航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法。该方法结合GFHK相机的结构特点提出了一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法。该方法将三台相机等效成一台虚拟相机，不考虑各几何畸变具体的物理意义，采用一种数学意义上的经验模型综合描述各种几何畸变的影响，将这种综合影响归算为每个CCD探元在焦平面坐标系下的坐标的偏移，然后利用已知参数的高分辨率航空相机数据创造数字定标场，通过匹配得到控制点云，摆脱了高精度地面检校场依赖，有效降低定标成本，提高定标精度和可靠性。定标精度和可靠性。定标精度和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法及系统


[0001]本专利技术属于航空摄影测量领域，特别是涉及一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法及系统。

技术介绍

[0002]高光谱影像具有丰富的光谱信息，在农业、植被、环境监测领域中具有广泛的应用。目前主流的高光谱相机大多采用线阵扫描成像方式，线阵相机往往比框幅式相机具有更高的空间分辨率，因此也被广泛应用于摄影测量、三维重建等领域中。为尽可能增大视场角，比较流行的方式是将多个线阵CCD元件进行组合，再对影像进行拼接。主流的组合式线阵相机主要分为两种，一种是将线阵CCD在焦平面上平行交错安置，另一种是采取将多台相机组合安装的方式。
[0003]GFHK是一款由三台线阵相机组合安装的线阵相机成像系统，三台子相机安装方式如图1所示，三台相机的中心点分别记为O
R
、O
M
、O
L
，例如O
R
处相机的线阵CCD记为CCD
R
，三个相机在安置时确保了主光轴交于一点P。进行航摄时，三个相机同时成像。
[0004]对于组合式线阵相机，相机标定是其开展摄影测量工作的基础，标定结果的精确性将会对后续测量和三维重建的结果产生巨大的影响。组合式线阵相机定标常采用两种方式：一种是对每个线阵CCD分别进行标定，再将经过几何纠正的影像进行拼接；第二种方式是构建一条虚拟线阵，认为线阵CCD之间旋转平移是镜头畸变、CCD安装误差、大气折射等系统误差的一部分，然后基于严格几何成像模型，建立原始图像和拼接影像像点的坐标映射关系，实现相机定标。但这些方法仅考虑单台相机多片CCD的特点，主要解决单台相机多片CCD图像的拼接问题，不适用于多台相机组合构成的成像系统。同时，由于GFHK的三个子线阵影像重叠区域小，且左右两个子相机没有POS数据，更增添了标定的困难程度。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术结合GFHK相机的结构特点提出了一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法。该方法不采取分别对三台子相机分别进行标定，然后进行拼接的方式，而是将三台相机等效成一台虚拟相机，不考虑各几何畸变具体的物理意义，采用一种数学意义上的经验模型综合描述各种几何畸变的影响，并将这种综合影响归算为每个CCD探元在焦平面坐标系下的坐标的偏移。最后利用已知精确定向参数的高分辨率航空相机数据创造数字定标场，通过匹配得到控制点云，从而脱离高精度地面检校场依赖，有效降低定标成本，提高定标精度和可靠性。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法。该方法结合GFHK相机的结构特点，将多相机多线阵虚拟成单相机多线阵结构，以此虚拟相机的内参数表征整个成像系统；利用基于虚拟相机的严格几何模型对子相机图像进行高效高精度的拼接处理，将影像存在的畸变、几何变换参数当作检校需要求解的参数，整体纳入标定模型；最后基于云控制理论，利用已知定向参数的影像来构建云控制数字定标场来求解各个探元
的检校参数，完成相机的标定。
[0007]本专利技术的技术方案为一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法，用于结合组合式线阵相机的结构特点，将多相机多线阵虚拟成单相机多线阵结构，以此虚拟相机的内参数表征整个成像系统实现标定，所述组合式线阵相机由三台线阵相机组合安装得到；实现过程包括如下步骤，
[0008]步骤1，用组合式线阵相机对某一测区采集影像，对于每一航带，将三台子相机分别获取的影像根据相机设计参数拼接成一幅整体影像，视为一个虚拟线阵相机的推扫成像结果，并依据单台相机的实验室内方位参数和三台相机组合关系计算得到虚拟相机初始内方位参数；
[0009]步骤2，将所述组合式线阵相机内中间相机的POS作为拼接后影像每条扫描线的POS，利用虚拟相机初始内方位参数和POS数据，并设置测区的地面均高，对步骤1中虚拟线阵相机的推扫成像结果影像进行几何纠正，初步消除由于飞行时的不稳定而带来的影像几何变形，生成的影像称为L1影像；
[0010]步骤3，使用已检校过的线阵或面阵相机在同一测区采集影像作为参考影像，进行连接点匹配和空中三角测量处理，平差解算所有参考影像的内外方位参数；
[0011]步骤4，对步骤2中每一条航带的L1影像提取大量密集的Harris特征点，利用点匹配方式将提取到的Harris特征点与参考影像进行匹配，选择匹配成功点最多的航带L1影像进行后续云控制标定处理；
[0012]步骤5，利用参考影像的内外方位元素，根据前方交会原理，求解匹配点的地面坐标作为云控制点；
[0013]步骤6，利用云控制点和虚拟相机初始内方位参数，根据光束法平差求解线阵影像每一条扫描线的外方位元素；
[0014]步骤7，分别计算线阵影像中每个特征像点在影像行方向、列方向的重投影误差，其中影像行方向记为x方向，列方向记为y方向；
[0015]步骤8，建立多项式模型分别对x和y方向的重投影误差进行曲线拟合，根据拟合后的残差曲线计算所有探元的内方位参数，完成线阵相机的标定。
[0016]而且，步骤3实现过程为，
[0017]步骤2.1，利用相机的初始设计参数以及飞行时的POS，构建严密几何成像模型：
[0018][0019]式中，表示目标在地心地固坐标系下的位置向量，表示平台在地心地固坐标系下的位置，λ表示尺度因子，表示传感器坐标系到平台坐标系的旋转矩阵，表示平台到惯性坐标系的旋转矩阵，则表示惯性坐标系到地心地固坐标系的旋转矩阵,f为相机焦距，(x,y)表示目标点焦平面坐标，由于线阵影像CCD呈直线摆放，式中x等于0，y根据像点坐标和探元尺寸得到；(Δx,Δy)表示各种因素对像点坐标的综合影响；
[0020]步骤2.2，给定测区地面均高，将拼接后的整体影像中的每个像素，按照式(1)的严
密几何成像模型对应关系计算出每个像点在平均高程面上的坐标，并按照正射投影转换方式，生成L1影像，完成线阵影像的几何纠正。
[0021]而且，所述步骤6计算每一条扫描线的外方位元素，实现步骤为，
[0022]步骤6.1，将步骤2.2中L1影像中的特征点按照反投影的方式计算出焦平面坐标；
[0023]步骤6.2，根据严密几何成像模型，建立误差方程式，以每条扫描行的POS为初值，迭代解算所述扫描行的外方位元素改正值，直至外方位元素改正值小于阈值，即认为外方位元素解算完毕。
[0024]而且，所述步骤7中计算重投影误差的计算公式如下：
[0025][0026]式中，Δx，Δy即为线阵影像中每个特征像点在x和y方向的重投影误差，(X,Y,Z)为特征像点对应的地面点坐标，由步骤5中参考影像经过前方交会得到。
[0027]而且，所述步骤8根据多项式模型求解所述线阵相机所有探元的内方位参数，实现步骤如下，
[0028]步骤8.1，建立的探元序号与对应像点重投影误差的多项式模型：
[0029][0030]式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法，其特征在于：用于结合组合式线阵相机的结构特点，将多相机多线阵虚拟成单相机多线阵结构，以此虚拟相机的内参数表征整个成像系统实现标定，所述组合式线阵相机由三台线阵相机组合安装得到；实现过程包括如下步骤，步骤1，用组合式线阵相机对某一测区采集影像，对于每一航带，将三台子相机分别获取的影像根据相机设计参数拼接成一幅整体影像，视为一个虚拟线阵相机的推扫成像结果，并依据单台相机的实验室内方位参数和三台相机组合关系计算得到虚拟相机初始内方位参数；步骤2，将所述组合式线阵相机内中间相机的POS作为拼接后影像每条扫描线的POS，利用虚拟相机初始内方位参数和POS数据，并设置测区的地面均高，对步骤1中虚拟线阵相机的推扫成像结果影像进行几何纠正，初步消除由于飞行时的不稳定而带来的影像几何变形，生成的影像称为L1影像；步骤3，使用已检校过的线阵或面阵相机在同一测区采集影像作为参考影像，进行连接点匹配和空中三角测量处理，平差解算所有参考影像的内外方位参数；步骤4，对步骤2中每一条航带的L1影像提取大量密集的Harris特征点，利用点匹配方式将提取到的Harris特征点与参考影像进行匹配，选择匹配成功点最多的航带L1影像进行后续云控制标定处理；步骤5，利用参考影像的内外方位元素，根据前方交会原理，求解匹配点的地面坐标作为云控制点；步骤6，利用云控制点和虚拟相机初始内方位参数，根据光束法平差求解线阵影像每一条扫描线的外方位元素；步骤7，分别计算线阵影像中每个特征像点在影像行方向、列方向的重投影误差，其中影像行方向记为x方向，列方向记为y方向；步骤8，建立多项式模型分别对x和y方向的重投影误差进行曲线拟合，根据拟合后的残差曲线计算所有探元的内方位参数，完成线阵相机的标定。2.如权利要求1所述的一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法，其特征在于：步骤3实现过程为，步骤2.1，利用相机的初始设计参数以及飞行时的POS，构建严密几何成像模型：式中，表示目标在地心地固坐标系下的位置向量，表示平台在地心地固坐标系下的位置，λ表示尺度因子，表示传感器坐标系到平台坐标系的旋转矩阵，表示平台到惯性坐标系的旋转矩阵，则表示惯性坐标系到地心地固坐标系的旋转矩阵,f为相机焦距，(x,y)表示目标点焦平面坐标，由于线阵影像CCD呈直线摆放，式中等于0，y根据像点坐标和探元尺寸得到；(Δx,Δy)表示各种因素对像点坐标的综合影响；步骤2.2，给定测区地面均高，将拼接后的整体影像中的每个像素，按照式(1)的严密几
何成像模型对应关系计算出每个像点在平均高程面上的坐标，并按照正射投影转换方式，生成L1影像，完成线阵影像的几何纠正。3.如权利要求2所述的一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法，其特征在于：所述步骤6计算每一条扫描线的外方位元素，实现步骤为，步骤6.1，将步骤2.2中L1影像中的特征点按照反投影的方式计算出焦平面坐标；步骤6.2，根据严密几何成像模型，建立误差方程式，以每条扫描行的POS为初值，迭代解算所述扫描行的外方位元素改正值，直至外方位元素改正值小于阈值，即认为外方位元素解算完毕。4.如权利要求3所述的一种航空高光谱线阵组合大视场相机内参数标定方法，其特征在于：所述步骤7中计算重投影误差的计算公式如下：式中，Δx，Δy即为线阵影像中每个特征像点在x和y方向的重投影误差，(X,Y,Z)为特征像点对应的地面点坐标，由步骤5中参考影像经过前...

【专利技术属性】
技术研发人员：段延松，张浩，周琪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：