專利名稱：一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的方法，在遙感圖 像幾何校正和遙感成像仿真方面具有重要價值，屬于遙感成像模擬技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
遙感成像模擬理論和實現(xiàn)方法的研究在遙感任務(wù)預(yù)測、成像系統(tǒng)設(shè)計、 圖像質(zhì)量評價和圖像處理算法驗證等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。早期的遙感 成像模擬主要基于物理仿真，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，遙感成像模擬技術(shù)也 有了新的進展，出現(xiàn)了眾多計算機模擬仿真技術(shù)。
傳感器位置和姿態(tài)隨時間變化，這種變化改變了太陽-地面-傳感器三者 之間的幾何關(guān)系，不僅造成地面物體在圖像上成像位置的移動，造成圖像的
幾何變形；而且影響傳感器接收到的輻亮度?，F(xiàn)存遙感模擬技術(shù)較少考慮傳 感器位置和姿態(tài)(即外方位元素)對遙感成像過程的影響。
少數(shù)現(xiàn)存技術(shù)利用傳感器外方位元素和視場角或者其它參數(shù)建立模擬 圖像像元坐標(biāo)和地面空間坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系，由模擬圖像像元坐標(biāo)計算出 對應(yīng)的地面點，并將使用該地面點反射率等數(shù)值進行遙感圖像模擬的結(jié)果作 為待模擬圖像像元的模擬結(jié)果。實際上，模擬圖像的一個像元對應(yīng)原始輸入 圖像上 一塊區(qū)域，因此應(yīng)根據(jù)地面成像區(qū)域內(nèi)多個地面點的模擬結(jié)果進行加 權(quán)平均生成待模擬圖像像元的模擬結(jié)果，即進行空間分辨率轉(zhuǎn)換。在進行分 辨率轉(zhuǎn)換過程中，經(jīng)常使用等比例平均或者距離加權(quán)平均和面積加權(quán)平均的
方法。實際情況是，模擬圖像像元按照傳感器像元瞬時視場角與地面原始輸 入圖像中多個像元對應(yīng)，原始輸入圖像像元在傳感器像元瞬時視場中的立體 角越大，該像元對模擬圖像像元的貢獻就越大。因此，使用等比例平均或者 距離加權(quán)平均和面積加權(quán)平均將給模擬結(jié)果帶來誤差。7頁

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的方 法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，建立模擬圖像像元坐標(biāo)和對應(yīng)空間坐標(biāo)之間的 幾何關(guān)系，按照輸入圖像像元在傳感器像元瞬時視場中的立體角進行空間分 辨率轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為首先利用傳感器外方位元素和視場角建立模 擬圖像像元坐標(biāo)和地面空間坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系，然后與數(shù)字高程模型結(jié)合 求解出模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的中心點坐標(biāo)和四個頂點坐標(biāo)，最后 按照原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，進行空間分辨 率轉(zhuǎn)換，生成給定外方位元素下遙感模擬圖像。具體步驟如下
(1) 輸入原始數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程模型、原始地表圖像和傳感器外方 位元素以及^L場角；
(2) 計算步驟(1)中設(shè)定的傳感器視場角下，模擬圖像像元在像空間 坐標(biāo)系中坐標(biāo)；
(3) 計算步驟(1)中設(shè)定的傳感器外方位元素下，像空間坐標(biāo)系到物 空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，并將步驟(2)中模擬圖像像元坐標(biāo)從像空間坐標(biāo) 系轉(zhuǎn)換到物空間坐標(biāo)系；
(4) 由步驟(1)輸入的數(shù)字高程模型和步驟(3)中模擬圖像像元在 物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程，求解坐標(biāo)方程中待定的比例系數(shù)；
(5) 將步驟(4)中得到的比例系數(shù)帶入步驟(3)中模擬圖像像元在 物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程，得到4莫擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的中心點坐 標(biāo)；
(6) 修正步驟(2)中模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)，按照步驟 (3)、步驟(4)和步驟(5),得到模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的四
個頂點坐標(biāo)；
(7) 求取地面成像區(qū)域中包含的步驟(1 )中輸入的原始地表圖像像元，并計算原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角；
(8)按照原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，進 行空間分辨率轉(zhuǎn)換，生成給定傳感器外方位元素下遙感模擬圖像。
其中，步驟(2)中所述的模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)為
(tan((x——)-^ +①)，tan(Cy ——)——^ + 6>)， 一i)
、 2 M ， 2 iV ，
其中，x和；;為模擬圖像像元在模擬圖像中的行號和列號，M和w為模擬圖
像的行數(shù)和列數(shù)，/W&為傳感器在沿軌方向上視場角，F(xiàn)OK為傳感器在交軌
方向上3見場角，o、 e分別為沿4九方向和交軌方向上3見場角殘留偏移。
其中，步驟(3)中所述的模擬圖像像元在物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)為
、z乂
, M 、
tan((x——)7WC/M + (D) 2
tan(Cy-*)FC^/W + ^
丄
—1
+
、Z"
工
其中，jc和少為模擬圖像像元在模擬圖像中的行號和列號，M和W為模擬圖
像的行數(shù)和列數(shù)，F(xiàn)6^為傳感器在沿軌方向上視場角，F(xiàn)OK為傳感器在交軌
方向上^L場角，(D、 P分別為沿軌方向和交軌方向上一見場角殘留偏移，(U,Z)
為模擬圖像像元在物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)，(^,R,Z"為傳感器中心在物空間坐
標(biāo)系中坐標(biāo)，即傳感器外方位線元素，A為比例系數(shù)，像空間坐標(biāo)系到物
間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣i 由傳感器外方位角元素 和a:決定
。00 Ycosw 0 A = 0 cos p sin p 、0 -sinp cosp乂
其中，步驟(4)中所述的模擬圖像像元在物空間坐標(biāo)系坐標(biāo)方程中待 定比例系數(shù)的求解按照
首先由步驟(1)中輸入數(shù)字高程模型中高程最大值Zm求解比例系數(shù);i
0 1 0 sin<y 0 cos
Y cosa:sin/f 0、 -sin a: cosk 0 00 1的初始值義ini ， Aini=Zs-Zm ，然后以義ini為初始值，按照給定步長t (t>0)逐步增 大/1 ，當(dāng)i = 0,1,2， 3......時對應(yīng)比例系數(shù)；ii=/lini+it ，計算此時物空間坐標(biāo)
(XAl， Y,,, Z力)，由數(shù)字高程模型得到(X,i， Yj對應(yīng)的地面實際高程值Zi,比較 Zi和Z,，若Z廣Zi小于給定閾值，則此時義i即為所求比例系數(shù)；若Z,-Zi大
于給定閾值，則繼續(xù)增大;ii,計算(x,，， Y,i， zj和zi，直至z,-zi小于給定閾 值，最終得到待定的比例系數(shù);i。
其中，步驟(6)中所述的求解模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的四個
頂點坐標(biāo)時，將模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)修正為
(tan(O — 二)FO^ / M + a + O》tan(O——/ + 6 + 6>)， -1) 2 2
其中，a取值分別為FOFc/2M 、 F(9^/2M、-尸(9^/2肘和-FOP;/2M;與a對應(yīng) 6取值分別為F6>&/2#、 -FOI^/2iV、 -F6^/2iV和/2iV 。
其中，步驟(7)中所述的原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場 中立體角的計算按照
其中，Q,為原始地表圖像像元/在待模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，4為
原始地表圖像像元/在待模擬圖像像元瞬時視場中的面積，《為原始地表圖 像像元/到傳感器中心連線與地面法線之間的夾角，G為原始地表圖像像元/ 到傳感器中心的距離。
其中，步驟(8)中所述的按照原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時 視場中的立體角，進行空間分辨率轉(zhuǎn)換
其中，Z為模擬圖像像元的亮度值，/ = 1、 2、 3…7V為該模擬圖像像元包含 的原始地表圖像像元的數(shù)目，Q為該模擬圖像像元的瞬時視場角，^為原^地表圖像像元f在待模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，/,.為模擬圖像像元包 含的原始地表圖像像元/的亮度值。
本發(fā)明 一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相
比的優(yōu)點在于
(1) 本發(fā)明考慮傳感器位置姿態(tài)變化對遙感成像過程的影響，利用傳感 器外方位元素和視場角建立模擬圖像像元坐標(biāo)和地面空間坐標(biāo)之間的幾何 關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)任意給定傳感器外方位元素下遙感圖像的精確模擬。
(2) 本發(fā)明精確求解模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的四個頂點坐標(biāo)， 并由地面成像區(qū)域內(nèi)多個地面點，按照原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬 時視場中的立體角加權(quán)平均進行空間分辨率轉(zhuǎn)換，合成待模擬像元亮度值， 克服了使用等比例平均或者距離加權(quán)平均和面積加權(quán)平均進行空間分辨率 轉(zhuǎn)換的誤差。


圖1為本發(fā)明實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬方法的流程圖。
具體實施例方式
以西藏驅(qū)龍地區(qū)給定傳感器外方位元素下遙感圖像的模擬過程為例，如 圖1所示，本發(fā)明的具體實施方法如下
(1) 輸入原始數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程模型、原始地表圖像和傳感器外方 位元素以及^見場角。
使用西藏驅(qū)龍地區(qū)地面分辨率為30m的數(shù)字高程模型和地表輻亮度數(shù) 據(jù)。以地表數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)左上角點為中心，30m為一個單位長度，正東 正北分別為x軸和y軸，高程方向為z軸，建立物空間坐標(biāo)系，傳感器外方 位元素為(1678, 500， 23500)和(0°， 0°, 0。)，傳感器在沿軌方向和交 軌方向上視場角分別為1°和0.8。，模擬圖像行數(shù)和列數(shù)為250和200，沿軌 方向和交4九方向上—見場角殘留偏移均設(shè)為0。
(2) 計算步驟(1)中設(shè)定的傳感器視場角下，模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)。
在步驟(1)中設(shè)定的傳感器視場角下，模擬圖像像元(JC,力在像空間坐
標(biāo)系中坐標(biāo)為
(tan(0.004x —0.5) ， tan(0.004;; —0.4) ， 一1)
(3)計算步驟(1)中設(shè)定的傳感器外方位元素下，像空間坐標(biāo)系到物 空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，并將步驟(2)中模擬圖像像元坐標(biāo)從像空間坐標(biāo) 系轉(zhuǎn)換到物空間坐標(biāo)系。
在步驟(1)中設(shè)定的傳感器外方位元素下，旋轉(zhuǎn)矩陣R為單位矩陣， ^=莫擬圖係 像元(x,力在物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)(U，Z)為
^tan(0.004x-0.5)、'1678 、
tan(0.004y-0.4)+500
、z,、 —1」、23500y
其中，/l為待定的比例系數(shù)。
(4) 由步驟(1)輸入的數(shù)字高程模型和步驟(3)中模擬圖像像元在 物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程，求解坐標(biāo)方程中待定的比例系數(shù)。
模擬圖像像元在物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程中比例系數(shù)的求解按照 首先由步驟(1)中輸入數(shù)字高程模型中高程最大值Zm求解比例系數(shù);i 的初始值義ini，則；iini=Zs-Zm ,然后以義ini為初始值，按照給定步長t (1>0)逐 步增大比例系數(shù)，當(dāng)i二0，1，2， 3……時對應(yīng)比例系數(shù)；ii:;iini+it ,計算此時物 空間坐標(biāo)C， Y^， ZJ，由數(shù)字高程模型能夠得到(X"， Y力)對應(yīng)的實際地面
高程值Zi,比4交Zi和Z,，若ZfZi小于給定閾值，則此時/li即為所求比例系 數(shù)；若Z,-Zi大于給定閾值，則繼續(xù)增大;ii,計算(X^ Y"， Z")和Zi,直至 Z, - Zi小于給定閾值，最終得到待定的比例系數(shù)/1 。
(5) 將步驟(4)中得到的比例系數(shù)帶入步驟(3)中模擬圖像像元在 物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程，得到模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的中心點坐 標(biāo)。(6) 修正步驟(2)中模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)，按照步驟 (3)、步驟(4)和步驟(5)，得到模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的四
個頂點坐標(biāo)。
將模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)修正為
(tan(0.004x - 0.5 + ")， tan(0.004j; - 0.4 + b)， — 1) 其中，fl取值分另'J為0.002 、 0.002 、 —0.002和-0.002;與a對應(yīng)6耳又值分另'J為0.002 、 -0.002、 -0.002和0還。
(7) 求取地面成像區(qū)域中包含的步驟(1 )中輸入的原始地表圖像像元， 并計算原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角。
原始地表圖像像元在待模擬圖像像元瞬時視場中立體角的計算按照
—4 cos《 ￡ 2,. = ^
其中，Q,為原始地表圖像像元/在待模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，4為
原始地表圖像像元/在待模擬圖像像元中面積，《為原始地表圖像像元/到傳 感器中心連線與地面法線之間的夾角，c為原始地表圖像像元/到傳感器中心 的距離。
(8 )按照原始地表度圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角， 進行空間分辨率轉(zhuǎn)換，生成給定傳感器外方位元素下遙感模擬圖像。
按照原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，進行空間 分辨率轉(zhuǎn)換
其中，Z為模擬圖像像元的亮度值，/ = 1、 2、 3...iV為該模擬圖像像元包含 的原始地表圖像像元的數(shù)目，Q為該模擬圖像像元的瞬時視場角，Q,為原始 地表圖像像元/在待模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，/,為模擬圖像像元包 含的原始地表圖像像元/的亮度值。
權(quán)利要求
1、一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的方法，其特征在于包括以下步驟(1)輸入原始數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程模型、原始地表圖像和傳感器外方位元素以及視場角；(2)計算步驟(1)中設(shè)定的傳感器視場角下，模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)；(3)計算步驟(1)中設(shè)定的傳感器外方位元素下，像空間坐標(biāo)系到物空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，并將步驟(2)中模擬圖像像元坐標(biāo)從像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到物空間坐標(biāo)系；(4)由步驟(1)輸入的數(shù)字高程模型和步驟(3)中模擬圖像像元在物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程，求解坐標(biāo)方程中待定的比例系數(shù)；(5)將步驟(4)中得到的比例系數(shù)帶入步驟(3)中模擬圖像像元在物空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)方程，得到模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的中心點坐標(biāo)；(6)修正步驟(2)中模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)，按照步驟(3)、步驟(4)和步驟(5)，得到模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域的四個頂點坐標(biāo)；(7)求取地面成像區(qū)域中包含的步驟(1)中輸入的原始地表圖像像元，并計算原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角；(8)按照原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，進行空間分辨率轉(zhuǎn)換，生成給定傳感器外方位元素下遙感模擬圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的 方法，其特征在于所述的步驟(2)中模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐 標(biāo)為(tan((jc--)-^ + <D)， tan((y——)-^ + 6>)， 一l)其中，x和y為模擬圖像像元在模擬圖像中的行號和列號，M和iV為模擬圖 像的行數(shù)和列數(shù)，F(xiàn)C^為傳感器在沿軌方向上視場角，F(xiàn)OK為傳感器在交軌 方向上^L場角，①、^分別為沿4九方向和交4九方向上—見場角殘留偏移。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的 方法，其特征在于所述的步驟(6)中求解模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū) 域的四個頂點坐標(biāo)時，將模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)修正為(tan((x - *)FOrc / M + a +①)，tan(O —Frf / TV + 6 + P) ， — 1)其中，a取值分別為F(9P;/2M、 FOP;/2M、 -FC^/2M和-FOR/2M;與a對應(yīng) 6取Y直分別為/ 27V 、 —/ 2iV 、 / 2iV和FOFd / 2iV 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的 方法，其特征在于所述的步驟(8)中按照原始地表圖像像元在模擬圖像 像元瞬時視場中的立體角，進行空間分辨率轉(zhuǎn)換其中，￡為模擬圖像像元的亮度值，/ = 1、 2、 3…7V為該模擬圖像像元包含 的原始地表圖像像元的數(shù)目，Q為該模擬圖像像元的瞬時視場角，Q,為原始 地表圖像像元!'在待模擬圖像像元瞬時視場中的立體角，/,為模擬圖像像元包 含的原始地表圖像像元/的亮度值。
全文摘要
本發(fā)明一種實現(xiàn)給定外方位元素下遙感圖像模擬的方法(1)輸入原始數(shù)據(jù)；(2)計算模擬圖像像元在像空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)；(3)計算像空間坐標(biāo)系到物空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，將步驟(2)模擬圖像像元坐標(biāo)從像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到物空間坐標(biāo)系；(4)求解坐標(biāo)方程中待定比例系數(shù)；(5)求解模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域中心點坐標(biāo)；(6)求解模擬圖像像元對應(yīng)地面成像區(qū)域四個頂點坐標(biāo)；(7)求取模擬圖像像元包含的原始地表圖像像元，計算原始地表圖像像元在模擬圖像像元瞬時視場中立體角；(8)空間分辨率轉(zhuǎn)換，生成給定傳感器外方位元素下遙感模擬圖像。本發(fā)明解決了給定傳感器位置和姿態(tài)下，由外方位元素和視場角實現(xiàn)遙感圖像的高精度模擬。
文檔編號G01S7/48GK101604017SQ20091008933
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者娜 李, 王亞超, 賈國瑞, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學(xué)