点Q’ (X, Y, Z)均可唯一投影到右影像上，这些点的投影轨迹将在右像上形成一条曲线，这条曲线我们称之为q的核线。q,为q的同名点，显然位于这条曲线上。
[0017]图2是核线采样示意图。I为左像上某一列(行)，q为I上一像点，S和S’分别为左像和右像的投影中心，hmax、hmin分别为影像范围内的最大高程和最小高程值，Q1, Q2分别为像点q和投影中心S连线与最大高程、最小高程的交点，q/，q’ 2为Q1, Q2在右像上的两个像点，q’ 3为q/，q’ 2的中点，Q3, Q4分别为像点q3’和投影中心连线与最大高程、最小高程的交点，q3，Q4为Q3, Q4在左像上的两个像点。

【具体实施方式】
[0018]1、基于投影轨迹法核线模型基本原理
[0019]如图1所示，一条光线从地面点Q出发，经过左像的投影中心S (Xs，Ys, Zs)成像于左像上的q点，如果把这条光线上的每一个点都投影到右像上，那么这些点的投影轨迹将在右像上形成一条曲线，这条曲线我们称之为q的核线。如果q'为q的同名点，显然它总是位于这条曲线上。这就是基于投影轨迹法的核线模型。
[0020]2、基于投影轨迹法的核线影像生成方法
[0021](I)基本思想
[0022]从基于投影轨迹法的核线模型定量分析的结论知，基于投影轨迹法的核线模型与传统的核线模型特性类似，具有良好的近似直线特性和共轭特性:对于不同类型的遥感影像，在像幅范围内，直线的近似特性是可以满足子像素的处理要求，因此在像幅范围内，可以把该核曲线的模型看作直线来进行处理；对于不同类型的遥感影像，在像幅范围内，在核线近似直线特性的支持下，核线的共轭特性也是可以满足子像素的处理要求，因此在像幅范围内，利用该核曲线可以实现影像匹配的过程由二维向一维简化。利用这两条结论，借鉴传统框幅式遥感影像直接在倾斜相片上采集核线影像的方法逐行(列)进行核线采集，获得完整的核线影像。
[0023]根据上述核线模型，如图2所示，已知左像上的一个像点q，首先根据投影轨迹法将该某一行上的中心像点和左像投影中心确定的光线投影到右像上，形成一条曲线I’ ；其次拟合一条直线用于近似描述该曲线，这条直线就是右像上的核线，按照直线I’的方程分别在右原始影像上采样，就形成右像对应核线影像的一行；然后选择这条直线段的中点像点q’ 3，同样根据投影轨迹法将该像点和右像投影中心投影到左像上，形成一条曲线，拟合该曲线确定左像上的一条直线，这条直线就是与I’对应的核线1，按照直线I的方程分别在左原始影像上采样，就形成左像核线影像的一行；最后记录I和I’的直线方程参数，利用该参数即可将核线影像坐标转化为原始影像的坐标；如果遍历所有的影像行，即可获取完整的核线影像。
[0024](2)方法步骤
[0025]①根据立体遥感影像提供的RPC参数可以得到影像范围内实地的地形起伏，包括最大的闻程值hmax和最小的闻程值hmin ；
[0026]②从立体像对左影像的第I列(行)开始(这里选择列或者行的依据是根据核线的方向与影像行和影像列的夹角大小来确定，如果核线的方向与列方向夹角小，则取影像列方向，如果核线的方向与行方向夹角小，则取影像行方向)，选择列(行)方向的中心像点q，利用投影轨迹法将q和左像投影中心S确定的光线投影到右像上，考虑运算量，只需投影这条光线上高程为hmax和hmin的两个物方点Q1和Q2到右像上，确定两个像点q/和q’ 2 ;
[0027]③判断q/和q’ 2是否在右像的像幅范围内。如果不在则返回第一步，继续从下一列(行)开始；如果在，则根据这两点确定一条直线I’，记录直线方程参数a’ x+b’ y+c’ =O ；
[0028]④确定右像上q/和q’2的中点q’3，利用投影轨迹法将9’3和右像投影中心S’和确定的光线投影到左像上，考虑运算量，只需投影这条光线上高程为hmax和hmin的两个物方点Q3和Q4到左像，确定两个像点q3和q4 ;
[0029]⑤判断q3和q4是否在左像的像幅范围内。如果不在则返回(I)，继续从下一列(行)开始；如果在，则根据这两点确定一条直线1，记录直线方程参数ax+by+c = O ；
[0030]⑥确定两条同名核线的直线方程后，利用左右像上的直线方程I和I’，分别在左右像内沿直线进行重采样，即可获得左像和右像核线影像的第一行；
[0031]⑦返回第一步重复进行，直到确定核线影像上的最后一行；
[0032]⑧对左像和右像，记录各自若干直线方程的参数，形成一个参数文件。利用这个参数文件可以实现核线影像坐标到原始影像坐标的转化。
[0033]核线影像坐标与原始影像的坐标对应关系如公式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标值，分别为列数和行数；X’和y’表示核线影像的像素坐标值，分别为列数和行数；epiwidth表示核线影像的宽度；height表示原始影像的高度；n表示核线方程的个数，i表示直线的编号，ai； bi； Ci表示直线方程的参数。
【权利要求】
1.一种基于投影轨迹法的线阵卫星遥感影像核线影像生成方法，其特征在于:步骤如下: (1)根据立体遥感影像提供的RPC参数可以得到影像范围内实地的地形起伏，包括最大的高程值hmax和最小的高程值hmin ； (2)从立体像对左影像的第I列或者行开始，这里选择列或者行的依据是根据核线的方向与影像行和影像列的夹角大小来确定，如果核线的方向与列方向夹角小，则取影像列方向，如果核线的方向与行方向夹角小，则取影像行方向，选择列或者行方向的中心像点(q)，利用投影轨迹法将中心像点(q)和左像投影中心(S)确定的光线投影到右像上，投影这条光线上高程为最大高程hmax和最小高程hmin的两个物方点(QjPQ2)到右像上，确定两个像点(Q1，和q’ 2)； (3)判断右像上两个像点(q/和q’2)是否在右像的像幅范围内，如果不在则返回(1)，继续从下一列或者行开始；如果在，则根据这两点确定一条直线(I’)，记录直线方程参数a，x+b，y+c，= O ； (4)确定右像上两个像点(q/和q’2)的中点(q’3)，利用投影轨迹法将中点(q’3)和右像投影中心(S’)确定的光线投影到左像上，只需投影这条光线上高程为hmax和hmin的两个物方点(QjPQ4)到左像，确定两个像点(qjPq4); (5)判断两个像点(％和％)是否在左像的像幅范围内，如果不在则返回步骤(1)，继续从下一列或者行开始；如果在，则根据这两点确定一条直线(I)，记录直线方程参数ax+by+c = O ； (6)确定两条同名核线的直线方程后，利用左右像上的直线(I和I’)，分别在左像和右像内沿直线进行重采样，即可获得左像和右像核线影像上的第一行或者列； (7)返回步骤(I)重复进行，直到确定核线影像上的最后一行或者列； (8)对左像和右像，记录各自若干直线方程的参数，形成一个参数文件，利用这个参数文件可以实现核线影像坐标到原始影像坐标的转化。
【文档编号】G01C11/00GK104197898SQ201410468303
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】巩丹超, 李纲, 韩轶龙, 张丽, 靳笑琳, 周瑜, 黄艳, 胡玲 申请人:中国人民解放军总参谋部测绘研究所