基于三面阵相机的机载高光谱图像几何校正装置制造方法及图纸

本专利公开了一种基于三面阵相机的机载高光谱图像几何校正装置。本发明专利技术装置采用低成本机载稳定平台实现相机视轴粗指向，将高光谱相机对地姿态角稳定在±0.05°～±0.1°。同时利用三个与高光谱相机固结的高速面阵CMOS相机，对地表连续成像，通过前后面阵图像的特征匹配来测量高光谱相机的精确姿态角。再利用高速面阵CMOS相机测量的姿态角对高光谱图像进行像元级别的实时几何校正。本专利解决了低成本稳定平台实现高光谱图像的几何校正的问题。该方法结构简单，成本低，精度高，计算速度快，能够对图像进行像元级别的实时几何校正。

Airborne Hyperspectral image geometric correction device based on three array camera

This patent discloses a geometric correction device for Airborne Hyperspectral Images Based on three - plane array cameras. The device of the invention adopts low cost stable platform to realize the Airborne Camera Los coarse pointing, hyperspectral camera on the attitude angle stability in + 0.05 degrees to + 0.1 degrees. At the same time, three high speed area array CMOS cameras fixed with Hyperspectral camera are used to measure the precise attitude angle of the hyperspectral camera through the continuous imaging of the ground surface and the matching of the front and back array images. The attitude angle measured by the high-speed array CMOS camera is used to perform the real time geometric correction of the pixel level of the hyperspectral image. This patent solves the problem of the low cost stable platform to realize the geometric correction of hyperspectral images. This method is simple in structure, low in cost, high in precision and fast in computing speed, and can be used for real time geometric correction of pixel level.

【技术实现步骤摘要】
基于三面阵相机的机载高光谱图像几何校正装置
：本专利涉及光谱技术，遥感测量领域，具体涉及一种机载高光谱图像的几何校正装置，该方法适用于轻小型低成本高分辨率光谱遥感系统。
技术介绍
：推扫式高光谱相机是一种采用线阵推扫成像方式的高光谱成像仪。推扫式高光谱相机常与机载平台相结合，具有光谱波段多，波段连续，图谱合一的特点，能够提供丰富的地表信息。目前已广泛应用于岩矿识别，植被类型区分，生态环境监测等领域。在成像过程中，由于飞机运动和气流影像，推扫成像方式获取的高光谱数据会存在较大的几何畸变，这种畸变会严重影响图像质量，有时候甚至造成了图像无法目视判读，严重影响了影像的正常应用。对于几何校正，最基本的是需要获取成像系统的外方位元素，即航偏角γ、俯仰角α和侧滚角β(heading,pitch,roll,HPR)。目前常用的方法为地面控制点法和惯性姿态测量法。对于第一种方法，在困难地区，无图区或者人员不能通达的地区，人们常常只能获得少量地面控制点或者根本无法获得地面控制点。对于第二种方法，普通民用惯性姿态测量产品(如MESE陀螺)的精度一般只能做到±0.1°，无法对分辨率达到毫弧度量级的高分辨率高光谱图像进行像元级别几何校正。某些能够达到要求的惯性姿态测量系统，比如航空位置与姿态自动测量和稳定装置(POS)，激光陀螺等，绝对角度精度能够做到±0.001°，但价格昂贵，动辄几百万，并且重量达到数公斤，影响了该技术的推广应用。本专利采用的三个高速面阵CMOS相机成本可以控制在10万元以下，并具有高精度的特点，因此本专利提供的机载高光谱图像实时几何校正方法及装置，能够很好解决当前机载高光谱相机姿态测量成本高的问题。
技术实现思路
：本专利所要解决的问题是提供一种机载高光谱图像的几何校正装置。本专利所述的装置，由运输机，机载稳定平台控制器1，机载稳定平台2，固定支架3，惯性姿态测量模块4，高速面阵CMOS相机5，高光谱相机6组成。整套装置可以配合运12型运输机使用。运输机舱提供测量窗口，在窗口上安装机载稳定平台。该稳定平台由铝合金制作，并提供多种机械安装接口。稳定平台自带一款低成本的MEMS惯性姿态测量模块，能够通过反馈控制使平台稳定在±0.05°～±0.1°。稳定平台中心为固定支架，支架中心固定一个高光谱相机。三个高速面阵CMOS相机以高光谱相机中心视场主光轴为对称轴，呈正三角形分布。三个高速面阵CMOS相机透镜中心距离光谱仪安装支架中心50cm，与光谱仪相机光轴平行。综合考虑像元规模、像元尺寸和帧频三个指标参数，结合项目需求，光谱仪决定采用加拿大DALSA公司的JUGAR型CCD探测器。该款CCD为四相面阵背照减薄帧转移型探测器，光谱仪波段范围是0.4-1.0um,光谱分辨率小于5nm。CMOS采用英国E2V公司的EV76C664型探测器。在典型应用模式下，该面阵相机适应作业高度1000～8000m，飞行速度180km/h～800km/h，在3000m作业高度时，空间分辨率0.25毫弧度(mrad)，帧速为350帧/秒。则此时每个高速面阵CMOS相机地面分辨率为：2×3000×tan(0.25×256/1000/2)≈200m.(1)该像元分辨率优于高光谱相机，是高光谱相机像元分辨率的3倍左右。该模式下具有突出的地物探测和识别能力。电子学系统主要由驱动模块、信息获取模块、主控模块和通信模块组成，驱动模块对输入电源进行去耦、分配，为探测器正常工作提供所需的偏压。信息获取模块为CMOS芯片提供输入输出接口，对视频信号进行射级跟随，提高信号的传输能力，将模拟视频信号转换成数字信号，送入主控FPGA中。主控模块为驱动模块提供驱动时序、控制的视频信号处理、编排数据格式、控制数据传输等。通信模块对成像数据进行并串转换，并经同轴电缆传输到数据记录设备中。高光谱相机和三个高速面阵CMOS相机同时对地面成像。首先，高速面阵CMOS获取的图形进行基于直方图的图像标准二值化处理，采用灰度平均值值法，即使用整幅图像的灰度平均值最为二值化的阈值。Threshold＝Sum/Amount(4)其中，h(g)为各颜色分量的直方统计函数，g为各个分量，Sum为整幅图像的灰度统计总和，Amount为灰度统计数量，Threshold即为阈值。接着进行滤波和图像特征点的提取。滤波主要采用高斯滤波，即线性平滑滤波。对整幅图像进行加权平均，每一个像素点的值都由本身和领域内的其他像素值经过加权平均得到。特征提取采用尺寸不变特征变换算法(SIFT)，利用原始图像与高斯核函数的卷积来建立尺寸空间，并在高斯差分空间金字塔上提取出尺寸不变性的特征点。对于连续两幅图像，我们对后一张进行坐标变换。通过对不同的航偏、俯仰和侧滚角组合进行网格搜索，在两幅图像左，中，右分别选取三个特征区域，比对前后两张图像特征区域中的特征点来确定姿态角即航偏角γ、俯仰角α和侧滚角β。例如。对于地面特征点A，在水平图像P0和倾斜图像P上的构像分别是a0和a,对应的以各自像主点为原点的像点坐标分别为(x0,y0)和(x,y)。则有：其中，f为焦距。利用该公式获得俯仰角α，同理可获取其余两个角度。为了获得相对于地面坐标系的绝对姿态角，需要对系统初始姿态进行定标。这里采取通过地面控制点来获取测量平台姿态角的方法。控制点的地理坐标提前确定。当三个高速面阵CMOS相机平拍摄到地面控制点后，通过控制点的地理坐标和在图像上的位置坐标，来计算相机平台当前的姿态角。此姿态角即为后面计算用到的初始角度。获取姿态角α,β,γ后，基于共线方程计算因飞机姿态变化导致的像点位移。由摄影测量基本原理，线中心投影的几何关系可以用共线方程表示：其中，f为焦距，xreal和yreal是地物点的实际地理坐标，(x,y)为像素点在地面坐标系中的坐标，(X,Y,Z)为像素点在图像框标坐标系中的坐标，(XS,YS,ZS)为投影中心在图像框标坐标系中的坐标，ai,bi,ci(i＝1,2,3)为只含三个独立参数的九个方向余弦，它们可由以下公式计算获得：计算出全部像素点的地面坐标后，对图像进行重采样操作。用该坐标来替换原高光谱图像的坐标，进行图像实时几何校正。有益效果：本专利解决了低成本云台实现高光谱图像的几何校正的问题。该方法结构简单，成本低，精度高，计算速度快，能够对图像进行像元级别的实时几何校正。附图说明：图1是机载光谱图像的几何校正装置示意图。图2是算法流程图。具体实施方式：下面结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：图1是机载光谱图像的几何校正装置示意图。包括运输机，机载稳定平台控制器1，机载稳定平台2，固定支架3，惯性姿态测量模块4，高速面阵CMOS相机5，高光谱相机6组成。机载稳定平台2在运输机窗口上水平固定，z轴与地面铅垂线方向一致。在电机控制下，并通过惯性姿态测量模块4的反馈控制，能够使其x,y轴稳定在±0.05°～±0.1°。机载稳定平台2上有固定支架3，在3上固定有一个高光谱相机6。三个高速面阵CMOS相机以高光谱相机中心视场主光线为对称轴，呈呈正三角形分布。三个高速面阵CMOS相机透镜中心距离光谱仪中心50cm，与高光谱相机的光轴平行。图1中有相机相对地面投影关系图，7是其中一个高速面阵CMOS相机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三面阵相机的机载高光谱图像几何校正装置，包括运输机，机载稳定平台控制器(1)，机载稳定平台(2)，固定支架(3)，惯性姿态测量模块(4)，三个高速面阵CMOS相机(5)，其特征在于：所述的三个高速面阵CMOS相机通过固定支架(3)，以高光谱相机(6)中心视场主光轴为对称轴，呈正三角形分布；三个高速面阵CMOS相机像元分辨率是高光谱相机的2～3倍，地面空间分辨率为200m；机载稳定平台的稳定平台控制器(1)的姿态控制稳定度在±0.05°～±0.1°之间。

【技术特征摘要】
1.一种基于三面阵相机的机载高光谱图像几何校正装置，包括运输机，机载稳定平台控制器(1)，机载稳定平台(2)，固定支架(3)，惯性姿态测量模块(4)，三个高速面阵CMOS相机(5)，其特征在于：所述的三个高速面阵CMOS相机通过固定支...

【专利技术属性】
技术研发人员：王跃明，金伟东，刘敏，舒嵘，王建宇，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31