[发明专利]一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法

摘要

一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，1)建立具有统一基准的虚拟像空间坐标系；2)建立反映多镜头相机之间、多探测器之间相对方位关系的数学模型；3)通过静态几何检校解求多镜头、多探测器的联合方位元素与畸变参数；4)建立顾及多探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型；5)通过短基线影像快速匹配获取多探测器影像重叠区的同名点；6)根据同名点坐标误差最小原则建立自检校误差方程；7)逐点法化并根据最小二乘平差原理完成迭代求解，获得动态飞行时精确的相对方位元素。本发明方法可普遍适用多镜头多探测器面阵拼接式航空测绘相机的等效单中心投影虚拟影像生成。

主权项

1.一种多镜头多探测器航空相机单中心投影转换方法，其特征在于步骤如下：(1)从多镜头相机、多探测器中选择基准相机和基准探测器，根据基准探测器影像建立基准像平面坐标系和基准像空间坐标系，进一步选定虚拟单投影中心并构建虚拟像空间坐标系；(2)根据步骤(1)，基于三维直角坐标变换，利用公共地物点地面坐标建立反映多镜头相机之间、多探测器之间相对方位关系的严密数学模型，进一步建立各镜头、各探测器像空间坐标系向虚拟像空间坐标系转换的数学模型；(3)通过高精度三维控制场检校多镜头、多探测器的联合方位元素与畸变系数；(4)根据步骤(2)建立的数学模型进行公式整理得到各探测器影像到虚拟像平面的像点转换公式，将像点坐标表示为相对外方位元素的函数，按泰勒公式展开并保留至小值一次项，完成建立顾及各镜头、各探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型；(5)根据步骤(3)，完成各镜头内各探测器影像的几何校正，通过裁切探测器影像重叠区加速同名点匹配，并通过SIFT特征提取、精化匹配点、粗差剔除过程实现短基线影像的快速高精度匹配，获取多探测器影像重叠区的同名点；(6)根据步骤(4)，以同名点坐标误差最小原则建立自检校误差方程；(7)根据步骤(3)、(5)和(6)，逐点法化并根据最小二乘平差原理完成迭代求解，进而将相对方位元素初值与迭代结果累加，获得动态飞行时精确的相对方位元素，完成多中心投影向等效单中心投影的转换；所述步骤(1)中建立基准像平面坐标系的具体方法为：(11)选择多镜头多探测器中心视场所含的中心探测器作为基准探测器E；(12)以基准探测器影像的几何中心点作为像平面坐标系原点o，构建右手平面直角坐标系o‑xy，作为基准像平面坐标系；所述步骤(1)中建立基准像空间坐标系的具体方法为：(21)以多镜头相机中包含中心探测器的相机投影中心作为基准像空间坐标系的原点S；(22)通过点S作平行于基准像平面坐标系x轴和y轴的轴线，以主光轴oS为z轴，其坐标正向取摄影方向的反方向，构成基准像空间坐标系S‑xyz；所述步骤(1)中建立虚拟像空间坐标系的具体方法为：(31)以基准像空间坐标系S‑xyz为起始坐标系；(32)将除中心视场镜头外的其余多镜头相机的投影中心投影至S‑xy平面，以其坐标平均值作为新的坐标原点Sv，并将x轴、y轴、z轴平移至以Sv为起点的三个坐标轴xv、yv、zv，即得虚拟像空间坐标系Sv‑xvyvzv；所述步骤(4)中建立顾及多探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型的具体方法为：(41)相对基准探测器E，其它与其具有影像重叠区的多探测器称为非基准探测器，基于三维空间直角变换的七参数模型，即Bursa模型，利用公共地物点P，建立P点在基准探测器和非基准探测器影像上的像点坐标与物方空间坐标之间的数学模型；(42)联立上述Bursa模型，得到非基准探测器所在相机，即非基准相机的像空间坐标系相对基准探测器E所在相机，即基准相机的基准像空间坐标系进行相对方位转换的数学模型：式中，[X_e Y_e Z_e]^T、[X_i Y_i Z_i]^T分别为基准相机和非基准相机在摄影时刻的外方位线元素；为基准相机在摄影时刻的外方位角元素ω_e和κ_e所构成的旋转矩阵；为非基准相机在摄影时刻的外方位角元素ω_i和κ_i所构成的旋转矩阵；λ_e、λ_i分别为摄影时刻基准相机和非基准相机的像空间坐标系相对于地面坐标系的比例系数；[x_e y_e]^T、[x_i y_i]^T分别为地物点P在基准探测器影像和非基准探测器影像上的像点坐标；[x_e0 y_e0]^T、[x_i0 y_i0]^T分别为基准相机和非基准相机的像主点坐标；f_e、f_i分别为基准相机和非基准相机的主距；(43)将基准像空间坐标系转换至虚拟像空间坐标系，并通过系数转换与变量替换来简化模型，得到非基准相机像空间坐标系、基准相机基准像空间坐标系相对虚拟像空间坐标系转换的数学模型：式中，[x_v0 y_v0]^T表示虚拟像空间坐标系S_v‑x_vy_vz_v的原点S_v在基准像空间坐标系S₁‑xyz中的坐标；[x_vi y_vi]^T表示各相机、各探测器影像投影至虚拟像空间坐标系S_v‑x_vy_vz_v后的像点坐标；f_i表示基准相机和非基准相机的主距；f_v表示虚拟单中心投影相机主距；为变量替换后的平移向量；(44)将像点坐标表示为相对方位元素的函数：式中，x_v、y_v分别为像点在x、y方向的改正量；F_ix、F_iy分别为基准相机、非基准相机在x、y方向的像点坐标方程；为基准相机、非基准相机的相对外方位元素在虚拟像空间坐标系S_v中的等效位移量；ω_i、κ_i为基准相机、非基准相机的相对外方位角元素；(45)按泰勒公式展开并保留至小值一次项，完成建立顾及多探测器影像在动态飞行时相对方位变化的数学模型：式中，分别为像点在x、y方向的近似值；F′_ix、F′_iy表示分别基准相机、非基准相机在x、y方向的像点坐标方程求导；表示分别对相对外方位线元素求导；表示分别对相对外方位角元素ω_i、κ_i求导；分别表示相对外方位线元素的改正量；dω_i、dk_i表示相对外方位角元素ω_i、κ_i的改正量。