專利名稱：確定與圖像相聯(lián)系的位置的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與圖像相聯(lián)系的地面坐標的確定，尤其涉及成像系統(tǒng)產(chǎn)生的 一個或多個圖像到其它圖像的補償坐標信息轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
當前衛(wèi)星和航空應用中的遠程感測系統(tǒng)一般提供可以處理成包括構(gòu)成圖 像幀的數(shù)行像素的圖像。在許多應用中，人們希望知道圖像內(nèi)的一個或多個 像素的地面位置。例如，人們可能希望用像經(jīng)度、綽度、和海拔那樣的地理 術(shù)語表達圖像像素的地面位置。許多約定用于表達一個點的精確地面位置。通常，與像1927年的北美數(shù)據(jù)(NAD27)、 1983年的北美數(shù)據(jù)(NAD83)、和 1984年的世界測地系統(tǒng)(WGS84) —起指定像橫軸墨卡托投影(UTM )那樣的 參考投影。此外，對于美國內(nèi)的圖像，人們可能希望用像特定州或縣內(nèi)的鎮(zhèn) 區(qū)/范圍/地域那樣的PLSS (公共土地勘測系統(tǒng))坐標表達圖像內(nèi)的像素或?qū)?象的位置。為了為遠程成像系統(tǒng)收集的圖像導出精確地面位置信息，然后用上面列 出的標準或它們標準之一表達它，必須在一定程度上知道成像系統(tǒng)在收集圖 像時的狀態(tài)。存在許多決定成像系統(tǒng)成像的精確區(qū)域的包含成像系統(tǒng)的狀態(tài) 在內(nèi)的變量。例如，在衛(wèi)星成像應用中，衛(wèi)星的軌道位置、成像系統(tǒng)的方位、 和包括大氣影響和衛(wèi)星或它的成像系統(tǒng)的熱失真的各種其它因素都對決定成 像系統(tǒng)成像的區(qū)域的精度產(chǎn)生影響。認知這些因素的每一種的誤差導致確定 成像系統(tǒng)成像的區(qū)域的地面位置的不確定性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明已經(jīng)識別到，即使不是全部，也有許多用于為遠程感測平臺收集 的原始圖像數(shù)據(jù)生成地面位置信息的因素易產(chǎn)生導致為相關(guān)圖像導出不準確 地面位置信息的誤差。本發(fā)明降低了至少一個誤差源的負面影響和為為圖像導出更準確地面位
置信息創(chuàng)造了條件，從而使信息更適用于利用圖像的各種實體。因此，如果 感興趣實體接收到地面圖像，它就更加準確地知道地面圖像內(nèi)各個特征的位置，從而提高了將這樣的圖像用于各種各樣應用的能力。在一個實施例中，本發(fā)明提供了為衛(wèi)星圖像內(nèi)的像素確定地面位置坐標的方法。該方法包括如下步驟(a)獲取第一地球視角的第一圖像；(b)定 位第一圖像中的至少一個第 一像素，第 一像素對應于具有已知地球位置坐標 的點；(c)利用可用于衛(wèi)星的方位、位置、和失真信息的至少一個確定第一 圖像內(nèi)的點的預期像素位置；(d)根據(jù)該點的預期像素位置與第一像素的已 知位置之間的比較，計算至少一個補償因子；(e)獲取第二地球視角的第二 圖像，第二圖像不與第一圖像重疊；和(f )與可用于衛(wèi)星的方位、位置、和 失真信息結(jié)合，利用補償因子為第二圖像內(nèi)的至少一個像素確定地球位置坐 標。補償因子可以通過求解圖像的相關(guān)位置、方位、失真、和地面位置信息 利用已知地面位置、失真、和位置信息的一組方程計算，以便調(diào)整衛(wèi)星的方 位。然后，將衛(wèi)星的調(diào)整方位用作補償因子。補償因子的計算也可以利用協(xié) 方差矩陣來加強，折衷不確定因素或?qū)⒁粋€或多個矩陣中的不確定量設(shè)置成 接近零，和求解另一個矩陣以獲得衛(wèi)星方位信息。然后，當為第二圖像確定 地球位置信息時，將衛(wèi)星方位信息用作補償因子。第二圖像可以由成像系統(tǒng) 在收集第一圖像之前或之后收集。本發(fā)明的另 一個實施例提供了確定來自遠程成像平臺的地球圖像的位置 信息方法。該方法包括如下步驟(a)獲取與第一地球視角相聯(lián)系的第一地 球圖像；(b)獲取與第二地球視角相聯(lián)系的第二地球圖像，第二地球圖像不 與第一地球圖像重疊；和(c)利用與第一地球圖像相聯(lián)系的已知位置信息確 定與第二地球圖像相聯(lián)系的位置信息。本發(fā)明的又一個實施例提供了包含數(shù)個像素和至少 一個像素的地球位置 坐標的地球區(qū)域的衛(wèi)星圖像。這些像素和坐標通過如下步驟獲得(a)從第 一地球視角獲取第一地球圖像，第一地球圖像包含數(shù)個像素；(b)定位第一 地球圖像中與一個點相聯(lián)系的至少一個第一像素，該點具有已知地球位置坐 標；(c)根據(jù)第一地球圖像內(nèi)該點的預期像素位置與第一地球圖像內(nèi)第一像 素的已知位置之間的比較，計算補償因子；(d)從第二地球視角獲取第二地 球圖像，第二地球圖像包含數(shù)個像素和不與第一地球圖像重疊；和(e)根據(jù) 補償因子為第二地球圖像的至少 一個像素確定地球位置坐標。本發(fā)明的再一個實施例提供了向感興趣實體輸送衛(wèi)星圖像的方法。該方法包含如下步驟(a)提供起傳送數(shù)字數(shù)據(jù)作用的至少一部分通信網(wǎng)絡(luò)；和 (b )在該部分通信網(wǎng)絡(luò)上傳送包括數(shù)個像素的數(shù)字圖像，至少一個像素含有 根據(jù)補償因子導出的相關(guān)地面位置信息，補償因子是根據(jù)來自第一圖像的至 少一個地面點確定的，其中，所述第一圖像不同于所述數(shù)字圖像和所述第一 圖像不與所述數(shù)字圖像重疊。


圖1是獲取地球圖像的地球軌道中的衛(wèi)星的示意性例示； 圖2是本發(fā)明一個實施例的衛(wèi)星的方塊圖表示；圖3是針對本發(fā)明的一個實施例確定與衛(wèi)星圖像相聯(lián)系的位置坐標的操 作步驟的流程圖例示；圖4是涵蓋已知精確位置的幾個點的參考圖像的例示；和圖5是針對本發(fā)明的一個實施例包含幾個成像區(qū)的路徑的例示。
具體實施方式
概括地說，本發(fā)明的目的在于確定與裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)或其它遠程 感測平臺獲取的圖像的至少一個像素相聯(lián)系的地面位置信息。生成地面位置 信息所涉及的過程包括(a)獲取涵蓋精確知道位置的幾個點的區(qū)域的一個 或多個圖像(參考圖像)；(b)利用可用于成像系統(tǒng)的隨時間變化位置、方位、 和失真信息預測這些點的位置；(c )利用數(shù)據(jù)擬合(fitting )算法將預測位 置與已知位置相比較，以便導出一個或多個補償因子；(d)對其它時刻內(nèi)插 或外插補償因子；然后，(e)將補償因子應用于未涵蓋具有參考圖像的精確 知道位置的那些點的區(qū)域的一個或多個其它圖像(目標圖像)。該過程可以應 用于不與參考圖像重疊的目標圖像，也可以應用于與參考圖像重疊的目標圖 像。在概括地描述了生成圖像和地面位置信息的過程之后，下面更詳細地描 述該過程的實施例。現(xiàn)在參照圖1描述環(huán)繞行星104旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星100的例示。 首先，應該注意到，當本文提及地球時，指的是可能希望獲取含有與天體相 聯(lián)系的相關(guān)位置的圖像或其它遠程感測信息的任何天體。此外，當本文提及
衛(wèi)星時，指的是能夠獲取圖像的任何飛船、衛(wèi)星、飛機、或其它遠程感測平 臺。還應該注意到，包含在本文中的附圖都不是按比例畫出的，這樣的圖形 只是為了例示用。如圖1所示，衛(wèi)星100沿著軌道路線108環(huán)繞地球104旋轉(zhuǎn)。衛(wèi)星100 沿著軌道路線108的位置通過幾個變量定義，這些變量包括軌跡內(nèi)位置、軌 跡橫向位置、和徑向距離。軌跡內(nèi)位置與衛(wèi)星環(huán)繞地球104旋轉(zhuǎn)時衛(wèi)星沿著 軌道路線108的位置有關(guān)。軌跡橫向位置與衛(wèi)星100相對于軌道108的運行 方向的橫向位置有關(guān)(相對于圖1，處在紙內(nèi)或紙外)。徑向距離與衛(wèi)星100 離地球104的中心的徑向距離有關(guān)。這些與衛(wèi)星的物理位置有關(guān)的要素統(tǒng)稱 為衛(wèi)星的星歷表。當本文提及衛(wèi)星的"位置，，時，指的是這些要素。此外， 相對于軌道路線，衛(wèi)星100可能存在統(tǒng)稱為衛(wèi)星100的方位的縱傾(pitch )、 偏轉(zhuǎn)(yaw)、和側(cè)傾(roll)取向。裝在衛(wèi)星100上的成像系統(tǒng)能夠獲取包 括地球104的一部分表面的圖像112。圖像112由數(shù)個像素組成。當衛(wèi)星100正在獲取地球104的表面圖像時，正如下面更詳細描述的那 樣，可以根據(jù)包括系統(tǒng)的位置、系統(tǒng)的方位、和失真信息的與成像系統(tǒng)的狀 態(tài)有關(guān)的信息，計算任何特定圖像像素的相關(guān)地面位置。地面位置可以利用 綿度、經(jīng)度、和海拔來計算，或者，可以利用任何其它可應用坐標系來計算。 人們往往希望知道與來自這樣衛(wèi)星的圖像相聯(lián)系的一個或多個特征的位置， 并且，希望相對準確地知道每個圖像像素的位置。從衛(wèi)星中收集的圖像可以 用在商業(yè)和非商業(yè)應用中?？墒褂脠D像112的應用的數(shù)量隨成像系統(tǒng)的分辨 率的提高而增加，并且，當知道包含在圖像112中的一個或多個像素的地面 位置較準確時，會進一步增加?，F(xiàn)在參照圖2，描述本發(fā)明一個實施例的成像衛(wèi)星110的方塊圖表示。 成像衛(wèi)星100包括許多儀器，這些儀器包括位置測量系統(tǒng)116、方位測量系 統(tǒng)120、熱測量系統(tǒng)124、發(fā)送/接收電路128、衛(wèi)星移動系統(tǒng)132、電源系統(tǒng) 136、和成^^系統(tǒng)140。本實施例的位置測量系統(tǒng)116包括全球定位系統(tǒng)(GPS) 接收器，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器接收來自數(shù)個GPS衛(wèi)星的位置信息，并 且，在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。位置測量系統(tǒng)116周期性地獲得來自GPS 衛(wèi)星的信息。如果希望在周期性間隔之間的時刻確定衛(wèi)星100的位置，將來 自位置測量系統(tǒng)的GPS信息與與衛(wèi)星的軌道有關(guān)的其它信息組合在一起，以 便在那個特定時刻生成衛(wèi)星位置。在這樣的系統(tǒng)中，通常，從位置測量系統(tǒng)116獲得的衛(wèi)星100的位置包含由位置測量系統(tǒng)116和相關(guān)GPS衛(wèi)星的局限 性引起的一些誤差。在一個實施例中，已知利用從位置測量系統(tǒng)116的數(shù)據(jù) 導出和提煉的數(shù)據(jù)獲得的衛(wèi)星100的位置的誤差在幾米之內(nèi)。雖然這個誤差 很小，但它往往是與地面圖像中的像素相聯(lián)系的地面位置的不確定性的相對 重要貢獻者。方位測量系統(tǒng)120用在為成像系統(tǒng)140確定方位信息中。在一個實施例 中，方位測量系統(tǒng)120包括測量角速率的一個或多個陀螺儀和獲取各種天體 的圖像的一個或多個星象跟蹤儀。由星象跟蹤儀獲得的圖像內(nèi)天體的位置用 于確定成像系統(tǒng)140的方位。在一個實施例中，星象跟蹤儀被放置成為固定 在成像系統(tǒng)140上的參考坐標系統(tǒng)提供側(cè)傾、偏轉(zhuǎn)、和縱傾取向信息。與上 面參照位置測量系統(tǒng)116所述的相似，方位測量系統(tǒng)120的星象跟蹤儀起周 期性地獲取圖像的作用。成像系統(tǒng)140的方位可以，往往的確隨這些周期性 間隔而改變。例如，在一個實施例中，星象跟蹤儀以大約10 Hz的速度收集 圖像，但這個頻率可以升高或降低。在本實施例中，成像系統(tǒng)W0起以在7 kHz 到24kHz之間的行速率獲取圖像的作用，但這些頻率也可以升高或降低。在 任何情況下，成像系統(tǒng)140 —般都以高于星象跟蹤儀的速率工作，導致在相 繼方位測量之間從星象跟蹤儀獲得許多地面圖像像素。利用星象跟蹤儀信息， 以及像來自陀螺儀的角速率信息那樣的附加信息確定星象跟蹤儀的相繼圖像 之間的時間間隔內(nèi)成像系統(tǒng)140的方位，以便預測成像系統(tǒng)140的方位。陀 螺儀用于檢測成像系統(tǒng)140的角速率，這個信息用于調(diào)整成像系統(tǒng)140的方 位信息。方位測量系統(tǒng)120也限制了所提供信息的準確度，導致成像系統(tǒng)140 的預測方位存在誤差。雖然這個誤差一般很小，但它往往是與地面圖像中的 像素相聯(lián)系的地面位置的不確定性的相對重要貢獻者。熱測量系統(tǒng)124用于在確定成像系統(tǒng)140的熱特性中。在本實施例中， 熱特性用于補償成像系統(tǒng)14G中的熱失真。眾所周知，確定與這樣的基于衛(wèi) 星成像系統(tǒng)140收集的圖像相聯(lián)系的地面位置時的誤差源是成像系統(tǒng)中的失 真。在本實施例中，熱測量系統(tǒng)124監(jiān)視的熱變化用于補償成像系統(tǒng)140中 的失真。這樣的熱變化發(fā)生在，例如，衛(wèi)星100，或衛(wèi)星100的一些部分由 于地球或衛(wèi)星100的其它部分投射的陰影移入或移出日照區(qū)的時候。在成像 系統(tǒng)140的部件上接收到的能量的差異導致部件被加熱，從而導致成像系統(tǒng) 140失真和/或成^^系統(tǒng)140與位置和方位測量系統(tǒng)116和120之間的對準發(fā)生變化。這樣的能量變化可能發(fā)生在，例如，衛(wèi)星100的太陽能電池板相對 于衛(wèi)星的取向發(fā)生變化，導致成像系統(tǒng)部件受到太陽的額外照射的時候。除了來自衛(wèi)星100的組成部分的反射，和衛(wèi)星100移入和移出地球陰影之外， 來自地球本身的反射能也可能引起成像系統(tǒng)140的熱變化。例如，如果將光 線反射到成像系統(tǒng)140的地球部分特別多云，相對于在非多云區(qū)上接收到的 能量，在衛(wèi)星100上接收到更多的能量，因此，導致附加的熱失真。熱測量 系統(tǒng)124監(jiān)視熱特性變化，并且，將這個信息用于補償這樣的熱失真。熱測 量系統(tǒng)124限制了所提供信息的準確度，導致衛(wèi)星100的成像系統(tǒng)140的熱 補償存在誤差。雖然這個誤差一般相對較小，但當用在確定包括地球的一部 分表面的圖像內(nèi)的像素的地址位置中時，這個誤差也對地面位置的不確定性 有貢獻。除了來自成像系統(tǒng)140的熱失真之外，也可能存在大氣失真，這增加了 成像系統(tǒng)140的誤差。這樣的大氣失真可能由大氣內(nèi)與成像區(qū)相聯(lián)系的各種 原因引起，這些原因包括加熱、水蒸氣、污染物和濃度相對高或低的浮塵等。 當確定與成像系統(tǒng)140成像的區(qū)域相聯(lián)系的地面位置信息時，這些大氣失真 引起的圖像失真是誤差的進一步組成部分。此外，除了位置、方位、和失真 信息的誤差之外，衛(wèi)星100運行的速度也導致所接收信息的相對論性失真。 在一個實施例中，衛(wèi)星100以大約每秒7. 5公里的速度運行。在這個速度上， 雖然相對4艮小，但仍然存在相對論性因素，并且，在一個實施例中，對在衛(wèi) 星100上收集的圖像進行補償，以反映這樣的因素。盡管可以相對來說高度 精確地進行這種補償，但由于相對論性變化，仍然存在一些誤差。雖然這個 誤差一般很小，但它往往是與地面圖像中的像素相聯(lián)系的地面位置的不確定 性的相對重要貢獻者。位置測量系統(tǒng)116、方位測量系統(tǒng)120、熱測量系統(tǒng)124、大氣失真、和 相對論性變化的附加誤差導致地面位置計算存在一定程度的不確定性，在一 個實施例中，這種不確定性為大約20米。雖然對于典型衛(wèi)星成像系統(tǒng)來說， 這個不確定性相對很小，但進一步降低這個不確定性將提高地面圖像對大量 用戶的實用性，并且，也使圖像能夠用在大量應用中。本實施例中的發(fā)送/接收電路128包括與衛(wèi)星100和地面站和/或其它衛(wèi) 星通信的眾所周知部件。衛(wèi)星100 —般接收與控制衛(wèi)星100的定位和成像系 統(tǒng)140、各種發(fā)送/接收天線、和/或太陽能電池板的指向有關(guān)的命令信息。 衛(wèi)星IOO—般與來自位置測量系統(tǒng)116、方位測量系統(tǒng)120、熱測量系統(tǒng)124 的衛(wèi)星信息、和用于監(jiān)視和控制衛(wèi)星系統(tǒng)100的其它信息一起發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。移動系統(tǒng)132包含許多沖力設(shè)備和推力設(shè)備。正如在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周 知的那樣，沖力設(shè)備通過提供慣性方位控制用在衛(wèi)星100的控制中。此外， 也正如在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的那樣，衛(wèi)星的位置由安裝在起將衛(wèi)星100定 位在各種軌道位置中作用的衛(wèi)星上的推力設(shè)備控制。移動系統(tǒng)可以用于改變 衛(wèi)星位置和補償像太陽天線陣或天線移動、大氣阻力、太陽輻射壓、重力梯 度效應、或其它外力或內(nèi)力那樣的許多環(huán)境因素引起的各種擾動。衛(wèi)星系統(tǒng)100還包含電源系統(tǒng)136。電源系統(tǒng)可以是用在為衛(wèi)星發(fā)電中 的任何電源系統(tǒng)。在一個實施例中，電源系統(tǒng)包括含有數(shù)個太陽能電池的太 陽能電池板(未示出)，太陽能電池起將在太陽能電池板上接收的光轉(zhuǎn)換成電 的作用。太陽能電池板與電源系統(tǒng)的其余部分連接，電源系統(tǒng)的其余部分包 括蓄電池、功率調(diào)節(jié)器、電源、和起改變太陽能電池板相對于衛(wèi)星系統(tǒng)100 的相對取向，以便通過與太陽保持適當對準，提高太陽能電池板輸出的功率 作用的電路。如上所述，成像系統(tǒng)140用于收集包括地球的整個或一部分表面的圖像。 在一個實施例中，成像系統(tǒng)140利用推進刷型成像器，推進刷型成像器起以 在7 kHz到24 kHz之間的可調(diào)頻率收集數(shù)行^象素的作用。成像系統(tǒng)140可以 包括數(shù)個起在不同波段中收集圖像作用的成像器。在一個實施例中，成像系 統(tǒng)140包括用于紅色、綠色、藍色、和近紅外頻帶的成像器?？梢詫倪@些 頻帶中收集的圖像組合在一起，以便形成從成像表面反射的可見光的彩色圖 像。類似地，來自任何一個頻帶，或這些頻帶的組合的圖像都可以用于獲取 與成像表面有關(guān)的各種信息，譬如，農(nóng)業(yè)信息、空氣質(zhì)量信息等。雖然描述 了四個頻帶的圖像，但在其它實施例中，也可以收集更多或更少頻帶的圖像。 例如，視使用圖像的應用而定，可以收集紅外和紫外圖像。在一個實施例中， 成像系統(tǒng)140包括包含CCD (電荷耦合器件)像素陣列的成像器，每個像素 能夠獲取高達2048個級的亮度，然后，對于圖像中的每個像素用ll位的數(shù) 據(jù)表示這個亮度。現(xiàn)在參照圖3，圖3為本發(fā)明的一個實施例描述用在為衛(wèi)星系統(tǒng)成像的 區(qū)域確定地面位置信息中的操作步驟。在一個實施例中，衛(wèi)星沿著它的軌道 路線連續(xù)地收集圖像。通過一個或多個地面站將這些圖像與來自位置測量系 統(tǒng)、方位測量系統(tǒng)、和熱測量系統(tǒng)的信息一起發(fā)送到圖像生成系統(tǒng)，在圖像 生成系統(tǒng)中，與和衛(wèi)星系統(tǒng)有關(guān)的任何其它已知信息 一起處理圖像和相關(guān)位 置、方位、和失真信息。這種處理可以發(fā)生在任何時候，和可以幾乎實時地 完成。在本實施例中，這些圖像包括參考圖像和目標圖像。如前所述，參考 圖像是疊加了具有已知高度準確的位置坐標的 一個或多個地面點的圖像，目 標圖像是未疊加具有已知高度準確的位置坐標的地面點的圖像。在圖3的實施例中，如方塊200所指，為第一參考圖像確定衛(wèi)星的位置。如上所述，該位置包括與收集第一參考圖像時衛(wèi)星的軌道位置有關(guān)的信息，并且，包括軌 跡內(nèi)信息、軌跡橫向信息、和徑向距離信息。這個位置可以利用來自位置測量系統(tǒng)的信息和用于改善整個位置認知的其它地面信息來確定。在方塊204 中，確定成像系統(tǒng)的方位信息。正如前面討論過的那樣，成像系統(tǒng)的方位包 括成像系統(tǒng)相對于成像系統(tǒng)的參考坐標系的軌道路線的縱傾、側(cè)傾、和偏轉(zhuǎn) 取向。在確定方位信息時，從各種方位測量系統(tǒng)部件中收集信息。對這個信 息加以分析，以確定成像系統(tǒng)的方位。在方塊208中，確定成像系統(tǒng)的失真 信息。失真信息包括成像系統(tǒng)的光學部件中的已知偏差，以及由熱測量系統(tǒng) 所監(jiān)視的光學部分的熱失真變化。包括在失真信息中的還有來自地球大氣的 失真。在確定了位置、方位、和失真信息之后，根據(jù)方塊212計算至少一個預 定地面點的預測像素位置。在一個實施例中，利用成像系統(tǒng)的位置、成像系 統(tǒng)的方位、和成像系統(tǒng)的失真確定這個預測像素位置，以便計算圖像當中的 至少一個像素的地面位置。具體地說，該位置提供了成像系統(tǒng)在地球表面上 的位置，該方位提供了成像系統(tǒng)收集圖像的方向，和該失真提供了光線偏離 沒有熱、大氣、或相對論性影響時它們所在位置的數(shù)量。從成像系統(tǒng)的位置、 以及成像系統(tǒng)指的方向、和失真對成像系統(tǒng)的影響中得出地址表面上產(chǎn)生成 像系統(tǒng)接收的光的理論位置。根據(jù)像山嶺地區(qū)那樣，地面表面上的位置的表 面特征進一步調(diào)整這個理論位置。進行這種附加計算，從而產(chǎn)生預測像素位置。在確定了參考圖像中每個預定地面點的預測像素位置之后，如方塊216 所指，根據(jù)參考圖像中每個預定地面點的預測像素位置與每個預定地面點的 實際像素位置之間的比較，對位置、方位、和失真信息的一個或幾個計算補 償因子。補償因子的計算將在下面作更詳細描述。
在計算了補償因子之后，可以利用經(jīng)過補償?shù)姆轿弧⑽恢?、?或失真信 息計算成像系統(tǒng)收集的其它圖像中的至少一個像素的地面位置。在圖3的實 施例中，如果目標圖像中的像素的位置準確性好于可利用其它傳統(tǒng)方法取得 的準確性，使用補償因子。正如上面討論過的那樣，衛(wèi)星在每個軌道上自始 至終都存在各種擾動和溫度漲落。因此，當根據(jù)參考圖像中預定地面點的預 測像素位置與參考圖像中預定地面點的實際像素位置之間的差異計算補償因 子時，成像系統(tǒng)的位置、方位、或失真的進一步變化將降低補償因子的準確 性，直到在一些點上，利用標準傳感器導出測量預測的像素的地面位置比利 用補償因子確定的地面位置更準確為止。在這樣的情況下，可以不使用補償 因子，而是將利用標準傳感器導出測量預測的像素的地面位置用于地面位置信息。如方塊220所示，利用補償因子確定第二圖像中一個或更多個像素的 地面位置。以這種方式可以相對來說高度精確地確定獲取參考圖像之前和/ 或之后獲取的圖像的地面位置。此外，如果在收集圖像的同時在經(jīng)過軌道期 間拍攝多個參考圖像，可以利用從各個參考圖像中生成的調(diào)整因子確定為那 個軌道拍攝的所有圖像的地面位置。應該注意到，可以修改上面參考圖3描述操作步驟的順序。例如，可以 在獲取參考圖像之前獲取第二圖像。盡管第二圖像是在獲取參考圖像之前獲 取的，但也可以將補償因子應用于第二圖像。在另一個實施例中，拍攝了多 個參考圖像，并且，將擬合算法應用于每個圖像中的每個預定地面點的預測 位置，以便為在獲取參考圖像之間獲取的各個圖像導出一組補償因子。這樣 的擬合算法可以是最小二乘擬合。現(xiàn)在參照圖4,描述本發(fā)明一個實施例的補償因子的確定。正如前面討 論過的那樣，裝在成像衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)獲取疊加了一個或多個預定地面點 的參考圖像300。對于像WGS84那樣的任何適當數(shù)據(jù)，每個預定地面點在地 球上的位置可以用纟韋度、經(jīng)度、和海拔表達。這樣的預定地面點可以是包括 在含有已知位置的地球的圖像中任何可識別自然或人造特征。預定地面點的 例子包括人行道拐角、建筑物拐角、停車場拐角、海岸特征、和島嶼上的可 識別特征。選擇預定地面點的一種考慮是在包含預定地面點的區(qū)域的圖像中 相對易于識別。盡管預定地面點可以是可被計算機系統(tǒng)或使用者識別的任何 點，但具有已知位置、與圖像內(nèi)的周圍區(qū)域相比具有高對比度的點往往是人 們所希望的。在一個實施例中，將圖像對齊用于確定出現(xiàn)在預定地面點的計
算位置中的誤差量。這樣的圖像對齊可以基于一般特征，基于線特征，和/ 或基于區(qū)域相關(guān)性?；趨^(qū)域相關(guān)性的圖像對齊評估點周圍的像素區(qū)域，和 將那個區(qū)域與控制圖像中尺寸相當?shù)膮^(qū)域?qū)R?？刂茍D像由遠程成像平臺獲 取，并且，含有已知高度準確的實際區(qū)域位置。出現(xiàn)在該區(qū)域的預測位置與 該區(qū)域的實際位置之間的誤差量用在確定補償因子中。特征和線對齊識別和 匹配像建筑物或人行道的邊緣那樣的圖像中的特定項目。識別勾畫或描繪一 個特征的像素組，并且，將那個像素組與控制圖像中的同一個組相比較。在 一個實施例中，在被云覆蓋的可能性降低的位置中選擇預定地面點，以便提高在收集參考圖像300時看得見預定地面點的可能性。再次參考圖4，對于參考圖像300,確定例示成A、 B、 C、和D的四個預 定地面點的預測像素位置。例示在圖4中的A、 B、 C、和D的位置是基于成 像衛(wèi)星的方位、位置、和失真信息、和地球位置的像海拔那樣的表面位置信 息的A、 B、 C、和D的預測j象素位置。標識成A'、 B'、 C'、和D'的預定地面 點的實際像素位置事先已知具有高準確度。然后，將預測像素位置與實際像 素位置之間的差異用于確定補償因子。在一個實施例中，補償因子是修正成 像系統(tǒng)方位。在另一個實施例中，補償因子是修正成像系統(tǒng)方位和修改成像 系統(tǒng)位置。在又一個實施例中，補償因子是修正成像系統(tǒng)方位和修改成像系 統(tǒng)位置、和修正失真信息。在補償成像系統(tǒng)方位、位置、和失真的至少兩個 的實施例中， 一個因子相對于另一個因子可能受到更多補償，和在一個實施 例中，方位受到相對較大量的補償，而位置和失真受到相對較少量的補償。在一個實施例中，通過求解含有與成像系統(tǒng)的位置、成像系統(tǒng)的方位、 成像系統(tǒng)的失真、和成像系統(tǒng)獲得的圖像的地面位置有關(guān)的變量的 一組方程 確定補償因子。在補償成像系統(tǒng)方位的一個實施例中，假設(shè)在圖3的方塊200 中確定的成像系統(tǒng)的位置是正確的，假設(shè)在圖3的方塊208中確定的成像系 統(tǒng)的失真是正確的，并且，將參考圖像當中與預定地面點相對應的像素地面 位置設(shè)置成在參考圖像中識別的預定地面點的已知位置。然后，求解方程， 確定成像系統(tǒng)的補償方位。然后，將這個補償方位用在其它圖像中，確定其 它圖像內(nèi)的像素的地面位置。在一個實施例中，將三角測量法用于計算補償成像系統(tǒng)方位。在本實施 例中，利用狀態(tài)空間估計手段進行三角測量。用于三角測量的狀態(tài)空間估計 手段可以利用最小二乘、利用先驗信息的最小二乘、或像卡爾曼(Kalnian)
過濾那樣的隨機或貝葉斯(Bayesian)估計。在利用基本最小二乘手段的實 施例中，假設(shè)位置是正確的，失真是正確的，和與參考圖像中與預定地面點 相對應的像素相聯(lián)系的地面位置是正確的。然后，為補償因子求解方位，和 將方位用于補償因子。在另 一個實施例中，利用先驗信息的最小二乘手段用于確定補償因子。 在這個實施例中，成像系統(tǒng)位置、方位、失真和預定地面點的像素位置，以 及與這些因素的每一個有關(guān)的先驗協(xié)方差信息用在計算補償因子中。在這個 實施例中，可以利用受它們各自協(xié)方差控制的每個參數(shù)的補償量補償所有這 些因素。協(xié)方差是不確定性的量度，可以用協(xié)方差矩陣來表示。例如，3x3 協(xié)方差矩陣可以用于成像系統(tǒng)的位置，矩陣中的元素對應于成像系統(tǒng)的軌跡 內(nèi)位置、軌跡橫向位置、和徑向距離。3x 3矩陣包括作為位置信息每根軸的 位置誤差的方差的對角元，和非對角元是每個元素的位置誤差之間的相關(guān)因 子。對于成像系統(tǒng)方位信息、失真信息、和預定地面點位置，可以生成其它 協(xié)方差矩陣。利用帶有先驗協(xié)方差的最小二乘或卡爾曼過濾，為每個參數(shù)生成補償因 子。另外，還生成與每個參考相聯(lián)系的協(xié)方差。因此，例如，利用與方位相 關(guān)性相聯(lián)系的協(xié)方差就可以知道修改方位的后驗協(xié)方差。如上所述，在一個實施例中，收集兩個或更多個參考圖像和將它們用于 計算補償因子。在這個實施例中，與為每一個確定補償因子無關(guān)地對每個圖 像進行三角測量(通過上述方法)。然后，將這些補償因子組合在一起，用在 確定與沒有利用預定地面點確定地面位置收集的圖像相聯(lián)系的地面位置中。 補償因子可以利用像內(nèi)插、多項式擬合、簡單求平均、協(xié)方差加權(quán)求平均等 那樣的方法組合在一起?？商娲?，可以一起對所有圖像進行單次三角測量 (利用與上述相同的方法)，得出可應用于適當時間范圍內(nèi)的整個軌道跨度的 全局補償因子。這種全局補償因子可以不用預定地面點地應用于所有圖像。雖然上述的位置參數(shù)被假設(shè)成是正確的，或具有小協(xié)方差，但當確定補 償成像系統(tǒng)方位信息時，也可以使用其它可替代量。在上述實施例中，選擇 成像系統(tǒng)方位是因為，在這個實施例中，成像系統(tǒng)方位是不確定性的主要來 源。通過減小不確定性的主要來源，可以提高與不與地面控制點重疊的其它 圖像相聯(lián)系的地面位置的準確度。在成像系統(tǒng)方位不是不確定性的主要來源 的其它實施例中，可以適當?shù)匮a償其它參數(shù)。
正如前面討論過的那樣，在一個實施例中，從成^f象系統(tǒng)的特定4九道中收集多個參考圖像。在這個實施例中，如圖5所示，在衛(wèi)星地面訪問帶400內(nèi) 收集各種圖像。包括在收集圖像中的是第一參考圖像404、和第二參考圖像 408。參考圖像404和408是從衛(wèi)星地面訪問帶400內(nèi)與預定地面點重疊的區(qū) 域中收集的。包含實際預定地面點的區(qū)域在圖5中被表示成帶斜線控制圖像 406和410。在例示在圖5中的例子中，還獲取了第三圖〗象412和第四圖4象 416,它們都不與任何預定地面點重疊。圖像412和416是目標圖像。在這個 實施例中，將包含在第一參考圖像404中的預定地面點的實際位置與包含在 第一參考圖像404中的預定地面點的預測位置相比較。根據(jù)預測預定地面點 位置與實際預定地面點位置之間的差異確定第一補償因子。類似地，將包含在第二參考圖像408中的預定地面點的實際位置與包含 在第二參考圖像408中的預定地面點的預測位置相比較。根據(jù)預測預定地面 點位置與實際預定地面點位置之間的差異確定第二補償因子。然后，可以將如上所述的第一和第二補償因子的組合用于確定目標圖像412和416每一個 中的一個或多個像素中的地面位置。衛(wèi)星的成像系統(tǒng)可以被控制成以任何順序獲取各種圖像。例如，衛(wèi)星可 以先獲取第三和第四圖像412和416,然后獲取第一和第二參考圖像404和 408。在一個實施例中，按如下順序獲取圖像先獲取第一參考圖像404,接 著獲取第三參考圖像412,接著獲取第四參考圖像416,和最后獲取第二參考 圖像408。在本例中，根據(jù)第一和第二補償因子的最小二乘擬合計算第三和 第四圖像412和416的補償因子。如果圖像是以不同順序獲取的，這可能直 截了當，并且，與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的能力相適應，利用簡單技術(shù)計算 第三或第四圖像412和416的補償因子。如前所述，衛(wèi)星將收集的圖像發(fā)送到位于地球上的至少一個地面站。地 面站處在這樣的位置上，衛(wèi)星可以在一部分軌道上與地面站通信。在地面站 上接收的圖像可以在地面站上得到分析，以確定圖像中的像素的位置信息， 以及將這種信息發(fā)送給用戶或數(shù)據(jù)中心(下文稱為接收器)?？商娲兀诘?面站上從衛(wèi)星接收的原始數(shù)據(jù)可以不作任何確定與圖像相聯(lián)系的地面位置信 息的處理地直接從地面站發(fā)送到接收器。然后，可以對包括與成像系統(tǒng)的位 置、方位、和失真有關(guān)的信息的原始數(shù)據(jù)加以分析，以確定包含預定地面點 的圖像。利用那些圖像中的預定地面點，以及如上所述的其它信息，可以計
算其它圖像中的像素的地面位置。在一個實施例中，通過在因特網(wǎng)上傳送圖 像將圖像發(fā)送到接收器。通常，圖像以壓縮格式傳送。 一旦接收到圖像，接 收器就能夠生成地球位置的圖像，以及與圖像相聯(lián)系的地面位置信息。也可以以其它方式將圖像傳送到接收器。例如，可以將圖像記錄在磁盤、CD(光 盤)、磁帶或其它記錄媒體上，并且，將它們郵寄給接收者。如果需要，記錄 媒體也可以包括衛(wèi)星位置、方位、和失真信息。也可以簡單地生成圖像的硬 拷貝，然后將硬拷貝郵寄給接收者?？梢詫⒂部截悅髡婊螂妭鹘o接收者。雖然參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了具體圖示和描述，但 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應該明白，可以在形式和細節(jié)上對其作各種各樣的其 它改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。本申請要求2004年6月25日提出的發(fā)明名稱為"確定與圖像相聯(lián)系的 位置的方法和裝置(METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING A LOCATION ASSOCIATED WITH AN IMAGE)"的美國臨時專利申請第60/521,729號的優(yōu)先 權(quán)，特此全文引用以供參考。
權(quán)利要求
1.一種確定來自遠程成像平臺的地球圖像的位置信息的方法，包含獲取與第一地球視角相聯(lián)系的第一地球圖像；獲取與第二地球視角相聯(lián)系的第二地球圖像，所述第二地球視角不與所述第一地球圖像視角重疊；和利用與所述第一地球圖像相聯(lián)系的已知位置信息確定與所述第二地球圖像相聯(lián)系的位置信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定來自遠程成像平臺的地球圖像的位置信息 的方法，其中，所述獲取第二地球圖像的步驟是在所述獲取第一地球圖像的 步驟之前執(zhí)行的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定來自遠程成像平臺的地球圖像的位置信息 的方法，其中，所述獲取第二地球圖像的步驟是在所述獲取第一地球圖像的 步驟之后執(zhí)行的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定來自遠程成像平臺的地球圖像的位置信息 的方法，其中，所述利用步驟包含確定所述第一地球圖像的至少一個對象的已知位置信息； 利用所述已知位置信息和成像平臺移動信息確定補償因子和與用于所述第二地球圖像的所述補償因子相聯(lián)系的測量誤差；和當所述測量誤差的幅度小于預定誤差極限時，利用所述補償因子確定與所述第二地球圖像相聯(lián)系的位置信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的確定來自遠程成像平臺的地球圖像的位置信息 的方法，其中，所述預定誤差極限是與和成像平臺相聯(lián)系的方位、位置、和 失真測量系統(tǒng)相聯(lián)系的誤差極限。
6. —種確定從裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)中獲取的地球圖像的位置信息的方 法，包含獲取與第 一地球視角相聯(lián)系的第 一地球圖像；獲取與第二地球視角相聯(lián)系的第二地球圖像，所述第二地球視角不與所 述第一地球視角重疊；定位在含有已知地球位置信息的所述第 一圖像中的至少一個第 一地面點. 利用成像系統(tǒng)的位置、方位、和失真信息的至少一個確定所述地面點的預期位置；根據(jù)所述第一地面點的所述預期位置信息與所述已知位置信息之間的比 較，計算至少一個補償因子；和根據(jù)所述補償因子確定所述第二圖像的位置信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定從裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)中獲取的地球圖 像的位置信息的方法，其中，所述獲取第二地球圖像的步驟是在所述獲取第 一地球圖像的步驟之前執(zhí)行的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定從裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)中獲取的地球圖 像的位置信息的方法，其中，所述獲取第二地球圖像的步驟是在所述獲取第 一地球圖像的步驟之后執(zhí)行的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定從裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)中獲取的地球圖 像的位置信息的方法，其中，所述計算步驟包含當成像系統(tǒng)獲取所述第 一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第一位置； 當成像系統(tǒng)獲取所述第 一 圖像時，確定成像系統(tǒng)的第 一方位； 當成像系統(tǒng)獲取所述第一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第一失真；和 根據(jù)所述第一圖像中所述第一地面點的位置與所述地面點的所述預期位置之間的差異，為所述成像系統(tǒng)的位置、方位、和失真的至少一個求解所述至少一個補償因子。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定從裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)中獲取的地球 圖像的位置信息的方法，其中，所述確定位置信息步驟包含當成像系統(tǒng)獲取所述第二圖像時，確定成像系統(tǒng)的第二位置，所述第二 位置通過所述至少一個補償因子來修改；當成像系統(tǒng)獲取所述第二圖像時，確定成像系統(tǒng)的第二方位，所述第二 方位通過所述至少 一個補償因子來修改；當成像系統(tǒng)獲取所述第二圖像時，確定成像系統(tǒng)的第二失真，所述第二 失真通過所述至少一個補償因子來修改；和為所述第二圖像中的至少 一個位置確定位置信息。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的確定從裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)中獲取的地球 圖像的位置信息的方法，其中，所述計算步驟包含當獲取所述第 一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第 一位置和相關(guān)協(xié)方差；當獲取所述第 一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第一方位和相關(guān)協(xié)方差； 當獲取所述第 一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第 一失真和相關(guān)協(xié)方差； 根據(jù)所述第 一 圖像中所述第 一地面點的位置與所述地面點的所述預期位 置之間的差異，為所述成像系統(tǒng)的位置、方位、和失真的每一個求解所述至 少一個補償因子，其中所述補償因子是由它們各自的協(xié)方差加權(quán)。
12. —種包含數(shù)個像素和至少 一 個所述像素的地球位置坐標的地球視角 的衛(wèi)星圖像，所述數(shù)個像素和坐標通過如下步驟獲得從第 一地球視角獲取第一地球圖像，所述第 一地球圖像包含數(shù)個像素； 確定在與具有已知地球位置的第一地面點相聯(lián)系的第一地球圖像中的第一像素的第一像素位置；根據(jù)所述第一地面點的預期像素位置與所述第一像素位置之間的比較，計算補償因子；從第二地球視角獲取第二地球圖像，所述第二地球圖像包含數(shù)個像素， 和所述第二地球圖像不與所述第一地球圖像重疊；和根據(jù)所述補償因子為所述第二地球圖像的至少 一個像素確定地球位置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的衛(wèi)星圖像，其中，所述獲取第二地球圖像的 步驟是在所述獲取第 一地球圖像的步驟之前執(zhí)行的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的衛(wèi)星圖像，其中，所述獲取第二地球圖像的 步驟是在所述獲取第 一地球圖像的步驟之后執(zhí)行的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的衛(wèi)星圖像，其中，所述計算步驟包含當獲取所述第一地球圖像時，確定與衛(wèi)星相聯(lián)系的成像系統(tǒng)的第一位置 和相關(guān)+辦方差；當獲取所述第一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第一方位和相關(guān)協(xié)方差； 當獲取所述第 一圖像時，確定成像系統(tǒng)的第一失真和相關(guān)協(xié)方差； 根據(jù)所述第一位置、方位、和失真計算所述第一地面點的所述預期像素 位置；確定所述預期像素位置與所述第一像素位置之間的差異； 根據(jù)所述差異，為所述成像系統(tǒng)的位置、方位、和失真的每一個求解所 述至少一個補償因子，其中，所述補償因子通過它們各自的協(xié)方差加權(quán)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的衛(wèi)星圖像，其中，所述確定地球位置步驟包含當獲取所述第二地球圖像時，確定成像系統(tǒng)的第二位置； 當獲取所述第二地球圖像時，確定成像系統(tǒng)的第二方位； 當獲取所述第二地球圖像時，確定成像系統(tǒng)的第二失真； 將所述補償因子應用于所述第二位置、方位和失真的至少一個；和 為所述第二地球圖像中的至少 一 個像素確定地球位置。
17. —種向感興趣實體輸送衛(wèi)星圖像的方法，包含 提供起傳送數(shù)字數(shù)據(jù)作用的至少一部分通信網(wǎng)絡(luò)；和 在所述一部分通信網(wǎng)絡(luò)上傳送包括數(shù)個像素的地球視角的數(shù)字圖像，至少一個所述像素含有根據(jù)補償因子導出的相關(guān)地面位置信息，所述補償因子 是根據(jù)來自第一圖像的至少一個地面點確定的，其中，所述第一圖像不同于 所述數(shù)字圖像和所述第一圖像不與所述數(shù)字圖像重疊。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述地面位置信息包括與所述 至少一個像素相聯(lián)系的經(jīng)度、緯度、和海拔。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述數(shù)字圖像是利用成像衛(wèi)星 獲取的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述數(shù)字圖像是在所述第一圖 像之前收集的。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述數(shù)字圖像是在所述第一圖 像之后收集的。
全文摘要
本發(fā)明降低了確定地面位置信息時出現(xiàn)在衛(wèi)星成像中的誤差的各種來源的負面影響，為圖像提供了更準確的地面位置信息，從而使信息更適用于利用圖像的各種實體。與裝在衛(wèi)星上的成像系統(tǒng)或其它遠程平臺獲取的圖像的一個或多個像素相聯(lián)系的地面位置坐標的確定包括獲取與第一地球視角相聯(lián)系的第一地球圖像；獲取與第二地球視角相聯(lián)系的第二地球圖像，第二地球圖像不與第一地球圖像重疊；和利用與第一地球圖像相聯(lián)系的已知位置信息確定與第二地球圖像相聯(lián)系的位置信息。
文檔編號G06K9/36GK101167088SQ200580028167
公開日2008年4月23日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者伍德森·伯考, 克里斯托弗·J·康普, 杰拉爾德·J·史密斯, 沃爾特·S·斯科特, 詹姆斯·G·麥克萊蘭 申請人:數(shù)字環(huán)球股份有限公司