專利名稱：月球三線陣相機影像仿真數(shù)據(jù)的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種以正攝影像和數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，仿真生成月球探測器三線陣CCD立體相機前視、正視和后視月球三線陣影像數(shù)據(jù)的方法。
背景技術(shù)：
三線陣相機是一臺只有一組光學(xué)鏡頭、探測器大小為1024X1024的面陣相機，在面陣上讀取沿垂直于飛行方向上的第11行、第512行和第1013行，分別作為前視、正視和后視三個不同視角的影像陣列，每行線陣的像素數(shù)為512列，前視、正視和后視相鄰線陣之間視角差均為16. 7°，成像譜段為0.5 0.75 的可見光波段。根據(jù)衛(wèi)星預(yù)定的在 軌飛行參數(shù)，相機的掃描速度設(shè)為11. 89幀/秒，以保證衛(wèi)星在200km高的軌道上三條線陣同時向前、向下和向后三個方向以推掃方式獲取的三幅二維影像條帶都能對衛(wèi)星飛過的月面進行100%成像。三條影像條帶幾乎是同時獲取的，幅寬為60km，在衛(wèi)星飛行方向具有100%的重疊，在赤道附近相鄰軌道影像條帶的重疊度約為41%，高緯度地區(qū)重疊度更大，為月表三維地形幾何重建提供了足夠的影像信息。圖2例示了“嫦娥一號(CE-I) ”探測器CXD立體相機月表三線陣影像數(shù)據(jù)獲取過程示意圖。在探月衛(wèi)星(例如“嫦娥一號(CE-I) ”)發(fā)射之前，要進行大量研究工作，但是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，研究工作所需要的數(shù)據(jù)源，例如月球三線陣相機影像的仿真數(shù)據(jù)的獲取是一大難題，由于受數(shù)據(jù)源因素的制約，無法進行后期的實驗工作，從而使提出的原理和采用的三線陣影像處理方法的正確性得不到有效驗證。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種以正攝影像和數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，仿真生成月球探測器三線陣CCD立體相機前視、正視和后視月球三線陣影像數(shù)據(jù)的方法。該方法包括步驟步驟1，仿真探月衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，軌道參數(shù)包括軌道高度、軌道傾角和偏心率；步驟2 :仿真探月衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)；步驟3 :根據(jù)衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用投影-反投影的方式獲得三線陣相機每個像素對應(yīng)的投影光束在數(shù)字高程模型上的投影點位置；步驟4，獲取像素灰度值。優(yōu)選地，上述步驟3進一步包括步驟301，建立相機成像模型，構(gòu)建每個像素的觀測矢量；步驟302，將觀測矢量從圖像坐標轉(zhuǎn)換到月固坐標；步驟303，求解觀測矢量與數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)表達的月球表面的交點。優(yōu)選地，上述步驟3進一步包括采用投影-反投影的方法迭代求解觀測矢量與該表面的交點。優(yōu)選地，上述步驟3進一步包括第一步，求解觀測矢量與月球正球體表的交點A ；第二步，將交點A的月固三維直角坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標和高程值，然后在數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)上查詢該經(jīng)緯度對應(yīng)的高程點B ;第三步，計算B點和A點的距離|ab| ;第四步，如果距離值IAB I不能滿足要求，則過B點做投影光線OA的垂線得垂足點C，然后在數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)上查詢該經(jīng)緯度對應(yīng)的高程點D ;第五步，計算D點和c點的距離IdcI ;重復(fù)第四步 第五步，直到第五步中的距離值滿足要求，迭代計算結(jié)束，得到投影光束與數(shù)字高程模型的交點坐標。優(yōu)選地，步驟4進一步包括根據(jù)交點位置，采用雙線性插值算法從正射影像數(shù)據(jù)上獲取該觀測矢量對應(yīng)仿真影像的像素灰度值。本發(fā)明提出了利用正射影像(Clemtine BaseMap)及對應(yīng)相同月面區(qū)域的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(例如Apollo數(shù)字高程模型數(shù)據(jù))，結(jié)合月球三線陣相機的設(shè)計參數(shù)、衛(wèi)星軌道設(shè)計參數(shù)等，按照三線陣相機的工作原理以及衛(wèi)星攝影測量中常用的投影-反投影方法進行月球三線陣相機影像仿真，為月球三線陣相機影像數(shù)據(jù)的進一步研 究提供仿真數(shù)據(jù)源。


圖I為本發(fā)明月球三線陣相機影像仿真數(shù)據(jù)的生成方法的流程圖；圖2為探月衛(wèi)星CXD立體相機月表三線陣影像數(shù)據(jù)獲取過程示意圖；圖3為三維笛卡爾圖像坐標和二維像素坐標示意圖；圖4為投影光線與DEM交點求解算法示意圖；圖5為仿真實驗區(qū)DEM數(shù)據(jù)(Apollo DEM數(shù)據(jù))示意圖；圖6為仿真實驗區(qū)正射影像數(shù)據(jù)(Clementine BaseMap)示意圖；圖7為月球三線陣仿真影像示意圖，由上至下依次為前視、正視、后視圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖I為本發(fā)明月球三線陣相機影像仿真數(shù)據(jù)的生成方法的流程圖，具體包括以下步驟。在步驟I，仿真探月衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。探月衛(wèi)星的軌道參數(shù)包括軌道高度、軌道傾角和偏心率。本發(fā)明以“嫦娥一號(CE-I) ”探測器為例，將其探測標稱軌道定義為軌道高度200km，軌道傾角90±5度，偏心率正圓形軌道，偏心率為O。根據(jù)上述標稱軌道參數(shù)在利用衛(wèi)星軌道仿真軟件仿真生成嫦娥一號衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。在步驟2，仿真探月衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)。還是以“嫦娥一號”探測器為例，根據(jù)經(jīng)驗公式仿真嫦娥一號探測器姿態(tài)數(shù)據(jù)。在步驟3，利用投影-反投影的方式計算每個像素對應(yīng)的投影光束在數(shù)字高程模型上的投影點位置。投影-反投影方法是利用研究區(qū)域的正射影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，首先基于投影方程求解與像素對應(yīng)的數(shù)字高程模型投影點，再由投影點坐標反投影到已有影像獲取像素灰度值的一種圖像仿真方法。根據(jù)背景技術(shù)中介紹的三線陣C⑶立體相機工作原理，前視、正視與后視線陣均有512個像素，在任意一個成像時刻，從投影中心到像素的射線在月面上的投影位置，即為該時刻該像素在月面上的成像位置，亦即在該時刻該投影位置的月面目標反射太陽的能量沿著該射線方向傳輸?shù)皆撓袼?，由該像素記錄為圖像數(shù)據(jù)的灰度值。投影-反投影的算法遵循這一成像過程，首先根據(jù)投影中心、像素位置構(gòu)建觀測矢量，然后計算觀測矢量與真實月表的交點(這里真實月表用數(shù)字高程模型來表達)，然后根據(jù)該交點位置從已有的月表圖像數(shù)據(jù)(這里采用正射影像數(shù)據(jù))中獲取影像灰度值，作為該像素的灰度值。下面給出了該算法的數(shù)據(jù)處理過程，進一步包括步驟在步驟301，建立相機成像模型，構(gòu)建每個像素的觀測矢量。建立相機成像模型主要目的是建立每個像素在圖像坐標系下的觀測矢量。圖6是三維笛卡爾圖像坐標和二維像素坐標的示意圖。該圖像坐標系是用于表達圖像空間的空間坐標。該坐標系的原點位于投影中心，正z軸與光軸方向相反，x，y平面與像平面平行，正X軸方向沿著飛行方向，飛行方向垂直于圖像掃描行。像素坐標系是數(shù)字圖 像的參考系。像主點PP是投影中心0在像平面上垂直投影位置；像平面基準點FC是像平面的中心位置；左上點位置M是像素坐標系的原點位置。內(nèi)定向元素包括像平面上的主點位置、相機焦距和立體角等(見表I)。表I相機主要幾何參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種月球三線陣相機影像的仿真方法，該方法包括步驟 步驟1，仿真探月衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，軌道參數(shù)包括軌道高度、軌道傾角和偏心率； 步驟2 :仿真探月衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)； 步驟3 :根據(jù)衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用投影-反投影的方式獲得三線陣相機每個像素對應(yīng)的投影光束在數(shù)字高程模型上的投影點位置； 步驟4，根據(jù)所述投影點位置獲取像素灰度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟3進一步包括 步驟301，建立相機成像模型，構(gòu)建每個像素的觀測矢量； 步驟302，將觀測矢量從圖像坐標轉(zhuǎn)換到月固坐標； 步驟303，求解觀測矢量與數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)表達的月球表面的交點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟303進一步包括 采用投影-反投影的方法迭代求解觀測矢量與該表面的交點。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，步驟303進一步包括 第一步，求解觀測矢量與月球正球體表的交點A ； 第二步，將交點A的月固三維直角坐標轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標和高程值，然后在數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)上查詢該經(jīng)緯度對應(yīng)的高程點B ； 第三步，計算B點和A點的距離IAB I ； 第四步，如果距離值IABl不能滿足要求，則過b點做投影光線oa的垂線得垂足點C，然后在數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)上查詢該經(jīng)緯度對應(yīng)的高程點D ； 第五步，計算D點和C點的距離IDCI ； 重復(fù)第四步 第五步，直到第五步中的距離值滿足要求，迭代計算結(jié)束，得到投影光束與數(shù)字高程模型的交點坐標。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，步驟301進一步包括 矢量P ， 和瓦，分別表示前視、正視和后視圖像每個像素的觀測矢量,其中 f If = yT5i = k : - €, I y: |,is - Jj1 Cla) ppj—I r— X0■ K= yp. =j x UAh (lb)Li ；〖 —f . %fti t X tan(— ) — %Pb = :: I Cp^i ~ eg) X ps - y§ (ic)- J_f 式中，p S為三線陣相機探測器像素大小，Q為相機的立體角，即前視與正視或正視有后視之間的夾角，cP1-cP^cPb表示像點Pf，Pn，Pb在前視、正視和后視線陣上的列位置，(X(l，y。)為像主點的像平面坐標值，單位為像素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，采用STK軟件仿真嫦娥一號探測器軌道數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項所述的方法，其特征在于，步驟4進一步包括根據(jù)該交點位置從已有的月表圖像數(shù)據(jù)中獲取影像灰度值，作為該像素的灰度值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟4進一步包括根據(jù)交點位置，采用雙線性插值算法從正射影像數(shù)據(jù)上獲取該觀測矢量對應(yīng)仿真影像的像素灰度值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟4進一步包括所述交點在圖像上的像素位置為line = INT {(x_x0) / Ax}pixel = INT {(y-y0) /Ay} 其中(line，pixel)分別為交點在正射影像上對應(yīng)像素的行號與列號，(X(l，％)為正射影像左上角平面投影直角坐標值，Ax與Ay分別為正射影像在X方向和y方向的空間分辨率大小，INT為取整運算，以該像素為中心，同時考慮該像素周圍若干像素，采用雙線性內(nèi)插算法利用該像素灰度值及其周圍領(lǐng)域像素灰度值插值計算對應(yīng)仿真圖像像素的灰度值信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述姿態(tài)數(shù)據(jù)與軌道數(shù)據(jù)是相同時間覆蓋范圍內(nèi)的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種月球三線陣相機影像仿真數(shù)據(jù)的生成方法，該方法包括步驟步驟1，仿真探月衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，軌道參數(shù)包括軌道高度、軌道傾角和偏心率；步驟2仿真探月衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)；步驟3根據(jù)衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用投影-反投影的方式獲得三線陣相機每個像素對應(yīng)的投影光束在數(shù)字高程模型上的投影點位置；步驟4，獲取像素灰度值。本發(fā)明提出了利用正射影像及對應(yīng)相同月面區(qū)域的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，結(jié)合月球三線陣相機的設(shè)計參數(shù)、衛(wèi)星軌道設(shè)計參數(shù)等，按照三線陣相機的工作原理以及衛(wèi)星攝影測量中常用的投影-反投影方法進行月球三線陣相機影像仿真，為月球三線陣相機影像數(shù)據(jù)的進一步研究提供仿真數(shù)據(jù)源。
文檔編號G06T1/00GK102737357SQ20111008730
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者任鑫, 劉建軍, 李春來, 王文睿, 鄒小端 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺