CN117664088B

CN117664088B - 超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法、***及设备

Info

Publication number: CN117664088B
Application number: CN202410132865.7A
Authority: CN
Inventors: 张序枫; 王鹏; 薛武; 杨宽; 刘宪; 樊茂森; 贾博亚; 陈宁; 张河苇; 朱蓓; 徐礼珺; 乔羽; 陈美瑜
Original assignee: Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Current assignee: Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Priority date: 2024-01-31
Filing date: 2024-01-31
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2044-01-31
Also published as: CN117664088A

Abstract

本发明属于新型卫星载荷影像处理领域，具体涉及超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法、***及设备，旨在解决超宽幅垂轨环扫卫星影像搜索同名点困难的问题。本发明包括：获取包含待测地区的垂轨环扫式卫星的下视和前视遥感影像，作为左右影像原始数据；基于垂轨环扫成像卫星下定义瞬时影像坐标系，在立体像对的左右影像内建立瞬时影像坐标系；通过卫星扫描行姿轨数据建立左像点与地物点之间的严格成像模型和右像点与地物点之间的严格成像模型；将立体像对的左右影像原始数据代入所述左像点和右像点与地物点之间的严格成像模型获得地面实际高程范围内所有可能的右像点并连线获得核线；通过特征点提取和匹配算法将匹配，在核线上确定同名点。

Description

超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法、***及设备

技术领域

本发明属于新型卫星载荷影像处理技术领域，具体涉及了一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法、***及设备。

背景技术

为了高精度的生成三维图像，影像立体匹配是不可缺少的关键一步，为了将二维的影像匹配转变为沿核线的一维匹配，利用核线模型寻找同一立体像对中的同名点能大大减小搜索范围，提高搜索效率。

随着卫星研制技术、光学传感器姿态控制技术的进步与发展，区别于线阵推扫成像机制被提出。垂轨环扫卫星上搭载的多条线阵CCD沿卫星飞行方向安置，光学传感器绕飞行方向360°旋转，视场在垂直轨道方向上不断叠加以实现环扫成像。垂轨环扫卫星兼具高分辨率和超大幅宽的特点，在轨道高度500千米的情况下，能实现幅宽3000公里，星下点分辨率1m的指标。

卫星搭载双相机，垂直轨道搭载高分辨率相机，成像为下视，多功能相机主光轴沿轨向前倾斜一定角度，成像为前视，两台相机在地球径向方向上夹角180°，在环扫过程中双相机交替成像。这就使得前视和下视之间同名像点的核线模型极其复杂，和线阵推扫卫星核线模型、面阵式中心投影核线模型大不相同。在此大幅宽遥感影像上寻找同名点极其耗时。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即超宽幅垂轨环扫卫星影像搜索同名点困难的问题，本发明提供了一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，包括：

步骤S100，获取包含待测地区的垂轨环扫式卫星的下视遥感影像和前视遥感影像，分别作为立体像对的左右影像原始数据，生成立体像对的左右影像原始数据对应的姿轨数据；

所述立体像对的左右影像原始数据，包括立体像对的左影像原始数据、立体像对的右影像原始数据、原始控制点数据、传感器的姿态数据和遥感影像的内外方位元素；

步骤S200，基于垂轨环扫成像卫星下定义瞬时影像坐标系，在立体像对的左右影像内建立瞬时影像坐标系；

由于垂轨环扫式卫星区别于线阵推扫式卫星的成像方式，导致相机姿态角在不断地变化，所以需要重新定义其瞬时影像坐标系。

步骤S300，通过卫星扫描行姿轨数据建立左像点与地物点之间的严格成像模型和右像点与地物点之间的严格成像模型；

严格成像模型通式为，其中/>为J2000轨道坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，/>为卫星本体坐标系到J2000轨道坐标系的旋转矩阵，/>为相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵；统一由表示；

步骤S400，将立体像对的左右影像原始数据代入所述左像点与地物点之间的严格成像模型和右像点与地物点之间的严格成像模型，获得地面实际高程范围内所有可能的右像点；

步骤S500，将所述地面实际高程范围内所有可能的右像点依次按照扫描行的顺序连线，获得核线；

步骤S600，通过特征点提取和同名点匹配算法将匹配，在所述核线上确定同名点。

进一步的，所述瞬时影像坐标系，具体包括：

瞬时影像坐标系原点规定为立体像对的左右影像的每个扫描行的中心，垂轨环扫式卫星环扫的方向为瞬时影像坐标系的y轴，垂轨环扫式卫星运行的方向为瞬时影像坐标系的y轴。

进一步的，所述步骤S400，具体包括：

步骤S410，根据地面实际高程范围确定最大高程和最小高程/>，在所述地面实际高程范围内按预设的间距均匀选取高程，组成高程数据集；

步骤S420，将高程数据集中的高程数据依次代入所述左像点与地物点之间的严格成像模型，获得每个高程面的地物点坐标；

步骤S430，将每个高程面的地物点坐标依次代入所述右像点与地物点之间的严格成像模型，获得所有可能的地面实际高程范围的右像点。

进一步的，所述步骤S420，具体包括：

左像上第i条扫描行上的像点l与投影中心的连线构成物点所在的射线，像点l经过旋转、缩放和平移求得每个高程面的地物点坐标的表达式为：

；

其中，，/>，/>为左像上第i条扫描行对应的投影中心/>的物方坐标，/>为左像与地面间的尺度比参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为像方到物方坐标系旋转矩阵的旋转参数，/>为像点在瞬时影像坐标系下的坐标，/>为左像的焦距；X,Y,Z为射线上点的物方三维坐标。

进一步的，所述步骤S430，具体包括：

地面实际高程范围的右像点的表达式为:

；

所述地面实际高程范围的右像点为地物点经过右像第j条扫描行对应的投影中心与右像的交点；

其中为右像点在瞬时影像坐标系下的坐标，/>为右像的焦距，/>为右像与地面间的尺度比参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为物方到像方坐标系旋转矩阵的参数，/>为右像上第j条扫描行对应的投影中心/>在物方坐标系下的坐标。

进一步的，所述特征点提取采用Harris算子，匹配算法采用最小二乘影像匹配算法对左像和右像进行匹配。

本发明的另一方面，提出了一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点***，包括：

原始数据获取模块，用于获取包含待测地区的垂轨环扫式卫星的下视遥感影像和前视遥感影像作为立体像对的左右影像原始数据并生成立体像对的左右影像原始数据对应的姿轨数据；

所述立体像对的左右影像原始数据，包括原始控制点数据、传感器的姿态数据和遥感影像的内外方位元素；

瞬时影像坐标系构建模块，用于基于垂轨环扫成像卫星下定义瞬时影像坐标系，在立体像对的左右影像内建立瞬时影像坐标系；

严格成像模型建立模块，用于通过卫星扫描行姿轨数据建立左像点与地物点之间的严格成像模型和右像点与地物点之间的严格成像模型；

右像点确定模块，用于将立体像对的左右影像原始数据代入所述左像点与地物点之间的严格成像模型和右像点与地物点之间的严格成像模型，获得地面实际高程范围内所有可能的右像点；

核线生成模块，用于将所述地面实际高程范围内所有可能的右像点依次连线，获得核线；

同名点确定模块，用于通过特征点提取和匹配算法将核线和右像点匹配，在所述核线上确定同名点。

进一步的，所述右像点确定模块，具体包括：

高程数据集确定单元，用于根据地面实际高程范围确定最大高程和最小高程/>，在所述地面实际高程范围内按预设的间距均匀选取高程，组成高程数据集；

地物点确定单元，用于将高程数据集中的高程数据依次代入所述左像点与地物点之间的严格成像模型，获得每个高程面的地物点坐标；

右像点确定单元，用于将每个高程面的地物点坐标依次代入所述右像点与地物点之间的严格成像模型，获得地面实际高程范围内所有可能的右像点。

本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法。

本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过选取了高程范围内所形成的右像点，对比选取所有扫描行的像点，大大降低了搜索的范围，提高了搜索的速度。

（2）生成了左像点在右像上所有可能的同名点组成的集合，即核线，为后续其他需要核线的产品提供基础。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法的流程图；

图2是本发明中卫星相机垂轨环扫示意图；

图3是本发明结合实际高程范围生成核线示意图；

图4是用于实现本申请方法、***、设备实施例的服务器的计算机***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，包括：

为了更清晰地对本发明一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明第一实施例的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，如图1所示，各步骤详细描述如下：

步骤S100，如图2所示，获取包含待测地区的垂轨环扫式卫星的下视遥感影像和前视遥感影像，分别作为立体像对的左右影像原始数据，生成立体像对的左右影像原始数据对应的姿轨数据；

在本实施例中，所述瞬时影像坐标系，具体包括：

瞬时影像坐标系原点规定为立体像对的左右影像的每个扫描行的中心，垂轨环扫式卫星环扫的方向为瞬时影像坐标系的y轴，垂轨环扫式卫星运行的方向为瞬时影像坐标系的y轴，由于每扫描行姿态均不相同，对于该坐标系，其y值均为零。

在本实施例中，所述步骤S400，如图3所示，具体包括：

在本实施例中，所述步骤S420，具体包括：

；

其中，，/>，/>为左像上第i条扫描行对应的投影中心/>的物方坐标，/>为左像与地面间的尺度比参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为像方到物方坐标系旋转矩阵的参数，/>为像点在瞬时影像坐标系下的坐标，/>为左像的焦距；X,Y,Z为射线上点的物方坐标。

在本实施例中，所述步骤S430，具体包括：

地面实际高程范围的右像点的表达式为:

；

在本实施例中，所述特征点提取采用Harris算子，匹配算法采用最小二乘影像匹配算法对左像和右像进行匹配。

通过在左像取一适当大小窗口作为目标区影像，右像取一大于目标区的窗口作为搜索影像，在搜索区内取与目标影像同样大小的窗口，计算两窗口的相关系数，不断移动搜索区内窗口，找到搜索区内与目标区影像相关系数最大的位置，得到右像关于左像的偏移量；

其中相关系数是标准化后的协方差函数，以协方差函数除以量像的方差即得相关系数；本实施例中，当两窗口间的相关系数大于0.95时定义为同名点；

在本实施例中，通过相关系数计算出的两个同名点之间的偏移量作为初始值，带入到最小二乘的几何校正参数模型中，提高了最小二乘匹配方法的收敛性。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

本发明第二实施例的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点***，包括：

在本实施例中，所述右像点确定模块，具体包括：

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

下面参考图4，其示出了用于实现本申请方法、***、设备实施例的服务器的计算机***的结构示意图。图4示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，计算机***包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM，Random Access Memory)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中，还存储有***操作所需的各种程序和数据。CPU 601、ROM 602以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output)接口605也连接至总线604。

以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT，Cathode Ray Tube)、液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN(局域网，Local AreaNetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)601执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S430，将每个高程面的地物点坐标依次代入所述右像点与地物点之间的严格成像模型，获得所有可能的地面实际高程范围的右像点;

2.根据权利要求1所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，其特征在于，所述瞬时影像坐标系，具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，其特征在于，所述步骤S420，具体包括：

；

4.根据权利要求1所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，其特征在于，所述步骤S430，具体包括：

地面实际高程范围的右像点的表达式为:

；

其中为右像点在瞬时影像坐标系下的坐标，/>为右像的焦距，/>为右像与地面间的尺度比参数，/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>为物方到像方坐标系旋转矩阵的旋转参数，/>为右像上第j条扫描行对应的投影中心/>在物方坐标系下的坐标。

5.根据权利要求1所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，其特征在于，所述特征点提取采用Harris算子，匹配算法采用最小二乘影像匹配算法对左像和右像进行匹配。

6.一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点***，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法，所述***包括：

7.根据权利要求6所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点***，其特征在于，所述右像点确定模块，具体包括：

高程数据集确定单元，用于根据地面实际高程范围确定最大高程和最小高程，在所述地面实际高程范围内按预设的间距均匀选取高程，组成高程数据集；

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-5任一项所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-5任一项所述的一种超宽幅垂轨环扫式卫星影像确定同名点方法。