專利名稱：月球控制網的建立方法
技術領域：
本發明主要涉及圖像處理領域，特別是涉及一種構建月面大地控制網的方法。
背景技術：
月球大地控制網包括水平控制網和高程控制網。在地球上，大地控制網主要通過地面大地測量構建。水平控制網用三角測量和導線測量建立，配合天文測量、重力測量、高程測量，并歸算到參考橢球面上，以推算出各大地點的大地坐標，作為平面位置的基本控制。高程控制網用水準測量建立，結合天文測量、重力測量，推算出各水準點的高程，作為高 程的基本控制。月面控制網主要是通過地基觀測的方法、無線電定位的方法、衛星攝影測量方法等建立。國際上一些研究組織、與制圖相關的機構，如美國國防地圖局(DMA)、國家海洋大氣局(NOAA)、USGS、IAU/IAG等根據一些月球歷史探測數據(包括地基觀測、環月探測、深空探測等)構建了幾種不同的月面控制網。目前存在的月球控制網主要有阿波羅月面控制網、ULCN1994、CLCN1997、ULCN2005等幾種，但是這些控制網存在很多缺陷，主要表現在控制點分布不均，主要集中在月球正面；控制網中的控制點平面位置與高程精度偏低并且精度不一致；控制網沒有提供配套的參考影像，無法在衛星圖像數據上準確定位，限制了這些控制網的應用。
發明內容
為了解決現有技術的上述問題，本發明提供了一種建立月球控制網的方法，以CCD立體相機圖像數據為基礎，三線陣攝影測量法作為關鍵技術，聯合激光高度計測距數據，高精度激光測月數據，建立全球聯合平差模型，構建月面大地控制網。本發明提供的月球控制網的建立方法包括步驟步驟1，獲取月面圖像數據以及對應的星歷數據和姿態數據；步驟2，利用圖像自動匹配技術提取同一軌不同視角的圖像數據以及相鄰軌道圖像數據的同名像點；步驟3，利用上述數據以及同名像點進行測區平差處理，形成整個測區的地面立體模型；步驟4，在測區平差處理之后進行全月球平差處理；步驟5，在全月球按照一定規則格網布設控制點，根據測區平差和全球平差參數解算控制點的月面坐標。優選地，將全月面被劃分為若干測區，所述月面圖像數據是通過探月衛星攜帶的CXD立體相機獲取的三線陣圖像數據，其覆蓋全月面，所述不同視角包括前視、正視和后視。優選地，匹配算法采用尺度不變特征變換SIFT特征匹配和最小二乘匹配相結合的方式，采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，再采用最小二乘匹配實現圖像精匹配。優選地，所述測區平差采用獨立模型法區域網平差，所述獨立模型通過以下方式構建在測區范圍內得到正視影像上的定向片序列，前視與正視、正視與后視、前視與后視上的同名定向片組成定向片對，每個定向片對經過相對定向處理構建獨立模型，該獨立模型是獨立模型法區域網平差的最小單元。優選地，測區平差處理進一步包括將圖像坐標轉換成以定向片像主點為坐標原點的像平面坐標；利用定向片對的同名像點坐標，通過共面條件建立誤差方程，解求定向片的相對定向元素；利用相對定向元素解算該定向片對構建的獨立模型上每個同名像點的模型坐標；計算同名像點的月面坐標。 優選地，全球平差處理進一步包括采用圖像自動匹配技術，在相鄰測區圖像數據重疊區域選擇一定數量的同名像點作為測區連接點，自動匹配得到同名像點；引入激光測月數據進行聯合平差，提高控制網的絕對控制精度；選擇高程控制點；解算測區絕對定向元素。優選地，全月球按照0.5° X0. 5°的規則格網布設控制點。通過利用本發明的方法構建月球控制網，圍繞I : 250萬或更大比例尺月面制圖的具體要求，解決了控制網比例尺改化和絕對定向的問題，提高了控制網的絕對精度。
圖I為測區平差、全球平差算法及月面控制網建立數據處理流程；圖2為CXD立體相機月表三線陣影像數據獲取過程示意圖；圖3a和3b為獨立模型線性誤差改正前后結果比較示意圖；圖4a和4b為CXD立體相機平差處理測區劃分空間分布示意圖；圖5a和5b為測區平差和全球平差月面控制點空間分布示意5c為圖5b的局部放大圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。圖I示出了本發明的建立月球控制網的方法流程圖。參照圖1，在利用本發明的方法建立月球控制網時，首先要進行數據組織與準備。CXD立體相機是搭載在月球探測器，例如CE-I衛星上的主要有效載荷之一，采用線陣推掃成像技術沿衛星飛行方向獲取前視、正視與后視等三個視角的三線陣影像條帶。圖2給出了立體相機獲取圖像數據的原理圖。立體相機的CCD探測器是一個面陣轉移設備，設置了 1> I. 5、3和5等四檔增益,3. 2ms>7ms>20ms和84ms等四檔曝光時間，曝光時間的設置由增益大小、太陽光照條件和月表平均反射率等因素決定。CCD立體相機的光譜范圍為500nm-750nm，視場范圍為17° x 34°。在200km的軌道高度上，圖像幅寬為60km，空間分辨率為120米。實際上，CXD立體相機為一臺面陣傳感器，即經典的框幅式相機。來自月表的反射能量被1024X 1024大小的面陣探測器獲取，但是只在面陣上讀取沿垂直于飛行方向上的第11行、第512行和第1013行的圖像數據，分別作為前視、正視和后視三個不同視角的影像陣列，并且只讀取每條線陣上中間512個像素的數據。也就是說，每次只有三條線陣獲取圖像數據，而不是整個面陣，這三條線陣垂直于衛星飛行方向，輸出頻率為11. 89幀/秒，跟衛星月表星下點速度相匹配，以保證在沿著飛行方向和垂直飛行方向上具有一致的月面分辨率。根據CXD立體相機的成像原理，可以得到三條獨立的影像條帶，這些數據幾乎是同時獲取的，但是對于同一個月面目標，前視、正視與后視影像是在不同時刻獲取的，利用這些不同視角的圖像信息采用攝影測量的方法可以獲取月面點的三維數據。以CE-I為例，衛星在其壽命期間共獲得1000多軌圖像數據，從其中選擇了 628軌色調均一與光照條件差異小等圖像質量較好的、覆蓋全月面的圖像數據，用于月面控制網的構建。另外，為了進行平差處理還必須準備圖像數據對應的衛星星歷數據和姿態數據，衛星星歷數據是測控部門根據地面觀測對CE-I衛星進行跟蹤測量得到的衛星位置數據，姿態是由衛星上攜帶的儀器設備測量得到的衛星平臺滾動、俯仰、偏航等數據。為了保證控制網數據精度在全球范圍內的一致性，必須實現上述選取的圖像數據在全球范圍內的無縫鑲嵌和絕對定向，在全月范圍內進行平差處理。為了進行全球平差處理，將全球劃分為若干測區，先進行測區平差處理，再進行全球平差處理。在該步驟中，將所獲取的月面圖像數據，以及對應的星歷數據和姿態數據等按照測區進行裁剪并按照測區編號的文件夾管理起來，作為后續圖像匹配和平差處理的輸入數 據。數據準備之后，執行圖像匹配處理步驟。具體地，需要對上述步驟中劃分測區后的三線陣圖像數據進行匹配處理，即利用圖像自動匹配技術自動提取同一軌不同視角(前視、正視與后視)的圖像數據、相鄰軌道圖像數據的同名像點。同名像點將作為平差處理的觀測數據。在數據準備步驟中獲得圖像數據之后，首要的任務是進行特征匹配。在本發明中，匹配算法采用尺度不變特征變換SIFT (Scale Invariant Feature Transform)特征匹配和最小二乘匹配相結合的方式。SIFT算法首先在尺度空間進行特征檢測，并確定關鍵點的位置和關鍵點所處的尺度，然后使用關鍵點鄰域梯度的主方向作為該點的方向特征，以實現算子對尺度的方向的無關性。SIFT特征是圖像的局部特征，其對旋轉、尺度縮放、亮度變化保持不變性，對視角變化、仿射變換、噪聲也保持一定程度的穩定性。SIFT特征匹配不僅對圖像的尺度變化和旋轉具有不變性，對光照的變化和圖像變形具有較強的適應性，而且在計算過程中主要利用了 DOG差分算子，找到的特征大部分是“blobs” (圓狀點)，這恰好適合月球影像紋理貧乏，具有較多微小撞擊坑的圓狀點這一特征，其中CCD圖像空間分辨率為120m，對于直徑在500m以內的撞擊坑由于邊緣的強反射在圖像上表現為亮圓狀點。圖像精匹配主要是通過最小二乘匹配實現的，最小二乘匹配算法最難解決的問題是初始位置的確定，這里我們采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，然后再采用最小二乘匹配，實現圖像精匹配。圖像匹配精度優于0. 3像元，其中CXD立體相機圖像數據的空間分辨率為 120m。根據上述同名像點匹配方法，在同航帶、相鄰航帶、相鄰測區的前視、正視和后視影像上選取滿足相對定向、測區平差、全球平差要求的同名像點，也就是圖I中所示的相對定向連接點、絕對定向連接點以及全球平差連接點。然后，在立體環境下對這些同名像點人工檢查和修測，保證自動匹配得到的同名像點坐標的正確性。這些同名像點是后續平差處理的輸入數據。在獲取上述同名像點之后，進行測區平差處理。參照圖1，其中虛線框(I)內的步驟為測區平差處理過程，虛線框(2)內的步驟為全球平差的處理過程。
為了實現三線陣影像數據在全月范圍內的無縫鑲嵌和絕對定向，將全球劃分為若干測區，先進行測區平差處理，再進行全球平差處理。測區平差和全球平差均采用采用獨立模型法區域網平差技術。根據Hofmann、王任享等人提出定向片原理，在測區范圍內的正視影像條帶上每隔50行選擇定向時刻，以定向時刻為中心160行作為定向片寬度，得到正視影像上的定向片序列，前視與后視影像上的定向片邊界通過圖像匹配確定。前視與正視、正視與后視、前視與后視上的同名定向片組成定向片對，每個定向片對經過相對定向處理構建獨立模型。該獨立模型是獨立模型法區域網平差的最小單元，測區平差的目的就是將定向片對構建的獨立模型在測區范圍內無縫的連接起來，形成整個測區的地面立體模型。測區平差處理過程分以下幾步完成(I)定向片內定向。將圖像坐標轉換成以定向片像主點為坐標原點的像平面坐標。變換公式如下所示
權利要求
1.一種月球控制網的建立方法，該方法包括步驟 步驟1，獲取月面圖像數據以及對應的星歷數據和姿態數據； 步驟2，利用圖像自動匹配技術提取同一軌不同視角的圖像數據以及相鄰軌道圖像數據的同名像點； 步驟3，利用上述數據以及同名像點進行測區平差處理，形成整個測區的地面立體模型； 步驟4，在測區平差處理之后進行全月球平差處理； 步驟5，在全月球按照一定規則格網布設控制點，根據測區平差和全球平差參數解算控制點的月面坐標。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I進一步包括 將全月面被劃分為若干測區，所述月面圖像數據是通過探月衛星攜帶的CXD立體相機獲取的三線陣圖像數據，其覆蓋全月面。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在在于，步驟2中所述不同視角包括前視、正視和后視。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟2進一步包括匹配算法采用尺度不變特征變換SIFT特征匹配和最小二乘匹配相結合的方式。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟2進一步包括采用SIFT特征匹配算法提供特征的初始位置，再采用最小二乘匹配實現圖像精匹配。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，步驟3進一步包括，所述測區平差采用獨立模型法區域網平差。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述獨立模型通過以下方式構建在測區范圍內得到正視影像上的定向片序列，前視與正視、正視與后視、前視與后視上的同名定向片組成定向片對，每個定向片對經過相對定向處理構建獨立模型，該獨立模型是獨立模型法區域網平差的最小單元。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟3進一步包括步驟 將圖像坐標轉換成以定向片像主點為坐標原點的像平面坐標； 利用定向片對的同名像點坐標，通過共面條件建立誤差方程，解求定向片的相對定向元素； 利用相對定向元素解算該定向片對構建的獨立模型上每個同名像點的模型坐標； 計算同名像點的月面坐標。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟4進一步包括 采用圖像自動匹配技術，在相鄰測區圖像數據重疊區域選擇一定數量的同名像點作為測區連接點，自動匹配得到同名像點； 弓I入激光測月數據進行聯合平差，提高控制網的絕對控制精度； 選擇高程控制點，并解算測區絕對定向元素。
10.根據權利要求1-9任一項所述的方法，其特征在于，步驟5進一步包括全月球按照0.5° X0. 5°的規則格網布設控制點。
全文摘要
本發明公開了一種月球控制網的建立方法，該方法包括步驟步驟1，獲取月面圖像數據以及對應的星歷數據和姿態數據；步驟2，利用圖像自動匹配技術提取同一軌不同視角的圖像數據以及相鄰軌道圖像數據的同名像點；步驟3，利用上述數據以及同名像點進行測區平差處理，形成整個測區的地面立體模型；步驟4，在測區平差處理之后進行全月球平差處理；步驟5，在全月球按照一定規則格網布設控制點，根據測區平差和全球平差參數解算控制點的月面坐標。通過利用本發明的方法構建月球控制網，圍繞1∶250萬或更大比例尺月面制圖的具體要求，解決了控制網比例尺改化和絕對定向的問題，提高了控制網的絕對精度。
文檔編號G01C15/02GK102735225SQ20111008733
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者任鑫, 劉建軍, 李春來, 牟伶俐 申請人:中國科學院國家天文臺