CN109064510B - 一种全站仪及其恒星图像的星点质心提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全站仪及其恒星图像的星点质心提取方法,通过计算恒星相对于测站的地平坐标,即恒星的方位角和高度角,利用全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,预测恒星初始成像位置,以初始成像位置为中心,设定恒星图像处理的范围,并在该范围内计算星点质心坐标,实现对全站仪恒星图像的局部有效处理,避免对整幅图像进行处理,极大地缩短星点质心提取时间,提高提取星点质心的工作效率,为实现快速天文测量提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域,具体涉及一种全站仪及其恒星图像的星点质心提取方法。
背景技术
天文测量是空间大地测量的重要技术手段之一,其观测源为恒星、行星等不可毁灭的自然天体,可实现快速精密定位定向,能够有效满足导弹发射、卫星及航空航天器发射、惯性平台标校、远程火炮精密定向等方面的需求。天文测量的工作模式完全自主,抗干扰能力强,是一种安全可靠的定位定向手段。
基于传统电子经纬仪或全站仪的天文测量***是目前主要的天文测量设备,仍然需要通过人的肉眼观测恒星,才能实现精密定位定向,存在自动化程度不高、观测费时、作业员劳动强度较大、定位定向结果受人为因素影响显著等突出问题。
随着图像全站仪技术的日益成熟,天文测量***迎来了升级换代的契机,有望利用图像全站仪的自动拍照功能代替人的肉眼,实现对恒星的自动观测,从而彻底摆脱天文测量对人眼的依赖,实现无需人工干预的全智能新型天文测量***。图像全站仪应用于天文测量的关键技术之一就是快速、精确地从恒星图像中提取星点的质心坐标,目前,传统的提取方法需要对整幅图像的每个像素进行扫描式处理,运算效率低下、耗时很长,无法实现数据实时解算。
发明内容
本发明的目的是提供一种全站仪及其恒星图像的星点质心提取方法,旨在大幅度提高图像全站仪的星图处理速度,实现星点质心快速提取,同时保证星点质心提取精度不受损失,解决现有技术在提取质心时耗时长、效率低的问题。
为解决上述技术问题,本发明提出一种全站仪恒星图像的星点质心提取方法,包括以下步骤:
1)根据获取的恒星图像的时刻、测站概略坐标和恒星星表,计算恒星的方位角和高度角;
2)根据所述恒星的方位角和高度角,计算恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差和高度角偏差;
3)根据所述方位角偏差和高度角偏差,结合全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,得到恒星初始成像位置;
4)以所述恒星初始成像位置为中心,在恒星图像中设定处理范围,在该处理范围内通过质心法确定星点质心坐标。
本发明通过计算恒星相对于测站的地平坐标,即恒星的方位角和高度角,利用全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,预测恒星初始成像位置,以初始成像位置为中心,设定恒星图像处理的范围,并在该范围内计算星点质心坐标,实现对全站仪恒星图像的局部有效处理,避免对整幅图像进行处理,极大地缩短星点质心提取时间,提高提取星点质心的工作效率,为实现快速天文测量提供技术支撑。
为了解决大气折射对计算恒星的高度角的影响,采用大气折射改正模型,对恒星的高度角进行修正,得到修正后恒星的高度角,所述大气折射改正模型如下:
h′=h+a·coth
式中,h为修正前恒星的高度角,h′为修正后恒星的高度角,a为固定系数,单位为角秒。
为确定恒星初始成像位置,所述逆变换模型如下:
式中,x为恒星初始成像位置的横坐标,y为恒星初始成像位置的纵坐标,ΔA为恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差,Δh为恒星相对于全站仪十字丝中心的高度角偏差,(x0,y0)为全站仪十字丝中心对应的图像中心坐标,k1和k2为像素坐标与度盘坐标之间的比例系数,b1和b2为常数项。
为准确确定星点质心坐标,步骤4)在确定星点质心坐标前,在所述处理范围内采用全局阈值分割算法滤除背景噪声,运用连通域算法确定星点边界,再通过灰度质心法确定星点质心坐标。
具体的,所述全局阈值分割算法的计算公式如下:
T=μ+3δ
式中,G(i,j)为星体在灰度图像上(i,j)处的灰度值,m=n=120,μ为所有像素灰度值的平均值、δ为所有像素灰度值的方差、T为待求的分割阈值。
所述灰度质心法的计算公式如下:
式中,x′为星点质心的横坐标,y′为星点质心的纵坐标。
为解决上述技术问题,本发明还提出一种全站仪,包括存储器和处理器,以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器与所述存储器相耦合,所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤:
1)根据获取的恒星图像的时刻、测站概略坐标和恒星星表,计算恒星的方位角和高度角;
2)根据所述恒星的方位角和高度角,计算恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差和高度角偏差;
3)根据所述方位角偏差和高度角偏差,结合全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,得到恒星初始成像位置;
4)以所述恒星初始成像位置为中心,在恒星图像中设定处理范围,在该处理范围内通过质心法确定星点质心坐标。
进一步,步骤1)中采用大气折射改正模型,对恒星的高度角进行修正,得到修正后恒星的高度角,所述大气折射改正模型如下:
h′=h+a·coth
式中,h为修正前恒星的高度角,h′为修正后恒星的高度角,a为固定系数,单位为角秒。
进一步,所述逆变换模型如下:
式中,x为恒星初始成像位置的横坐标,y为恒星初始成像位置的纵坐标,ΔA为恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差,Δh为恒星相对于全站仪十字丝中心的高度角偏差,(x0,y0)为全站仪十字丝中心对应的图像中心坐标,k1和k2为像素坐标与度盘坐标之间的比例系数,b1和b2为常数项。
进一步,步骤4)在确定星点质心坐标前,在所述处理范围内采用全局阈值分割算法滤除背景噪声,运用连通域算法确定星点边界,再通过灰度质心法确定星点质心坐标。
附图说明
图1是野外拍摄的恒星图;
图2是恒星方位角和高度角示意图;
图3是ΔA、Δh与x、y之间的关系示意图;
图4是恒星图像中的设定处理范围示意图;
图5-1是本发明与传统方法的提取质心的横坐标结果比较图;
图5-2是本发明与传统方法的提取质心的纵坐标结果比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明的一种全站仪恒星图像的星点质心提取方法,包括以下步骤:
(1)获取星体拍摄图像:采用图像全站仪的小视场长焦相机拍摄恒星,如采用徕卡TS50i系列视频测量机器人(即全站仪),拥有1.5度的长焦相机,可以获取质量较高的星图图像。图1显示了野外拍摄的恒星图像。
(2)根据恒星图像的拍摄时刻、测站概略坐标和恒星星表,计算恒星的地平坐标(恒星的方位角和高度角),即采用恒星视位置计算动态库和依巴谷星表,以拍摄时刻为引数,计算被测恒星的方位角和高度角。其中,拍摄时刻通常由计算机的内部时钟提供,测站概略坐标可采用GPS或BD导航坐标。图2显示了计算出的恒星方位角A和高度角h。现有技术中,IAU(International Astronomy Union)提供的SOFA标准程序库,以及U.S.NavalObservatory提供的NOVAS程序包,均能够实现恒星地平坐标计算。本发明利用NOVAS的开源程序包,编写了的恒星地平坐标计算软件,利用自带的依巴谷星表,只需要给定观测历元和测站的概略天文坐标,即可通过软件实时计算恒星地平坐标。
采用标准大气折射改正模型,计算被测恒星的高度角,标准大气折射改正模型如下:
h′=h+60.2coth
式中,h为修正前恒星的高度角,h′为修正后恒星的高度角,60.2为固定系数,单位为角秒。
(3)由于恒星一直是运动的,而全站仪的望远镜处于静止状态,其十字丝并非一直精确照准恒星,因此,必须根据计算的恒星地平坐标预测恒星的像点质心坐标,从而划定有效的图像处理范围。为此,计算恒星相对于全站仪望远镜十字丝中心的方位角偏差ΔA和高度角偏差Δh,采用全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,获取恒星像点质心预测坐标:
式中,x为恒星初始成像位置的横坐标,y为恒星初始成像位置的纵坐标,ΔA为恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差,Δh为恒星相对于全站仪十字丝中心的高度角偏差,(x0,y0)为全站仪望远镜十字丝中心对应的图像中心坐标,k1和k2为像素坐标与度盘坐标之间的比例系数,b1和b2为常数项;图3显示了ΔA、Δh与x、y之间的关系。
(4)以预测像点坐标x和y为中心,以60像素为半径,划定一个方形区域,图4表示预测星点位置、实际星点位置及划定区域范围示意图,并在此设定处理范围内处理恒星图像,通过阈值分割算法、连通域算法确定和带阈值的灰度质心法求取精确质心坐标。全局阈值分割算法的计算公式为:
T=μ+3δ
式中,G(i,j)为星体在灰度图像上(i,j)处的灰度值,m=n=120。
带阈值的灰度质心法精确计算星点质心坐标的公式如下:
式中,x′为星点质心的横坐标,y′为星点质心的纵坐标。
利用本发明对图像全站仪在野外拍摄的132幅星图进行处理,总计耗时19.79秒,平均每幅星图耗时0.15秒。采用传统方法对132幅星图进行处理,总计耗时930.60秒,平均每幅星图耗时7.05秒,本发明将图像全站仪星图处理时间缩短到原来的2.1%。图5-1和图5-2表示传统方法与本发明提取的星点质心横纵坐标之间的互差,图中表明,x坐标和y坐标的互差在0.8像素以内,而且具有很好的随机性,均方根误差分别为±0.22像素和±0.21像素,证明本发明在极大缩短星图处理时间的同时,也保证了质心提取精度未受损失。
本发明通过计算恒星相对于测站的地平坐标,利用全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,预测恒星概略成像位置;以概略成像位置为中心,以一定范围为半径,设定星图处理的范围;采用全局阈值分割算法滤除背景噪声,运用连通域算法确定星点边界,采用灰度质心法计算星点质心坐标。本发明可实现对全站仪恒星图像的局部有效处理,避免对整幅图像进行处理,极大地缩短星点质心提取时间,为实现快速天文测量提供技术支撑。以TS50i图像全站仪为例,本发明可将分辨率为2560*1920的恒星图像等效为120*120的图像,从而大幅度缩小图像处理范围,极大地提高图像处理效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种全站仪恒星图像的星点质心提取方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)根据获取的恒星图像的时刻、测站概略坐标和恒星星表,计算恒星的方位角和高度角;
2)根据所述恒星的方位角和高度角,计算恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差和高度角偏差;
3)根据所述方位角偏差和高度角偏差,结合全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,得到恒星初始成像位置;
4)以所述恒星初始成像位置为中心,在恒星图像中设定处理范围,在该处理范围内通过质心法确定星点质心坐标。
2.根据权利要求1所述的全站仪恒星图像的星点质心提取方法,其特征在于,步骤1)中采用大气折射改正模型,对恒星的高度角进行修正,得到修正后恒星的高度角,所述大气折射改正模型如下:
h′=h+a·coth
式中,h为修正前恒星的高度角,h′为修正后恒星的高度角,a为固定系数。
4.根据权利要求1所述的全站仪恒星图像的星点质心提取方法,其特征在于,步骤4)在确定星点质心坐标前,在所述处理范围内采用全局阈值分割算法滤除背景噪声,运用连通域算法确定星点边界,再通过灰度质心法确定星点质心坐标。
7.一种全站仪,其特征在于,包括存储器和处理器,以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器与所述存储器相耦合,所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤:
1)根据获取的恒星图像的时刻、测站概略坐标和恒星星表,计算恒星的方位角和高度角;
2)根据所述恒星的方位角和高度角,计算恒星相对于全站仪十字丝中心的方位角偏差和高度角偏差;
3)根据所述方位角偏差和高度角偏差,结合全站仪像素坐标与度盘坐标的逆变换模型,得到恒星初始成像位置;
4)以所述恒星初始成像位置为中心,在恒星图像中设定处理范围,在该处理范围内通过质心法确定星点质心坐标。
8.根据权利要求7所述的全站仪,其特征在于,步骤1)中采用大气折射改正模型,对恒星的高度角进行修正,得到修正后恒星的高度角,所述大气折射改正模型如下:
h′=h+a·coth
式中,h为修正前恒星的高度角,h′为修正后恒星的高度角,a为固定系数。
10.根据权利要求7所述的全站仪,其特征在于,步骤4)在确定星点质心坐标前,在所述处理范围内采用全局阈值分割算法滤除背景噪声,运用连通域算法确定星点边界,再通过灰度质心法确定星点质心坐标。
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