專利名稱：基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空遙感成像領(lǐng)域，尤指一種航空遙感成像幾何變形仿真方法。
背景技術(shù)：
目前以面陣CCD相機(jī)為基礎(chǔ)的航空數(shù)字遙感系統(tǒng)是遙感學(xué)科發(fā)展的重要方向。針對(duì)航空遙感影像成像特點(diǎn)，開展與影像幾何處理相關(guān)問題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)檫@有助于保證圖像較高的幾何定位精度和圖像幾何質(zhì)量，進(jìn)而充分發(fā)揮該傳感器圖像數(shù)據(jù)的應(yīng)用效力。要處理大量的不同成像類型的遙感數(shù)據(jù)，就必須為每種數(shù)據(jù)源建立與其對(duì)應(yīng)的影像幾何模型以實(shí)現(xiàn)遙感影像的定位。因此，遙感影像的定位技術(shù)的關(guān)鍵是建立傳感器成像的數(shù)學(xué)模型。遙感傳感器成像模型是建立影像上像素點(diǎn)和地物點(diǎn)之間坐標(biāo)相互換算的模型，地物點(diǎn)的像平面坐標(biāo)(X，y)與其對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)物空間坐標(biāo)(X，Y，Z)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以通過傳感器成像模型建立起來。傳感器成像模型的目的是為了正確描述物方空間坐標(biāo)系中的地面點(diǎn)坐標(biāo)與它在影像平面上像點(diǎn)坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系。傳感器成像模型也是進(jìn)行圖像幾何性能在軌測(cè)試和評(píng)價(jià)、圖像幾何校正以及圖像應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此，要有效地使用遙感衛(wèi)星影像必須首先解決傳感器的成像模型問題。遙感傳感器的成像模型通常可分為兩大類嚴(yán)密傳感器成像模型和通用傳感器成像模型。嚴(yán)密傳感器成像模型與傳感器的物理和幾何特性緊密相關(guān)，由于每個(gè)遙感傳感器的探測(cè)器、光學(xué)系統(tǒng)以及衛(wèi)星本體坐標(biāo)的不同，每個(gè)遙感傳感器的嚴(yán)密成像模型也不同，它依據(jù)傳感器成像特性，利用成像瞬間地面點(diǎn)、傳感器鏡頭透視中心和相應(yīng)像點(diǎn)在一條直線上的嚴(yán)格幾何關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型。隨著遙感技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展，傳感器的構(gòu)造越來越復(fù)雜，探測(cè)器件、成像方式也會(huì)發(fā)生了很大變化，嚴(yán)密傳感器成像模型繁雜的操作文檔也勢(shì)必給用戶帶來極大的不便。比較起來，通用傳感器成像模型并不要求了解傳感器的實(shí)際成像過程，應(yīng)用上獨(dú)立于傳感器的類型，與具體傳感器無關(guān)、直接以形式簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)如一般多項(xiàng)式、有理函數(shù)等描述地面點(diǎn)和相應(yīng)像點(diǎn)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，因此它適用于不同類型的傳感器。其既可以簡(jiǎn)化與影像終端用戶的接口，又可以隱藏出于技術(shù)保密的目的暫時(shí)不向用戶公開的軌道參數(shù)和成像參數(shù)。以有理函數(shù)模型擬合嚴(yán)密傳感器成像模型已成為對(duì)遙感影像進(jìn)行定位處理的主要形式之一。但是，包括有理函數(shù)模型在內(nèi)的幾種通用傳感器成像模型都依賴一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，有的甚至多達(dá)幾十個(gè)。在通常情況下，測(cè)量地面控制點(diǎn)需要花費(fèi)巨大的人力、 物力和財(cái)力，即使能夠利用現(xiàn)有的大比例尺地形圖也費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度上很難保證。因此，研究不用控制點(diǎn)或者用少量地面控制點(diǎn)來確定從影像到地面目標(biāo)的成像模型就更具有重要的價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種利用光線追蹤技術(shù)，結(jié)合航空遙感成像模型，在虛擬三維地形場(chǎng)景中再現(xiàn)了航空影像成像的幾何變形的仿真方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，具體步驟為1)選取DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地形場(chǎng)景；幻根據(jù)傳感器內(nèi)、外方位元素模擬由傳感器位置和姿態(tài)確定的投射光線；幻對(duì)三維地形場(chǎng)景和投射光線進(jìn)行求交計(jì)算，獲取框幅式航空遙感影像在地形起伏狀態(tài)下的影像覆蓋的幾何變形；4)運(yùn)用計(jì)算機(jī)3D圖形可視化技術(shù)，將結(jié)果在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中再現(xiàn)。進(jìn)一步，步驟1)中選取地形起伏變化明顯的DEM數(shù)據(jù)，以JAVA3D或openGL或 Direct3D技術(shù)進(jìn)行三維地形場(chǎng)景的構(gòu)建。進(jìn)一步，所述三維地形場(chǎng)景以三角形面為最小基元。進(jìn)一步，步驟2、中通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換算法，模擬由傳感器探元發(fā)出的光線在步驟1)中構(gòu)建的三維地形場(chǎng)景中所能拍攝到的地面位置和范圍。進(jìn)一步，傳感器投影中心在空間坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)決定傳感器的發(fā)射光線的位置與方向，傳感器內(nèi)、外方位元素描述了傳感器投影中心的位置和姿態(tài)。進(jìn)一步，內(nèi)方位元素描述投影中心與影像像元之間相關(guān)位置的參數(shù)，外方位元素確定投影光束在投影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)。進(jìn)一步，步驟2、中投射光線模擬具體步驟為根據(jù)傳感器內(nèi)方位元素和傳感器視場(chǎng)角確定投射光線在影像坐標(biāo)系下的位置和方向，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將影像坐標(biāo)系下的投射光線位置和方向轉(zhuǎn)換到地面全局坐標(biāo)系下。進(jìn)一步，所述影像坐標(biāo)系為以傳感器投影中心位置為原點(diǎn)，航空平臺(tái)飛行方向?yàn)閄 軸，垂直于影像方向指向天空為Z軸，X軸與Z軸的叉乘確定Y軸；所述地面全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向國(guó)際時(shí)間局(BIH) 1984. 0定義的協(xié)議地極(CTP)方向，X軸指向BIH1984. 0的協(xié)議子午面和CTP赤道的交點(diǎn)。進(jìn)一步，步驟幻中三維地形場(chǎng)景和投射光線求交計(jì)算具體為判斷投射光線所在射線與三維地形場(chǎng)景中三角形所在平面是否相交并計(jì)算交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為傳感器在起伏地形上的投影點(diǎn)，從而確定傳感器探元空間采樣地物點(diǎn)與影像像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定影像像元在地球表面的投影位置，對(duì)傳感器的探元進(jìn)行逐個(gè)模擬，直到模擬全部傳感器探元在地面上的投影定位，進(jìn)行求出傳感器地形覆蓋的幾何變形。進(jìn)一步，投射光線所在射線與三維地形場(chǎng)景中三角形所在平面求交計(jì)算包括減少線面相交計(jì)算的剔除算法，具體為將投射光線所在射線看作平面一和平面二的交線，先對(duì)三維地形場(chǎng)景中所有三角形平面與平面一進(jìn)行相交測(cè)試，然后將與平面一相交的三角形平面和平面二進(jìn)行相交測(cè)試，來排除不能與投射光線所在射線相交的三維地形場(chǎng)景中的眾多三角形平面。進(jìn)一步，步驟4)中的計(jì)算機(jī)3D圖形可視化技術(shù)包括openGL、Directe3D和JAVA3D 技術(shù)。本發(fā)明針對(duì)航空遙感框幅式相機(jī)成像過程中，可能出現(xiàn)的影像幾何變形進(jìn)行了仿真，以成像機(jī)理為基礎(chǔ)，可視化展示了航空遙感成像的過程。通過本發(fā)明的模擬，用戶可以模擬由于航空平臺(tái)(飛機(jī)等)的抖動(dòng)導(dǎo)致的姿態(tài)變化、傳感器參數(shù)變化、地形起伏變化等因
4素影像下造成的影像幾何變形。本發(fā)明可應(yīng)用與航空遙感成像機(jī)理研究，為影像構(gòu)像方程的建立提供虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本發(fā)明能夠模擬飛機(jī)在地形起伏狀況下的地面投影區(qū)域，通過模擬指定航線下成像覆蓋范圍，能夠預(yù)先對(duì)航空攝影航線下獲取影像的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，支持航線優(yōu)化設(shè)計(jì)。


圖1為本發(fā)明的航空遙感成像幾何變形仿真方法的流程圖；圖2為地形起伏造成的像點(diǎn)位移；圖3為本發(fā)明幾何變形仿真方法構(gòu)建的DEM三維場(chǎng)景；圖4為飛行姿態(tài)外方位角元素示意圖；圖5為射線與三角形求交算法示意圖；圖6為光線與三角形求交運(yùn)算的有效剔除算法示意圖；圖7為不同觀測(cè)角度和地形狀況下的影像覆蓋幾何變形。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的航空遙感成像幾何變形仿真方法是基于航空遙感成像原理和光線追蹤技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換算法，可以模擬由航空傳感器探元發(fā)出的光線在DEM三維場(chǎng)景中的所能拍攝到的地面位置和范圍，進(jìn)而獲得由于傳感器傾斜和地形起伏影響的遙感影像幾何變形。傳感器成像幾何變形仿真流程圖如圖1所示，輸入DEM數(shù)據(jù)和傳感器參數(shù)，DEM數(shù)據(jù)用于構(gòu)建虛擬三維場(chǎng)景，傳感器參數(shù)用于計(jì)算光線的位置和方向向量。在三維場(chǎng)景中影像像元成像模擬模塊中，計(jì)算傳感器中各探元的投射光線在地面上的投影位置。以上過程完成了整個(gè)仿真過程中的數(shù)據(jù)運(yùn)算，為了能夠?qū)?shù)據(jù)深入的理解和洞察，運(yùn)用計(jì)算機(jī)3D圖形可視化技術(shù)(如openGL，Direct3D等)，將計(jì)算結(jié)果在計(jì)算機(jī)虛擬3D環(huán)境中再現(xiàn)。對(duì)本發(fā)明的仿真方法具體介紹如下1.航空遙感成像幾何變形原理航空遙感因其機(jī)動(dòng)靈活、空間分辨率高、平臺(tái)可裝載多種傳感器，在波段、空間和時(shí)相的選擇方面可根據(jù)應(yīng)用需求而定，因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域已獲得了廣泛應(yīng)用。由于航空影像是中心投影，存在傳感器傾斜和地形起伏兩種誤差影響，致使航空影像上有幾何變形，各處比例尺不一致，相關(guān)方位發(fā)生變化，若要利用航空影像制作正射影像圖是，必須消除傾斜誤差和投影誤差。這種幾何變形主要由兩種因素引起地面水平時(shí)，傳感器傾斜引起的像點(diǎn)位移及方向偏差；地形起伏在水平影像上引起的像點(diǎn)位移(物鏡畸變、大氣折光、地球曲率等造成的幾何變形這里暫時(shí)不考慮)。當(dāng)傳感器與地面水平時(shí)，設(shè)有地面任意點(diǎn)A，該點(diǎn)相對(duì)高程基準(zhǔn)面的高度為h，在投影面上的成像點(diǎn)為a。A點(diǎn)在基準(zhǔn)面上的對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)為Atl，A0在投影面上的成像點(diǎn)為a。。 設(shè)0點(diǎn)為成像面底點(diǎn)，a0點(diǎn)的坐標(biāo)為y，對(duì)應(yīng)的A點(diǎn)到中軸光線的距離為R，則脅。=5h即為地面起伏造成的像點(diǎn)偏移，如圖2所示。2.光線追蹤技術(shù)光線追蹤技術(shù)是真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的主要算法之一，最基本的光線追蹤算法是從光源發(fā)出光線，遇到物體表面發(fā)生反射和折射，光線沿著反射或折射的方向繼續(xù)前進(jìn)，直到遇到新的物體。實(shí)際的光線追蹤算法的追蹤方向是與光傳播的方向相反的，是視線追
S示ο3.算法原理(1) DEM地形三維場(chǎng)景構(gòu)建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取地形起伏變化明顯的DEM數(shù)據(jù)，以JAVA3D技術(shù)構(gòu)建三維地形場(chǎng)景， 如圖3。圖中以三角形面為最小基元，用于計(jì)算光線與地面的交點(diǎn)。(2)光線追蹤與傳感器參數(shù)本發(fā)明模擬從傳感器發(fā)出的光線與模擬三維地形相交，求取交點(diǎn)位置及影像覆蓋范圍以確定遙感影像的幾何變化，傳感器投影中心在空間坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)決定了發(fā)射光線的位置與方向。內(nèi)、外方位元素描述了投影中心的位置和姿態(tài)，內(nèi)方位元素描述投影中心與影像像元之間相關(guān)位置的參數(shù)，外方位元素度確定投影光束在投影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)。內(nèi)方位元素一般視為已知，有制造廠家測(cè)得，外方位元素中飛行姿態(tài)參數(shù)在本體坐標(biāo)系中描述，其空間姿態(tài)的三個(gè)參數(shù)是翻滾(Roll)為繞本體坐標(biāo)系Y軸(飛行方向)的旋轉(zhuǎn)，俯仰(Pitch)為繞本體坐標(biāo)系X軸(飛機(jī)橫軸)的旋轉(zhuǎn)，航偏(Yaw)為繞本體坐標(biāo)系Z軸(右手規(guī)則確定)的旋轉(zhuǎn)，見圖4，曝光位置由投影中心在地面坐標(biāo)系中的位置決定。由以上可知，根據(jù)傳感器內(nèi)方位元素和F0V(傳感器視場(chǎng)角)可確定光線在影像坐標(biāo)系(以傳感器投影中心位置為原點(diǎn)，航空平臺(tái)飛行方向?yàn)閄軸，垂直于影像方向指向天空為Z軸，X軸與Z軸的叉乘確定Y軸)下的位置和方向，設(shè)某點(diǎn)在影像(OXYZ)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為X，Y，Z ；在地面(Oxyz)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為X，y，Z。從OXYZ坐標(biāo)系到Oxyz坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為
權(quán)利要求
1.一種基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，具體步驟為1)選取 DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地形場(chǎng)景；幻根據(jù)傳感器內(nèi)、外方位元素模擬由傳感器位置和姿態(tài)確定的投射光線；幻對(duì)三維地形場(chǎng)景和投射光線進(jìn)行求交計(jì)算，獲取框幅式航空遙感影像在地形起伏狀態(tài)下的影像覆蓋的幾何變形；4)運(yùn)用計(jì)算機(jī)3D圖形可視化技術(shù)，將結(jié)果在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中再現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，步驟1)中選取地形起伏變化明顯的DEM數(shù)據(jù)，以JAVA3D或openGL或Direct3D技術(shù)進(jìn)行三維地形場(chǎng)景的構(gòu)建。
3.如權(quán)利要求2所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，所述三維地形場(chǎng)景以三角形面為最小基元。
4.如權(quán)利要求1所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，步驟2、中通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換算法，模擬由傳感器探元發(fā)出的光線在步驟1)中構(gòu)建的三維地形場(chǎng)景中所能拍攝到的地面位置和范圍。
5.如權(quán)利要求4所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，傳感器投影中心在空間坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)決定傳感器的發(fā)射光線的位置與方向，傳感器內(nèi)、外方位元素描述了傳感器投影中心的位置和姿態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，內(nèi)方位元素描述投影中心與影像像元之間相關(guān)位置的參數(shù)，外方位元素確定投影光束在投影瞬間的空間位置和姿態(tài)的參數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，步驟幻中投射光線模擬具體步驟為根據(jù)傳感器內(nèi)方位元素和傳感器視場(chǎng)角確定投射光線在影像坐標(biāo)系下的位置和方向，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將影像坐標(biāo)系下的投射光線位置和方向轉(zhuǎn)換到地面全局坐標(biāo)系下。
8.如權(quán)利要求7所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，所述影像坐標(biāo)系為以傳感器投影中心位置為原點(diǎn)，航空平臺(tái)飛行方向?yàn)閄軸，垂直于影像方向指向天空為Z軸，X軸與Z軸的叉乘確定Y軸；所述地面全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向國(guó)際時(shí)間局(BIH) 1984. 0定義的協(xié)議地極 (CTP)方向，X軸指向BIH1984. 0的協(xié)議子午面和CTP赤道的交點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求8所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，步驟3)中三維地形場(chǎng)景和投射光線求交計(jì)算具體為判斷投射光線所在射線與三維地形場(chǎng)景中三角形所在平面是否相交并計(jì)算交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為傳感器在起伏地形上的投影點(diǎn)，從而確定傳感器探元空間采樣地物點(diǎn)與影像像元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定影像像元在地球表面的投影位置，對(duì)傳感器的探元進(jìn)行逐個(gè)模擬，直到模擬全部傳感器探元在地面上的投影定位，進(jìn)行求出傳感器地形覆蓋的幾何變形。
10.如權(quán)利要求9所述的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，其特征在于，投射光線所在射線與三維地形場(chǎng)景中三角形所在平面求交計(jì)算包括減少線面相交計(jì)算的剔除算法，具體為將投射光線所在射線看作平面一和平面二的交線，先對(duì)三維地形場(chǎng)景中所有三角形平面與平面一進(jìn)行相交測(cè)試，然后將與平面一相交的三角形平面和平面二進(jìn)行相交測(cè)試，來排除不能與投射光線所在射線相交的三維地形場(chǎng)景中的眾多三角形平面。
全文摘要
本發(fā)明的基于光線追蹤技術(shù)的航空遙感成像幾何變形仿真方法，具體步驟為1)選取DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地形場(chǎng)景；2)根據(jù)傳感器內(nèi)、外方位元素模擬由傳感器位置和姿態(tài)確定的投射光線；3)對(duì)三維地形場(chǎng)景和投射光線進(jìn)行求交計(jì)算，獲取框幅式航空遙感影像在地形起伏狀態(tài)下的影像覆蓋的幾何變形；4)運(yùn)用計(jì)算機(jī)3D圖形可視化技術(shù)，將結(jié)果在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中再現(xiàn)。本發(fā)明針對(duì)航空遙感框幅式相機(jī)成像過程中，可能出現(xiàn)的影像幾何變形進(jìn)行了仿真，以成像機(jī)理為基礎(chǔ)，可視化展示了航空遙感成像的過程。通過本發(fā)明的模擬，用戶可以模擬由于航空平臺(tái)(飛機(jī)等)的抖動(dòng)導(dǎo)致的姿態(tài)變化、傳感器參數(shù)變化、地形起伏變化等因素影像下造成的影像幾何變形。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102243074SQ20101017202
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者余濤, 孟慶巖, 徐輝, 臧文乾, 郭紅, 顧行發(fā) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所