專利名稱：基于面特征的圖像幾何校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像幾何校正方法，能夠應(yīng)用在遙感、測繪、圖像處理、機(jī)器人視覺等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
遙感圖像幾何校正是遙感圖像進(jìn)一步應(yīng)用的基礎(chǔ)。遙感影像在成像過程中受到各種復(fù)雜因素的影響，使其產(chǎn)生幾何變形。圖像幾何校正的實質(zhì)就是用數(shù)學(xué)模型來描述物方空間坐標(biāo)系中的地面點坐標(biāo)與它在圖像平面上像點坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系，從而消除幾何畸變，生成具有地理參考的影像。因此，遙感圖像高精度幾何定位和幾何糾正的關(guān)鍵是建立精 確的傳感器成像的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)的幾何校正模型是基于控制點建立的。在實際應(yīng)用中，當(dāng)能夠準(zhǔn)確獲取地面控制點時，采用地面控制點進(jìn)行幾何校正能夠較好地改善圖像的定位精度；然而在很多困難地區(qū)的衛(wèi)星影像上，如沙漠、山區(qū)等，很難辨認(rèn)出準(zhǔn)確的物理點特征，因此難以獲得足夠數(shù)量和足夠準(zhǔn)確的地面控制點，而線特征、面特征則更易獲得(如已知的道路、水體等)。在以不同分辨率影像作為參考數(shù)據(jù)源時，點的位置坐標(biāo)也難以準(zhǔn)確確定。事實上，就特征提取而言，提取有意義的面特征比提取有意義的點特征更容易，而且，無論自然環(huán)境還是人工環(huán)境中都存在豐富的面狀地物，如建筑物、運(yùn)動場、公園、湖泊等。參考影像、數(shù)字線劃地圖(DLG)、GIS矢量數(shù)據(jù)中存在大量的面特征，使用面特征進(jìn)行幾何校正能夠充分地利用這些數(shù)據(jù)。另一方面，由于面特征是由許多點組成的，個別點的誤差對于控制面本身來說影響并不大，因此，基于面特征的幾何校正方法比基于點特征的幾何校正方法具有更強(qiáng)的容錯能力。本發(fā)明提出了一種全新的基于面特征的圖像幾何校正方法，使用該方法能夠獲得高精度幾何校正圖像，該方法實用性很強(qiáng)，與影像的具體成像模型無關(guān)，適用于各種遙感影像、醫(yī)學(xué)影像以及普通照片的幾何校正與配準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種點到多邊形、多邊形到多邊形的距離度量方法，在此基礎(chǔ)上將面狀地物作為控制特征，建立一種基于面特征的幾何校正模型，用于圖像幾何校正。基于面特征的幾何校正模型中關(guān)鍵的技術(shù)是利用面特征建立和求解誤差方程，其中誤差方程的建立需要計算控制面多邊形與像平面多邊形之間的距離，而多邊形之間的距離是以多邊形上的點到多邊形的距離為基礎(chǔ)的。因此，下面依次介紹點到多邊形的距離計算方法、多邊形到多邊形的距離計算方法和基于面特征的幾何校正模型建立方法。I、點到多邊形的距離計算方法定義I :點p到多邊形A的距離定義為點p到多邊形A邊界的最小距離，特別地，當(dāng)點P在多邊形A內(nèi)部時，距離為O。記多邊形的邊界點集合為3A，任意點P到多邊形A的距離可表示為
m故ト-_pj，夕在A外， } 0，/ 在 A 內(nèi)·其中，X為多邊形A的邊界點，|x-p|為點P到點X的歐氏距離，表示χ-ρ的最小值。欲求點P到多邊形A邊界的最小距離，首先分別計算點P到多邊形A各條邊的距離，然后得到其中最小值。其中，點P到多邊形A某條邊I的距離分為兩種情況過點P作線段I的垂線，若垂足在線段I上，則點P到垂足之間的距離為點P到I的距離；若垂足不在線段I上，則點P到線段I的兩個端點的距離中較小值為點P到I的距離。定義2 :若(I. I)式中，距離值在X = a處取得，則定義點p到點a的矢量為點p到多邊形A的距離矢量,記為P (p, A) ο特別地,如果P (ρ,Α) =0,則P (ρ,Α) =0。
算法I :點P到多邊形A的距離矢量算法(算法流程見附圖
I)步驟I :令P為ー個很大的值MAX，令I(lǐng)為多邊形A的第一條邊；步驟2 :計算點P到線段I的距離矢量d及距離d ；步驟3 :如果 d < P，則令 P = d, P = d ；步驟4 :如果I是多邊形A的最后一條邊，則轉(zhuǎn)到步驟5 ;否則，令I(lǐng)為多邊形A的下一條邊，并轉(zhuǎn)到步驟2;步驟5 :輸出點P到多邊形A的距離矢量P。2、多邊形到多邊形的距離計算方法定義3 :多邊形A到多邊形B的距離為多邊形A所有邊界點到多邊形B的距離中
最大者。多邊形A到多邊形B的距離可以表示為
P(A, B) = max p(p, B)(1.2)其中，p為多邊形A的邊界點，^表示P(p，B)的最大值。利用該定義計算多邊形之間的距離矢量時間復(fù)雜度較大，下面給出ー個命題，可以簡化多邊形距離的計算。命題I :多邊形A到多邊形B的距離為多邊形A所有頂點到多邊形B的距離中的
最大者。附圖2說明了多邊形和邊界點的區(qū)別。可以從數(shù)學(xué)上證明命題I的正確性。借助命題1，如果記多邊形的頂點集合為A，則多邊形A到多邊形B的距離可以表示為p(A, B) = max p(p, B) = m^i(min |x - p\)(1.3)其中max和min分別表示最大值和最小值，I x_p I為點P到點x的歐氏距離。定義4:若(1.3)式中，多邊形A到多邊形B的距離值在P = a，x = b處取得，則定義點a到點b的矢量為多邊形A到多邊形B的距離矢量，記為P (A，B)。特別地，如果P (A, B) = O,貝丨J P (A, B) = O。算法2 :多邊形A到多邊形B的距離矢量算法(算法流程見附圖3)
步驟I :令P = O,令P為多邊形A的第一個頂點；步驟2 :計算點P到多邊形B的距離矢量d及距離d (利用算法I進(jìn)行計算)；步驟3 :如果 d > P ,則令 P = d, P = d步驟4 :如果P是多邊形A的最后ー個頂點，則轉(zhuǎn)到步驟5 ;否則，令P為多邊形A的下ー個頂點，并轉(zhuǎn)到步驟2;步驟5 :輸出多邊形A到多邊形B的距離矢量P。3、基于面特征的幾何校正模型建立方法經(jīng)典的成像幾何模型是用來建立地面點三維空間坐標(biāo)與相應(yīng)像點ニ維平面坐標(biāo)之間的關(guān)系，一般地，通用模型可表示為
\x = fx{XJ,Z,t)
04 \y = fy(X,Y,Z,t)(·)其中，(X, Y, Z)表示控制點的地面坐標(biāo)，(X, y)表示控制點在影像上的量測坐標(biāo)，t = (t1； t2，"· η)τ表示傳感器幾何校正模型的參數(shù)。目前，常用的幾何校正模型有共線方程[Wong, K. W. ,1980, Basic Mathematics of Photogrammetry, in Manualof Photogrammetry 4th Edition，Chapter II，Editor in chief C.C.Slama, ASPPublishers, Falls Church, USA，pp. 37-101.]、仿射變換模型[Okamoto, A.，OrientationTheory of CCD Line-scanner Images. International Archives of ISPRS,1988. 27(B3)p. 9.]、多項式模型[DE LEEUW，A. J.，VEUGEN，L M. M.，and VAN ST0KK0M，H. T. C.，1988，Geometric correction of remotely-sensed imagery using ground control points andorthogonal polynomials. International Journa丄 of Remote Sensing，9，1751-1759.]、有理函數(shù)模型[Tao，C. Vincent and Yong Hu. A Comprehensive Study of the RationalFunction Model for Photogrammetric Processing. Photogrammetric Engineering &Remote Sensing，Vol. 67，No. 12，December 2001，pp. 1347-1357.]等。表I給出了具體成像模型與通用模型的關(guān)系，雖然在不同的遙感影像成像模型中，fx、fy、t具有不同含義，但是這些模型均可用(1.4)式來表示。
表I具體的成像模型與通用模型
權(quán)利要求
1.一種基于面特征的圖像幾何校正方法，其主要步驟是 步驟I:讀取待校正衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)； 步驟2 :輸入控制面特征； 步驟3 :利用衛(wèi)星影像參數(shù)獲取模型參數(shù)的初始值，當(dāng)前迭代次數(shù)置為O ; 步驟4 :若當(dāng)前迭代次數(shù)小于最大迭代次數(shù)，轉(zhuǎn)至步驟5 ;若當(dāng)前迭代次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)，轉(zhuǎn)至步驟8; 步驟5 :依次對各個控制面特征建立誤差方程； 步驟6 :將各控制面特征建立的誤差方程聯(lián)立，使用LM算法求出未知參數(shù)的改正值向量，并更新參數(shù)的值； 步驟7 :用求得的改正值向量的模與規(guī)定的限差比較，若小于限差，轉(zhuǎn)至步驟8 ;否則，當(dāng)前迭代次數(shù)增加1，轉(zhuǎn)至步驟4 ; 步驟8 :解算完成，得到影像模型參數(shù)。
步驟9 :利用模型參數(shù)對圖像進(jìn)行幾何校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是，在步驟5中，利用控制面特征建立的誤差方程的方法如下 經(jīng)典的成像幾何模型是用來建立地面點三維空間坐標(biāo)與相應(yīng)像點二維平面坐標(biāo)之間的關(guān)系，一般地，通用模型可表示為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，多邊形到多邊形的距離和距離矢量的定義及計算方法如下定義I :多邊形A到多邊形B的距離為多邊形A所有邊界點到多邊形B的距離中最大者； 多邊形A到多邊形B的距離可以表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求2、3所述的方法，其特征是，點到多邊形的距離和距離矢量的定義及計算方法如下 定義3 :點p到多邊形A的距離定義為多邊形A所有邊界點到點p的最小距離，特別地，當(dāng)點P在多邊形A內(nèi)部時，距離為0 ; 記多邊形的邊界點集合為3 A，任意點P到多邊形A的距離可表示為
全文摘要
基于面特征的圖像幾何校正方法，提出了點到多邊形、多邊形到多邊形的距離、距離矢量的定義，并給出了求解點到多邊形距離矢量、多邊形到多邊形距離矢量的算法，在此基礎(chǔ)上將面狀地物作為控制特征，建立了一種新的圖像幾何校正方法。該方法實用性很強(qiáng)，與影像的具體成像模型無關(guān)，適用于各種遙感影像、醫(yī)學(xué)影像以及普通照片。
文檔編號G06T7/00GK102663680SQ20121005551
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者何國金, 焦偉利, 王威, 龍騰飛 申請人:中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心