基于RPC定位模型的星载视频稳像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于RPC定位模型的星载视频稳像方法及系统，包括：步骤1，构建星载视频影像序列中各帧影像的RPC模型；步骤2，基于SIFT特征匹配实现星载视频影像序列中帧影像的匹配，提取帧间同名点；步骤3，基于RPC模型实现星载视频影像序列中帧影像的定向，实现基准帧和其余帧的定向平差，使得同名点间满足几何定位一致性；步骤4，利用RPC模型构建的定位一致性约束实现重采样，获得重采影像，即稳像影像。本发明专利技术顾及相机畸变、地形起伏等对稳像精度的影响，保证视频卫星稳像精度。

【技术实现步骤摘要】
基于RPC定位模型的星载视频稳像方法及系统
本专利技术属于星载视频影像序列稳像处理
，尤其涉及一种基于RPC定位模型的星载视频稳像方法及系统。
技术介绍
视频卫星是近几年出现的新型光学成像卫星，2013年SkyboxImaging公司发射了首颗视频卫星Skysat卫星，开创了高时效动态遥感的新纪元。我国国防科技大学2014年发射了自主研制的“天拓二号”卫星，该卫星作为一颗科学试验卫星，在国内首次采用视频成像体制。2015年，长光卫星技术有限公司发射了“吉林一号”卫星，是国内首个能够拍摄全彩视频的卫星。不同于地面拍摄视频，星载视频由于平台自身的运动，使得不动背景产生“伪动”，因此需要进行视频稳像，对背景进行运动估计补偿。经典视频稳像技术主要包括图像预处理、运动估计和运动补偿三部分，其中，运动估计通过块匹配法、特征点匹配法、灰度投影法或位平面匹配法提取帧间的同名点，利用平移模型、仿射模型、相似模型或投影变换模型估计帧间的由于载体运动引起的帧间变形。运动补偿主要利用运动估计计算的变换模型校正当前帧，使视频显示稳定的位置上。常见的运动补偿方法主要有固定帧补偿法、逐帧补偿算法和运动滤波补偿法。由于帧间影像的运动变形涉及到相机畸变、成像角度、地形起伏等引起的复杂变形，经典帧间的变换模型不能精确描述相邻帧之间的同名点关系。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术顾及帧间复杂变形，提出了一种基于RPC定位模型的星载视频稳像方法及系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一、基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，包括：步骤1，构建星载视频影像序列中各帧影像的RPC模型，本步骤进一步包括：1.1建立视频相机的严密成像几何模型，所述的严密成像几何模型表示了各帧影像的像点坐标与地面点坐标的数值关系；1.2建立各帧影像的RPC模型，具体为：1.2.1根据严密成像几何模型，分别计算各帧影像上、下、左、右四个角点的地面点坐标，将地面点坐标转换成地理坐标；根据四个角点的地理坐标获得帧影像区域的地理范围；从SRTM数据上读取该地理范围的影像，并计算该地理范围的高程范围；1.2.2对各帧影像进行虚拟控制格网划分，根据严密成像几何模型计算格网上各网格点的地面点坐标，并转换成地理坐标，获得形如(x,y,lat,lon,h)的网格点，即控制点；其中，(x,y)表示控制点的影像坐标，(lat,lon,h)表示控制点的地理坐标；1.2.3根据各控制点的(x,y,lat,lon,h)，采用最小二乘法求解RPC模型中的有理多项式系数；步骤2，星载视频影像序列中帧影像的匹配，本步骤进一步包括：2.1星载视频影像序列中任选一帧影像作为基准影像；2.2星载视频影像序列中基准影像以外的影像记为其余影像；对各其余影像，利用SIFT特征匹配法，分别将各其余影像与基准影像进行匹配，得到各其余影像与基准影像的同名点集；步骤3，星载视频影像序列中帧影像的定向，本步骤进一步包括：3.1计算各基准影像同名点的地理坐标，并获得其余影像的控制点；具体为：记(xlm,ylm)为基准影像同名点的影像坐标，(xrm,yrm)为基准影像同名点对应的其余影像同名点的影像坐标；3.1.1构建影像坐标(x,y)与地理坐标(lat,lon,h)间的关系式记为式(1)；采用严密成像几何模型计算基准影像上、下、左、右四个角点的地理坐标(lat,lon,h)，根据四个角点的影像坐标(x,y)和地理坐标(lat,lon,h)，计算仿射变换参数f0、f1、f2、g0、g1、g2：3.1.2根据基准影像的同名点的影像坐标(xlm,ylm)，采用式(1)获得基准影像同名点的地理坐标；3.1.3根据基准影像同名点的地理坐标，采用RPC模型获得对应的影像坐标3.1.4令根据采用式(1)获得的基准影像同名点的地理坐标(lat,lon,h)构建地面点，所构建的地面点的地理坐标分别为(lat-Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon+Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat-Δlat,lon+Δlon,h)e，采用RPC模型获得所构建的四个地面点对应的影像坐标；根据所构建的四个地面点的影像坐标和地理坐标，更新式(1)的仿射变换参数；3.1.5重复子步骤3.1.2～3.1.4，直至xlm与的差值以及ylm与的差值均小于预设阈值，结束迭代，当前地理坐标即基准影像同名点的地理坐标；3.1.6将基准影像同名点的地理坐标赋值给其所对应的其余影像同名点，获得其余影像同名点的(xrm,yrm,lat,lon,h)，其余影像同名点的(xrm,yrm,lat,lon,h)构成其余影像的控制点；3.2根据其余影像的控制点计算其余影像的RPC模型像方补偿参数；步骤4，基于其余影像的RPC模型像方补偿参数，对其余影像进行帧影像重采，获得重采影像，即稳像影像。子步骤1.1进一步包括：1.1.1利用视频相机的像主点和像主距，构建帧影像中像元的影像坐标和像点坐标的数值关系；1.1.2根据帧影像的成像时刻，计算各成像时刻的轨道位置矢量和姿态；1.1.3根据像点坐标、轨道位置矢量和姿态，建立各帧影像的像点坐标与地面点坐标的数值关系，即严密成像几何模型。·所述的RPC模型为NL(P,L,H)、DL(P,L,H)、NS(P,L,H)、DS(P,L,H)表示RPC模型的有理多项式，(P,L,H)为(lat,lon,h)的正则化坐标。所述的所述的所述的所述的其中，ai、bi、ci、di即有理多项式系数，i＝1，2，……20。步骤4进一步包括：4.1建立与基准影像尺寸相同的重采影像；4.2对重采影像各像素，计算其对应的地理坐标，具体为：4.2.1采用严密成像几何模型，计算重采影像四个角点的地理坐标(lat,lon,h)，根据四个角点的影像坐标和地理坐标，计算式(1)的仿射变换参数f0、f1、f2、g0、g1、g2：4.2.2采用式(1)获得重采影像像素(x,y)的地理坐标(lat,lon,h)e；4.2.3根据重采影像上像素的地理坐标，采用RPC模型获得对应的影像坐标(x0,y0)；4.2.4令根据采用式(1)获得重采影像像素的地理坐标构建地面点，所构建的地面点的地理坐标分别为(lat-Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon+Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat-Δlat,lon+Δlon,h)e，采用RPC模型获得所构建的四个地面点对应的影像坐标；根据所构建的四个地面点的影像坐标和地理坐标，更新式(1)的仿射变换参数；4.2.5重复子步骤4.2.2～4.2.4，直至x与x0的差值以及y与y0的差值均小于预设阈值，结束迭代，当前地理坐标即重采影像像素的地理坐标；4.3根据其余影像的RPC模型及像方补偿参数，计算重采影像像素的地理坐标在其余影像上的影像坐标(xx',yy')；4.4采用距离加权方法计算影像坐标(xx',yy')的灰度值p(xx',yy')，将灰度值p(xx',yy')赋值给重采影像像素(x,y)；4.5对重采影像中各元素分别执行重复子步骤4.2～4.4，生成整景重采影像，即稳像影像。子步骤4.4中，灰度值p本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，其特征是，包括：步骤1，构建星载视频影像序列中各帧影像的RPC模型，本步骤进一步包括：1.1建立视频相机的严密成像几何模型，所述的严密成像几何模型表示了各帧影像的像点坐标与地面点坐标的数值关系；1.2建立各帧影像的RPC模型，具体为：1.2.1根据严密成像几何模型，分别计算各帧影像上、下、左、右四个角点的地面点坐标，将地面点坐标转换成地理坐标；根据四个角点的地理坐标获得帧影像区域的地理范围；从SRTM数据上读取该地理范围的影像，并计算该地理范围的高程范围；1.2.2对各帧影像进行虚拟控制格网划分，根据严密成像几何模型计算格网上各网格点的地面点坐标，并转换成地理坐标，获得形如(x,y,lat,lon,h)的网格点，即控制点；其中，(x,y)表示控制点的影像坐标，(lat,lon,h)表示控制点的地理坐标；1.2.3根据各控制点的(x,y,lat,lon,h)，采用最小二乘法求解RPC模型中的有理多项式系数；步骤2，星载视频影像序列中帧影像的匹配，本步骤进一步包括：2.1星载视频影像序列中任选一帧影像作为基准影像；2.2星载视频影像序列中基准影像以外的影像记为其余影像；对各其余影像，利用SIFT特征匹配法，分别将各其余影像与基准影像进行匹配，得到各其余影像与基准影像的同名点集；步骤3，星载视频影像序列中帧影像的定向，本步骤进一步包括：3.1计算各基准影像同名点的地理坐标，并获得其余影像的控制点；具体为：记(xlm,ylm)为基准影像同名点的影像坐标，(xrm,yrm)为基准影像同名点对应的其余影像同名点的影像坐标；3.1.1构建影像坐标(x,y)与地理坐标(lat,lon,h)间的关系式...

【技术特征摘要】
1.基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，其特征是，包括：步骤1，构建星载视频影像序列中各帧影像的RPC模型，本步骤进一步包括：1.1建立视频相机的严密成像几何模型，所述的严密成像几何模型表示了各帧影像的像点坐标与地面点坐标的数值关系；1.2建立各帧影像的RPC模型，具体为：1.2.1根据严密成像几何模型，分别计算各帧影像上、下、左、右四个角点的地面点坐标，将地面点坐标转换成地理坐标；根据四个角点的地理坐标获得帧影像区域的地理范围；从SRTM数据上读取该地理范围的影像，并计算该地理范围的高程范围；1.2.2对各帧影像进行虚拟控制格网划分，根据严密成像几何模型计算格网上各网格点的地面点坐标，并转换成地理坐标，获得形如(x,y,lat,lon,h)的网格点，即控制点；其中，(x,y)表示控制点的影像坐标，(lat,lon,h)表示控制点的地理坐标；1.2.3根据各控制点的(x,y,lat,lon,h)，采用最小二乘法求解RPC模型中的有理多项式系数；步骤2，星载视频影像序列中帧影像的匹配，本步骤进一步包括：2.1星载视频影像序列中任选一帧影像作为基准影像；2.2星载视频影像序列中基准影像以外的影像记为其余影像；对各其余影像，利用SIFT特征匹配法，分别将各其余影像与基准影像进行匹配，得到各其余影像与基准影像的同名点集；步骤3，星载视频影像序列中帧影像的定向，本步骤进一步包括：3.1计算各基准影像同名点的地理坐标，并获得其余影像的控制点；具体为：记(xlm,ylm)为基准影像同名点的影像坐标，(xrm,yrm)为基准影像同名点对应的其余影像同名点的影像坐标；3.1.1构建影像坐标(x,y)与地理坐标(lat,lon,h)间的关系式记为式(1)；采用严密成像几何模型计算基准影像上、下、左、右四个角点的地理坐标(lat,lon,h)，根据四个角点的影像坐标(x,y)和地理坐标(lat,lon,h)，计算仿射变换参数f0、f1、f2、g0、g1、g2：3.1.2根据基准影像的同名点的影像坐标(xlm,ylm)，采用式(1)获得基准影像同名点的地理坐标；3.1.3根据基准影像同名点的地理坐标，采用RPC模型获得对应的影像坐标3.1.4令根据采用式(1)获得的基准影像同名点的地理坐标(lat,lon,h)构建地面点，所构建的地面点的地理坐标分别为(lat-Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon+Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat-Δlat,lon+Δlon,h)e，采用RPC模型获得所构建的四个地面点对应的影像坐标；根据所构建的四个地面点的影像坐标和地理坐标，更新式(1)的仿射变换参数；3.1.5重复子步骤3.1.2～3.1.4，直至xlm与的差值以及ylm与的差值均小于预设阈值，结束迭代，当前地理坐标即基准影像同名点的地理坐标；3.1.6将基准影像同名点的地理坐标赋值给其所对应的其余影像同名点，获得其余影像同名点的(xrm,yrm,lat,lon,h)，其余影像同名点的(xrm,yrm,lat,lon,h)构成其余影像的控制点；3.2根据其余影像的控制点计算其余影像的RPC模型像方补偿参数；步骤4，基于其余影像的RPC模型像方补偿参数，对其余影像进行帧影像重采，获得重采影像，即稳像影像。2.如权利要求1所述的基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，其特征是：子步骤1.1进一步包括：1.1.1利用视频相机的像主点和像主距，构建帧影像中像元的影像坐标和像点坐标的数值关系；1.1.2根据帧影像的成像时刻，计算各成像时刻的轨道位置矢量和姿态；1.1.3根据像点坐标、轨道位置矢量和姿态，建立各帧影像的像点坐标与地面点坐标的数值关系，即严密成像几何模型。3.如权利要求1所述的基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，其特征是：所述的RPC模型为NL(P,L,H)、DL(P,L,H)、NS(P,L,H)、DS(P,L,H)表示RPC模型的有理多项式，(P,L,H)为(lat,lon,h)的正则化坐标。4.如权利要求3所述的基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，其特征是：所述的所述的所述的所述的其中，ai、bi、ci、di即有理多项式系数，i＝1，2，……20。5.如权利要求1所述的基于RPC定位模型的星载视频稳像方法，其特征是：步骤4进一步包括：4.1建立与基准影像尺寸相同的重采影像；4.2对重采影像各像素，计算其对应的地理坐标，具体为：4.2.1采用严密成像几何模型，计算重采影像四个角点的地理坐标(lat,lon,h)，根据四个角点的影像坐标和地理坐标，计算式(1)的仿射变换参数f0、f1、f2、g0、g1、g2：4.2.2采用式(1)获得重采影像像素(x,y)的地理坐标(lat,lon,h)e；4.2.3根据重采影像上像素的地理坐标，采用RPC模型获得对应的影像坐标(x0,y0)；4.2.4令根据采用式(1)获得重采影像像素的地理坐标构建地面点，所构建的地面点的地理坐标分别为(lat-Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon+Δlon,h)e、(lat+Δlat,lon-Δlon,h)e、(lat-Δlat,lon+Δlon,h)e，采用RPC模型获得所构建的四个地面点对应的影像坐标；根据所构建的四个地面点的影像坐标和地理坐标，更新式(1)的仿射变换参数；4.2.5重复子步骤4.2.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张过，蒋永华，汪韬阳，崔子豪，徐凯，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42