專利名稱：一種航空線陣ccd影像幾何粗糾正算法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種航空線陣CCD影像的幾何粗糾正算法，特別是一種基于GPS/INS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)、Inertial Navigation System，慣性導航系統(tǒng))組合導航技術的航空線陣CCD影像幾何粗糾正算法。
背景技術：
當前，線陣CCD在攝影測量和遙感中得到廣泛的應用，例如，用于普通飛機上的有LH Systems的ADS40、AirMISR、DPA等，安裝在直升機上的TLS，安裝在衛(wèi)星上的有SPOT，IKONOS等。線陣CCD傳感器通常采用推帚式掃描成像，其每次成像一行，不同于面陣或者畫幅式的每次成像一幅。對于航空遙感，飛機的姿態(tài)變化比較劇烈，側滾一般在3°～25°間變化，直飛時航向也只能保持在5°以內(nèi)，在這種情況下，線陣CCD傳感器采集的影像會發(fā)生嚴重的幾何變形和扭曲，導致影像難以進行后續(xù)處理和使用，因此，傳統(tǒng)上都需要使用地面控制點進行后處理，處理難度比較大。
目前，由于GPS和INS的發(fā)展與成熟，直接用GPS/INS組合系統(tǒng)提供成像時的外方位元素的方法開始應用。GPS/INS組合定位系統(tǒng)是新型的姿態(tài)位置測量系統(tǒng)，GPS是一種純粹的幾何定位系統(tǒng)，誤差不隨時間積累，但是，其動態(tài)可靠性差，噪聲大，受外部因素影響比較多，數(shù)據(jù)輸出率也比較低。INS是一種純慣導系統(tǒng)，它的誤差是隨時間積累的。GPS/INS組合系統(tǒng)可以揚長避短絕對精度高的GPS數(shù)據(jù)，作為外部量測輸入，在運動過程中頻繁修正INS，以控制其誤差隨時間積累；而短時間內(nèi)高精度的INS定位結果，可以很好解決GPS動態(tài)環(huán)境中的信號失鎖和周跳問題。不僅如此，INS還可以輔助GPS接收機增強其抗干擾能力，提高捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號的能力。
可惜的是，目前由于相應的GPS/INS技術的發(fā)展滯后，因此，基于GPS/INS組合導航技術的航空線陣CCD影像的幾何粗糾正一直還很少有專門的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于GPS/INS組合導航技術的航空線陣CCD影像幾何粗糾正算法，解決GPS/INS組合導航系統(tǒng)應用于航空攝影測量和遙感的技術困難。
本發(fā)明的技術思路如下GPS/INS組合系統(tǒng)的測量值一般都包括載體的三維位置(X，Y，Z)和三個導航角(Ф，Θ，Ψ)，三維位置(X，Y，Z)一般是在WGS84坐標系中的坐標，而三個導航角則一般取載體坐標系和當?shù)厮阶鴺讼档男D(zhuǎn)角。
載體坐標系的定義為原點在載體中心，右手直角坐標系。
當?shù)厮阶鴺讼翟c在測量區(qū)域某點，X軸沿WGS84橢球指向東，Y軸沿WGS84橢球指向北，右手直角坐標系。
線陣CCD傳感器成像一般采用推帚式成像，每條掃描線都有一個投影中心，同時每條掃描線都有自己的外方位元素。
對于多中心的線陣CCD傳感器影像，要實現(xiàn)幾何粗校正的前提條件是能夠得到每條掃描線的外方位元素。由攝影測量的基本原理，對于中心投影影像，有如下的共線方程XA=XS+(ZA-ZS)a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f]]>YA=YS+(ZA-ZS)b1x+b2y-b3fc1x+c2y-c3f---(1)]]>(XS，YS，ZS)是投影中心在地面攝影測量坐標系中的坐標，(x，y，-f)是像點的像空間坐標，對于線陣CCD，x＝0，(XA，YA，ZA)是像點對應的地面點的坐標。
像空間坐標系的定義為原點在光學系統(tǒng)的投影中心，X軸指向飛行方向，Y軸指向左側，Z軸向上，構成右手直角坐標系。地面攝影測量坐標系的選擇和用戶選擇的制圖坐標系相關。
像空間坐標系到地面攝影測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣為A，定義如下A=a1a2a3b1b2b3c1c2c3]]>
因此，幾何粗校正的關鍵就是得到旋轉(zhuǎn)矩陣A。在攝影測量中，像素(xp，yp，-f)和它對應的地面點坐標(Xp，Yp，Zp)有如下關系XpYpZpm=XcYcZcm+kAxpyp-fpi---(3)]]>(Xc，Yc，Zc)是在地面攝影測量坐標系中的光學中心坐標，k是點依賴的比例因子。
由GPS/INS組合系統(tǒng)提供的參數(shù)，可以得到載體坐標系到當?shù)厮阶鴺讼档男D(zhuǎn)關系，以及當?shù)厮阶鴺讼档絎GS84坐標系的旋轉(zhuǎn)。因此，可以得到如下關系，XpYpZpm=XcYcZcm+kCEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCicxpyp-fpi---(4)]]>其中，Cic是像空間坐標系變換到線陣CCD傳感器坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；Ccb是線陣CCD傳感器坐標系到載體坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；Cbg是載體坐標系變換到當?shù)厮阶鴺讼档男D(zhuǎn)矩陣，由姿態(tài)位置測量系統(tǒng)記錄的導航角(Ф，Θ，Ψ)提供；CgE是當?shù)厮阶鴺讼档絎GS84坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；CEm是WGS84坐標系到地面攝影測量坐標系變換矩陣。
比較(3)(4)兩式，有A=CEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCic---(5)]]>這就是由GPS/INS系統(tǒng)的導航角得到攝影測量的旋轉(zhuǎn)矩陣的公式。
具體的實現(xiàn)步驟如下1)獲取原始航空線陣CCD影像和GPS/INS組合導航數(shù)據(jù)；2)提取航帶影像數(shù)據(jù)與行對應的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；3)利用公式(5)計算像空間坐標系到物空間坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；
4)由共線方程(1)進行幾何粗糾正，得到散亂點坐標；5)灰度值重采樣，得到粗糾正后的影像。
本發(fā)明的優(yōu)點在于解決了把GPS/INS組合系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)直接用于航空線陣CCD影像幾何粗糾正的技術難題。


圖1是公知的線陣CCD傳感器所采用的推帚式掃描成像原理圖。
圖2是本發(fā)明的幾何粗糾正程序流程圖。
圖3是未使用本發(fā)明的幾何粗糾正算法原始航空線陣CCD影像。
圖4是圖3影像使用本發(fā)明的幾何粗糾正算法后的糾正了的影像。
具體實施例方式
下面結合1～圖4給出本發(fā)明的一個較好實施例。
GPS/INS組合系統(tǒng)采用加拿大Applanix公司的POS/AV 510，其輸出的數(shù)據(jù)定義如下

說明1、POS坐標系的定義為X軸指向航向；Y軸指向飛機右側；Z軸向下。輸出的POS數(shù)據(jù)是基于用戶定義的參考坐標系的；2、時間是GPS周秒格式；3、經(jīng)緯度和高度是參考坐標系原點的WGS84坐標；4、速度定義在游移方位坐標系中，轉(zhuǎn)換到北東地坐標系(NED)中為
VN＝VXcosα-VYsinαVE＝-VXsinα-VYcosαVD＝-VZα是游移方位角。
5、航向角W定義是針對游移方位坐標系的，轉(zhuǎn)換成偏北航向角T需要減去游移方位角T＝W-α俯仰角、側滾角、偏航角是參考坐標系相對于北東地坐標系的旋轉(zhuǎn)角，含義如下北東地坐標系繞其Z軸(垂直向下)順時針旋轉(zhuǎn)偏北航向角，再繞其Y軸(指東)順時針旋轉(zhuǎn)俯仰角，再繞其X軸(指北)順時針旋轉(zhuǎn)側滾角，得到的坐標軸方向就和參考坐標系完全相同；線陣CCD影像由中國科學院上海技術物理研究所提供，CCD像元大小為12μm×12μm，等效焦距為20mm，沿飛行方向瞬時視場為1.2mrad，垂直飛行方向瞬時視場為0.6mrad，飛行航高為1000米。
幾何粗糾正過程如圖2所示S101、從圖3獲取原始航空線陣CCD影像和POS/AV510數(shù)據(jù)；S102、提取需要處理的航帶數(shù)據(jù)和對應的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，提取的影像數(shù)據(jù)見圖3；S103、利用公式(5)A=CEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCic]]>計算像空間坐標系到物空間坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；計算所用的各矩陣為Cbg=cosΘcosΨsinΦsinΘcosΨ-cosΦsinΨcosΦsinΘcosΨ+sinΦsinΨcosΘsinΨsinΦsinΘsinΨ+cosΦcosΨcosΦsinΘsinΨ-sinΦcosΨ-sinΘsinΦcosΘcosΦcosΘ]]>CgE=-sinbcosl-sinl-cosbcosl-sinbsinlcosl-cosbsinlcosb0-sinb]]>
Cic=1000-1000-1]]>CcbcosΘycosΘzcosΘysinΘz-sinΘysinΘxsinΘycosΘz-cosΘxsinΘzsinΘxsinΘysinΘz+cosΘxcosΘzsinΘxcosΘysinΘxsinΘycosΘz+sinΘxsinΘzcosΘxsinΘysinΘz-sinΘxcosΘzcosΘxcosΘy]]>(Ф，Θ，Ψ)是POS/AV 510提供的導航角，(l，b)是POS/AV 510提供的載體的經(jīng)緯度坐標，(Θx，Θy，Θz)是成像傳感器安裝角。
S104、由共線方程(1)XA=XS+(ZA-ZS)a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f]]>YA=YS+(ZA-ZS)b1x+b2y-b3fc1x+c2y-c3f]]>進行幾何粗糾正，得到散亂點坐標；S105、灰度值重采樣，得到粗糾正后的影像，見圖4。
比較圖3和4，可見幾何粗糾正后效果較好，影像的可視性大大增強。
權利要求
1.一種基于GPS/INS組合導航技術的航空線陣CCD影像幾何粗糾正算法，其步驟包括1)獲取原始航空線陣CCD影像和GPS/INS組合導航數(shù)據(jù)；2)提取航帶影像數(shù)據(jù)與行對應的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；3)根據(jù)由GPS/INS系統(tǒng)的導航角(Φ，Θ，Ψ)得到攝影測量的旋轉(zhuǎn)矩陣A=CEmCgECbg(Φ,Θ,Ψ)CcbCic]]>計算像空間坐標系到物空間坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣；4)根據(jù)多中心線陣CCD傳感器影像的中心投影的共線方程進行幾何粗糾正，得到散亂點坐標，共線方程式為XA=XS+(ZA-ZS)a1x+a2y-a3fc1x+c2y-c3f]]>YA=YS+(ZA-ZS)b1x+b2y-b3fc1x+c2y-c3f]]>其中(XS，YS，ZS)是投影中心在地面攝影測量坐標系中的坐標，(x，y，-f)是像點的像空間坐標，對于線陣CCD，x＝0，(XA，YA，ZA)是像點對應的地面點坐標；5)灰度值重采樣，得到粗糾正后的影像。
全文摘要
一種航空線陣CCD影像幾何粗糾正算法，包括步驟1.獲取原始航空線陣CCD影像和GPS/INS組合導航數(shù)據(jù)；2.提取航帶影像數(shù)據(jù)與行對應的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；3.根據(jù)由GPS/INS系統(tǒng)的導航角(Φ，Θ，Ψ)得到攝影測量的旋轉(zhuǎn)矩陣
文檔編號G01C21/24GK1693851SQ20051002655
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權日2005年6月8日
發(fā)明者徐衛(wèi)明, 王建宇, 舒嶸, 馬艷華, 馬德敏, 胡培新, 金星, 張冰娜 申請人:中國科學院上海技術物理研究所