一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法技术

一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，1)建立具有统一基准的虚拟像空间坐标系；2)建立反映多镜头相机之间、多探测器之间相对方位关系的数学模型；3)通过静态几何检校解求多镜头、多探测器的联合方位元素与畸变参数；4)建立顾及多探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型；5)通过短基线影像快速匹配获取多探测器影像重叠区的同名点；6)根据同名点坐标误差最小原则建立自检校误差方程；7)逐点法化并根据最小二乘平差原理完成迭代求解，获得动态飞行时精确的相对方位元素。本发明专利技术方法可普遍适用多镜头多探测器面阵拼接式航空测绘相机的等效单中心投影虚拟影像生成。

Single center projection conversion method for multi lens and multi detector aerial camera

A conversion method of multi camera multi detector aerial camera single center projection, 1) to establish a unified standard of the virtual image space coordinate system; 2), established to reflect the multi lens camera detector between the relative mathematical model of direction relations; 3) through the static geometric calibration solution for multi camera orientation elements, and multi detector distortion parameters; 4) to establish mathematical model of multi detector for image relative orientation changes in the dynamic flight; 5) fast matching points to obtain multi detector image overlap region through the short baseline image; 6) is established according to the principle of minimum error self calibration equation corresponding point coordinate error; 7) point method, and according to the least square the difference principle of iteration to obtain the relative orientation elements of dynamic flight accurate. The method of the invention can be widely applied to the equivalent single center projection virtual image generation of a multi lens multi detector plane array type aerial mapping camera.

【技术实现步骤摘要】
一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法
本专利技术属于航空光学遥感
，涉及一种多镜头多探测器拼接式航空测绘相机由多中心投影向等效单中心投影转换的方法。
技术介绍
大幅面、大视场、高像元分辨率的面阵相机是摄影测量领域成像传感器的必然发展方向。但受限于单个大幅面CCD\CMOS器件的技术瓶颈与高昂成本，采用多镜头多探测器组合拼接构造等效大幅面传感器面阵便成为一种主流方式。多镜头多探测器拼接构造面阵航空测绘相机的核心问题是如何将成像时的多中心投影归化为由一个等效单中心投影构象。现有航空测绘相机的面阵拼接成像技术至少存在两方面不足：一方面，甚少公开上述核心问题，未能明确多中心投影转单中心投影的各流程环节；另一方面，鲜少解答多中心投影向等效单中心投影转换的精度控制问题，未能明确拼接模型对等效虚拟影像拼接精度造成的影响。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对多镜头、多探测器拼接式航空测绘相机因内、外视场混合拼接所造成多中心投影的客观问题，提供了一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法。本专利技术的技术方案是：一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，步骤如下：(1)从多镜头相机、多探测器中选择基准相机和基准探测器，根据基准探测器影像建立基准像平面坐标系和基准像空间坐标系，进一步选定虚拟单投影中心并构建虚拟像空间坐标系；(2)根据步骤(1)，基于三维直角坐标变换，利用公共地物点地面坐标建立反映多镜头相机之间、多探测器之间相对方位关系的严密数学模型，进一步建立各镜头、各探测器像空间坐标系向虚拟像空间坐标系转换的数学模型；(3)通过高精度三维控制场检校多镜头、多探测器的联合方位元素与畸变系数；(4)根据步骤(2)建立的数学模型进行公式整理得到各探测器影像到虚拟像平面的像点转换公式，将像点坐标表示为相对外方位元素的函数，按泰勒公式展开并保留至小值一次项，完成建立顾及各镜头、各探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型；(5)根据步骤(3)，完成各镜头内各探测器影像的几何校正，通过裁切探测器影像重叠区加速同名点匹配，并通过SIFT特征提取、精化匹配点、粗差剔除过程实现短基线影像的快速高精度匹配，获取多探测器影像重叠区的同名点；(6)根据步骤(4)，以同名点坐标误差最小原则建立自检校误差方程；(7)根据步骤(3)、(5)和(6)，逐点法化并根据最小二乘平差原理完成迭代求解，进而将相对方位元素初值与迭代结果累加，获得动态飞行时精确的相对方位元素，完成多中心投影向等效单中心投影的转换。所述步骤(1)中建立基准像平面坐标系的具体方法为：(11)选择多镜头多探测器中心视场所含的中心探测器作为基准探测器E；(12)以基准探测器影像的几何中心点作为像平面坐标系原点o，构建右手平面直角坐标系o-xy，作为基准像平面坐标系；所述步骤(1)中建立基准像空间坐标系的具体方法为：(21)以多镜头相机中包含中心探测器的相机投影中心作为基准像空间坐标系的原点S；(22)通过点S作平行于基准像平面坐标系x轴和y轴的轴线，以主光轴oS为z轴，其坐标正向取摄影方向的反方向，构成基准像空间坐标系S-xyz。所述步骤(1)中建立虚拟像空间坐标系的具体方法为：(31)以基准像空间坐标系S-xyz为起始坐标系；(32)将除中心视场镜头外的其余多镜头相机的投影中心投影至S-xy平面，以其坐标平均值作为新的坐标原点Sv，并将x轴、y轴、z轴平移至以Sv为起点的三个坐标轴xv、yv、zv，即得虚拟像空间坐标系Sv-xvyvzv。所述步骤(3)的具体方法为：依托各镜头相机、各探测器所获的高精度地面三维控制场检校影像，量测标志点几何中心位置，并开展像点及其相应控制点坐标之间的联合平差，同时获取各单镜头相机内方位元素与畸变差，单镜头相机探测器之间、各相机探测器之间相对方位元素。所述步骤(4)中建立顾及多探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型的具体方法为：(41)相对基准探测器E，其它与其具有影像重叠区的多探测器称为非基准探测器，基于三维空间直角变换的七参数模型，即Bursa模型，利用公共地物点P，建立P点在基准探测器和非基准探测器影像上的像点坐标与物方空间坐标之间的数学模型；(42)联立上述Bursa模型，得到非基准探测器所在相机，即非基准相机的像空间坐标系相对基准探测器E所在相机，即基准相机的基准像空间坐标系进行相对方位转换的数学模型：式中，[XeYeZe]T、[XiYiZi]T分别为基准相机和非基准相机在摄影时刻的外方位线元素；为基准相机在摄影时刻的外方位角元素ωe和κe所构成的旋转矩阵；为非基准相机在摄影时刻的外方位角元素ωi和κi所构成的旋转矩阵；λe、λi分别为摄影时刻基准相机和非基准相机的像空间坐标系相对于地面坐标系的比例系数；[xeye]T、[xiyi]T分别为地物点P在基准探测器影像和非基准探测器影像上的像点坐标；[xe0ye0]T、[xi0yi0]T分别为基准相机和非基准相机的像主点坐标；fe、fi分别为基准相机和非基准相机的主距；(43)将基准像空间坐标系转换至虚拟像空间坐标系，并通过系数转换与变量替换来简化模型，得到非基准相机像空间坐标系、基准相机基准像空间坐标系相对虚拟像空间坐标系转换的数学模型：式中，[xv0yv0]T表示虚拟像空间坐标系Sv-xvyvzv的原点Sv在基准像空间坐标系S1-xyz中的坐标；[xviyvi]T表示各相机、各探测器影像投影至虚拟像空间坐标系Sv-xvyvzv后的像点坐标；fi表示基准相机和非基准相机的主距；fv表示虚拟单中心投影相机主距；为变量替换后的平移向量；(44)将像点坐标表示为相对方位元素的函数：式中，xv、yv分别为像点在x、y方向的改正量；Fix、Fiy分别为基准相机、非基准相机在x、y方向的像点坐标方程；为基准相机、非基准相机的相对外方位元素在虚拟像空间坐标系Sv中的等效位移量；ωi、κi为基准相机、非基准相机的相对外方位角元素；(45)按泰勒公式展开并保留至小值一次项，完成建立顾及多探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型：式中，分别为像点在x、y方向的近似值；F′ix、F′iy表示分别基准相机、非基准相机在x、y方向的像点坐标方程求导；表示分别对相对外方位线元素求导；表示分别对相对外方位角元素ωi、κi求导；分别表示相对外方位线元素的改正量；dωi、dki表示相对外方位角元素ωi、κi的改正量。本专利技术与现有技术相比的有益效果：(1)本专利技术通过基准像平面坐标系、基准像空间坐标系、虚拟像空间坐标系的构建，将多镜头多探测器之间的相对方位关系纳入统一的坐标系统，以此为基础实现多中心投影向等效单中心投影空间转换的数学过程与影像处理流程，对各类多镜头或多探测器面阵拼接式航空相机的等效单中心投影转换问题具有普适性。(2)本专利技术将多镜头多探测器面阵拼接式航空相机在成像方式上的多中心投影问题转化至影像处理层面，阐述了包含联合方位元素高精度静态检校、短基线影像快速高精度匹配、自检校拼接在内的影像处理环节，并给出了各环节的主要模型算法，可作为等效单中心投影转换的通用影像处理流程。(3)本专利技术基于航空摄影测量相关理论，系统地推导、建立并释义了多中心投影向虚拟单中心投影转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，其特征在于步骤如下：(1)从多镜头相机、多探测器中选择基准相机和基准探测器，根据基准探测器影像建立基准像平面坐标系和基准像空间坐标系，进一步选定虚拟单投影中心并构建虚拟像空间坐标系；(2)根据步骤(1)，基于三维直角坐标变换，利用公共地物点地面坐标建立反映多镜头相机之间、多探测器之间相对方位关系的严密数学模型，进一步建立各镜头、各探测器像空间坐标系向虚拟像空间坐标系转换的数学模型；(3)通过高精度三维控制场检校多镜头、多探测器的联合方位元素与畸变系数；(4)根据步骤(2)建立的数学模型进行公式整理得到各探测器影像到虚拟像平面的像点转换公式，将像点坐标表示为相对外方位元素的函数，按泰勒公式展开并保留至小值一次项，完成建立顾及各镜头、各探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型；(5)根据步骤(3)，完成各镜头内各探测器影像的几何校正，通过裁切探测器影像重叠区加速同名点匹配，并通过SIFT特征提取、精化匹配点、粗差剔除过程实现短基线影像的快速高精度匹配，获取多探测器影像重叠区的同名点；(6)根据步骤(4)，以同名点坐标误差最小原则建立自检校误差方程；(7)根据步骤(3)、(5)和(6)，逐点法化并根据最小二乘平差原理完成迭代求解，进而将相对方位元素初值与迭代结果累加，获得动态飞行时精确的相对方位元素，完成多中心投影向等效单中心投影的转换。...

【技术特征摘要】
1.一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，其特征在于步骤如下：(1)从多镜头相机、多探测器中选择基准相机和基准探测器，根据基准探测器影像建立基准像平面坐标系和基准像空间坐标系，进一步选定虚拟单投影中心并构建虚拟像空间坐标系；(2)根据步骤(1)，基于三维直角坐标变换，利用公共地物点地面坐标建立反映多镜头相机之间、多探测器之间相对方位关系的严密数学模型，进一步建立各镜头、各探测器像空间坐标系向虚拟像空间坐标系转换的数学模型；(3)通过高精度三维控制场检校多镜头、多探测器的联合方位元素与畸变系数；(4)根据步骤(2)建立的数学模型进行公式整理得到各探测器影像到虚拟像平面的像点转换公式，将像点坐标表示为相对外方位元素的函数，按泰勒公式展开并保留至小值一次项，完成建立顾及各镜头、各探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型；(5)根据步骤(3)，完成各镜头内各探测器影像的几何校正，通过裁切探测器影像重叠区加速同名点匹配，并通过SIFT特征提取、精化匹配点、粗差剔除过程实现短基线影像的快速高精度匹配，获取多探测器影像重叠区的同名点；(6)根据步骤(4)，以同名点坐标误差最小原则建立自检校误差方程；(7)根据步骤(3)、(5)和(6)，逐点法化并根据最小二乘平差原理完成迭代求解，进而将相对方位元素初值与迭代结果累加，获得动态飞行时精确的相对方位元素，完成多中心投影向等效单中心投影的转换。2.根据权利要求1所述的一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，其特征在于：所述步骤(1)中建立基准像平面坐标系的具体方法为：(11)选择多镜头多探测器中心视场所含的中心探测器作为基准探测器E；(12)以基准探测器影像的几何中心点作为像平面坐标系原点o，构建右手平面直角坐标系o-xy，作为基准像平面坐标系；所述步骤(1)中建立基准像空间坐标系的具体方法为：(21)以多镜头相机中包含中心探测器的相机投影中心作为基准像空间坐标系的原点S；(22)通过点S作平行于基准像平面坐标系x轴和y轴的轴线，以主光轴oS为z轴，其坐标正向取摄影方向的反方向，构成基准像空间坐标系S-xyz。3.根据权利要求2所述的一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，其特征在于：所述步骤(1)中建立虚拟像空间坐标系的具体方法为：(31)以基准像空间坐标系S-xyz为起始坐标系；(32)将除中心视场镜头外的其余多镜头相机的投影中心投影至S-xy平面，以其坐标平均值作为新的坐标原点Sv，并将x轴、y轴、z轴平移至以Sv为起点的三个坐标轴xv、yv、zv，即得虚拟像空间坐标系Sv-xvyvzv。4.根据权利要求1所述的一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体方法为：依托各镜头相机、各探测器所获的高精度地面三维控制场检校影像，量测标志点几何中心位置，并开展像点及其相应控制点坐标之间的联合平差，同时获取各单镜头相机内方位元素与畸变差，单镜头相机探测器之间、各相机探测器之间相对方位元素。5.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚娜，林招荣，尚志鸣，钟灿，刘秀，王丽，王哲，李冰，李林鹏，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11