專利名稱:一種消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制點與影像定位偏差的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于衛(wèi)星遙感、航空遙感和近景攝影測量領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù) 目前現(xiàn)有的數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)和使用膠片的模擬攝影技術(shù)中,為了便于在影像上 剌出地面控制點位置的方法,預(yù)布標(biāo)和使用的標(biāo)志是一樣的。攝影成像前在物方預(yù)先布設(shè) 如圖1. 1、1. 2、1. 3中所示的外業(yè)控制點標(biāo)志,并運用工程測量技術(shù),測量出標(biāo)志幾何中心 (如十字交叉點)的坐標(biāo)作為控制點坐標(biāo)。拍攝影像后,膠片和相片用針剌點的方法在影 像上找出控制點的位置。數(shù)字圖像用鼠標(biāo)點出,數(shù)字圖像象元的幾何中心表示控制點的對 應(yīng)位置。對針剌點和象元幾何中心賦予外業(yè)測量的控制點坐標(biāo)值,完成影像同名點匹配,供 測圖工作使用。 采用預(yù)布標(biāo)技術(shù)是為了易于從影像上找到物方控制點,具體方法是成像前在物方 設(shè)置人造特征點標(biāo)志并測量其位置參數(shù)。 一般不以自然物作為控制點使用。在衛(wèi)星、航空 平臺搭載成像傳感器對地遙感過程中,是指在攝影實施前預(yù)先在待攝影地區(qū)布設(shè)對空標(biāo)志 的過程?!逗娇諗z影測量外業(yè)規(guī)范》中注明了布設(shè)用于航空攝影測量的地面標(biāo)志的要求,形 狀和尺寸如圖1.3所示。在近景攝影測量過程中,是指預(yù)先布設(shè)各種各樣的人工標(biāo)志作為 控制點或者用作待測位置點,目前在《攝影測量規(guī)范》中要求使用的平面布設(shè)標(biāo)志如圖1. 1 中(a) (b) (c)、圖1.2所示。 隨著攝影測量技術(shù)的發(fā)展,數(shù)碼相機逐步取代傳統(tǒng)的膠巻式相機。數(shù)碼影像上離 散的像元結(jié)構(gòu)與膠片圖像上空間連續(xù)的灰度結(jié)構(gòu)差異,使數(shù)字影像上識別出的標(biāo)志所在像 元中心作為物方控制點時,象方和物方的同名點存在一個隨機的偏移量,像元中心與實際 物方控制點坐標(biāo)無法完全重合。產(chǎn)生上述誤差的原因是數(shù)字圖像每個像素的實際尺度與 物方的控制點尺度不是同一個數(shù)量級,即在人眼觀察的條件下,物方控制點屬于毫米量級 的數(shù)據(jù),但數(shù)字圖像的像素在航空遙感時為數(shù)厘米到數(shù)十厘米尺度,衛(wèi)星遙感時為數(shù)十厘 米到數(shù)米尺度,近景攝影測量時為l厘米到數(shù)厘米。細(xì)化到像素級程度后,控制點究竟落在 該像元的哪個位置是個隨機數(shù),它可能剛好落在像元的正中心,也有可能落在偏離像元中 心點的任何位置,這個偏移矢量值影響到地面控制點點位與影像同名點像素點位的匹配精 度,進(jìn)而影響測圖精度。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點,本發(fā)明的目的是提供一種消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制 點與影像定位偏差的技術(shù),使預(yù)先布設(shè)的標(biāo)志與CCD、 CMOS成像單元的幾何元素合理匹配, 以有效地消除數(shù)字?jǐn)z影測量時實際物方控制點在數(shù)字影像上定位時的誤差。本發(fā)明的目的 是通過如下的手段實現(xiàn)的。 —種消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制點與影像定位偏差的技術(shù),用于以CCD、 CMOS為 成像靶面的數(shù)字?jǐn)z影測量,包括現(xiàn)場標(biāo)志設(shè)置要求、制作標(biāo)志所用的參數(shù)、成像設(shè)備獲取的數(shù)字影像與實際物方控制點位置參數(shù)誤差修正計算三個主要技術(shù)步驟,其中 (1)布設(shè)標(biāo)志時,保持標(biāo)志的直線邊與成像耙面像元的直線邊平行。
(2)預(yù)布標(biāo)使用的面狀標(biāo)志具有如下特征面狀標(biāo)志的形狀為矩形,由具有同一
幾何中心且相異光學(xué)反射特征的中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)二個區(qū)域組成;所述中心區(qū)的寬度2A與
成像光學(xué)設(shè)備的焦距f 、成像距離H以及成像靶面像元寬度a間滿足A = a*H/f ,中心區(qū)的
長度2B與成像靶面像元長度b間滿足B = b*H/f 。 (3)計算物方控制點在數(shù)字影像上定位時的誤差時,基于獲取的數(shù)字影像上控制 點所在像元及其周邊像元的像元值,計算控制點像元中心點和實際物方標(biāo)志中心點之偏 差。在獲取的數(shù)字影像上選取以控制點所在像元為中心的5*5窗口,共計25個像元,一般 情況下,中心點像元和最外圈像元為非混合像元,其余的為混合像元。通過非混合像元的像 元值解算混合像元中心區(qū)和邊緣區(qū)的面積比,并將面積比轉(zhuǎn)化為長度比,用單個像元的地 面分辨率與長度比計算控制點像元中心點和實際地面標(biāo)志中心點之偏差;如果窗口內(nèi)具有 2*2的4個非混合像元是其特例,4個像元水平與垂直分界線的交點為控制點中心。如果居 于中心的非混合象元其上下左右相鄰的4個灰度象元的象元值相等,則表明居于中心的非 混合象元幾何中心與物方控制點重合。 采用本發(fā)明的技術(shù),可以有效地找出像元偏離中心點的偏差。
為了滿足計算偏差的數(shù)學(xué)模型,需要制作有確定反射率的特殊標(biāo)志,標(biāo)志的尺寸 與材料隨著攝影利用的電磁波波段、攝影比例尺、成像靶面像元的尺寸和幾何元素變化而 變化。本發(fā)明所用面狀標(biāo)志中心區(qū)域和環(huán)繞區(qū)域的光學(xué)特征具有相對大的光反射差異。便 于在影像上識別。用于可見光波段成像的標(biāo)志,單波段成像時其差異體現(xiàn)為互為反色(黑 白兩色),彩色成像時為互補色(如紅色與藍(lán)色)。用于反射紅外光譜區(qū)成像的標(biāo)志,其差 異體現(xiàn)為二區(qū)域分別采用紅外強反射材料和紅外強吸收材料??刂泣c所在位置為標(biāo)志幾何 中心。標(biāo)志的尺寸取決于影像的分辨率,中心區(qū)與2*2的4個像素矩陣對應(yīng),這樣無論相機 成像元件如何分割,始終會有一個完整的代表中心區(qū)標(biāo)志的非混合像元(像元P(i, j))。預(yù) 先設(shè)計好標(biāo)志尺寸,布設(shè)時滿足標(biāo)志與影像的像素幾何元素之間的關(guān)系,再采用基于反射 能量導(dǎo)出的亞像元分割技術(shù),就可以準(zhǔn)確消除影像上控制點所在像元中心位置與實際控制 點坐標(biāo)(例如野外預(yù)布標(biāo)志幾何中心點的GPS實測值)之間的偏移量,使兩者的位置重合。
圖1. 1、1. 2、1. 3為現(xiàn)有布設(shè)標(biāo)志圖形的示意圖。 圖2為本發(fā)明矩形標(biāo)志尺寸關(guān)系示意圖。 圖3方形標(biāo)志正視圖。 圖4矩形標(biāo)志正視圖。 圖5為物方標(biāo)志的與數(shù)字成像靶面的空間位置關(guān)系圖。 圖6為物方標(biāo)志在數(shù)字成像靶面上位置偏移示意圖。 圖7為物方標(biāo)志在數(shù)字影像上呈現(xiàn)4個純黑色像元特殊情況示意圖 圖8為后續(xù)誤差處理工作流程圖。
具體實施例方式
面狀標(biāo)志的形狀為正方形或矩形。當(dāng)數(shù)碼相機或遙感傳感器的成像元件形狀為正 方形時,標(biāo)志的形狀取正方形;當(dāng)數(shù)碼相機或遙感傳感器的成像元件面形狀為矩形時,標(biāo)志 的形狀取矩形。面狀標(biāo)志由中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)2個區(qū)域組成。以正方形或者矩形的幾何中心 為控制點的位置。標(biāo)志中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)的幾何尺寸以成像距離(或遙感傳感器與地面標(biāo)志 間的相對高度)和相機(或遙感傳感器)焦距、成像靶面單元(CCD、CM0S)的大小來計算標(biāo) 志的制作尺寸。 建立一個直角坐標(biāo)系,以物方控制點為坐標(biāo)原點,過原點與標(biāo)志互相垂直的兩條 分別邊為X軸和Y軸。成像距離或相對航高為H,相機(或遙感傳感器光學(xué)系統(tǒng))焦距為 f,成像靶面(CCD、 CMOS單元等)像元尺寸為a, b。如圖2所示,設(shè)標(biāo)志中心點坐標(biāo)為(0, O),則標(biāo)志中心區(qū)位于(-A, A;-B, B)4條直線所圍區(qū)域內(nèi)。環(huán)繞區(qū)內(nèi)邊界與中心區(qū)外邊界 連續(xù)銜接。環(huán)繞區(qū)外邊界不小于(-3A,3A;-3B,3B)4條直線所圍區(qū)域的邊界(在方形中,A =B) 。 A = a*H/f , B = b*H/f 。 圖3為方形標(biāo)志,其中標(biāo)志部分為黑色,邊長為2A,背景部分為白色,邊長為6A ;圖 4為矩形標(biāo)志,其中標(biāo)志部分為黑色,長為2A,寬為2B,背景部分為白色,長為6A,寬為6B。
面狀標(biāo)志不論是在現(xiàn)場制作還是在室內(nèi)預(yù)制,標(biāo)志面材料的反射性能盡可能滿足 郎伯面特征,從工藝上避免生成具有強烈方向性反射的標(biāo)志面,在條件許可時,測量其光譜 反射率。 根據(jù)標(biāo)志需要保留的時間、耐水、耐退化、抗損毀要求,選擇制作標(biāo)志的材料和工 藝。標(biāo)志點的中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)分別由單一物質(zhì)構(gòu)成。從標(biāo)志點中心區(qū)上得到的光譜反射能 量或發(fā)射能量與環(huán)繞區(qū)上獲取的光譜反射能量均與圖像像元值成正比關(guān)系。完全落在標(biāo)志 中心區(qū)上的像元與完全落在環(huán)繞區(qū)上的像元為非混合像元,獲取的能量(像元值)是標(biāo)志 布設(shè)點周圍的目標(biāo)反射能量的最大(小)值和最小(大)值。 標(biāo)志布設(shè)方向根據(jù)成像靶面和成像單元邊長與標(biāo)志的對應(yīng)關(guān)系排列。當(dāng)成像靶面 單元(CCD、 CMOS)尺寸x = y時,標(biāo)志為成比例放大的正方形。布設(shè)標(biāo)志時,其中一邊要與 成像靶面的一邊平行。當(dāng)成像靶面單元(CCD、 CMOS)尺寸x # y時,標(biāo)志為成比例放大的 矩形。標(biāo)志布設(shè)時標(biāo)志的長邊要與成像靶面單元的長邊平行。標(biāo)志的位置要能夠滿足成像 (或立體成像)的要求。如圖5所示。 采用本發(fā)明布標(biāo),所獲取的數(shù)字影像在標(biāo)志的中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)至少各有一個純單 一反射材料的像元。如圖6所示,黑色虛線方格背景為地面標(biāo)志,其中斜條紋填充區(qū)域為標(biāo) 志周圍地物。無邊框方格為實際影像像元對應(yīng)的物方視場,黑實線包圍部分為標(biāo)志顯示區(qū) 域。如果中心區(qū)顯示四個相同的像元時,則表明標(biāo)志的中心點位于4個像元的內(nèi)邊交匯點, 控制點為方格中心點。如圖中編號l像元為P(i-l,j)像元;圖中編號2像元為P(i+l,j) 像元;圖中編號3像元為P(i, j-l)像元;圖中編號4像元為P(i, j+l)像元。大多數(shù)實際 成像情況是CCD邊界并不與標(biāo)志邊界完全重疊,圖示表明在黑實線方格中與標(biāo)志對應(yīng)的36 個象元中,只有一個完整的黑色正方形(P(i,j)像元部分),緊鄰其四周的像元均為黑色部 分與背景的白色混合而成的混合像元。由于混合像元里黑色所占比例不同,使混合像元表 現(xiàn)為灰色像元,并且各個灰色像元的灰度值不盡相同。但是在全黑像元左右兩側(cè)的像元分 別由高度相同的黑色矩形子區(qū)和白色矩形子區(qū)組成,并且左右兩側(cè)灰度像元上的黑白面積
5比例正好相反,即左像元內(nèi)白色的面積與右像元內(nèi)黑色的面積相等,左像元內(nèi)黑色的面積 與右像元內(nèi)白色的面積相等。在全黑像元上下兩側(cè)像元的組成與左右兩側(cè)的像元相同。
參照圖(6)與圖(2),純黑色像元P(i, j)的像元值為g(i, j),純黑色像元左邊的 灰色像元P(i, j-1)的灰度值g(i, j-l),純黑色像元右邊的灰色像元P(i, j+l)的灰度值 g (i , j+l),純黑色像元上邊的灰色像元P (i-1 , j)的灰度值g (i-1 , j),純黑色像元下邊的灰 色像元P (i+1 , j)的灰度值g (i+1 , j)。 以黑色像元左邊灰色像元建立直角坐標(biāo)系,像元互相垂直的左邊和底邊分別為縱 軸和橫軸,左下角為原點;i、 j分別代表影像上像元的行列號;相機CCD單元上的輻射能轉(zhuǎn) 換為電信號、生成像元值的系統(tǒng)增益系數(shù)為k ;在本像元坐標(biāo)系里,黑白分界線坐標(biāo)為X ;像 元水平方向長度為L,垂直方向長度為L' ,x。 = 0。
g(i, j-1) = kXEi(i, j-1)
=kXEi(x, y) X { p b(x, y) X (x-x0) XL =
y)X[L-(x-x。)]XL' }
(4-1) g(i, j+l) = kXE力
=
y)X[L-(x-x。)]XL' }
(4-2) 上式(4-1) (4-2)中,Ei(i, j-1)為左像元的反射能
+ P w(x,
j+l)
kXEi(x, y) X
P w(x, y) X (x-x0) XL
能量;Ei(x,y)為相機曝光時間內(nèi)投射在CCD單元上的輻射能
;Ei(i,j+l)為右像元的反射 :;Pw(x,y)為純白色區(qū)域的 光譜反射率;Pb(x,y)為純黑色區(qū)域的光譜反射率。 [OO36] 利用式(4-1)和(4-2)兩式可以得出,
x-x0 二 g(i,j-l)xgw —g(i,j + l)xgb L [g(i,j + l) + g(i,j-l)]x(gw-gb)
(4-3) 從式(4-3)可見,左、右灰色像元灰度值的差異轉(zhuǎn)化為長度差異,從而可以求出x 的值。當(dāng)左右兩灰色像元灰度相等,即g(i, j-1) =g(i, j+l),且x。二0時,X^t,此時,
2
控制點在水平方向上無偏移。
上式(4-3)中,gw為純白色像元的灰度值;gb為純黑色像元的灰度值。 上下側(cè)像元灰度處理方法與左右側(cè)像元灰度處理方法相同。對角線上4個像元不
參與處理。 同理,可以通過計算上下灰色像元灰度值來求出y的值。
y_y。 二 g("U)xgb-g(i+U)xgw
:g(i + l,j) + g(i-1,j)]x(g「g、
L'
(4-4)
6
當(dāng)上下兩灰色像元灰度相等,即g(i-l, j) = g(i+l, j)時,y。 = 0,y = y ,此時,
控制點在垂直方向上無偏移。 將像元坐標(biāo)系下的x和y,轉(zhuǎn)換成實際地理坐標(biāo)系下位置偏移量,對控制點進(jìn)行修 正。 如果出現(xiàn)圖7所示影像上顯示4個純黑色像元時,控制點與圖2坐標(biāo)系中的(0, 0)點重合,4個像元分屬4個象限,選擇第一象限的像元作為控制點所在像元,將控制點坐
標(biāo)值的X分量加^ , Y分量加,,再將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)。 整個后續(xù)處理可由圖8的工作流程表達(dá)。
權(quán)利要求
一種消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制點與影像定位偏差的技術(shù),用于CCD、CMOS為成像靶面的攝影測量,包括野外預(yù)布標(biāo)設(shè)置要求、標(biāo)志制作的參數(shù)、成像設(shè)備所獲取的數(shù)字影像與實際地面標(biāo)志地理參數(shù)誤差修正計算三個主要技術(shù)步驟,其中(1)成像設(shè)備獲取數(shù)字影像時保持其成像靶面像元的邊沿與所述預(yù)布標(biāo)的邊沿呈平行;(2)預(yù)布標(biāo)使用的面狀標(biāo)志具有如下特征面狀標(biāo)志的面狀為矩形,由具有同一幾何中心且相異光學(xué)反射特征的中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)二個區(qū)域組成;所述中心區(qū)的寬度2A與成像光學(xué)設(shè)備的焦距f、成像距離H以及成像靶面像元寬度a間滿足A=a*H/f,中心區(qū)的長度2B與成像靶面像元長度b間滿足B=b*H/f;(3)由獲取的數(shù)字影像上控制點所在像元及其周邊像元的像元值,計算控制點像元中心點和實際地面標(biāo)志中心點之偏差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制點與影像定位偏差的技術(shù),其特征在于,所述面狀標(biāo)志的形狀為矩形,成像靶面像元寬度與長度應(yīng)與面狀標(biāo)志寬度與長度成同比例。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制點與影像定位偏差的技術(shù),其特征在于,所述面狀標(biāo)志具有中心區(qū)與邊緣環(huán)繞區(qū),兩區(qū)域的光學(xué)反射特征具有相對大的光反射差異用于可見光波段成像的標(biāo)志的光學(xué)特征,其差異體現(xiàn)為中心區(qū)與邊緣環(huán)繞區(qū)互為反色或互補色;用于反射紅外光譜區(qū)成像的標(biāo)志的光學(xué)特征,其差異體現(xiàn)為中心區(qū)與邊緣環(huán)繞區(qū)分別采用紅外強反射材料和紅外強吸收材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種消除數(shù)字?jǐn)z影測量物方控制點與影像定位偏差的技術(shù),用于CCD、CMOS為成像靶面的數(shù)字?jǐn)z影測量,包括(1)預(yù)布標(biāo)的標(biāo)志具有同一幾何中心且相異光學(xué)特征的中心區(qū)和環(huán)繞區(qū)二個區(qū)域組成。(2)成像設(shè)備獲取數(shù)字影像時保持其成像靶面像元的邊沿與所述預(yù)布標(biāo)的邊沿呈平行。(3)成像設(shè)備所獲取的數(shù)字影像與實際標(biāo)志位置參數(shù)偏差修正計算。本發(fā)明可有效地消除數(shù)字?jǐn)z影測量時影像上控制點與實際地面控制點之間匹配誤差。
文檔編號G01C11/00GK101709963SQ20091026353
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者秦軍, 耿娟 申請人:西南交通大學(xué)