基于幾何模型的lasis波段影像配準(zhǔn)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于攝影測(cè)量與遙感的影像處理領(lǐng)域，設(shè)及一種基于嚴(yán)密成像幾何模型W 及平行觀測(cè)法消除顫振的LASIS波段影像配準(zhǔn)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大孔徑靜態(tài)干設(shè)成像光譜儀(LASIS)是基于推掃的傅里葉變換型成像光譜儀，該 類型光譜儀具有穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在軌運(yùn)行性能較好。LASIS型干設(shè)儀光譜性能 依賴于不同波段影像間的配準(zhǔn)精度，然而由于其時(shí)空聯(lián)合調(diào)制的特點(diǎn)，成像過(guò)程中，同一地 物在不同波段影像成像時(shí)刻不一致，一旦衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)生擾動(dòng)，將對(duì)不同波段影像像元位置 產(chǎn)生不同影響。而姿態(tài)抖動(dòng)現(xiàn)象是衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中的常見(jiàn)現(xiàn)象，因此，如何消除由于姿態(tài)抖 動(dòng)W及光學(xué)崎變等因素導(dǎo)致的不同波段影像中的各異性誤差，從而實(shí)現(xiàn)干設(shè)序列的精確配 準(zhǔn)是本發(fā)明研究的重點(diǎn)。
[0003] LASIS高光譜影像具有時(shí)空聯(lián)合調(diào)制、星上結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、地面處理復(fù)雜、波段眾多等 特點(diǎn)。傳統(tǒng)的高光譜干設(shè)序列提取技術(shù)，是針對(duì)兩兩波段，使用相位相關(guān)算法或者大型平差 矩陣等方法等糾正像元位置，實(shí)現(xiàn)像素間配準(zhǔn)，運(yùn)樣獲取的干設(shè)序列會(huì)由于LASIS波段較多 存在累積誤差而導(dǎo)致整體序列質(zhì)量下降，同時(shí)LASIS影像波段眾多，兩兩配準(zhǔn)效率較低。
[0004] 國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了實(shí)現(xiàn)LASIS干設(shè)圖的精確獲取做了大量研究，主要從S個(gè)方面進(jìn) 行了努力:一是配準(zhǔn)算法的完善，例如= CASTRO等提出了基于亞像素精度的相位配準(zhǔn)算法進(jìn) 行配準(zhǔn);李湘濱等分析姿態(tài)角隨機(jī)變化造成的像面崎變規(guī)律，提出用相位相關(guān)等算法校正 配準(zhǔn)影像，從而校正LASIS影像旋轉(zhuǎn)和偏移；曾琪明和葉況蠢等分別提出了基于譜相似和局 部自相似的影像配準(zhǔn)方法;二是在配準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上，利用平差方法求解像元精確位置，例 如:Geng zhang提出了通過(guò)亞像素配準(zhǔn)算法獲取多波段影像配準(zhǔn)點(diǎn)，建立大規(guī)模誤差方程 求解像點(diǎn)的最或是值作為像元最優(yōu)位置解;S是從成像鏈路方面分析LASIS影像的誤差源， 并討論影響LASIS配準(zhǔn)的幾何原因。例如化nn Ferrec等系統(tǒng)地分析了降低LASIS光譜成像 質(zhì)量的因子，并指出姿態(tài)顫振將直接影響干設(shè)圖的質(zhì)量，但是并未給出具體的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有LASIS干設(shè)序列配準(zhǔn)方法存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是為了提供一種能 夠整體配準(zhǔn)LASIS干設(shè)序列的亞像素級(jí)配準(zhǔn)技術(shù)方案。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)方案提供一種基于幾何模型的LASIS波段影像配準(zhǔn)方法，包括W下步 驟，
[0007] 步驟a,將LASIS面陣探測(cè)器等效為多線陣探測(cè)器，建立多線陣推掃成像模型，所述 多線陣推掃成像模型中的每條垂軌向CCD模型符合單線陣推掃模型，線陣之間無(wú)縫排列，每 個(gè)線陣成像對(duì)應(yīng)LASIS-個(gè)單波段影像，其中各個(gè)波段P的嚴(yán)密成像模型如下， (I)
[0009] 式中，[X Y Z]T為像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)的WGS84空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，m為比例 系數(shù)，[XsYsZs^為成像時(shí)衛(wèi)星在WGS84坐標(biāo)系下的位置矢量，Rbw為本體坐標(biāo)系相對(duì)WGS84坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rgb為相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，Ru代表偏置矩陣，（恥)p, (4y)P分別為第P行CCD任一探元對(duì)應(yīng)的沿軌向指向角和垂軌向指向角，計(jì)算如下，
(2)
[0011]式中，（X,y)為像點(diǎn)影像坐標(biāo)、（xo，yo，f)表示內(nèi)方位元素，（Ax, Ay)為相機(jī)崎變引 起的像點(diǎn)偏移；
[0012]步驟b，根據(jù)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，包括利用化rris算法提取基準(zhǔn)波段影像角 點(diǎn)，求解物方信息；利用最小二乘配準(zhǔn)算法在非基準(zhǔn)波段影像獲取同名點(diǎn)作為對(duì)應(yīng)的像方 信息，基于相應(yīng)波段的嚴(yán)密成像模型利用同名點(diǎn)求解指向角，并把指向角和對(duì)應(yīng)的垂軌向 坐標(biāo)S代入如下公式，利用最小二乘計(jì)算擬合的系數(shù)at，bt，0 < t < 5， tan.('於' )=幻6 + '幻 1五 + + 漢+ 幻4文4 + 口5文5
[001 引 ^ / 、， ， ,,.,3,4 ,5 t:an (、*,'/、. j 二 f /，i'v 個(gè) /，?'、- + /，j'v -I- O^s ' V vj )
[0014] 對(duì)姿軌模型進(jìn)行平滑，并按照平滑后的姿軌模型對(duì)全部波段影像重采樣，從而實(shí) 現(xiàn)影像成像范圍的一致性；
[0015] 步驟C，利用不同波段影像重疊區(qū)域構(gòu)建平行觀測(cè)值，利用兩個(gè)波段的平行觀測(cè)量 檢測(cè)平臺(tái)顫振，并根據(jù)利用檢測(cè)到的顫振特征補(bǔ)償其他波段顫振造成的像素偏移，獲取精 確像點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo);實(shí)現(xiàn)方式如下，
[0016] 設(shè)基準(zhǔn)波段的顫振模型為 (4 = % + 公。(' A' Sin(田/ + 界J J、
[0017] { 打。 、( \ (4) 5-=左r + !；,-_0 度y Sinkv + 朽')
[0018] 其中，Vx、Vy分別代表沿軌向像差與垂軌像像差在沿軌向的投影;Ex、ey代表沿軌向 像差與垂軌向像差中的隨機(jī)成分；(? ST, 代表某個(gè)沿軌向顫振分量的振幅，頻率和 相位；（Bj COj扣)代表某個(gè)垂軌向顫振分量的振幅，頻率和相位;i代表某個(gè)沿軌向顫振成 分的序號(hào)J代表某個(gè)垂軌向顫振成分的序號(hào)，m代表沿軌向顫振成分的個(gè)數(shù)，n代表垂軌向 顫振成分的個(gè)數(shù)；
[0019] 構(gòu)建基準(zhǔn)波段影像的平行觀測(cè)量，其他波段的顫振模型為 二泛、.+-yw 語(yǔ)in:妨,.玄 + m.
[0020] :臺(tái)r . \ \ (日） 一吃=+Sy=O 巧,'Sin(份/ +?/0)
[0021] 其中，咬、分別代表沿軌向像差與垂軌像像差在沿軌向的投影；si、S;代表沿 軌向像差與垂軌向像差中的隨機(jī)成分；^. GT;. ^^,)代表某個(gè)沿軌向顫振分量的振幅，頻 率和相位；代表某個(gè)垂軌向顫振分量的振幅，頻率和相位；i代表某個(gè)沿軌向 顫振成分的序號(hào)，j代表某個(gè)沿軌向顫振成分的序號(hào)，m代表沿軌向顫振成分的個(gè)數(shù)，n代表 垂軌向顫振成分的個(gè)數(shù)；
[0022] 得到兩波段同名點(diǎn)配準(zhǔn)殘差中顫振影響對(duì)應(yīng)的公式如下，
[0024] 其中，A Vx、A Vy代表某一波段與基準(zhǔn)波段配準(zhǔn)殘差的沿軌向坐標(biāo)和垂軌向坐標(biāo)；
[0025] 設(shè)為存在W下等價(jià)條件，
[0029] 利用焦面排列特點(diǎn)和成像模型根據(jù)波段成像時(shí)間差，改變參量t，得到其他波段與 參考波段由于顫振造成的像差量；
[0030] 步驟d，利用步驟C所得結(jié)果重新計(jì)算控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的姿態(tài)信息，即更新其對(duì)應(yīng)的相 機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣Rcb;
[0031] 步驟e，利用步驟d更新結(jié)果進(jìn)一步精化式（1)所示成像模型，利用精化所得新的成 像模型與無(wú)崎變的成像模型對(duì)準(zhǔn)，對(duì)原始影像進(jìn)行重采樣，實(shí)現(xiàn)波段影像的自動(dòng)配準(zhǔn)。
[0032] 而且，步驟e中，利用步驟d更新結(jié)果進(jìn)一步精化成像模型實(shí)現(xiàn)方式如下，
[0033] 根據(jù)下式， 犯仁)二捧+泣巧 A-泛in(妨r反+奶)
[0034] P \?^心 j 心、 (9) 界知0 + 公/ S化(汾Y玄+八j
[0035] 其中，aW、界,W分別代表俯仰角和側(cè)滾角由于平臺(tái)振蕩引起的角度變化，a是 沿軌向歸化系數(shù)，A。是沿軌向平移量;b是垂軌向歸化系數(shù)，巧0是垂軌向平移量；
[0036] 利用姿態(tài)文件中各姿態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間t參量計(jì)算犯(f)、巧古)，并讓姿態(tài)文件中的 姿態(tài)點(diǎn)中的俯仰角和側(cè)滾角分別減去耗W、巧W。
[0037] 本發(fā)明還相應(yīng)提供一種基于幾何模型的LASIS波段影像配準(zhǔn)系統(tǒng)，包括W下模塊，
[0038] 第一模塊，用于將LASIS面陣探測(cè)器等效為多線陣探測(cè)器，建立多線陣推掃成像模 型，所述多線陣推掃成像模型中的每條垂軌向CCD模型符合單線陣推掃模型，線陣之間無(wú)縫 排列，每個(gè)線陣成像對(duì)應(yīng)LASIS-個(gè)單波段影像，其中各個(gè)波段P的嚴(yán)密成像模型如下，
(1)
[0040] 式中，[X Y Z]T為像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)的WGS84空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，m為比例 系數(shù)，[XsYsZs^為成像時(shí)衛(wèi)星在WGS84坐標(biāo)系下的位置矢量，Rbw為本體坐標(biāo)系相對(duì)WGS84坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rgb為相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，Ru代表偏置矩陣，（恥)p, (4y)P分別為第P行CCD任一探元對(duì)應(yīng)的沿軌向指向角和垂軌向指向角，計(jì)算如下，
(2)
[0042] 式中，（X，y)為像點(diǎn)影像坐標(biāo)、（XO，yo，f)表示內(nèi)方位元素 ，（A X，A y)為相機(jī)崎變引 起的像點(diǎn)偏移；
[0043] 第二模塊，用于根據(jù)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，包括利用化rris算法提取基準(zhǔn)波段 影像角點(diǎn)，求解物方信息；利用最小二乘配準(zhǔn)算法在非基準(zhǔn)波段影像獲取同名點(diǎn)作為對(duì)應(yīng) 的像方信息，基于相應(yīng)波段的嚴(yán)密成像模型利用同名點(diǎn)求解指向角，并把指向角和對(duì)應(yīng)的 垂軌向坐標(biāo)S代入如下公式，利用最小二乘計(jì)算擬合的系數(shù)at，bt，0 < t < 5， Iran (;//、)=.沒(méi)0 + 口 1.S + 馬五2 +.幻 3 護(hù)':+ +.口3 護(hù)
[0044] 化〇 (!//'.) = 6〇: + /巧.+ 如2 + 白+ 毎戶 +:占興S (.3 )
[0045] 對(duì)姿軌模型進(jìn)行平滑，并按照平滑后的姿軌模型對(duì)全部波段影像重采樣，從而實(shí) 現(xiàn)影像成像范圍的一致性；
[0046] 第=模塊，用于利用不同波段影像重疊區(qū)域構(gòu)建平行觀測(cè)值，利用兩個(gè)波段的平 行觀測(cè)量檢測(cè)平臺(tái)顫振，并根據(jù)利用檢測(cè)到的顫振特征補(bǔ)償其他波段顫振造成的像素偏 移，獲取精確像點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo);實(shí)現(xiàn)方式如下，
[0047] 設(shè)基準(zhǔn)波段的顫振模型為 {'?r = Si' + 玄。n i sin(5T/ +
[0048] 臺(tái)' \ \ (4) K + Zy=O
[0049] 其中，Vx、Vy分別代表沿軌向像差與垂軌像像差在沿軌向的投影;Ex、ey代表沿軌向 像差與垂軌向像差中的隨機(jī)成分；A )代表某個(gè)沿軌向顫振分量的振幅，頻率和 相位；（Bj 扣)代表某個(gè)垂軌向顫振分量的振幅，頻率和相位;i代表某個(gè)沿軌向顫振成 分的序號(hào)J代表某個(gè)垂軌向顫振成分的序號(hào)，m代表沿軌向顫振成分的個(gè)數(shù)，n代表垂軌向 顫振成分的個(gè)數(shù)；
[0050] 構(gòu)建基準(zhǔn)波段影像的平行觀測(cè)量，其他波段的顫振模型為
['y =右+ 玄。.sin(放