一种消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的技术

摘要

本发明公开了一种消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的技术，用于CCD、CMOS为成像靶面的数字摄影测量，包括：(1)预布标的标志具有同一几何中心且相异光学特征的中心区和环绕区二个区域组成。(2)成像设备获取数字影像时保持其成像靶面像元的边沿与所述预布标的边沿呈平行。(3)成像设备所获取的数字影像与实际标志位置参数偏差修正计算。本发明可有效地消除数字摄影测量时影像上控制点与实际地面控制点之间匹配误差。

权利要求

1.一种消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的方法，用于CCD、CMOS为成像靶面的摄影测量，包括野外预布标设置要求、标志制作的参数、成像设备所获取的数字影像与实际地面标志地理参数误差修正计算三个主要技术步骤，其中(1)成像设备获取数字影像时保持其成像靶面像元的边沿与所述预布标的边沿呈平行；

(2)预布标使用的面状标志具有如下特征：面状标志的面状为矩形，由具有同一几何中心且相异光学反射特征的中心区和环绕区二个区域组成；所述中心区的宽度2A与成像光学设备的焦距f、成像距离H以及成像靶面像元宽度a间满足：A＝a*H/f，中心区的长度

2B与成像靶面像元长度b间满足：B＝b*H/f；

(3)由获取的数字影像上控制点所在像元及其周边像元的像元值，计算控制点像元中心点和实际地面标志中心点之偏差：在获取的数字影像上选取以控制点所在像元为中心的5*5窗口，共计25个像元，中心点像元和最外圈像元为非混合像元，其余的为混合像元；

通过非混合像元的像元值解算混合像元中心区和边缘区的面积比，并将面积比转化为长度比，用单个像元的地面分辨率与长度比计算控制点像元中心点和实际地面标志中心点之偏差。

2.根据权利要求1所述之消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的方法，其特征在于，所述面状标志的形状为矩形，成像靶面像元宽度与长度应与面状标志宽度与长度成同比例。

3.根据权利要求1所述之消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的方法，其特征在于，所述面状标志具有中心区与边缘环绕区，两区域的光学反射特征具有相对大的光反射差异：用于可见光波段成像的标志的光学特征，其差异体现为中心区与边缘环绕区互为反色或互补色；用于反射红外光谱区成像的标志的光学特征，其差异体现为中心区与边缘环绕区分别采用红外强反射材料和红外强吸收材料。

说明书

一种消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的技术

技术领域

[0001] 本发明属于卫星遥感、航空遥感和近景摄影测量领域。现有技术

[0002] 目前现有的数字摄影测量技术和使用胶片的模拟摄影技术中，为了便于在影像上刺出地面控制点位置的方法，预布标和使用的标志是一样的。摄影成像前在物方预先布设如图1.1、1.2、1.3中所示的外业控制点标志，并运用工程测量技术，测量出标志几何中心(如：十字交叉点)的坐标作为控制点坐标。拍摄影像后，胶片和相片用针刺点的方法在影像上找出控制点的位置。数字图像用鼠标点出，数字图像象元的几何中心表示控制点的对应位置。对针刺点和象元几何中心赋予外业测量的控制点坐标值，完成影像同名点匹配，供测图工作使用。

[0003] 采用预布标技术是为了易于从影像上找到物方控制点，具体方法是成像前在物方设置人造特征点标志并测量其位置参数。一般不以自然物作为控制点使用。在卫星、航空平台搭载成像传感器对地遥感过程中，是指在摄影实施前预先在待摄影地区布设对空标志的过程。《航空摄影测量外业规范》中注明了布设用于航空摄影测量的地面标志的要求，形状和尺寸如图1.3所示。在近景摄影测量过程中，是指预先布设各种各样的人工标志作为控制点或者用作待测位置点，目前在《摄影测量规范》中要求使用的平面布设标志如图1.1中(a)(b)(c)、图1.2所示。

[0004] 随着摄影测量技术的发展，数码相机逐步取代传统的胶卷式相机。数码影像上离散的像元结构与胶片图像上空间连续的灰度结构差异，使数字影像上识别出的标志所在像元中心作为物方控制点时，象方和物方的同名点存在一个随机的偏移量，像元中心与实际物方控制点坐标无法完全重合。产生上述误差的原因是：数字图像每个像素的实际尺度与物方的控制点尺度不是同一个数量级，即在人眼观察的条件下，物方控制点属于毫米量级的数据，但数字图像的像素在航空遥感时为数厘米到数十厘米尺度，卫星遥感时为数十厘米到数米尺度，近景摄影测量时为1厘米到数厘米。细化到像素级程度后，控制点究竟落在该像元的哪个位置是个随机数，它可能刚好落在像元的正中心，也有可能落在偏离像元中心点的任何位置，这个偏移矢量值影响到地面控制点点位与影像同名点像素点位的匹配精度，进而影响测图精度。

发明内容

[0005] 鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的技术，使预先布设的标志与CCD、CMOS成像单元的几何元素合理匹配，以有效地消除数字摄影测量时实际物方控制点在数字影像上定位时的误差。本发明的目的是通过如下的手段实现的。

[0006] 一种消除数字摄影测量物方控制点与影像定位偏差的技术，用于以CCD、CMOS为成像靶面的数字摄影测量，包括现场标志设置要求、制作标志所用的参数、成像设备获取的数字影像与实际物方控制点位置参数误差修正计算三个主要技术步骤，其中[0007] (1)布设标志时，保持标志的直线边与成像靶面像元的直线边平行。

[0008] (2)预布标使用的面状标志具有如下特征：面状标志的形状为矩形，由具有同一几何中心且相异光学反射特征的中心区和环绕区二个区域组成；所述中心区的宽度2A与成像光学设备的焦距f、成像距离H以及成像靶面像元宽度a间满足：A＝a*H/f，中心区的长度2B与成像靶面像元长度b间满足：B＝b*H/f。

[0009] (3)计算物方控制点在数字影像上定位时的误差时，基于获取的数字影像上控制点所在像元及其周边像元的像元值，计算控制点像元中心点和实际物方标志中心点之偏差。在获取的数字影像上选取以控制点所在像元为中心的5*5窗口，共计25个像元，一般情况下，中心点像元和最外圈像元为非混合像元，其余的为混合像元。通过非混合像元的像元值解算混合像元中心区和边缘区的面积比，并将面积比转化为长度比，用单个像元的地面分辨率与长度比计算控制点像元中心点和实际地面标志中心点之偏差；如果窗口内具有2*2的4个非混合像元是其特例，4个像元水平与垂直分界线的交点为控制点中心。如果居于中心的非混合象元其上下左右相邻的4个灰度象元的象元值相等，则表明居于中心的非混合象元几何中心与物方控制点重合。

[0010] 采用本发明的技术，可以有效地找出像元偏离中心点的偏差。

[0011] 为了满足计算偏差的数学模型，需要制作有确定反射率的特殊标志，标志的尺寸与材料随着摄影利用的电磁波波段、摄影比例尺、成像靶面像元的尺寸和几何元素变化而变化。本发明所用面状标志中心区域和环绕区域的光学特征具有相对大的光反射差异。便于在影像上识别。用于可见光波段成像的标志，单波段成像时其差异体现为互为反色(黑白两色)，彩色成像时为互补色(如红色与蓝色)。用于反射红外光谱区成像的标志，其差异体现为二区域分别采用红外强反射材料和红外强吸收材料。控制点所在位置为标志几何中心。标志的尺寸取决于影像的分辨率，中心区与2*2的4个像素矩阵对应，这样无论相机成像元件如何分割，始终会有一个完整的代表中心区标志的非混合像元(像元P(i，j))。预先设计好标志尺寸，布设时满足标志与影像的像素几何元素之间的关系，再采用基于反射能量导出的亚像元分割技术，就可以准确消除影像上控制点所在像元中心位置与实际控制点坐标(例如野外预布标志几何中心点的GPS实测值)之间的偏移量，使两者的位置重合。

附图说明

[0012] 图1.1、1.2、1.3为现有布设标志图形的示意图。

[0013] 图2为本发明矩形标志尺寸关系示意图。

[0014] 图3方形标志正视图。

[0015] 图4矩形标志正视图。

[0016] 图5为物方标志的与数字成像靶面的空间位置关系图。

[0017] 图6为物方标志在数字成像靶面上位置偏移示意图。

[0018] 图7为物方标志在数字影像上呈现4个纯黑色像元特殊情况示意图[0019] 图8为后续误差处理工作流程图。

具体实施方式

[0020] 面状标志的形状为正方形或矩形。当数码相机或遥感传感器的成像元件形状为正方形时，标志的形状取正方形；当数码相机或遥感传感器的成像元件面形状为矩形时，标志的形状取矩形。面状标志由中心区和环绕区2个区域组成。以正方形或者矩形的几何中心为控制点的位置。标志中心区和环绕区的几何尺寸以成像距离(或遥感传感器与地面标志间的相对高度)和相机(或遥感传感器)焦距、成像靶面单元(CCD、CMOS)的大小来计算标志的制作尺寸。

[0021] 建立一个直角坐标系，以物方控制点为坐标原点，过原点与标志互相垂直的两条分别边为X轴和Y轴。成像距离或相对航高为H，相机(或遥感传感器光学系统)焦距为f，成像靶面(CCD、CMOS单元等)像元尺寸为a，b。如图2所示，设标志中心点坐标为(0，0)，则标志中心区位于(-A，A；-B，B)4条直线所围区域内。环绕区内边界与中心区外边界连续衔接。环绕区外边界不小于(-3A，3A；-3B，3B)4条直线所围区域的边界(在方形中，A＝B)。A＝a*H/f，B＝b*H/f。

[0022] 图3为方形标志，其中标志部分为黑色，边长为2A，背景部分为白色，边长为6A；图4为矩形标志，其中标志部分为黑色，长为2A，宽为2B，背景部分为白色，长为6A，宽为6B。

[0023] 面状标志不论是在现场制作还是在室内预制，标志面材料的反射性能尽可能满足郎伯面特征，从工艺上避免生成具有强烈方向性反射的标志面，在条件许可时，测量其光谱反射率。

[0024] 根据标志需要保留的时间、耐水、耐退化、抗损毁要求，选择制作标志的材料和工艺。标志点的中心区和环绕区分别由单一物质构成。从标志点中心区上得到的光谱反射能量或发射能量与环绕区上获取的光谱反射能量均与图像像元值成正比关系。完全落在标志中心区上的像元与完全落在环绕区上的像元为非混合像元，获取的能量(像元值)是标志布设点周围的目标反射能量的最大(小)值和最小(大)值。

[0025] 标志布设方向根据成像靶面和成像单元边长与标志的对应关系排列。当成像靶面单元(CCD、CMOS)尺寸x＝y时，标志为成比例放大的正方形。布设标志时，其中一边要与成像靶面的一边平行。当成像靶面单元(CCD、CMOS)尺寸x≠y时，标志为成比例放大的矩形。标志布设时标志的长边要与成像靶面单元的长边平行。标志的位置要能够满足成像(或立体成像)的要求。如图5所示。

[0026] 采用本发明布标，所获取的数字影像在标志的中心区和环绕区至少各有一个纯单一反射材料的像元。如图6所示，黑色虚线方格背景为地面标志，其中斜条纹填充区域为标志周围地物。无边框方格为实际影像像元对应的物方视场，黑实线包围部分为标志显示区域。如果中心区显示四个相同的像元时，则表明标志的中心点位于4个像元的内边交汇点，控制点为方格中心点。如：图中编号1像元为P(i-1，j)像元；图中编号2像元为P(i+1，j)像元；图中编号3像元为P(i，j-1)像元；图中编号4像元为P(i，j+1)像元。大多数实际成像情况是CCD边界并不与标志边界完全重叠，图示表明在黑实线方格中与标志对应的36个象元中，只有一个完整的黑色正方形(P(i，j)像元部分)，紧邻其四周的像元均为黑色部分与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，使混合像元表现为灰色像元，并且各个灰色像元的灰度值不尽相同。但是在全黑像元左右两侧的像元分别由高度相同的黑色矩形子区和白色矩形子区组成，并且左右两侧灰度像元上的黑白面积比例正好相反，即左像元内白色的面积与右像元内黑色的面积相等，左像元内黑色的面积与右像元内白色的面积相等。在全黑像元上下两侧像元的组成与左右两侧的像元相同。

[0027] 参照图(6)与图(2)，纯黑色像元P(i，j)的像元值为g(i，j)，纯黑色像元左边的灰色像元P(i，j-1)的灰度值g(i，j-1)，纯黑色像元右边的灰色像元P(i，j+1)的灰度值g(i，j+1)，纯黑色像元上边的灰色像元P(i-1，j)的灰度值g(i-1，j)，纯黑色像元下边的灰色像元P(i+1，j)的灰度值g(i+1，j)。

[0028] 以黑色像元左边灰色像元建立直角坐标系，像元互相垂直的左边和底边分别为纵轴和横轴，左下角为原点；i、j分别代表影像上像元的行列号；相机CCD单元上的辐射能转换为电信号、生成像元值的系统增益系数为k；在本像元坐标系里，黑白分界线坐标为x；像元水平方向长度为L，垂直方向长度为L′，x0＝0。

[0029] g(i，j-1)＝k×Ei(i，j-1)

[0030] ＝ k×Ei(x，y)×{ρb(x，y)×(x-x0)×L ′ +ρw(x，y)×[L-(x-x0)]×L′}

[0031] (4-1)

[0032] g(i，j+1)＝k×Ei(i，j+1)

[0033] ＝ k×Ei(x，y)×{ρw(x，y)×(x-x0)×L ′ +ρb(x，y)×[L-(x-x0)]×L′}

[0034] (4-2)

[0035] 上式(4-1)(4-2)中，Ei(i，j-1)为左像元的反射能量；Ei(i，j+1)为右像元的反射能量；Ei(x，y)为相机曝光时间内投射在CCD单元上的辐射能量；ρw(x，y)为纯白色区域的光谱反射率；ρb(x，y)为纯黑色区域的光谱反射率。

[0036] 利用式(4-1)和(4-2)两式可以得出，

[0037]

[0038] 从式(4-3)可见，左、右灰色像元灰度值的差异转化为长度差异，从而可以求出x的值。当左右两灰色像元灰度相等，即g(i，j-1)＝g(i，j+1)，且x0＝0时， 此时，控制点在水平方向上无偏移。

[0039] 上式(4-3)中，gw为纯白色像元的灰度值；gb为纯黑色像元的灰度值。

[0040] 上下侧像元灰度处理方法与左右侧像元灰度处理方法相同。对角线上4个像元不参与处理。

[0041] 同理，可以通过计算上下灰色像元灰度值来求出y的值。

[0042]

[0043] 当上下两灰色像元灰度相等，即g(i-1，j)＝g(i+1，j)时，y0＝0， 此时，控制点在垂直方向上无偏移。

[0044] 将像元坐标系下的x和y，转换成实际地理坐标系下位置偏移量，对控制点进行修正。

[0045] 如果出现图7所示影像上显示4个纯黑色像元时，控制点与图2坐标系中的(0，0)点重合，4个像元分属4个象限，选择第一象限的像元作为控制点所在像元，将控制点坐标值的X分量加 Y分量加 再将坐标转换为地理坐标。

[0046] 整个后续处理可由图8的工作流程表达。