内视场光学分割型大面阵CCD影像几何拼接方法

摘要

本发明涉及一种内视场光学分割型大面阵CCD航摄相机子影像几何拼接合成方法，利用该方法生成的大幅面数字影像可满足航空摄影测量对高摄影效率和高航测成图精度要求。基本思路是：首先高精度量取各子影像重叠区域同名点影像坐标，并获取由相机厂商提供的子影像基准像点在实际焦面上的位置控制坐标；其次，基于拼接关系模型建立观测方程组；然后，采用最小二乘法平差技术求解各子影像到最终合成影像的拼接参数；最后利用拼接参数对子影像进行变换和重采样，从而完成各子影像到最终合成影像的拼接。实验表明本发明具有很好的可靠性和良好的拼接精度，对于内视场光学分割型数字相机，本发明能够无缝拼接生成高精度无几何错位的大幅面航摄影像。

主权项

一种内视场光学分割型大面阵CCD影像几何拼接方法，其特征在于：该方法包括以下几个步骤：(1)量取各相邻个子影像重叠区域内同名像点影像坐标，获取相机厂商提供的子影像基准像点的焦面位置坐标，定义子影像、同名像点及基准像点的编号为：子影像标号编码采用希腊字母(I、II、III……)，同名像点标号编码采用阿拉伯数字(1、2、3……)，基准像点标号编码采用英文大写字母(A、B、C……)；(2)基于拼接关系模型建立观测方程组确立拼接关系模型为二维等形变换，公式为X＝ax‑by+T_X   (1)Y＝ay+bx+T_Y其中，x，y为子影像坐标系坐标，X,Y为拼接后合成影像坐标系坐标，a,b,T_X,T_Y为4个变换参数，以此对子影像基准像点和相邻子影像同名像点进行拼接关系设计：·第一种拼接关系设计——关于子影像基准像点对于VI号子影像上的基准像点C有：$X_C=a_{VI}{x}_{C_{VI}}-b_{VI}{y}_{C_{VI}}+T_{X_{VI}}$$Y_C=a_{VI}{y}_{C_{VI}}+b_{VI}{x}_{C_{VI}}+T_{Y_{VI}}---\left(2\right)$其中，为子影像VI上基准像点C在其子影像坐标系下的像点坐标，X_C,Y_C则为基准像点C在焦面上控制点位置的合成后影像坐标，a_VI,b_VI,为子影像VI的拼接参数，对于其它子影像上的基准像点同样都要按上式写出一组对应的拼接关系方程组；·第二种拼接关系设计——关于相邻子影像同名像点利用相邻子影像上同名像点所对应的合成后影像像点坐标相等这一条件列出拼接关系方程，对于相邻子影像I和子影像II上的同名像点1为有：$a_I{x}_{1_I}-b_I{y}_{1_I}+T_{X_I}-(a_{II}{x}_{1_{II}}-b_{II}{y}_{1_{II}}+T_{X_{II}})=0$$a_I{y}_{1_I}+b_I{x}_{1_I}+T_{Y_I}-(a_{II}{y}_{1_{II}}+b_{II}{x}_{1_{II}}+T_{Y_{II}})=0---\left(3\right)$对于其它每对相邻子影像，重叠区中出现的每个同名像点可按上式写出一组对应的拼接关系方程组，这样，将所有基准像点及同名像点所列出对应拼接关系观测方程组进行组合，最后得到的观测方程组矩阵形式为_mAⁿ_nX¹＝_mL¹+_mV¹   (4)其中，系数矩阵A按照两种拼接关系组建，X为所有子影像的拼接参数，L为由元素0和基准像点焦面位置坐标组成的常量矩阵，V为残差向量，m大小为同名像点与基准像点个数之和的两倍，n大小为子影像数量的四倍；(3)利用最小二乘法平差技术求解各个子影像到最终合成影像的拼接参数，并给出解算精度所有观测方程构建完毕后，每张子影像对应的拼接参数(a,b,T_X,T_Y)可通过最小二乘平差解求，这些参数确定了所有子影像到合成后影像的几何拼接关系_mAⁿ_nX¹＝_mL¹+_mV¹，X＝(A^TA)^‑1(A^TL)对拼接参数X的内部精度按如下公式计算：V＝AX‑L   (5)单位权标准差为：$S_0=\sqrt{\frac{V^{T}V}{r}},r=m-n$为(A^TA)^‑1的第i行、第i列元素，$S_{x_i}=S_0\sqrt{Q_{x_i{x}_i}}$即为X中第i个拼接参数的内部精度；(4)最后利用拼接参数对子影像进行变换和重采样，从而完成各个子影像到最终合成影像的拼接实际操作中应将这些拼接参数“反向”应用，公式(1)的矩阵形式如下：$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& -b\\ b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\end{array}\right]---\left(6\right)$反向求解，得$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}a& -b\\ b& a\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}X-T_X\\ Y-T_Y\end{array}\right]=\frac{1}{a^2+b^2}\left[\begin{array}{cc}a& b\\ -b& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X-T_X\\ Y-T_Y\end{array}\right]---\left(7\right)$使用尚未生成的拼接后影像某像素坐标(X，Y)及其对应子影像变换参数，通过公式(7)可计算出该像素所对应子影像上相应的像素位置，然后可采样得到灰度信息，对于重叠区域所对应的拼接后影像，可在包含重叠区的任意子影像上采样得到灰度值或进行灰度值的加权平均即可。