專利名稱：一種消除數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量物方控制點(diǎn)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(cè)量領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù) 目前現(xiàn)有的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(diǎn)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(diǎn)標(biāo)志，并運(yùn)用工程測(cè)量技術(shù)，測(cè)量出標(biāo)志幾何中心 (如十字交叉點(diǎn))的坐標(biāo)作為控制點(diǎn)坐標(biāo)。拍攝影像后，膠片和相片用針剌點(diǎn)的方法在影 像上找出控制點(diǎn)的位置。數(shù)字圖像用鼠標(biāo)點(diǎn)出，數(shù)字圖像象元的幾何中心表示控制點(diǎn)的對(duì) 應(yīng)位置。對(duì)針剌點(diǎn)和象元幾何中心賦予外業(yè)測(cè)量的控制點(diǎn)坐標(biāo)值，完成影像同名點(diǎn)匹配，供 測(cè)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(diǎn)，具體方法是成像前在物方 設(shè)置人造特征點(diǎn)標(biāo)志并測(cè)量其位置參數(shù)。 一般不以自然物作為控制點(diǎn)使用。在衛(wèi)星、航空 平臺(tái)搭載成像傳感器對(duì)地遙感過(guò)程中，是指在攝影實(shí)施前預(yù)先在待攝影地區(qū)布設(shè)對(duì)空標(biāo)志 的過(guò)程?！逗娇諗z影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中注明了布設(shè)用于航空攝影測(cè)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(cè)量過(guò)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(diǎn)或者用作待測(cè)位置點(diǎn)，目前在《攝影測(cè)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(cè)量技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)逐步取代傳統(tǒng)的膠巻式相機(jī)。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(shí)別出的標(biāo)志所在像 元中心作為物方控制點(diǎn)時(shí)，象方和物方的同名點(diǎn)存在一個(gè)隨機(jī)的偏移量，像元中心與實(shí)際 物方控制點(diǎn)坐標(biāo)無(wú)法完全重合。產(chǎn)生上述誤差的原因是數(shù)字圖像每個(gè)像素的實(shí)際尺度與 物方的控制點(diǎn)尺度不是同一個(gè)數(shù)量級(jí)，即在人眼觀察的條件下，物方控制點(diǎn)屬于毫米量級(jí) 的數(shù)據(jù)，但數(shù)字圖像的像素在航空遙感時(shí)為數(shù)厘米到數(shù)十厘米尺度，衛(wèi)星遙感時(shí)為數(shù)十厘 米到數(shù)米尺度，近景攝影測(cè)量時(shí)為l厘米到數(shù)厘米。細(xì)化到像素級(jí)程度后，控制點(diǎn)究竟落在 該像元的哪個(gè)位置是個(gè)隨機(jī)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(diǎn)的任何位置，這個(gè)偏移矢量值影響到地面控制點(diǎn)點(diǎn)位與影像同名點(diǎn)像素點(diǎn)位的匹配精 度，進(jìn)而影響測(cè)圖精度。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種消除數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量物方控制 點(diǎn)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(cè)量時(shí)實(shí)際物方控制點(diǎn)在數(shù)字影像上定位時(shí)的誤差。本發(fā)明的目的 是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。 —種消除數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量物方控制點(diǎn)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(cè)量，包括現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際物方控制點(diǎn)位置參數(shù)誤差修正計(jì)算三個(gè)主要技術(shù)步驟，其中 (1)布設(shè)標(biāo)志時(shí)，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(gè)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(zhǎng)度2B與成像靶面像元長(zhǎng)度b間滿足B = b*H/f 。 (3)計(jì)算物方控制點(diǎn)在數(shù)字影像上定位時(shí)的誤差時(shí)，基于獲取的數(shù)字影像上控制 點(diǎn)所在像元及其周邊像元的像元值，計(jì)算控制點(diǎn)像元中心點(diǎn)和實(shí)際物方標(biāo)志中心點(diǎn)之偏 差。在獲取的數(shù)字影像上選取以控制點(diǎn)所在像元為中心的5*5窗口，共計(jì)25個(gè)像元，一般 情況下，中心點(diǎn)像元和最外圈像元為非混合像元，其余的為混合像元。通過(guò)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(zhǎng)度比，用單個(gè)像元的地 面分辨率與長(zhǎng)度比計(jì)算控制點(diǎn)像元中心點(diǎn)和實(shí)際地面標(biāo)志中心點(diǎn)之偏差；如果窗口內(nèi)具有 2*2的4個(gè)非混合像元是其特例，4個(gè)像元水平與垂直分界線的交點(diǎn)為控制點(diǎn)中心。如果居 于中心的非混合象元其上下左右相鄰的4個(gè)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(diǎn)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(diǎn)的偏差。
為了滿足計(jì)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(duì)大的光反射差異。便 于在影像上識(shí)別。用于可見(jiàn)光波段成像的標(biāo)志，單波段成像時(shí)其差異體現(xiàn)為互為反色(黑 白兩色)，彩色成像時(shí)為互補(bǔ)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(qiáng)反射材料和紅外強(qiáng)吸收材料?？刂泣c(diǎn)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(gè)像素矩陣對(duì)應(yīng)，這樣無(wú)論相機(jī) 成像元件如何分割，始終會(huì)有一個(gè)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(jì)好標(biāo)志尺寸，布設(shè)時(shí)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(diǎn)所在像元中心位置與實(shí)際控制 點(diǎn)坐標(biāo)(例如野外預(yù)布標(biāo)志幾何中心點(diǎn)的GPS實(shí)測(cè)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(gè)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(shí)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(jī)或遙感傳感器的成像元件形狀為正 方形時(shí)，標(biāo)志的形狀取正方形；當(dāng)數(shù)碼相機(jī)或遙感傳感器的成像元件面形狀為矩形時(shí)，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(gè)區(qū)域組成。以正方形或者矩形的幾何中心 為控制點(diǎn)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(duì)高度)和相機(jī)(或遙感傳感器)焦距、成像靶面單元(CCD、CM0S)的大小來(lái)計(jì)算標(biāo) 志的制作尺寸。 建立一個(gè)直角坐標(biāo)系，以物方控制點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)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(duì)航高為H，相機(jī)(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(diǎn)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(zhǎng)為2A，背景部分為白色，邊長(zhǎng)為6A ;圖 4為矩形標(biāo)志，其中標(biāo)志部分為黑色，長(zhǎng)為2A，寬為2B，背景部分為白色，長(zhǎng)為6A，寬為6B。
面狀標(biāo)志不論是在現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)烈方向性反射的標(biāo)志面，在條件許可時(shí)，測(cè)量其光譜 反射率。 根據(jù)標(biāo)志需要保留的時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)與標(biāo)志的對(duì)應(yīng)關(guān)系排列。當(dāng)成像靶面 單元(CCD、 CMOS)尺寸x = y時(shí)，標(biāo)志為成比例放大的正方形。布設(shè)標(biāo)志時(shí)，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(shí)，標(biāo)志為成比例放大的 矩形。標(biāo)志布設(shè)時(shí)標(biāo)志的長(zhǎng)邊要與成像靶面單元的長(zhǎng)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(gè)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?yàn)闃?biāo) 志周圍地物。無(wú)邊框方格為實(shí)際影像像元對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)，黑實(shí)線包圍部分為標(biāo)志顯示區(qū) 域。如果中心區(qū)顯示四個(gè)相同的像元時(shí)，則表明標(biāo)志的中心點(diǎn)位于4個(gè)像元的內(nèi)邊交匯點(diǎn)， 控制點(diǎn)為方格中心點(diǎn)。如圖中編號(hào)l像元為P(i-l，j)像元；圖中編號(hào)2像元為P(i+l，j) 像元；圖中編號(hào)3像元為P(i， j-l)像元；圖中編號(hào)4像元為P(i， j+l)像元。大多數(shù)實(shí)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(shí)線方格中與標(biāo)志對(duì)應(yīng)的36 個(gè)象元中，只有一個(gè)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(gè)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?qǐng)D(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(diǎn)；i、 j分別代表影像上像元的行列號(hào)；相機(jī)CCD單元上的輻射能轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)、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(zhǎng)度為L(zhǎng)，垂直方向長(zhǎng)度為L(zhǎng)' ，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(jī)曝光時(shí)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(jiàn)，左、右灰色像元灰度值的差異轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)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(shí)，X^t，此時(shí)，
2
控制點(diǎn)在水平方向上無(wú)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(duì)角線上4個(gè)像元不
參與處理。 同理，可以通過(guò)計(jì)算上下灰色像元灰度值來(lái)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(shí)，y。 = 0，y = y ，此時(shí)，
控制點(diǎn)在垂直方向上無(wú)偏移。 將像元坐標(biāo)系下的x和y，轉(zhuǎn)換成實(shí)際地理坐標(biāo)系下位置偏移量，對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行修 正。 如果出現(xiàn)圖7所示影像上顯示4個(gè)純黑色像元時(shí)，控制點(diǎn)與圖2坐標(biāo)系中的(0， 0)點(diǎn)重合，4個(gè)像元分屬4個(gè)象限，選擇第一象限的像元作為控制點(diǎn)所在像元，將控制點(diǎn)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(gè)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(cè)量物方控制點(diǎn)與影像定位偏差的技術(shù)，用于CCD、CMOS為成像靶面的攝影測(cè)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(shí)際地面標(biāo)志地理參數(shù)誤差修正計(jì)算三個(gè)主要技術(shù)步驟，其中(1)成像設(shè)備獲取數(shù)字影像時(shí)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(gè)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(zhǎng)度2B與成像靶面像元長(zhǎng)度b間滿足B＝b*H/f；(3)由獲取的數(shù)字影像上控制點(diǎn)所在像元及其周邊像元的像元值，計(jì)算控制點(diǎn)像元中心點(diǎn)和實(shí)際地面標(biāo)志中心點(diǎn)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(cè)量物方控制點(diǎn)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(zhǎng)度應(yīng)與面狀標(biāo)志寬度與長(zhǎng)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(cè)量物方控制點(diǎn)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(duì)大的光反射差異用于可見(jiàn)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(bǔ)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(qiáng)反射材料和紅外強(qiáng)吸收材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種消除數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量物方控制點(diǎn)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(cè)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(gè)區(qū)域組成。(2)成像設(shè)備獲取數(shù)字影像時(shí)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(shí)際標(biāo)志位置參數(shù)偏差修正計(jì)算。本發(fā)明可有效地消除數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)影像上控制點(diǎn)與實(shí)際地面控制點(diǎn)之間匹配誤差。
文檔編號(hào)G01C11/00GK101709963SQ20091026353
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西南交通大學(xué)