CN109724625A - 一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法，涉及一种针对多面阵CCD拼接型航测相机进行光学复合且进行像差改正的方法。多面阵CCD拼接型航测相机往往安装了多个像空间上分离的子像面CCD，拍摄获得的原始子影像很难直接应用于摄影测量，利用该方法可以将多面阵CCD航测相机的原始摄影子影像转换为复合后的无畸变大面阵影像，在此基础上方可进行后续摄影测量应用，从而发挥多面阵CCD拼接型航测相机的摄影效率。

Description

一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法

技术领域

本发明属于测量与遥感技术领域，具体涉及一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法。

背景技术

随着数字地球、智慧城市建设对测绘遥感的需求日益增加，航空相机向着大视场高分辨率方向发展。受到制造工艺限制，单片电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)的尺寸无法满足大视场航空相机要求。目前，国际上普遍采用CCD拼接方式扩大成像视场，主要包括外视场拼接和内视场拼接两种。我国主要采用的是面阵航测相机DMZ，DMZ航测相机基于内视场分割模式实现像幅扩展的设计思路，采用了不同于现有国际上其它面阵测绘相机***所采用的技术体制，由单个摄影物镜和多个面阵器件构成的焦面组成。

与传统的单面阵相机全视场像差分布连续特性不同，新体制面阵相机全视场范围内像差分布不连续，已有方法难以有效表达和解算。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法，包括步骤：

S1、通过多面阵CCD拼接型航测相机对控制场进行拍摄，所述航测相机包括i子像面，获取子像面采集的子影像。在本实施方式中共有12个子像面，因此i＝1～11。

S2、根据获得的所有的子像面的子影像，采用影像匹配自动生成子影像重叠区域的连接点像点坐标对根据所述连接点像点坐标对计算局部安置参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)，并利用所述局部安置参数将所有所述子像面的子影像进行影像缝合，缝合后形成包含有全局像差的全幅影像。

S3、量测得到控制点地面坐标(X,Y,Z)和全幅影像的对应的全幅像点坐标(x′,y′)，采用光束法自检校平差方法，根据全局像差模型和成像几何模型，计算摄影时刻的外方位元素(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)和全局像差模型参数。

S4、根据获得的全局像差参数以及全幅影像生成无畸变大面阵影像；

S5、采用检查点对生成的无畸变大面阵影像进行几何质量检测；判断检查点精度是否满足要求，如果不满足，重新执行S2至S4；如果已满足精度要求，执行步骤S6；

S6、无畸变复合后大面阵影像生成完毕，结束流程。

进一步地，步骤2中计算子影像局部安置参数具体为，将匹配量测获得的连接点像点坐标对代入公式，

x′_i＝A_0i+A_1ix_i+A_2iy_i，

y′_i＝B_0i+B_1ix_i+B_2iy_i，

解算后获得局部安置参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)。

进一步地，所述步骤3中成像几何模型为：

其中，(x₀，y₀，f)为所述航测相机自带的内方位元素，(X,Y,Z)为控制点地面坐标，(x′,y′)为该地面点所对应的全幅影像的像点坐标， 为安置后的全幅影像像点坐标经全局像差模型修正后的无畸变坐标。

进一步地，所述步骤3中(dx，dy)为全局像差模型：

其中，(dx₀,dy₀,df)为所述航测相机的内方位元素(x₀，y₀，f)的改正量，K₁,K₂,K₃,P₁,P₂,b₁,b₂为相机固有畸变参数，(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)为摄影时刻的外方位元素，r²是像素距离像平面中心主点的距离的平方。

进一步地，步骤3中计算摄影时刻的外方位元素(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)和全局像差模型参数具体为：

S301、将非线性模型的成像几何模型线性化，并使用矩阵的形式表示为：

v＝At-l，

式中,t为该几何模型的待解量，A为t的偏倒数系数矩阵，t为初始值人为给定后的修正量，l为将t的初始值代入成像几何模型后，算得的结果与所述全幅影像的像点坐标(x′,y′)的差值，v为随机观测误差，具体的，

其中，

其中ω,k与(a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)等价，具体形式可根据使用情形，由专业用户指定所需的转角***函数形式，(P₁,P₂)为光学***切向畸变坐标，(b₁,b₂)为像面整体偏移坐标，v＝[v_x v_y]^T；

S302、根据v^Tv→min原则要求下，通过循环迭代求解出最终的待解量t；

S303、根据t中的全局像差模型参数确定了全局像差模型，对于全副影像上的任一点(x′,y′)根据该模型可进行像差改正，

对全幅影像进行逐像素改正，获得复合后的无畸变大面阵影像。

本发明的有益效果在于：

1.提出的综合像差模型能够有效描述新型面阵测绘相机物理特性，描述精度能够达到1/4像元，可以满足影像量测精度要求。

2.交叉迭代答解方式能够有效隔离全局参数与局部参数之间的相互影响，正确解算综合像差参数估值，解算结果客观反映了实际像差分布。

3.经过像差模型改正后，生成影像量测能力达到1/3像元水平，基本达到无畸变面阵影像几何精度水平。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法的流程图；

图2是本发明航测相机的结构图示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法，如图1所示，包括步骤：

S1、通过多面阵CCD拼接型航测相机对控制场进行拍摄，所述航测相机包括多个子像面，获取子像面采集的子影像。

本实施方式中的航测相机结构如图2所示，包括多个小面阵CCD,每个个小面阵CCD就是一个子像面，拍摄时通过视场分割器，将全视场影像分割为空间上分离且相互有重贴的子影像。

S2、根据获得的所有的子像面的子影像，采用影像匹配自动生成子影像重叠区域的连接点像点坐标对根据所述连接点像点坐标对计算局部安置参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)，并利用所述局部安置参数将所有所述子像面的子影像进行影像缝合，缝合后形成包含有全局像差的全幅影像。在本实施方式中，当量取连接点像点坐标对超过3对后，局部安置参数便可解算获得。

S3、量测得到控制点地面坐标(X,Y,Z)和全幅影像的对应的全幅像点坐标(x′,y′)，采用光束法自检校平差方法，根据全局像差模型和成像几何模型，计算摄影时刻的外方位元素(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)和全局像差模型参数(dx₀,dy₀,df,K₁,K₂,K₃,P₁,P₂,b₁,b₂)。

在本实施方式中，所述控制点坐标是通过观测得到。

S4、根据获得的全局像差参数以及全幅影像生成无畸变大面阵影像。

S5、采用检查点对生成的无畸变大面阵影像进行几何质量检测；判断检查点精度是否满足要求，如果不满足，重新执行S2至S4；如果已满足精度要求，执行步骤S6。

S6、无畸变复合后大面阵影像生成完毕，结束流程。

在上述实施方式的基础上，进一步地，步骤2中计算子影像局部安置参数具体为，将匹配量测获得的连接点像点坐标对代入公式，

x′_i＝A_0i+A_1ix_i+A_2iy_i，公式(1)

y′_i＝B_0i+B_1ix_i+B_2iy_i，公式(2)

解算后获得局部安置参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述步骤3中成像几何模型为：

其中，(x₀，y₀，f)为所述航测相机自带的内方位元素，(X,Y,Z)为控制点地面坐标，(x′,y′)为该地面点所对应的全幅影像的像点坐标， 为安置后的全幅影像像点坐标经全局像差模型修正后的无畸变坐标。其中，(X,Y,Z)和(x′,y′)是通过测量的方法获得。

在上述实施方式的基础上，进一步地，所述步骤3中(dx，dy)为全局像差模型：

其中，(dx₀,dy₀,df)为所述航测相机的内方位元素(x₀，y₀，f)的改正量，如果相机厂商给出的内方位元素足够准确，此改正量接近于零，K₁,K₂,K₃,P₁,P₂,b₁,b₂为相机固有畸变参数，(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)为摄影时刻的外方位元素，r²是像素距离像平面中心主点的距离的平方。

综合上述公式得到新型相机成像几何模型和综合像差模型：

该模型采用全局参数(dx，dy)和局部参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)有效描述了新型相机几何特性，可作为综合像差校正的数学基础。

在上述实施方式的基础上，进一步地，步骤3中计算摄影时刻的外方位元素(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)和全局像差模型参数具体为：

S301、将非线性模型的成像几何模型线性化，并使用矩阵的形式表示为：

v＝At-l，公式(10)

式中,t为该几何模型的待解量，A为t的偏倒数系数矩阵，t为人为给定初始值后的修正量，l为将t的初始值代入成像几何模型后，算得的结果与所述全幅影像的像点坐标(x′,y′)的差值，v为随机观测误差，具体的，

其中，

其中ω,k与(a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)等价，具体形式可根据使用情形，由专业用户指定所需的转角***函数形式，(P₁,P₂)为光学***切向畸变坐标，(b₁,b₂)为像面整体偏移坐标，v＝[v_x v_y]^T；

S302、根据v^Tv→min原则要求下，通过循环迭代求解出最终的待解量t；

S303、根据t中的全局像差模型参数确定了全局像差模型，对于全副影像上的任一点(x′,y′)根据该模型可进行像差改正，

对全幅影像进行逐像素改正，获得复合后的无畸变大面阵影像。

实施例一：

采用2015年陕西省汉中航空试验区DMZ II相机两次验证飞行数据，相对航高分别为3000米和1500米，全色影像GSD为0.1米和0.05米。利用航高3000米摄影数据进行像差检校，利用1500米摄影数据进行精度验证。

单张原始数据包括12幅全色子影像和4幅多光谱影像，全色多光谱影像比例因子为1︰4，有效像幅超过23K×23K，有效记录位数12Bits。整个试验区面积约400平方千米，采用85％航向重叠、65％旁向重叠摄影共10条航线，影像数共961张。

为满足DMZ II摄影相机***动态试验特性参数检测要求，建立区域范围4Km×4Km的地面综合试验场，地面起伏在460至800米左右，布设了400余个高精度地面标志点，地面标志点平面精度±1cm，高程精度±2cm，标志点布设间距200m×200m，保证各类像差参数的有效检测和影像几何精度的充分验证。试验场摄影采用十字交叉航线。

采用控制数据，对自动生成的全幅影像进行参数检测，根据误差模型，单张影像模型参数计算结果如表1所示。全幅影像不经过任何参数检校情况下，x和y方向几何精度分别为5.5μm和5.9μm，经过带全局像差参数的自检校以后，x和y方向几何精度分别提高到2.8μm和4.3μm。

尽管精度已经得到很大提升，但相对于像元尺寸大小6μm，仅考虑全局像差参数的自检校方法仍然达不到量测级影像精度水平，即1/3像元至2μm精度水平。因此必须对各面阵安装参数的影响加以考虑，有必要引入局部像差参数以更全面描述相机***几何特性。通过带全局像差参数和局部像差参数的自检校方法，经过交叉迭代计算，收敛后x和y方向几何精度分别为1.4μm和1.5μm，达到1/4像元精度水平。

表1检校前后影像量测精度比较

从表1可见，带全局和局部参数的交叉迭代计算在3次以后逐渐收敛。

综合像差计算结果包括全局像差和局部像差两部分。全局像差参数采用公式(5)和公式(6)，计算结果见表2。

表2全局像差参数计算结果

从计算结果可见，光学***径向畸变为一次项，更高阶项为无效参数。像主点偏移较大，尤其是y方向，这表明像面中心与光学投影中心之间位置关系需要进一步精确调整。

根据公式(1)和公式(2)计算局部像差参数，计算结果参见表3。

表3局部像差参数计算结果

利用上述像差参数和公式(8)和公式(9)，对全部12张子影像进行***级几何校正，生成无畸变中心投影图像。采用检查点对生成的无畸变中心投影图像进行几何质量进行检测，精度如表4所示。从表中结果可见，经过***几何校正后，无畸变影像x和y两个方向均达到2μm，在此基础上，即使采用带附件像差参数条件的自检校光束法平差方法进行精度检测，x和y两个方向精度仍然为2μm水平，几乎没有任何提升，相对于表1结果可见，***误差已经完全得到校正，达到量测精度水平。受制于检查点完全由人工量测，因此这里几何精度较表1精度略有下降，下降幅度在影像量测误差水平—约1/3像元范围内。

表4无畸变影像几何精度检测情况

利用解算得到的综合像差参数，对航高1500米摄影得到的试验场区域影像(GSD＝5cm)进行***几何校正处理，得到无畸变影像。然后采用POS辅助下的空中三角测量，验证生成影像测图能力，计算结果精度统计如表5所示。

表5 POS辅助空中三角测量结果

从表5中可见，在不同控制方案和点数情况下，检查点的平面精度均为0.5GSD以内，较为稳定；检查点的高程精度随着控制点数增加，逐渐从2.5GSD降低到1.6GSD左右，采用全部布控情况下，高程精度达到1GSD以内，相对高程精度从1/12165到最高1/30000。考虑到采用航向重叠率85％、旁向重叠率65％，飞行方向和旁向基高比分别为0.12和0.27，高程精度达到了与平面精度相当的水平，反映出影像量测精度基本达到理论精度。这表明光学拼接焦平面大面阵相机影像的拼接误差小，综合像差检校结果精度到达测量型相机要求。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光学复合大面阵测绘相机的像差改正方法，其特征在于，包括步骤：

S1、通过多面阵CCD拼接型航测相机对控制场进行拍摄，所述航测相机包括i个子像面，获取子像面采集的子影像；

S2、根据获得的所有的子像面的子影像，采用影像匹配自动生成子影像重叠区域的连接点像点坐标对根据所述连接点像点坐标对计算局部安置参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)，并利用所述局部安置参数将所有所述子像面的子影像进行影像缝合，缝合后形成包含有全局像差的全幅影像；

S3、量测得到控制点地面坐标(X,Y,Z)和全幅影像的对应的全幅像点坐标(x′,y′)，采用光束法自检校平差方法，根据全局像差模型和成像几何模型，计算摄影时刻的外方位元素(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)和全局像差模型参数(dx₀,dy₀,df,K₁,K₂,K₃,P₁,P₂)；

S4、根据获得的全局像差参数以及全幅影像生成无畸变大面阵影像；

S5、采用检查点对生成的无畸变大面阵影像进行几何质量检测；判断检查点精度是否满足要求，如果不满足，重新执行S2至S4；如果已满足精度要求，执行步骤S6；

S6、无畸变复合后大面阵影像生成完毕，结束流程。

2.如权利要求1所述的像差改正方法，其特征在于，步骤2中计算子影像局部安置参数具体为，将匹配量测获得的连接点像点坐标对代入公式，

x′_i＝A_0i+A_1ix_i+A_2iy_i，

y′_i＝B_0i+B_1ix_i+B_2iy_i，

解算后获得局部安置参数(A_0i，A_1i，A_2i，B_0i，B_1i，B_2i)。

3.如权利要求1所述的像差改正方法，其特征在于，所述步骤3中成像几何模型为：

其中，(x₀，y₀，f)为所述航测相机自带的内方位元素，(X,Y,Z)为控制点地面坐标，(x′,y′)为该地面点所对应的全幅影像的像点坐标， 为安置后的全幅影像像点坐标经全局像差模型修正后的无畸变坐标。

4.如权利要求3所述的像差改正方法，其特征在于，所述步骤3中(dx，dy)为全局像差模型：

其中，(dx₀,dy₀,df)为所述航测相机的内方位元素(x₀，y₀，f)的修正量，K₁,K₂,K₃,P₁,P₂为相机固有畸变参数，(X_s，Y_s，Z_s，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)为摄影时刻的外方位元素，r²是像素距离像平面中心主点的距离的平方。

5.如权利要求4所述的像差改正方法，其特征在于，步骤3中计算摄影时刻的外方位元素和全局像差模型参数(x₀,y₀,f,K₁,K₂,K₃,P₁,P₂,b₁,b₂)具体为：

S301、将非线性模型的成像几何模型线性化，并使用矩阵的形式表示为：

v＝At-l，

式中,t为该几何模型的待解量，A为t的偏倒数系数矩阵，在t初始值人为给定后可按以下矩阵中各元素的表达式计算而得，l为将t的初始值代入成像几何模型后，算得的结果与所述全幅影像的像点坐标(x′,y′)的差值，v为随机观测误差，具体的，

其中，

其中ω,k与(a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，c₁，c₂，c₃)等价，(P₁,P₂)为光学***切向畸变坐标，(b₁,b₂)为像面整体偏移坐标，

v＝[v_x v_y]^T；

S302、根据v^Tv→min原则要求下，通过循环迭代求解出最终的待解量t；

S303、根据t中的全局像差模型参数修正量确定了全局像差模型，对于全副影像上的任一点(x′,y′)根据该模型可进行像差改正，

对全幅影像进行逐像素改正，获得复合后的无畸变大面阵影像。