[發明專利]一種多鏡頭多探測器航空相機單中心投影轉換方法

有效

• 申請號: 201611045928.7
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN106643669B
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 姚娜;林招榮;尚志鳴;鐘燦;劉秀;王麗;王哲;李冰;李林鵬
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G01C11/04
• 分類號: G01C11/04;G06T3/20
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

1.一種多鏡頭多探測器航空相機單中心投影轉換方法，其特征在于步驟如下：

(1)從多鏡頭相機、多探測器中選擇基準相機和基準探測器，根據基準探測器影像建立基準像平面坐標系和基準像空間坐標系，進一步選定虛擬單投影中心并構建虛擬像空間坐標系；

(2)根據步驟(1)，基于三維直角坐標變換，利用公共地物點地面坐標建立反映多鏡頭相機之間、多探測器之間相對方位關系的嚴密數學模型，進一步建立各鏡頭、各探測器像空間坐標系向虛擬像空間坐標系轉換的數學模型；

(3)通過高精度三維控制場檢校多鏡頭、多探測器的聯合方位元素與畸變系數；

(4)根據步驟(2)建立的數學模型進行公式整理得到各探測器影像到虛擬像平面的像點轉換公式，將像點坐標表示為相對外方位元素的函數，按泰勒公式展開并保留至小值一次項，完成建立顧及各鏡頭、各探測器影像在動態飛行時相對方位變化的數學模型；

(5)根據步驟(3)，完成各鏡頭內各探測器影像的幾何校正，通過裁切探測器影像重疊區加速同名點匹配，并通過SIFT特征提取、精化匹配點、粗差剔除過程實現短基線影像的快速高精度匹配，獲取多探測器影像重疊區的同名點；

(6)根據步驟(4)，以同名點坐標誤差最小原則建立自檢校誤差方程；

(7)根據步驟(3)、(5)和(6)，逐點法化并根據最小二乘平差原理完成迭代求解，進而將相對方位元素初值與迭代結果累加，獲得動態飛行時精確的相對方位元素，完成多中心投影向等效單中心投影的轉換；

所述步驟(1)中建立基準像平面坐標系的具體方法為：

(11)選擇多鏡頭多探測器中心視場所含的中心探測器作為基準探測器E；

(12)以基準探測器影像的幾何中心點作為像平面坐標系原點o，構建右手平面直角坐標系o-xy，作為基準像平面坐標系；

所述步驟(1)中建立基準像空間坐標系的具體方法為：

(21)以多鏡頭相機中包含中心探測器的相機投影中心作為基準像空間坐標系的原點S；

(22)通過點S作平行于基準像平面坐標系x軸和y軸的軸線，以主光軸oS為z軸，其坐標正向取攝影方向的反方向，構成基準像空間坐標系S-xyz；

所述步驟(1)中建立虛擬像空間坐標系的具體方法為：

(31)以基準像空間坐標系S-xyz為起始坐標系；

(32)將除中心視場鏡頭外的其余多鏡頭相機的投影中心投影至S-xy平面，以其坐標平均值作為新的坐標原點S_v，并將x軸、y軸、z軸平移至以S_v為起點的三個坐標軸x_v、y_v、z_v，即得虛擬像空間坐標系S_v-x_vy_vz_v；

所述步驟(4)中建立顧及多探測器影像在動態飛行時相對方位變化的數學模型的具體方法為：

(41)相對基準探測器E，其它與其具有影像重疊區的多探測器稱為非基準探測器，基于三維空間直角變換的七參數模型，即Bursa模型，利用公共地物點P，建立P點在基準探測器和非基準探測器影像上的像點坐標與物方空間坐標之間的數學模型；

(42)聯立上述Bursa模型，得到非基準探測器所在相機，即非基準相機的像空間坐標系相對基準探測器E所在相機，即基準相機的基準像空間坐標系進行相對方位轉換的數學模型：

式中，[X_e Y_e Z_e]^T、[X_i Y_i Z_i]^T分別為基準相機和非基準相機在攝影時刻的外方位線元素；為基準相機在攝影時刻的外方位角元素ω_e和κ_e所構成的旋轉矩陣；為非基準相機在攝影時刻的外方位角元素ω_i和κ_i所構成的旋轉矩陣；λ_e、λ_i分別為攝影時刻基準相機和非基準相機的像空間坐標系相對于地面坐標系的比例系數；[x_e y_e]^T、[x_i y_i]^T分別為地物點P在基準探測器影像和非基準探測器影像上的像點坐標；[x_e0 y_e0]^T、[x_i0 y_i0]^T分別為基準相機和非基準相機的像主點坐標；f_e、f_i分別為基準相機和非基準相機的主距；

(43)將基準像空間坐標系轉換至虛擬像空間坐標系，并通過系數轉換與變量替換來簡化模型，得到非基準相機像空間坐標系、基準相機基準像空間坐標系相對虛擬像空間坐標系轉換的數學模型：

式中，[x_v0 y_v0]^T表示虛擬像空間坐標系S_v-x_vy_vz_v的原點S_v在基準像空間坐標系S₁-xyz中的坐標；[x_vi y_vi]^T表示各相機、各探測器影像投影至虛擬像空間坐標系S_v-x_vy_vz_v后的像點坐標；f_i表示基準相機和非基準相機的主距；f_v表示虛擬單中心投影相機主距；為變量替換后的平移向量；

(44)將像點坐標表示為相對方位元素的函數：

式中，x_v、y_v分別為像點在x、y方向的改正量；F_ix、F_iy分別為基準相機、非基準相機在x、y方向的像點坐標方程；為基準相機、非基準相機的相對外方位元素在虛擬像空間坐標系S_v中的等效位移量；ω_i、κ_i為基準相機、非基準相機的相對外方位角元素；

(45)按泰勒公式展開并保留至小值一次項，完成建立顧及多探測器影像在動態飛行時相對方位變化的數學模型：

式中，分別為像點在x、y方向的近似值；F′_ix、F′_iy表示分別基準相機、非基準相機在x、y方向的像點坐標方程求導；表示分別對相對外方位線元素求導；表示分別對相對外方位角元素ω_i、κ_i求導；分別表示相對外方位線元素的改正量；dω_i、dk_i表示相對外方位角元素ω_i、κ_i的改正量。

2.根據權利要求1所述的一種多鏡頭多探測器航空相機單中心投影轉換方法，其特征在于：所述步驟(3)的具體方法為：依托各鏡頭相機、各探測器所獲的高精度地面三維控制場檢校影像，量測標志點幾何中心位置，并開展像點及其相應控制點坐標之間的聯合平差，同時獲取各單鏡頭相機內方位元素與畸變差，單鏡頭相機探測器之間、各相機探測器之間相對方位元素。