專利名稱：無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法。

背景技術(shù)：
從60年代至今，機(jī)載多光譜掃描圖像幾何特性的研究一直為人們所關(guān)注。在無姿態(tài)信息條件下，傳統(tǒng)的幾何校正方法僅僅利用控制點(diǎn)和最小二乘法擬合求取空間轉(zhuǎn)換多項(xiàng)式，經(jīng)插值求得校正圖像。該方法需耗費(fèi)大量的人力于控制點(diǎn)的選取，精度受主、客觀因素的限制。更主要的是此方法僅能在有限的子區(qū)內(nèi)，在一定的程度上消除圖像的整體畸變，對于由平臺姿態(tài)、運(yùn)動變化引起的高頻畸變則無法消除。
1990年，B.J.Devcrqux等提出了匹配Delannay三角形的機(jī)載多光譜掃描圖像幾何畸變校正方法[1]。其原理是在圖像空間三角形ABC與校正空間三角行A‘B’C’對應(yīng)，任意在三角形ABC中的象元X與頂點(diǎn)A可用矢量

聯(lián)系起來，表達(dá)為線性組合，待定系數(shù)α、β一旦確定，X’在校正空間的對應(yīng)點(diǎn)存在與傳統(tǒng)方法相比，該方法雖在精度上略有提高，但同樣需選取大量的控制點(diǎn)以形成三角形聯(lián)網(wǎng)。
另一類校正方法稱非參數(shù)校正方法[2]，將原始圖像和校正圖像空間坐標(biāo)間的差異視為二維隨機(jī)場。最典型的代表是算術(shù)平均法，其利用一組控制點(diǎn)，對每一點(diǎn)計(jì)算其原始空間坐標(biāo)與校正空間坐標(biāo)的差值，通過加權(quán)平均來完成幾何校正，權(quán)因子與至每個GCP的距離成反比。
早在1962年Elms就提出了利用位置和方位參數(shù)對帶式相機(jī)圖像進(jìn)行幾何畸變校正，但當(dāng)時獲取參數(shù)的儀器缺乏或者過于昂貴以至于未能實(shí)現(xiàn)[2]。隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)以及GPS定位技術(shù)的發(fā)展，從空間實(shí)現(xiàn)象元點(diǎn)幾何定位已成為可能。美國、加拿大等國都根據(jù)自己所能獲取的參數(shù)及手段建立了相應(yīng)的校正模式。由于歐美國家具有先進(jìn)的POS/DG(Position and Orientation Solutions for DirectGeoreferencing)等測量飛行姿態(tài)角的設(shè)備，對沒有姿態(tài)角的情況研究較少。在國內(nèi)，機(jī)載多光譜掃描圖像幾何特性的研究起步比較晚。其中遙感應(yīng)用研究所的吳傳慶等人，利用POS/DG獲得的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，完成了另一種機(jī)載遙感儀器——OMIS的幾何校正[3]。熊楨等人在不利用控制點(diǎn)和姿態(tài)值的情況下，對OMIS圖像進(jìn)行了航線校正，但在精度上仍需進(jìn)一步提高[4]。本專利申請人曾經(jīng)發(fā)表文章《基于GPS的機(jī)載多通道掃描儀圖像幾何校正》[5]，文中采用前人已有的方法模擬了飛行姿態(tài)進(jìn)而幾何校正，而本專利則根據(jù)理想飛行模型采用了新的1秒模式進(jìn)行了模擬，具有更高的幾何校正精度。
參考文獻(xiàn)
1.郭德方。遙感圖象的計(jì)算機(jī)處理和模式識別。北京電子工業(yè)出版杜，1984。
2.KindeLan M，Moreno V，Valverde A，Geometric Correction of AirborneMulti-Scanner Images.15th International Symposium on Remote Sensing ofenvironment，19811539.
3.吳傳慶?；赑OS/DG的無穩(wěn)定平臺機(jī)載高光譜圖像幾何校正。中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所碩士論文。
4.熊楨，王向軍，鄭蘭芬，童慶禧。基于GPS數(shù)據(jù)的OMIS圖像航線校正研究。遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000，15(1)1～5.
5.劉濤，毛志華，王迪峰，潘德爐?；贕PS的機(jī)載多通道掃描儀圖像幾何校正。儀器儀表學(xué)報，2006年S3期，2224-2226。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法。
本發(fā)明包括如下步驟 1)對多光譜掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將WGS-84大地坐標(biāo)系下的測量觀測值轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)下的值，利于校正后遙感反演應(yīng)用； 2)根據(jù)理想飛行模型，利用1秒模式模擬滾動角； 3)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合飛機(jī)俯仰角，即在豎直平面內(nèi)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合一條曲線，然后根據(jù)曲線的切向計(jì)算每一個更新數(shù)據(jù)點(diǎn)處的飛行俯仰角； 4)利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)； 5)由掃描方式，根據(jù)飛行高度、掃描角、瞬時掃描角求取同一掃描行其它點(diǎn)的坐標(biāo)； 6)利用直接法生成粗校正后的圖像。
所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的根據(jù)理想飛行模型理想飛行模型是把飛行近似看成半徑不斷變化的相對于水平面的圓周運(yùn)動，由于飛機(jī)在空中方位角不停地擺動，導(dǎo)致飛行半徑也不停地變化，所以時間間隔越短，飛機(jī)作同一個飛行半徑的圓周運(yùn)動的概率越大；因此可以假設(shè)飛機(jī)在一秒內(nèi)作圓周運(yùn)動。
所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用1秒模式模擬飛行滾動角假設(shè)P1，P2是飛行一秒前后空間點(diǎn)；其兩點(diǎn)的地面高斯大地坐標(biāo)為(x1，y1)，(x2，y2)；V1，V2為一秒前后的地面速率；θ表示V1與V2之間方向的夾角；記P1，P2之間的距離為Len，則有飛行軌跡的曲率半徑 其中 則飛機(jī)的滾動角即側(cè)翻角ω
其中g(shù)為引力常數(shù)，m為飛機(jī)質(zhì)量，v表示飛行速度，F(xiàn)為向心力。
所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)在地面坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系之間建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系稱為通用構(gòu)像方程。設(shè)地面點(diǎn)P在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)P，P在傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(U，V，W)P，傳感器投影中心S在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)s，傳感器的姿態(tài)角為，ω，k，則通用構(gòu)像方程為 式中A為傳感器坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，是傳感器姿態(tài)角的函數(shù)。根據(jù)中心投影特點(diǎn)，圖象坐標(biāo)(x，y，-f)和傳感器系統(tǒng)坐標(biāo)(U，V，W)P之間有如下關(guān)系 λp為成像比例尺分母，f為掃描成像主距，中心投影像片坐標(biāo)與地面點(diǎn)大地坐標(biāo)的關(guān)系即中心投影構(gòu)像方程為 其中 具體表達(dá)式為 a11＝coscosk-sinsinωsink a12＝-cossink-sinsinωcosk a13＝-sincosω a21＝cosωsink a22＝cosωcosk a23＝-sinω a31＝sin cosk+cossinωsink a32＝-sin sink+cossinωcosk a33＝coscosω 由像點(diǎn)坐標(biāo)可以解算大地平面坐標(biāo)，稱為正算公式 令x＝0，y＝0，Zp＝0，得到掃描行中心點(diǎn)像元地面坐標(biāo)公式如下 所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用直接法生成粗校正后的圖像 從原始圖像陣列出發(fā)，按行列的順序依次對每個原始像素點(diǎn)位求其在地面坐標(biāo)系，即輸出圖像坐標(biāo)系中的正確位置 式中Fx和Fy為直接校正變換函數(shù)，同時，把該像素的亮度值移置到由上式算得的輸出圖像中的相應(yīng)點(diǎn)位上去， 這樣生成的bmp圖，會存在一些沒有灰度值的點(diǎn)， 對那些有灰度值的點(diǎn)，把灰度值直接賦予相應(yīng)的位置，對于沒有灰度值的點(diǎn)，以5像元為半徑向周圍搜索有灰度值的點(diǎn)，把各點(diǎn)的灰度值以距離平方的倒數(shù)為權(quán)值疊加給所求的點(diǎn)，疊加公式為 其中P為所求的灰度值，zi為點(diǎn)i的灰度值，di為點(diǎn)i到所求點(diǎn)的距離。
本發(fā)明的具有的有益效果 航空遙感技術(shù)能夠機(jī)動靈活的獲取大范圍地面信息，廣泛地應(yīng)用于農(nóng)、林、地質(zhì)、石油、測繪、城市規(guī)劃、海洋執(zhí)法等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要的意義。然而和衛(wèi)星遙感器相比，機(jī)載成像光譜儀具有姿態(tài)穩(wěn)定性差、飛行高度低、視場角度大等特點(diǎn)，這些因素的結(jié)合，使得所獲圖像的幾何畸變更加復(fù)雜，所以航空遙感圖像幾何校正是一個十分重要的技術(shù)手段，是提高對地觀測資料可信度的前提條件。本發(fā)明在水平面內(nèi)，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)擬合的曲線，計(jì)算每一個節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑r，然后根據(jù)理想飛行模型和動力學(xué)原理計(jì)算飛機(jī)的滾動角，進(jìn)而模擬其它飛機(jī)姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了航空多光譜掃描儀的幾何粗校正，提高了航空遙感的地理精度，為精校正的進(jìn)行打下了良好基礎(chǔ)，是對無姿態(tài)信息條件下遙感技術(shù)的一項(xiàng)創(chuàng)新，具有極大的實(shí)用價值。
本發(fā)明目的在于發(fā)明一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，提高航空多光譜掃描儀的幾何粗校正精度，同時提高時效性，使航空遙感技術(shù)能夠更好的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中。



圖1是無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法技術(shù)路線圖； 圖2是本發(fā)明的一秒模式航跡示意圖； 圖3是本發(fā)明的飛行半徑求解示意圖； 其中P1，P2是飛行一秒前后空間點(diǎn)；其兩點(diǎn)的地面高斯大地坐標(biāo)為(x1，y1)，(x2，y2)；V1，V2為一秒前后的地面速率；θ表示V1與V2之間方向的夾角；記P1，P2之間的距離為Len； 圖4是本發(fā)明的仰俯角計(jì)算示意圖； 圖5是構(gòu)象方程中的坐標(biāo)系示意圖 圖6是多光譜掃描儀掃描幾何示意圖； 圖7是幾何粗校正前的原始數(shù)據(jù)示例； 圖8是完成粗校正后的最終圖像。

具體實(shí)施例方式 無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法包括如下步驟 1)對多光譜掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將WGS-84大地坐標(biāo)系下的測量觀測值轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)下的值，利于校正后遙感反演應(yīng)用； 2)根據(jù)理想飛行模型，利用1秒模式模擬滾動角； 3)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合飛機(jī)俯仰角，即在豎直平面內(nèi)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合一條曲線，然后根據(jù)曲線的切向計(jì)算每一個更新數(shù)據(jù)點(diǎn)處的飛行俯仰角； 4)利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)； 5)由掃描方式，根據(jù)飛行高度、掃描角、瞬時掃描角求取同一掃描行其它點(diǎn)的坐標(biāo)； 6)利用直接法生成粗校正后的圖像。
所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的根據(jù)理想飛行模型理想飛行模型是把飛行近似看成半徑不斷變化的相對于水平面的圓周運(yùn)動，由于飛機(jī)在空中方位角不停地擺動，導(dǎo)致飛行半徑也不停地變化，所以時間間隔越短，飛機(jī)作同一個飛行半徑的圓周運(yùn)動的概率越大；因此可以假設(shè)飛機(jī)在一秒內(nèi)作圓周運(yùn)動。
所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用1秒模式模擬飛行滾動角假設(shè)P1，P2是飛行一秒前后空間點(diǎn)；其兩點(diǎn)的地面高斯大地坐標(biāo)為(x1，y1)，(x2，y2)；V1，V2為一秒前后的地面速率；θ表示V1與V2之間方向的夾角；記P1，P2之間的距離為Len，則有飛行軌跡的曲率半徑 其中 則飛機(jī)的滾動角即側(cè)翻角ω
其中g(shù)為引力常數(shù)，m為飛機(jī)質(zhì)量，v表示飛行速度，F(xiàn)為向心力。
所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo) 在地面坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系之間建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系稱為通用構(gòu)像方程。設(shè)地面點(diǎn)P在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)P，P在傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(U，V，W)P，傳感器投影中心S在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)s，傳感器的姿態(tài)角為，ω，k，則通用構(gòu)像方程為 式中A為傳感器坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，是傳感器姿態(tài)角的函數(shù)。
根據(jù)中心投影特點(diǎn)，圖象坐標(biāo)(x，y，-f)和傳感器系統(tǒng)坐標(biāo)(U，V，W)P之間有如下關(guān)系 λp為成像比例尺分母，f為掃描成像主距，中心投影像片坐標(biāo)與地面點(diǎn)大地坐標(biāo)的關(guān)系即中心投影構(gòu)像方程為 其中 具體表達(dá)式為 a11＝coscosk-sinsinωsink a12＝-cossink-sinsinωcosk a13＝-sincosω a21＝cosωsink a22＝cosωcosk a23＝-sinω a31＝sincosk+cossinωsink a32＝-sinsink+cossinωcosk a33＝coscosω 由像點(diǎn)坐標(biāo)可以解算大地平面坐標(biāo)，稱為正算公式 令x＝0，y＝0，Zp＝0，得到掃描行中心點(diǎn)像元地面坐標(biāo)公式如下 所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用直接法生成粗校正后的圖像 從原始圖像陣列出發(fā)，按行列的順序依次對每個原始像素點(diǎn)位求其在地面坐標(biāo)系，即輸出圖像坐標(biāo)系中的正確位置 式中Fx和Fy為直接校正變換函數(shù)，同時，把該像素的亮度值移置到由上式算得的輸出圖像中的相應(yīng)點(diǎn)位上去， 這樣生成的bmp圖，會存在一些沒有灰度值的點(diǎn)， 對那些有灰度值的點(diǎn)，把灰度值直接賦予相應(yīng)的位置，對于沒有灰度值的點(diǎn)，以5像元為半徑向周圍搜索有灰度值的點(diǎn)，把各點(diǎn)的灰度值以距離平方的倒數(shù)為權(quán)值疊加給所求的點(diǎn)，疊加公式為 其中P為所求的灰度值，zi為點(diǎn)i的灰度值，di為點(diǎn)i到所求點(diǎn)的距離。
具體來說，幾何校正所用數(shù)據(jù)來自于機(jī)載GPS，在GPS中，記錄著飛機(jī)在飛行中每秒鐘的基本信息，其中可以用來進(jìn)行幾何校正的有飛機(jī)所在位置大地坐標(biāo)，飛行速度，飛行高度和飛行偏航角共4種信息。由以上4種信息，直接可以校正的僅有速高比變化引起的畸變和正切畸變。由飛機(jī)所在位置坐標(biāo)、飛行速度和飛行方位角和合理的飛行模型可以反演出近似飛行滾動角和俯仰角，因而姿態(tài)角引起的畸變可以近似得以校正?？傮w上本發(fā)明的技術(shù)路線如圖1所示。
其中包括如下關(guān)鍵步驟 步驟1、對多光譜掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將WGS-84大地坐標(biāo)系下的測量觀測值轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)下的值，利于校正后遙感反演應(yīng)用 GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的觀測值是WGS-84大地坐標(biāo)系下的測量觀測值(緯度，經(jīng)度，高程)，而在航空成像光譜遙感圖像處理與分析中，所采用的坐標(biāo)系是高斯平面直角坐標(biāo)系，像元大小的單位是m。幾何校正的方法也是基于高斯平面直角坐標(biāo)系建立的.因此在對圖像進(jìn)行幾何校正前，必須把GPS大地坐標(biāo)觀測值(緯度，經(jīng)度，高度)轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)值(x，y，z)。
高斯投影坐標(biāo)正算公式如下 (1)高斯投影正算已知橢球面上某點(diǎn)的大地坐標(biāo)(L，B)，求該點(diǎn)在高斯投影平面上的直角坐標(biāo)(x，y)，即(L，B)(x，y)的坐標(biāo)變換。
(2)投影變換必須滿足的條件 ●中央子午線投影后為直線； ●中央子午線投影后長度不變； ●投影具有正形性質(zhì)，即正形投影條件； (3)投影過程 在橢球面上有對稱于中央子午線的兩點(diǎn)P1和P2，它們的大地坐標(biāo)分別為(L，B)及(l，B)，式中l(wèi)為橢球面上P點(diǎn)的經(jīng)度與中央子午線(L0)的經(jīng)度差l＝L-L0，P點(diǎn)在中央子午線之東，l為正，在西則為負(fù)，則投影后的平面坐標(biāo)一定為P1′(x，y)和P2′(x，y)。
(4)計(jì)算公式 為了使得y永遠(yuǎn)大于零，令y＝y(tǒng)+500000. 式中l(wèi)(B)為從赤道到投影點(diǎn)的子午線弧長；為卯酉圈半徑； t＝tanB；l＝L-L0為經(jīng)差；L0為中央子午線經(jīng)度；η＝e′cosB；a，b分別代表地球的長短軸半徑。
l(B)＝α(B+βsin2B+γsin4B+δsin6B+εsin8B) 其中 另外，為了使坐標(biāo)轉(zhuǎn)換引起的幾何變形最小，當(dāng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，選取圖像所在區(qū)域的平均子午線為投影的中央子午線。
步驟2、根據(jù)理想飛行模型，利用1秒模式模擬滾動角； 飛機(jī)飛行的精確模式很難得知，但在采集數(shù)據(jù)的飛行過程中，飛行員盡量保持其平穩(wěn)飛行，因而可以把飛行近似看成半徑不斷變化的相對于水平面的圓周運(yùn)動。三點(diǎn)可以確定一個圓。由于飛機(jī)在空中方位角不停地擺動，導(dǎo)致飛行半徑也不停地變化，所以時間間隔越短，飛機(jī)作同一個飛行半徑的圓周運(yùn)動的概率越大；所以可以假設(shè)飛機(jī)在一秒內(nèi)作圓周運(yùn)動。示意圖見圖2。
其中飛行軌跡的曲率半徑r計(jì)算原理請見圖3。
則有以下推導(dǎo) 則飛機(jī)的滾動角即側(cè)翻角ω
其中g(shù)為引力常數(shù)，m為飛機(jī)質(zhì)量，v表示飛行速度，F(xiàn)為向心力。
步驟3、根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合飛機(jī)俯仰角，即在豎直平面內(nèi)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合一條曲線，然后根據(jù)曲線的切向計(jì)算每一個更新數(shù)據(jù)點(diǎn)處的飛行俯仰角； 在豎直平面內(nèi)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合一條曲線，然后根據(jù)相鄰高度數(shù)據(jù)計(jì)算每一個更新數(shù)據(jù)點(diǎn)處的飛行俯仰角(見圖4)。x1與x3之間的曲線是擬合的曲線，求點(diǎn)x2的仰附角，可以由x1與x3之間的直線的斜率求得 其中 式中，H3，H1分別是遙感平臺在點(diǎn)x1，x3的高；X1，X3，Y1，Y3分別是遙感平臺在點(diǎn)x1，x3的高斯X軸，Y軸坐標(biāo)。
步驟4、利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)； 前述步驟2和步驟3已獲得飛機(jī)滾動角和俯仰角，而偏航角已經(jīng)記錄在數(shù)據(jù)的GPS信息中，這樣我們就獲得了飛機(jī)的所有三個姿態(tài)信息。然后可以進(jìn)入圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)的求解。
遙感圖像的構(gòu)像方程是指地物點(diǎn)在圖像上的圖像坐標(biāo)(x，y)和其在地面對應(yīng)點(diǎn)的大地坐標(biāo)(X、Y、Z)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)攝影測量原理，這兩個對應(yīng)點(diǎn)和傳感器成像中心成共線關(guān)系，可以用共線方程來表示。這個數(shù)學(xué)關(guān)系是對任何類型傳感器成像進(jìn)行幾何糾正和對某些參量進(jìn)行誤差分析的基礎(chǔ)。
傳感器坐標(biāo)系S-UVW，S為傳感器投影中心，作為傳感器坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，U軸的方向?yàn)檫b感平臺的飛行方向，V軸垂直于U，W軸則垂直于UV平面，該坐標(biāo)系描述了像點(diǎn)在空間的位置。地面坐標(biāo)系O-XYZ，主要采用地心坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)傳感器對地成像時，Z軸與原點(diǎn)處的天頂方向一致，XY平面垂直于Z軸。圖像(像點(diǎn))坐標(biāo)系o-xyf，(x，y)為像點(diǎn)在圖像上的平面坐標(biāo)，f為傳感器成像時的等效焦距，其方向與S-UVW方向一致。參見圖5。
上述坐標(biāo)系統(tǒng)都是三維空間坐標(biāo)系，而最基本的坐標(biāo)系統(tǒng)是圖像坐標(biāo)系統(tǒng)o-xy和地圖坐標(biāo)系統(tǒng)Om-XmYm，它們是二維的平面坐標(biāo)系統(tǒng)，是遙感圖像幾何處理的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。
在地面坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系之間建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系稱為通用構(gòu)像方程。設(shè)地面點(diǎn)P在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)P，P在傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(U，V，W)P，傳感器投影中心S在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)s，傳感器的姿態(tài)角為，ω，k，則通用構(gòu)像方程為 式中A為傳感器坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，是傳感器姿態(tài)角的函數(shù)。根據(jù)中心投影特點(diǎn)，圖象坐標(biāo)(x，y，-f)和傳感器系統(tǒng)坐標(biāo)(U，V，W)P之間有如下關(guān)系 λp為成像比例尺分母，f為掃描成像主距，中心投影像片坐標(biāo)與地面點(diǎn)大地坐標(biāo)的關(guān)系即中心投影構(gòu)像方程為 其中 具體表達(dá)式為 a11＝coscosk-sinsinωsink a12＝-cossink-sinsinωcosk a13＝-sincosω a21＝cosωsink a22＝cosωcosk a23＝-sinω a31＝sincosk+cossinωsink a32＝-sinsink+cossinωcosk a33＝coscosω 由像點(diǎn)坐標(biāo)可以解算大地平面坐標(biāo)，稱為正算公式 令x＝0，y＝0，Zp＝0，得到掃描行中心點(diǎn)像元地面坐標(biāo)公式如下 步驟5、由掃描方式，根據(jù)飛行高度、掃描角、瞬時掃描角求取同一掃描行其它點(diǎn)的坐標(biāo)； 先利用中心投影構(gòu)像方程就得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)，然后由掃描方式，求得同一掃描行其它點(diǎn)的坐標(biāo)(掃描示意圖請參見圖6)。
其中H海拔高度，γ仰俯角，h遙感器到掃描行中心點(diǎn)的距離，Si第i個像元到掃描行中心點(diǎn)的距離，Wi第i個掃描線與中心點(diǎn)掃描線的夾角。
求取掃描行其它點(diǎn)大地坐標(biāo)值 Xi＝Xmid+(h*tan(Wi))*cos(fw) Yi＝Y(jié)mid+(h*tan(Wi))*sin(fw) 其中fw是多光譜掃描儀掃描方向角；

第i點(diǎn)的滾動角；Xmid，Ymid分別表示掃描行中心點(diǎn)的坐標(biāo)；Xi，Yi分別為第i個掃描點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。
步驟6、利用直接法生成粗校正后的圖像。
在輸出圖像邊界及其坐標(biāo)系統(tǒng)確立后，就可以按照選定的糾正變換函數(shù)把原始數(shù)字圖像逐個像素變換到圖像貯存空間中去。這里采用直接法，從原始圖像陣列出發(fā)，按行列的順序依次對每個原始像素點(diǎn)位求其在地面坐標(biāo)系，即輸出圖像坐標(biāo)系中的正確位置 式中Fx和Fy為直接校正變換函數(shù)，同時，把該像素的亮度值移置到由上式算得的輸出圖像中的相應(yīng)點(diǎn)位上去， 這樣生成的bmp圖，會存在一些沒有灰度值的點(diǎn)， 對那些有灰度值的點(diǎn)，把灰度值直接賦予相應(yīng)的位置，對于沒有灰度值的點(diǎn)，以5像元為半徑向周圍搜索有灰度值的點(diǎn)，把各點(diǎn)的灰度值以距離平方的倒數(shù)為權(quán)值疊加給所求的點(diǎn)，疊加公式為 其中P為所求的灰度值，Zi為點(diǎn)i的灰度值，di為點(diǎn)i到所求點(diǎn)的距離。
權(quán)利要求
1.一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于包括如下步驟
1)對多光譜掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將WGS-84大地坐標(biāo)系下的測量觀測值轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)下的值，利于校正后遙感反演應(yīng)用；
2)根據(jù)理想飛行模型，利用1秒模式模擬滾動角；
3)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合飛機(jī)俯仰角，即在豎直平面內(nèi)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合一條曲線，然后根據(jù)曲線的切向計(jì)算每一個更新數(shù)據(jù)點(diǎn)處的飛行俯仰角；
4)利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)；
5)由掃描方式，根據(jù)飛行高度、視場角、瞬時視場角求取同一掃描行其它點(diǎn)的坐標(biāo)；
6)利用直接法生成粗校正后的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的根據(jù)理想飛行模型理想飛行模型是把飛行近似看成半徑不斷變化的相對于水平面的圓周運(yùn)動，由于飛機(jī)在空中方位角不停地擺動，導(dǎo)致飛行半徑也不停地變化，所以時間間隔越短，飛機(jī)作同一個飛行半徑的圓周運(yùn)動的概率越大；因此可以假設(shè)飛機(jī)在一秒內(nèi)作圓周運(yùn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用1秒模式模擬飛行滾動角假設(shè)P1，P2是飛行一秒前后空間點(diǎn)；其兩點(diǎn)的地面高斯大地坐標(biāo)為(x1，y1)，(x2，y2)；V1，V2為一秒前后的地面速率；θ表示V1與V2之間方向的夾角；記P1，P2之間的距離為Len，則有飛行軌跡的曲率半徑
其中
則飛機(jī)的滾動角即側(cè)翻角ω
其中g(shù)為引力常數(shù)，m為飛機(jī)質(zhì)量，v表示飛行速度，F(xiàn)為向心力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)在地面坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系之間建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系稱為通用構(gòu)像方程。設(shè)地面點(diǎn)P在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)P，P在傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(U，V，W)P，傳感器投影中心S在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)S，傳感器的姿態(tài)角為，ω，k，則通用構(gòu)像方程為
式中A為傳感器坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，是傳感器姿態(tài)角的函數(shù)。根據(jù)中心投影特點(diǎn)，圖象坐標(biāo)(x，y，-f)和傳感器系統(tǒng)坐標(biāo)(U，V，W)P之間有如下關(guān)系
λp為成像比例尺分母，f為掃描成像主距，中心投影像片坐標(biāo)與地面點(diǎn)大地坐標(biāo)的關(guān)系即中心投影構(gòu)像方程為
其中
具體表達(dá)式為
a11＝coscosk-sinsinωsink
a12＝-cossink-sinsinωcosk
a13＝-sincosω
a21＝cosωsink
a22＝cosωcosk
a23＝-sinω
a31＝sincosk+cossinωsink
a32＝-sinsink+cossinωcosk
a33＝coscosω
由像點(diǎn)坐標(biāo)可以解算大地平面坐標(biāo)，稱為正算公式
令x＝0，y＝0，Zp＝0，得到掃描行中心點(diǎn)像元地面坐標(biāo)公式如下
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法，其特征在于所述的利用直接法生成粗校正后的圖像
從原始圖像陣列出發(fā)，按行列的順序依次對每個原始像素點(diǎn)位求其在地面坐標(biāo)系，即輸出圖像坐標(biāo)系中的正確位置
式中Fx和Fy為直接校正變換函數(shù)，同時，把該像素的亮度值移置到由上式算得的輸出圖像中的相應(yīng)點(diǎn)位上去，
這樣生成的bmp圖，會存在一些沒有灰度值的點(diǎn)，
對那些有灰度值的點(diǎn)，把灰度值直接賦予相應(yīng)的位置，對于沒有灰度值的點(diǎn)，以5像元為半徑向周圍搜索有灰度值的點(diǎn)，把各點(diǎn)的灰度值以距離平方的倒數(shù)為權(quán)值疊加給所求的點(diǎn)，疊加公式為
其中P為所求的灰度值，zi為點(diǎn)i的灰度值，di為點(diǎn)i到所求點(diǎn)的距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無姿態(tài)信息條件下的航空多光譜掃描儀幾何粗校正方法。包括如下步驟1)對多光譜掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將WGS-84大地坐標(biāo)系下的測量觀測值轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)下的值；2)根據(jù)理想飛行模型，利用1秒模式模擬滾動角；3)在豎直平面內(nèi)根據(jù)高度數(shù)據(jù)擬合一條曲線，然后根據(jù)曲線的切向計(jì)算每一個更新數(shù)據(jù)點(diǎn)處的飛行俯仰角；4)利用中心投影構(gòu)像方程求得機(jī)下點(diǎn)坐標(biāo)；5)由掃描方式，根據(jù)飛行高度、掃描角、瞬時掃描角求取同一掃描行其它點(diǎn)的坐標(biāo)；6)利用直接法生成粗校正后的圖像。本發(fā)明提高了航空遙感的地理精度，是對無姿態(tài)信息條件下遙感技術(shù)的一項(xiàng)創(chuàng)新，提高時效性，使航空遙感技術(shù)能夠更好的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中。
文檔編號G01B21/20GK101114022SQ200710071100
公開日2008年1月30日 申請日期2007年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月4日
發(fā)明者王迪峰, 潘德爐, 濤 劉 申請人:國家海洋局第二海洋研究所