专利名称：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
技术领域：
本发明属于测绘科学与技术领域，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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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。
本发明提供的技术方案是 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。
本发明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。
图1为本发明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3为基于扫描行中心投影面空间约束的最佳扫描线物方搜索原理示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。如图1所示，概括起来，本方法的实施可以 分为三个阶段
第一阶段计算影像扫描行中心投影面的相关参数。
1. 如附图2所示，扫描行中心投影面1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2与其投影中心3所构成的空间平面。基于道格拉斯-普克矢量压縮 算法将CCD线阵传感器分成"段，"为正整数且通常取值不大于30;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；当CCD线阵传感器在几何上直接被看作一条直 线时，分段结果即为原始CCD线阵本身。计算影像各扫描行中心投影面的平面方程。
2. 采用二维仿射变换公式(l)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；
<formula>complex formula see original document page 7</formula>
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；
(Jrj)为像点在物方平均高程面上的二维投影坐标； 。,fll，a2，6 2为6个仿射变换参数；
3. 获取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);
(<formula>complex formula see original document page 7</formula>(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垂直距离； TV为影像扫描线总数；
GSD(Ground Sample Distance)为影像的地面采样间隔；
a为线阵传感器的扫描角；
第二阶段对物点进行基于扫描行中心投影面几何约束的最佳扫描线物方搜索。
1. 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,力， 对x坐标值取整后的结果为m;若"等于l，直接进入步骤5，若"大于l，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；
2. 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m条扫描线的扫描行中心投影面之间扫描线数目 的估值/i;
<formula>complex formula see original document page 8</formula>(5)
公
式中
"为物点到第m条扫描线的扫描行中心投影面的距离； "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/:
(<formula>complex formula see original document page 8</formula>
上面公式中
AB,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；
(义，;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；
3.如附图3中所示，基于所得的扫描线物方搜索迭代值，定位与物点7最邻近的两个 扫描行中心投影面4和5，基于下面的公式内插计算最佳扫描线6的物方搜索值丄。
公式中
Z为物点的最佳扫描线6的物方搜索值；
/为扫描行中心投影面4对应的影像扫描线行号；
A和D2分别为物点到扫描行中心投影面4和5的距离；
第三阶段对最佳扫描线的物方搜索结果进行补偿。
当CCD线阵传感器本身不能被视为一条理想的直线时，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模型对最佳扫描线的物方搜索结果进行补偿。本方法采
取的CCD线阵分段策略能有效地控制物方搜索结果的精度在一个像元以内，从而避免了像 方补偿计算过程中的迭代。
权利要求
1.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＝a0+a1X+a2Y(1)y＝b0+b1X+b2Y 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；α0，a1，a2，b0，b1，b2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；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是基于线阵推扫式影像的严密传感器数学模型对 步骤六得到的最佳扫描线的物方搜索值进行精确补偿。
全文摘要
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。
文档编号G01C11/00GK101196396SQ20071016876
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者密 王, 王海涛, 芬 胡 申请人:武汉大学