天繪一號衛星三線陣CCD影像的近似核線生成

趙春川， 紀　松， 唐　勇

1．第四測繪導航基地，四川 成都,610000；2．信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州,450052

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天繪一號衛星三線陣CCD影像的近似核線生成

趙春川1， 紀松2， 唐勇1

1．第四測繪導航基地，四川 成都,610000；2．信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州,450052

本文基于航天線陣CCD影像物方投影“核曲線”的固有性質，在影像PRC定位參數的支持下，給出了一種基于UTM投影基準面的核線影像生成方法。分析了影像匹配技術對核線影像基準的特定要求，在固定、統一的物方投影基準面下，進一步給出了一種航天線陣CCD影像的固定基準核線影像生成方法。同時，利用“天繪一號”衛星三線陣CCD影像進行了實驗。結果表明，本方法能夠通過單次核線影像重采樣，生成物方空間一致、基準固定、消除了上下視差的核線影像。

天繪一號；三線陣CCD影像；投影基準面；UTM投影；核線

1　引　言

在數字攝影測量中，航空航天遙感影像的自動化處理過程均直接或間接使用了核線幾何約束條件，以減小影像匹配的搜索范圍、提高影像匹配的可靠性，即核線影像具有重要的應用價值[1]。對于傳統的航空面陣影像而言，其核線影像重采樣理論、方法和技術比較成熟。航天傳感器通常采用線陣CCD推掃成像，其特殊的成像方式和物理結構，對其核線影像的獲取帶來了一定的難度。

國內外學者對航天線陣傳感器的核線影像制作方法與技術進行了深入研究。鞏丹超對基于“有理函數模型”(Rational Function Model, RFM)的線陣CCD影像進行了分析，研究結果表明：線陣CCD影像的核線通常是“核曲線”，并不是嚴格意義上的核線，只能通過近似的手段，獲取近似核線及其核線影像[2]。Kim、張永生和Habib等研究學者發現“核曲線”是類似雙曲線的曲線，在一定的范圍內，可以看作近似直線，而且與同名像點對應的核線一一對應，這就為航天線陣CCD影像的核線重采樣提供了理論依據[3-5]。胡芬、張永軍和Morgan等學者對航天線陣CCD影像的核線重采樣方法進行了深入研究，分別給出了各自的近似核線影像生成方法[6-8]。雖然這些方法各有差異，但是都采用近似核線重采樣的方法，獲取核線影像。綜合國內外研究學者的研究成果，航天線陣CCD影像近似核線影像生成方法通常可分為如下幾類：多項式擬合近似核線生成方法、基于投影軌跡法的擴展核線模型、基于物方投影基準面的核線影像生成方法等。由此可見，航天線陣CCD影像的核線理論并未統一，也未形成一種通用的核線理論和模型，高精度、高效率的核線重采樣方法仍然值得深入研究。

“天繪一號”衛星(TH01)是2010年中國發射的第一顆立體測繪衛星[9]，它包括三線陣立體測繪相機、多光譜相機、高分辨率相機等傳感器載荷，為國內各行業的研究和應用提供了豐富的衛星影像數據。本文主要針對“天繪一號”衛星的三線陣CCD影像，采用基于物方投影基準面的核線影像生成方法，在影像有理多項式系數(Rational Polynominal Coefficients, RPC)定位數據的支持下，實現了衛星影像的近似核線重采樣；同時，文章從三線陣CCD影像立體匹配的特定要求出發，對近似核線影像進行了多基線分析和處理，提高了近似核線影像的多基線匹配應用性能。

2　基于物方投影基準面的線陣CCD影像核線幾何

2.1基本思想及理論基礎

給出兩張具有一定重疊的航天線陣CCD影像，建立物方直角坐標系。在該坐標系中，選取一個高程H(該高程通常為測區平均高程)，將其對應的平面作為“物方投影基準面”。設某一地面點在左右影像上的像點分別為p1和p2，在局部地面范圍內，像點p1和p2的投影軌跡為“核曲線”。研究表明：“核曲線”近似為直線且互相平行，為此可以將像點p1和p2的“核曲線”定義為同名核線；在“物方投影基準面”上，影像上所有同名像點的投影點軌跡都可以用同名核線來表示，這些同名核線互相平行。由于同名像點的同名核線近似為直線且互相平行，因此它為航天線陣CCD影像的近似核線影像分析提供了理論基礎。

依據上述理論基礎，以重疊影像上的地面點為分析對象，獲取各地面點在“物方投影基準面”上的投影軌跡，隨后沿著“核曲線”的近似直線方向，將所有地面點的投影軌跡重新排列，進而通過影像重采樣，得到一組相互平行的近似核線影像，這就是航天線陣CCD影像的基于物方投影基準面的核線幾何分析基本思想，為航天線陣CCD核線影像的自動生成提供了一種技術途徑。

2.2基于UTM投影基準面的核線影像生成

“天繪一號”衛星三線陣CCD影像采用了當前主流的通用傳感器幾何模型——RFM模型[4]。RFM模型通常由RPC參數描述，實現像點坐標與大地坐標的關聯。依據基于物方投影基準面的線陣CCD核線影像幾何的基本思想，在得到“天繪一號”衛星三線陣CCD影像及其RPC參數后，可以按照下列技術步驟，實現近似核線影像生成。

(1)確定UTM投影基準面。

給出“天繪一號”衛星三線陣CCD影像。由于影像的RPC參數給出了像幅的經緯度范圍，因此可以根據此參數，采用通用橫軸墨卡托投影(Universal Transverse Mercator Projection，即UTM投影，是一種橫軸等角割橢圓柱面投影)方法[10]，計算影像所在的UTM投影帶，并選擇UTM投影坐標系的X-Y平面為投影基準面。實際上，根據需求的不同，也可以選擇高斯投影或者其它投影方法，確定投影基準面。

(2)在UTM投影基準面上，確定核線的“近似直線”排列方向。

如圖1所示，給定兩張“天繪一號”衛星三線陣CCD影像，在左影像上選擇中心點A，獲取影像區域的平均高程(可通過全球DEM數據獲取)，利用影像像點和高程，在設置的高程變化條件下(通常為20m或者為影像地面分辨率的4倍)，根據RPC參數及其模型，計算像點A的經緯度坐標，然后計算其UTM投影坐標(P1和P2)。

根據P1和P2的UTM投影坐標，將其轉換至經緯度坐標，并根據RPC參數，將其反算至右影像，獲取像點B、C。

根據右影像上像點B、C的像坐標和RPC參數，將其投影至UTM基準面，獲取其UTM投影坐標，得到點P3和P4。

利用點P3和P4構建直線方程，該直線方向即為A點的近似核線排列方向。

圖1　“近似直線”排列方向的確定

上述坐標轉換涉及到的計算公式有：

(1)

式(1)中，f1表示利用像點坐標(S，L)和高程height，根據RPC反解參數，計算經緯度坐標(lat，lon)；f2表示利用經緯度坐標和高程，根據RPC參數，計算像點坐標；f3表示利用經緯度和高程坐標，計算UTM投影坐標(X，Y，Z)；f4表示利用UTM投影坐標，計算經緯度和高程坐標。

(3)計算左右影像的重疊范圍。

確定影像的近似核線排列方向之后，在測區平均高程的基礎上，分別計算左右影像四個角點在投影基準面內的覆蓋范圍，并選取兩投影覆蓋范圍的最小外廓矩形，作為核線影像重采樣區域，確保左右核線影像具有相同的行列數，且同名核線對應的行號相同。

(4)近似核線影像重排列。

根據輸入影像的地面分辨率(GSD)，將核線影像重采樣區域進行規則劃分，確定核線影像的行列數。采用類似數字微分糾正的方式，根據各個格網點的平面坐標、平均高程，計算其在左影像和右影像上的像點位置，將灰度內差結果賦給核線影像，生成左右核線影像。

其中，核線影像像點與原始影像像點坐標換算嚴格關系如圖2所示。

圖2　核線影像像點與原始影像像點坐標換算關系

圖2中，近似核線影像像點坐標和UTM平均高程面坐標的計算公式如下：

(2)

式(2)中，(xe,ye)是核線影像上的像點坐標；(X,Y)為(xe,ye)在UTM高程投影面上的坐標；G為影像地面分辨率，通常為常數；R為“近似直線”排列方向所確定的二維坐標變換矩陣；(X0,Y0)為坐標平移量，通常取核線影像左上角點在UTM高程投影面上的坐標。

3　天繪一號衛星三線陣CCD影像的固定基準核線影像生成

3.1影像匹配技術對核線影像基準的要求

“天繪一號”衛星的飛行過程中，在同一飛行條帶上，三線陣立體測繪相機能夠獲取地面目標的前視、下視和后視影像。如果將前視、下視和后視影像用于構建立體，則會得到不同組合形式的立體像對。分別對各個立體像對進行匹配分析、質量檢查，再將各個立體像對的匹配結果進行融合，這是常用的影像匹配方法。但是，這類影像匹配方法具有一定的缺點：

(1)舉例來說，對于航天三線陣CCD影像而言，將下視影像設為基準影像I0，將前視和后視影像分別設為搜索影像I1和I2，如果將基準影像I0與搜索影像I1和I2進行核線分析，則會生成兩對核線影像(I0e，I1e)和(I'0e，I2e)。此時，基準影像I0將會被重采樣成兩張核線影像I0e和I'0e，而I0e和I'0e兩者并不一致，這增加了核線影像匹配的計算量；同時，在對核線影像進行基于像方的匹配時，由于核線影像的不一致，像方基準難以固定，給影像匹配帶來了困難。

(2)在各個單立體的匹配過程中，如果使用核線影像，匹配分析與質量檢查環節將相互獨立，只是在匹配結果融合時，才將多個立體匹配結果進行綜合分析，達到多張影像信息綜合利用的目的。之所以匹配分析和質量檢查環節相互獨立，主要原因在于：即使對于同一張影像，其在不同的立體像對中生成的核線影像不同，無法統一匹配影像的核線基準。由于匹配影像的核線基準不統一，因此，不同影像匹配過程中難以進行交叉驗證，這給匹配質量檢查帶來了一定的難度。

由于同一影像在不同立體中的核線影像不一致，所以影像匹配的像方基準難以統一、匹配質量檢查難以交叉實現，航天三線陣CCD影像的信息難以充分、綜合利用；特別是影像條帶數量增多時，核線影像不一致造成的上述現象尤為明顯，這使得影像匹配過程面臨著一定的挑戰。

為了充分利用航天三線陣CCD影像信息，在統一的核線影像基準下，通過交叉質量檢查的方式，獲取更加可靠的影像匹配結果，需要對航天三線陣CCD影像的核線幾何進行深入分析，進而在不同立體像對中，對同一幅影像，獲取基準統一的核線影像。

3.2固定基準核線影像生成方法

采用基于物方投影基準面的航天影像核線幾何分析方法。由于核線“近似直線”排列，且各像點的核線方向一致(與傳感器飛行方向相同)，這恰好為基準統一的核線影像生成提供了技術基礎：對于“天繪一號”衛星而言，由于同一條帶影像像點的核線方向一致，且與傳感器飛行方向相同，于是可以用固定的、統一的物方投影基準面，將航天三線陣CCD影像進行核線幾何分析，生成物方空間一致、消除上下視差的三線陣CCD核線影像。其具體步驟和技術方法如下：

步驟一：根據“天繪一號”衛星三線陣CCD影像的RPC參數，以下視影像為基準(同樣可以以前視、后視影像為基準)，在平均高程條件下，確定UTM投影基準面。其中，平均高程確定方法有多種：可以根據全球高程數據(如SRTM數據[11])來確定；也可以通過特征點(如SIFT特征點[12])稀疏匹配，進而獲取特征點的平均交會高程。

步驟二：在固定的UTM投影基準面下，根據“天繪一號”衛星三線陣CCD影像的RPC參數，通過圖2所示的坐標換算關系，確定前視、下視和后視影像的“近似直線”排列方向；如果所有重疊影像的“近似直線”排列方向相同，則繼續下面的分析步驟，否則返回。通常，對于“天繪一號”衛星而言，由于衛星沿設定軌道飛行，同一條帶的三線陣CCD影像的“近似直線”排列方向相同，不同條帶的三線陣CCD影像的“近似直線”排列方向也相同(對應同一地區)。如果衛星傳感器發生側擺，且三線陣CCD影像的側擺角不同，則“近似直線”排列方向不一致。

步驟三：在平均高程條件下，根據影像的RPC參數，分別計算各張CCD影像的地面覆蓋范圍，同時計算地面覆蓋范圍的最小外廓矩形(注意：這里是前視、下視和后視影像地面覆蓋范圍的最小外廓矩形)，作為核線重采樣的地面范圍基準。其中，平均高程不同，核線重采樣的地面范圍基準略有差異，但并不影響核線影像重采樣的分析與計算。

步驟四：根據影像的地面分辨率大小，將核線重采樣的地面范圍進行規則劃分，得到核線影像的行列數，并依據地面坐標、影像的RPC參數，分別向多張CCD影像進行像方投影和核線重采樣，獲取多組核線影像。

從上述步驟可以看到，基準統一核線影像生成的主要核心點在于：采用基于物方投影基準面的航天影像核線幾何分析方法、具備相同的高層基準、以任意一張三線陣CCD影像為基準計算重疊地面范圍。依據上述步驟，“天繪一號”衛星三線陣CCD影像的核線影像只需要生成一次，且同名點在所有核線影像上都位于同一掃描行，為影像匹配技術的應用提供有利條件，即能夠生成物方空間一致，基準統一，且同時消除了上下視差的三線陣CCD核線影像。

4　實驗與分析

4.1實驗數據

實驗數據為“天繪一號02星”獲取的河南省境內某地區的三線陣CCD影像，影像中心位置為東經112.59°、北緯34.222°，影像獲取時間為2013年4月26日，其定位參數為RPC，實驗區高程范圍為150 ～ 1100m，平均高程約為300m。文中利用了其中一條航帶上的前視、下視與后視全色影像。

4.2核線重采樣與分析

以三線陣CCD影像中的下視影像作為基準影像，根據2.2小節中描述的實驗步驟，分別對前視、下視和后視影像數據，利用基于物方投影基準面的航天影像核線幾何方法進行重采樣處理。實驗中采用的物方投影基準面為UTM投影面，投影帶為第49帶(根據測區的經度計算)，坐標原點(X0,Y0)為下視影像的左下角點，平均高程Z0為300.0m(根據測區平均高程計算)，具體參數如表1所示。

在UTM投影面條件下，計算各張影像的“核曲線”，實驗表明“核曲線”為“近似直線”，且前視、下視和后視CCD影像的排列方向基本一致。其中，“近似直線”(傾角為-79.212°)的二維坐標變換矩陣R如表1所示。

表1投影基準面與核線重采樣參數

數據X0(m)Y0(m)Z0(m)R天繪影像613218.3202913767235.138617300.0000000.189473 0.981886-0.981886 0.189473é?êêù?úú

根據表1中給出的投影基準面與核線重采樣參數，計算前視、下視和后視影像數據的重疊區域，并依據重疊區域分別對各張影像數據進行核線重采樣，結果如圖3所示。

圖3　天繪一號三線陣CCD影像的核線影像

根據圖3中給出的核線影像，從中提取SIFT特征點對，并選取其中的12組同名特征點對(已經經過目視驗證，特征點對準確、無誤)進行上下視差分析，結果如表2所示。同時，根據表2給出的上下視差結果，對其進一步統計分析，結果如表3所示。

表2中，像點(x0,y0)為同名像點在前視影像上的像素坐標；(x1,y1)為同名像點在下視影像上的像素坐標；(x2,y2)為同名像點在后視影像上的像素坐標；上下視差極大值是以y0坐標為基準，y1和y2減去y0所得坐標絕對值的極大值。

從表2中可以看出，利用實驗數據生成的核線影像，三張核線影像的上下視差最大值為0.900像素，最小值為0.086像素，其平均值為0.420像素，中誤差為0.232像素。這表明，本文所給出的方法能夠依據RPC參數，較好地生成“天繪一號”衛星三線陣CCD影像數據的核線影像，且核線影像的物方空間一致，基準統一，同時，消除了上下視差，有利于影像匹配過程中像方基準的統一和匹配結果的交互驗證。

表2核線影像上特征點對的上下視差結果(單位：像素)

特征點像點x0像點y0像點x1像點y1像點x2像點y2上下視差極大值1715.79792.010729.72592.673746.03192.2440.66323222.736127.8683237.250127.5273755.082127.4660.34134126.079622.7734141.122622.6404152.837622.3430.29742599.770794.5832629.092794.6852653.514794.4160.26952993.838883.4033015.651883.8673023.761883.4320.46461746.618950.7881755.622951.6881771.199951.7700.90077207.7241353.5147196.7051353.4417181.9721353.5270.08684130.5552196.2624146.9982196.1824190.9292196.3480.16697503.6374558.9427500.6554558.2987499.9904558.6460.644104004.6926293.6224002.8036293.6243996.6776293.7610.137114684.1499537.7754673.5669538.1214664.7939538.1580.34612453.54210601.176467.47810600.406477.17410600.9780.770137042.2148719.8697042.4358720.0237043.1788720.4010.378149857.0289888.9549841.1649888.6629825.2039888.8790.2921510540.82111303.28210534.39511303.82810525.91711304.1830.546

表3核線影像上特征點的上下視差統計分析(單位：像素)

統計項最大值最小值均值中誤差統計值0.9000.0860.4200.232

依據圖3中給出的核線影像對，對其進行分波段合成，生成紅綠立體影像，結果如圖4所示。利用紅綠立體眼鏡觀察圖4，可以看出，該紅綠立體影像能夠突出反映地形變化、建筑物高度和地形走勢，且兩張紅綠立體影像均沒有上下視差的負面影響，達到了紅綠立體影像的立體顯示效果。

(a)前視-下視 (b)后視-下視圖4　天繪一號三線陣CCD紅綠立體影像(核線立體)

5　結　論

本文對基于物方投影基準面的線陣CCD影像核線幾何進行了分析，針對以RPC為定位參數“天繪一號”衛星三線陣CCD影像，給出了一種基于UTM投影基準面的核線影像生成方法。在此基礎上，針對航天線陣影像匹配技術對核線影像的特定要求，對近似核線影像進行了基準統一分析和處理，給出了物方空間一致、上下視差消除的核線影像生成方法及步驟。利用“天繪一號”衛星三線陣CCD影像數據進行實驗，實驗結果驗證了本文方法的正確性，生成的核線影像及其紅綠立體影像為影像匹配技術的應用和地形信息的自動提取提供了更好的數據支持。

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Approximate Epipolar Generation of Three-line Array CCD Image of Mapping Satellite-1

Zhao Chunchuan1, Ji Song2, Tang Yong1

1. The Fourth Surveying and Mapping Navigation Base, Chengdu 610000, China 2. Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China

Based on the properties of object projection epipolar curve of the space linear array CCD image, a UTM projection epipolar image generation method is put forward with RPC positioning parameters. The specific requirements of image matching technology for epipolar image benchmark are analyzed, and a fixed benchmark epipolar image generation method of space linear array CCD image is proposed based on a fixed and unified projection reference plane. Experiments are conducted using three-line array CCD images from Mapping Satellite-1, and the results indicate that the proposed method can successfully generate the desired epipolar images with consistent object space, fixed projection reference, and almost zero vertical parallax through single epiplolar resampling.

Mapping Satellite-1; three-line array CCD imagery; projection reference plane; UTM projection; epipolar line

2015-12-21。

地理信息工程國家重點實驗室開放基金資助項目(SKLGIE2013-M-3-1)。

趙春川(1983—)，男，工程師，主要從事攝影測量與遙感方面的研究。

P223

A