基于物方投影几何约束的线阵推扫式影像最佳扫描线搜索方法技术

基于物方投影几何约束的线阵推扫式影像最佳扫描线搜索方法：将ＣＣＤ线阵传感器分段，对每段用一条直线表示，每段ＣＣＤ探元在扫描成像时，与扫描线投影中心分别形成一个扫描行中心投影面；估算线阵推扫式影像物方平均高程投影面坐标系到影像扫描坐标系的６个仿射变换参数；获取影像相邻扫描行中心投影面空间距离的估值；估算物点在影像上的成像位置；进行扫描线物方搜索迭代计算；定位与物点左右最邻近的两个扫描行中心投影面，通过物方插值计算最佳扫描线物方搜索的精确解。本发明专利技术简单、易于实现，显著地减少了最佳扫描线搜索的计算量，从而能有效提高线阵推扫式影像的坐标反投影计算的效率，特别适合于高分辨率线阵推扫式海量影像处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测绘科学与
，涉及一种基于物方投影几何约束的线阵推扫式影像最 佳扫描线快速搜索方法。该方法结合线阵推扫式影像特有的摄影几何关系，采取一种新的基 于各扫描行中心投影面空间约束的物方搜索策略，实现物方点最佳成像扫描线的高效搜索。
技术介绍
线阵推扫式传感器目前已经广泛应用于航空航天摄影测量领域，为摄影测量与遥感应用 开辟了崭新的途径。在航天领域，IKONOS、 SPOT5、 CBERS-2、 QuickBird等卫星上荷载的 CCD传感器皆为线阵推扫式传感器；在航空遥感领域，近些年来也相继出现了一些高效的商 用数字传感器系统，例如ADS40、 STARIMAGER ,它们都基于多线阵CCD推扫成像，具 有广阔的应用前景。线阵推扫式影像遵循多中心投影成像原理，每一条扫描线与被摄物体之 间具有严格的中心投影几何关系，并拥有各自的6个外方位元素。因此，要计算地面点的影 像坐标，首先要确定其成像曝光时刻及其对应的外方位元素，这就涉及到最佳扫描线的搜索 定位问题。在线阵推扫式影像的各种摄影测量应用中，如对影像进行的几何纠正处理、基于 立体影像的目标定位和立体测图等，最佳扫描行的快速精确定位都是十分基础和重要的环 节，并且在很大程度上影响着线阵推扫式影像的处理和应用效率。早在上世纪，针对各种线阵推扫式卫星传感器的实际应用需求，经典的像方最佳扫描线 搜索策略被提出并沿用至今。近几年，新型航空航天传感器的发展应用对扫描线搜索的效率 提出了更高的要求，出现了一些改进的像方搜索方法，并较多的用于航空影像的后处理。随 着当前影像分辨率的不断提高，某些CCD推扫式传感器如ADS40，获取的一景条带影像至 少包含数万条扫描线，数据处理的计算量也相应变大。特别是在立体测图应用中，需要在短 时间内完成大批测量点的最佳扫描线快速精确搜索计算，这就对搜索方法的效率提出了更高 的要求。已有的最佳扫描线搜索方法全都采取基于严密传感器数学模型即中心投影共线方程 的像方搜索策略，然而搜索过程中基于共线方程的多次繁琐矩阵运算已成为当前线阵推扫式 影像后处理及应用的效率瓶颈。扫描行中心投影面是线阵推扫式影像的每条扫描线在成像瞬间，CCD线阵传感器与其投 影中心所构成的空间平面。对于任何一景线阵推扫式影像，各扫描行中心投影面在有效摄影 区域内应近似平行即互不相交，且相邻扫描行中心投影面的间隙不会出现明显变化，以保证 影像的质量和使用价值。基于扫描行中心投影面的这种空间约束关系，在找到物方点的左右 最邻近扫描行中心投影面之后，基于物点、投影中心、像点共面的约束条件，可以内插精确 定位最佳扫描线。这种物方搜索策略能成为解决传统搜索效率瓶颈问题的突破口，它不但有 效避免了传统方法中基于严密传感器模型即共线方程的多次搜索计算，并且只需要少量的解 析几何运算，能显著地提高搜索效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种基于物方投影几何约束的线阵推扫式影像最佳扫描线快速搜索方法。该方法基于线阵推扫式影像特有的摄影几何约束，将传统的基于CCD探元焦平面坐标约束的像方搜索过程，巧妙转化为基于各扫描行中心投影面约束关系的物方搜 索过程，从而有效地避开了传统像方搜索策略中基于严密传感器数学模型的繁琐计算，方法 简单、易于实现，具有一定的通用性。本专利技术提供的技术方案是 一种基于物方投影几何约束的线阵推扫式影像最佳扫描线快 速搜索方法，包括以下步骤1. 将CCD线阵传感器分成"段，"取不大于30的正整数；然后对每段之内的CCD探元用一条直线近似表示，这样每段CCD探元在扫描成像时，与扫描线投影中心分别形成一个扫描行中心投影面；2. 采用二维仿射变换公式(1)近似描述线阵推扫式影像的像素坐标与物方平均高程面二维投影坐标之间的对应关系；在线阵推扫式影像的四角选取4个像点，基于中心投影共线 条件方程计算它们在物方平均高程面上的二维投影坐标；将这4个像点的像素坐标和计 算得到的物方投影点坐标分别代入公式(1)联立方程组，基于最小二乘平差解算6个仿 射变换参数；x = an + a, Z +(1)上面公式中-Oc，力为像点的像素坐标，其中;c对应的是影像扫描行的行号；(z,r)为像点在物方平均高程面上的二维投影坐标；a。,apa2,6。,6,^为6个仿射变换参数；3. 获取影像相邻扫描行中心投影面空间距离的估值，采用公式(2)或(3)或(4);(2)W-l(3)d = GSDxcos r (4)上面公式中^为相邻扫描行中心投影面空间距离的估值；D为影像最后一条扫描线的投影中心到起始扫描行中心投影面的距离； 7V为影像扫描线总数；GSD (Ground Sample Distance)为影像的地面采样间隔； "为线阵传感器的扫描角；4. 基于二维仿射变换公式(1)对物点进行计算，得到其像点的像素坐标近似值Oc,力，对;c 坐标值取整后的结果为w;若"等于l，直接进入步骤5，若m大于1，则基于估算得到 的像点位置判断成像探元所在的CCD分段，进而选择该CCD分段所对应的扫描行中心 投影面作为物方搜索的基准；5. 进行扫描线物方搜索迭代计算(1) 以附作为扫描线物方搜索迭代值的初值；(2) 基于公式(5)，计算物点与第w条扫描线的扫描行中心投影面之间扫描线数目 的估值/i;上面公式中J,5，C，D为影像上第W条扫描线的扫描行中心投影面平面方程系数；(x,:r,z)为物点坐标；当//>2时，返回步骤(2)并用/的值代替m的值，直至//^2;否则，停止迭代; 得到扫描线物方搜索迭代值； 6.基于所得的扫描线物方搜索迭代值，定位与物点左右最邻近的两个扫描行中心投影面， 通过物方插值计算最佳扫描线物方搜索的精确解丄，计算公式如下-公式中丄为物点的最佳扫描线的物方搜索值；/为物点左边最邻近扫描行中心投影面对应的影像扫描线行号； A为物点到左边最邻近扫描行中心投影面的距离； ￡>2为物点到右边最邻近扫描行中心投影面的距离；在上述方法中，为了保证最优的搜索精度，最好基于线阵推扫式影像的严密传感器数学 模型对步骤6获取的最佳扫描线物方搜索的精确解进行补偿。本专利技术基于各扫描行中心投影面的空间约束关系，将中心投影与近似平行投影的线阵推 扫式传感器模型完美结合，突破性地提出了线阵推扫式影像最佳扫描线的物方搜索准则。由 于几乎所有与严密传感器数学模型相关的繁琐计算都在扫描行中心投影面的参数计算阶段 完成，而物方搜索阶段只涉及简单的解析几何运算，因而与传统基于像方搜索准则的方法相 比，效率有了显著提高。在CCD线阵本身被作为直线处理的情况下，最佳扫描线搜索计算 只涉及简单的空间解析运算；即使在CCD线阵不被作为直线处理的情况下，CCD分段策略公式中Z)为物点到第m条扫描线的扫描行中心投影面的距离；d为相邻扫描行中心投影面空间距离的估值； (3)基于公式(6)计算扫描线物方搜索迭代值的中间变量/:也能最大程度地降低扫描线精确补偿对方法效率的影响。该方法目前已被成功用于ADS40 的数据处理模块和我国资源卫星的预处理系统，实践证明了该方法的可行性、稳健性和高效 性。附图说明图1为本专利技术基于物方投影几何约束进行线阵推扫式影像最佳扫描线搜索的流程图2为扫描行中心投影面示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于物方投影几何约束的线阵推扫式影像最佳扫描线搜索方法，包括以下步骤：一、将ＣＣＤ线阵传感器分成ｎ段，ｎ取不大于３０的正整数；然后对每段之内的ＣＣＤ探元用一条直线近似表示，这样每段ＣＣＤ探元在扫描成像时，与扫描线投影中心分别形成一个扫描行中心投影面；二、采用二维仿射变换公式（１）近似描述线阵推扫式影像的像素坐标与物方平均高程面二维投影坐标之间的对应关系；在线阵推扫式影像的四角选取４个像点，基于中心投影共线条件方程计算它们在物方平均高程面上的二维投影坐标；将这４个像点的像素坐标和计算得到的物方投影点坐标分别代入公式（１）联立方程组，基于最小二乘平差解算６个仿射变换参数；ｘ＝ａ↓［０］＋ａ↓［１］Ｘ＋ａ↓［２］Ｙｙ＝ｂ↓［０］＋ｂ↓［１］Ｘ＋ｂ↓［２］Ｙ　（１）上面公式中：（ｘ，ｙ）为像点的像素坐标，其中ｘ对应的是影像扫描行的行号；（Ｘ，Ｙ）为像点在物方平均高程面上的二维投影坐标；α↓［０］，ａ↓［１］，ａ↓［２］，ｂ↓［０］，ｂ↓［１］，ｂ↓［２］为６个仿射变换参数；三、通过公式（２）或（３）或（４），获取影像相邻扫描行中心投影面空间距离的估值ｄ；ｄ＝Ｄ／Ｎ－１（２）ｄ＝ＧＳＤ（３）ｄ＝ＧＳＤ×ｃｏｓα（４）上面公式中：Ｄ为影像最后一条扫描线的投影中心到起始扫描行中心投影面的距离；Ｎ为影像的扫描线数目；ＧＳＤ为影像的地面采样间隔；α为线阵传感器的扫描角；四、基于二维仿射变换公式（１）对物点进行计算，得到其像点的像素坐标近似值（ｘ，ｙ），对ｘ坐标值取整后的结果为ｍ；若ｎ等于１，直接进入步骤五，若ｎ大于１，则基于估算得到的像点位置判断成像探元所在的ＣＣＤ分段，进而选择该ＣＣＤ分段所对应的扫描行中心投影面作为物方搜索的基准；五、进行扫描线物方搜索迭代计算：（１）以ｍ作为扫描线物方搜索迭代值的初值；（２）基于公式（５），计算物点与第ｍ条扫描线的扫描行中心投影面之间扫描线数目的估值μ；μ＝Ｄ／ｄ（５）公式中：Ｄ为物点到第ｍ条扫描线的扫描行中心投影面的距离；ｄ为相邻扫描行中心投影面空间距离的估值；（３）基于公式（６）计算扫描线物方搜索迭代值的中间变量ｌ：ＡＸ＋ＢＹ＋ＣＺ＋Ｄ≤０＊＊＊ＡＸ＋ＢＹ＋ＣＺ＋Ｄ＞０＊＊＊（６）上面公式中：Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ为影像上第ｍ条扫描线的扫描行中心投影面平面方程系数；（Ｘ，Ｙ，Ｚ）为物点坐标；当μ＞２时，返回步骤（２）并用ｌ的值代替ｍ的值，直至μ≤２；否则，停止迭代；得到扫描线物方搜索迭代值；六、...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王密，胡芬，王海涛，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]