CN108592884B - 一种通用线阵卫星核线影像生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用线阵卫星核线影像生成方法，该方法包括以下步骤：选取立体像对中左影像为参考影像，在参考影像空间内通过影像分块逐区域纠正的方式使得核线严格平行于影像行，并利用仿射变换模型描述分块纠正前后之间映射关系，从而建立起核线影像与原始影像的坐标转换关系。然后，采用基于物方投影像的思想，将纠正后的左核线影像与右原始影像一并投影到物方某一基准面，从而在基准面上重采样生成与左核线影像相同大小、分辨率一致的右核线影像。本发明方法能够很好的顾及影像每个区域的核线方向变化，有效的将全图核线上下视差控制在接近于零，尤其对于核线关系不稳定的立体像对具有较好的鲁棒性。

Description

一种通用线阵卫星核线影像生成方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术，尤其涉及一种通用线阵卫星核线影像生成方法。

背景技术

随着卫星遥感技术的发展，线阵CCD推扫式成像技术已经成为当前高分辨率遥感卫星成像的重要技术，利用线阵CCD推扫式传感器获取同轨和异轨的立体像对已成为实现立体观测的重要手段。从线阵卫星立体像对中生产DSM是测绘遥感应用的一个重要方面，而核线影像生成又是密集匹配之前的一个重要环节，正确的核线约束能够将二维匹配问题转化为一维匹配问题，这可以大大提高匹配的效率和可靠度，因此从立体像对中生成核线影像是一项非常必要且具有实际意义和应用价值的任务。

由于线阵卫星传感器遵循“多中心”投影方式，导致其核线几何完全不同于框幅式中心投影传感器，相应的核线重采样方法也无法适用于线阵卫星立体像对。大量研究表明线阵卫星核线是类似双曲线的曲线，在小范围内可近似看作直线。当前主流的核线重纠正方法可以分为两类：基于物方和基于像方的方法。基于物方的思想是，首先对卫星投影方式进行简化(如平行投影方法)，或者是对核线几何的特性进行简化和假设(如假设核线在投影基准面上互相平行)，然后将影像投影到物方一个基准面上去，从而在基准面上采样以实现上下视差的消除。基于像方的方法则抛弃物方投影的思路，仅仅通过在影像空间内进行非线性几何变换，甚至是小面元变换来消除上下视差。

上述两类方法各有优缺点，基于物方投影基准面方法简单方便，比较容易获得分辨率一致的左右核线影像。但由于采用的是全局仿射模型，很难保证任意区域的上下视差都被控制在一个像素以内。相对来说，基于像方方法由于采用的是非线性模型，能够获得较高的核线精度，从而能够保证更低的上下视差，同时保留直线形式的核线。像方纠正的另一个优势是能够保证左右视差与高程的线性比例关系，这一点对前方交会时的高程估计是十分有利的。值得注意的是，近年来随着越来越多不同卫星传感器的发射升空，不同传感器构成立体观测变得越来越普遍，因此发明一种适用于任何立体像对的通用核线影像生成方法成为一种发展趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种通用线阵卫星核线影像生成方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通用线阵卫星核线影像生成方法,包括以下步骤：

步骤1)数据准备：获取构成立体像对的左右影像数据以及RPC文件，并对RPC文件进行预处理；所述预处理包括同名点匹配和区域网平差处理，得到具有高精度定向参数的RPC文件；

步骤2)计算核线主方向：选取左影像为参考影像，对于左像上一点p，利用投影轨迹法计算参考影像中心位置像点p的核线方向θ_main；具体步骤为，将左影像中心位置像点p通过左影像RPC反算投影到物方最大、最小高程面上得到P₁和P₂两个地面点，接着将这两个物方三维点利用右影像RPC正算到右影像上去，得到两个右片像点q₁和q₂；然后将右片两个像点分别重复前述过程投影到左影像上去，得到q₁和q₂在左像上的投影轨迹点p₁和p₂,将包括影像中心点p在内的三个像点p、p₁和p₂，拟合三个像点所在直线，直线方向即为左影像中心位置核线方向，也称为核线主方向θ_main；

步骤3)旋转核线主方向：以步骤2影像中心位置像点p为旋转中心，对参考影像旋转一个核线主方向θ_main对应的角度，使其核线主方向平行于水平方向；

步骤4)核线分块纠正，获得水平核线；

步骤5)建立坐标转换关系：经过步骤4)处理后得到许多一一对应的格网，每个格网四个控制点都有对应的原始影像与核线影像坐标值，利用四对坐标值，通过最小二乘拟合得到格网之间仿射变换系数，即可建立核线影像与原始之间的坐标转换关系，公式如下；

式中，(X,Y)为原始影像坐标，(x′,y′)为核线影像坐标，A_grid和T_grid分别是格网的仿射矩阵和平移矩阵；

步骤6)左核线影像生成：对于左核线影像任意待采样像素，依据步骤5)中的坐标转换关系计算得到原始坐标，采用双线性内插算法实现左核线影像的重采样；

步骤7)右核线影像生成：令右核线影像与左核线影像大小相同，对于任意待采样像素，执行步骤5)中的坐标转换公式计算得到做原始影像坐标，接着利用左RPC将该像点投影到物方某一基准面，然后利用右RPC正算到右影像上去，得到右影像像点即为待采样灰度值；

步骤8)核线影像坐标转换：完成左右核线影像到左右原始影像的坐标转换。

按上述方案，所述步骤4)核线分块纠正，获得水平核线：包括影像分块处理和分块纠正两个步骤，影像分块是对旋转后的待纠正影像进行分块规则化处理，分块处理是逐块的纠正，以保证每个区域核线方向严格平行于水平方向，具体步骤如下：

步骤4.1)以中心位置p为原点建立核线空间坐标系o-xy，x轴水平，y轴垂直；然后在核线空间坐标系内划分规则格网，格网大小根据像幅大小确定；

步骤4.2)将所有格网角点作为核线控制点，接着按下列公式对核线控制点进行调整：

式中，(x_i,j,y_i,j)为控制点调整前坐标，(x′_i,j,y′_i,j)为调整后坐标，(i,j)为控制点行列索引号，θ_i,j为依据步骤2)方法计算的该控制点核线方向；每一行从左到右依次执行上述坐标改正过程，即可得到所有调整后的控制点。

按上述方案，所述步骤8)中，左核线影像坐标转换如步骤5)，右核线影像坐标转换需要执行步骤5、左RPC反算和右RPC正算。

本发明产生的有益效果是：本发明集两种典型方法优势于一身，通过影像分块逐区域纠正降低核线纠正误差，利用物方投影基准面重采样生成分辨率一致核线影像对，消除上下视差；本发明生成的核线不仅能够获得于零级别上下视差的核线产品，而且能够很好的保证左右视差与高程的线性比例关系，有利于前方交会时做深度估计；本方面方法在局部逐区域的纠正，很好的顾及了核线方向的变化，具有较好的鲁棒性和适用性；本发明是一种通用的核线影像生成方法，不仅适用于同源立体像对，还适用于异源立体像对。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例的核线方向计算方法示意图；

图3是本发明实施例的左影像旋转主方向示意图；

图4是本发明实施例的分块纠正示意图，图4(a)是规则格网化示意图，图4(b)、图4(c)为坐标调整示意图；

图5是本发明实施例的坐标转换示意图；

图6是本发明实施例的右核线影像重采样示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种通用线阵卫星核线影像生成方法,包括以下步骤：

步骤1：数据准备。获取构成立体的线阵卫星影像数据，包括影像tif和定向参数文件RPC。

本发明适用于同源像对，包括同轨立体和异轨立体，同时还使用于异源像对，具有较强的适用性。本方面要求输入的数据必须是经过预处理的数据，即具有高精度定位参数RPC，预处理包括同名点匹配和区域网平差处理，或空三三角测量和区域网平差处理。

步骤2：计算核线主方向。核线方向的计算采用投影轨迹法提取核线轨迹点，然后通过直线拟合的方式计算直线方向作为核线方向。如图2所示，显示了投影轨迹法提取核线轨迹点的方法。其中，像方投影到物方和物方投影到像方分别由RPC正反算公式表示，如下：

(X,Y)＝f(Lon,Lat,Hei)

(Lon,Lat,Hei)＝g(X,Y)

式中，(X,Y)表示原始像点坐标，(Lon,Lat,Hei)表示物方点坐标。其中，执行RPC反算时时需给定高程值。

对于左像上一点p，通过左像投影中心和p点的光线被投影到最大、最小高程面上得到P₁和P₂两个地面点，将这两个地面点投影到右像上得到像点q₁和q₂。重复p点的投影过程，可得到q₁和q₂在左像上的投影轨迹点p₁和p₂。当高程范围足够小时，p、p₁和p₂三个点足够接近，可近似用一条直线拟合，直线的方向就是p点的核线方向。

步骤3：旋转核线主方向。首先，根据上述步骤2计算左影像中心位置核线方向作为核线主方向，然后旋转左影像使得核线主方向平行于影像行。由于核曲线曲率的存在，此时任意一点的核线方向不会严格平行于水平方向，而是大致处于水平方向，因此需要进一步调整各个区域的位置来消除上下方向的偏离，如图3所示。

步骤4：核线分块纠正。为了获得近乎严格的水平核线，采用如下的具体做法：

步骤4.1：如图4(a)所示，在旋转操作后的左影像上，以中心点建立坐标系o-xy，并令其为核线空间坐标系。接着，在核线空间坐标系内划分规则格网，格网大小视像幅大小而定。过大的格网不利于核线的精纠正，过小的格网会使得坐标转换变得复杂。综合考虑，这里建议格网的大小设置在512-2048像素之间。

步骤4.2：所有格网角点作为核线控制点，坐标记为(x_i,j,y_i,j)，式中下标(i,j)分别为控制点行列索引号，计算每个控制点核线方向θ_i,j；调整控制点x、y坐标值。如图4(b)所示，红色和绿色实线方格表示两个相邻的格网，控制点(i,j)和(i-1,j)(黑色圆点)核线方向(蓝色实线箭头)与水平方向存在一个夹角，该夹角大小由核线方向θ_i,j和θ_i-1,j决定。为了满足任意位置核线严格平行于水平方向，以点(i,j)为例，对其坐标做如下调整，(x′_i,j,y′_i,j)为调整后坐标：

这里实际上只对y坐标做了上下调整，而固定x坐标值是为了保证生成的核线影像左右视差能够与高程保持成线性关系。每一行从左到右依次执行上述坐标改正过程，即可得到所有调整后的控制点(蓝色圆点)。如图4(b)、(c)所示，红色和绿色虚线四边形表示调整后的格网，可以看到，对应的格网相当于在垂直方向做了近似错切变换，这样做的好处不仅是将控制点方向改正到水平方向，还能将同一核曲线上的点逐段的纠正到同一水平线，达到消除上下视差的目的。

步骤5：建立坐标转换关系。经过上述方法处理后得到许多一一对应的格网(如图5所示)，每个格网四个控制点都有对应的原始影像与核线影像坐标值，因此可以通过格网之间的映射关系建立原始影像与和核线影像之间的坐标转换关系。这里利用仿射变换模型描述格网之间的映射变换：

(X,Y)是原始影像坐标，(x′,y′)为核线影像坐标，A_grid和T_grid分别是格网的仿射矩阵和平移矩阵，可由格网四个角点通过最小二乘拟合得到。

步骤6：左核线影像生成。对于左核线影像任意待采样像素，依据步骤5中的坐标转换关系计算得到原始坐标，采用双线性内插算法实现左核线影像的重采样；

步骤7：右核线影像生成。如图6所示，令右核线影像与左核线影像大小相同，对于任意待采样像素q_r，其同一位置的左核线影像像素为q_l，执行步骤5坐标转换公式求得q_l的原始左影像坐标p_l，接着根据原始左影像RPC参数将p_l投影到物方选定基准面，再投影到右影像上得到p_r，此时p_r就是q_r的采样灰度值。投影基准面的选择决定了核线上基础左右视差大小，但并不会改变左右视差与高程的关系，建议投影基准面选最小高程面或者平均高程面。

步骤8：核线影像坐标转换。为了实现核线影像的空间定向，需要执行步骤5实现左核线影像到左原始影像的严格坐标转换，执行步骤5-左RPC反算-右RPC正算实现右核线影像到右原始影像的严格坐标转换。利用同名点坐标和原始影像左右RPC模型实现空间前方交会。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种通用线阵卫星核线影像生成方法,包括以下步骤：

步骤1)数据准备：获取构成立体像对的左右影像数据以及RPC文件，并对RPC文件进行预处理；所述预处理包括同名点匹配和区域网平差处理，得到具有高精度定向参数的RPC文件；

步骤2)计算核线主方向：选取左影像为参考影像，对于左像上一点p，利用投影轨迹法计算参考影像中心位置像点p的核线方向θ_main；具体步骤为，将左影像中心位置像点p通过左影像RPC反算投影到物方最大、最小高程面上得到P₁和P₂两个地面点，接着将这两个物方三维点利用右影像RPC正算到右影像上去，得到两个右片像点q₁和q₂；然后将右片两个像点分别重复前述过程投影到左影像上去，得到q₁和q₂在左像上的投影轨迹点p₁和p₂,将包括影像中心点p在内的三个像点p、p₁和p₂，拟合三个像点所在直线，直线方向即为左影像中心位置核线方向，也称为核线主方向θ_main；

步骤3)旋转核线主方向：以步骤2影像中心位置像点p为旋转中心，对参考影像旋转一个核线主方向θ_main对应的角度，使其核线主方向平行于水平方向；

步骤4)核线分块纠正，获得水平核线；所述核线分块纠正，获得水平核线：包括影像分块处理和分块纠正两个步骤，影像分块是对旋转后的待纠正影像进行分块规则化处理，分块处理是逐块的纠正，以保证每个区域核线方向严格平行于水平方向，具体步骤如下：

步骤4.1)以中心位置p为原点建立核线空间坐标系o-xy，x轴水平，y轴垂直；然后在核线空间坐标系内划分规则格网，格网大小根据像幅大小确定；

步骤4.2)将所有格网角点作为核线控制点，接着按下列公式对核线控制点进行调整：

式中，(x_i,j,y_i,j)为控制点调整前坐标，(x′_i,j,y′_i,j)为调整后坐标，(i,j)为控制点行列索引号，θ_i,j为依据步骤2)方法计算的该控制点核线方向；每一行从左到右依次执行上述坐标改正过程，即可得到所有调整后的控制点；

步骤5)建立坐标转换关系：经过步骤4)处理后得到许多一一对应的格网，每个格网四个控制点都有对应的原始影像与核线影像坐标值，利用四对坐标值，通过最小二乘拟合得到格网之间仿射变换系数，即可建立核线影像与原始之间的坐标转换关系，公式如下；

式中，(X,Y)为原始影像坐标，(x′,y′)为核线影像坐标，A_grid和T_grid分别是格网的仿射矩阵和平移矩阵；

步骤6)左核线影像生成：对于左核线影像任意待采样像素，依据步骤5)中的坐标转换关系计算得到原始坐标，采用双线性内插算法实现左核线影像的重采样；

步骤7)右核线影像生成：令右核线影像与左核线影像大小相同，对于任意待采样像素，执行步骤5)中的坐标转换公式计算得到做原始影像坐标，接着利用左RPC将该像点投影到物方某一基准面，然后利用右RPC正算到右影像上去，得到右影像像点即为待采样灰度值；

步骤8)核线影像坐标转换：完成左右核线影像到左右原始影像的坐标转换。

2.根据权利要求1所述的通用线阵卫星核线影像生成方法，其特征在于，所述步骤8)中，左核线影像坐标转换如步骤5)，右核线影像坐标转换需要执行步骤5)、左RPC反算和右RPC正算。