CN109064510B - 一种全站仪及其恒星图像的星点质心提取方法 - Google Patents

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

一种全站仪及其恒星图像的星点质心提取方法

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。

3.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，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。

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。

5.根据权利要求4所述的全站仪恒星图像的星点质心提取方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的全站仪恒星图像的星点质心提取方法，其特征在于，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。

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。

9.根据权利要求7所述的全站仪，其特征在于，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。

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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