大面陣數(shù)字航空相機(jī)DMZ影像預(yù)處理研究

趙桂華，方 勇，戴晨光，鄒曉亮 ，陳 虹

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.西安測繪研究所,陜西 西安 710054；3.西安測繪總站,陜西 西安 710054)

大面陣數(shù)字航空相機(jī)DMZ影像預(yù)處理研究

趙桂華1,2，方 勇2，戴晨光1，鄒曉亮3，陳 虹2

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.西安測繪研究所,陜西 西安 710054；3.西安測繪總站,陜西 西安 710054)

對國產(chǎn)新型內(nèi)拼式大面陣數(shù)字航測相機(jī)DMZ原型系統(tǒng)獲取的數(shù)字影像進(jìn)行幾何預(yù)處理的方法進(jìn)行了研究；在分析DMZ全色成像光路特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了多相機(jī)聯(lián)合的影像幾何校正與縫合方法，生成等效虛擬立體影像。利用等效虛擬立體影像進(jìn)行了3種布控方案的數(shù)字空三平差和精度分析，驗(yàn)證了該方法的正確性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了對DMZ影像預(yù)處理的探索性研究。

航空遙感數(shù)字影像；幾何校正；輻射校正；影像縫合；等效虛擬全色影像

近年來，利用CCD探測器件替代傳統(tǒng)的航空膠片，使航空攝影機(jī)直接獲取數(shù)字影像已成為攝影測量與遙感領(lǐng)域研究的主流技術(shù)之一。數(shù)字航測相機(jī)主要有線陣和面陣2種類型[1]，線陣相機(jī)的代表有ADS40/80；面陣相機(jī)的代表有DMC、UCD和SWDC等。面陣CCD相機(jī)又分為拼接型和整幀型2種，拼接型的代表有DMC、UCD、SWDC等，整幀型的代表有DMC II系列[2](140、230、250)面陣相機(jī)等。

從成像視場的角度看，拼接型面陣CCD相機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案主要有2種[3]：外拼接和內(nèi)拼接。對于拼接方式的數(shù)字航空相機(jī)，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同類型的幾何預(yù)處理解決方案。Christoph[4]等人針對DMC“四合一”外拼方式，用4組全色相機(jī)的外方位元素確定虛擬影像的投影中心，采用像方拼接實(shí)現(xiàn)整幀虛擬影像的生成。Smith[5]等人針對兼有內(nèi)拼和外拼特點(diǎn)“九合一”UCD相機(jī)，最早利用攝影測量工作站完成UCD子影像的縫合處理，并進(jìn)行了精度的評估。隨著UCD相機(jī)換代產(chǎn)品UCX、UCXp的出現(xiàn)，Gruber[6]等人提出在考慮自檢校參數(shù)的情況下，對傳感器模型進(jìn)行偏移補(bǔ)償，利用修正后的校正參數(shù)進(jìn)行二級影像的縫合與拼接。Ladst?dter[7]等人引入溫度依賴模型TDM，對UltraCam系列相機(jī)的影像縫合算法進(jìn)行了改進(jìn)，除了對全色波段重疊區(qū)域內(nèi)的連接點(diǎn)進(jìn)行匹配外，也對每個(gè)全色通道與綠色通道之間的連接點(diǎn)進(jìn)行匹配，使縫合算法的穩(wěn)健性和縫合結(jié)果及精度得到了提高。

國內(nèi)研究人員緊跟大面陣CCD器件發(fā)展技術(shù)的前沿，在影像拼接方面提出了自己的獨(dú)到見解。針對SWDC-4“四拼一”的設(shè)計(jì)，李健[8]等人將傾斜影像糾正成水平影像，利用旋轉(zhuǎn)平移關(guān)系求解4幅影像的相對方位元素，將水平影像投影到虛擬影像上，實(shí)現(xiàn)原始影像的預(yù)處理。祝漢鋒[9]在分析多模態(tài)數(shù)字航空相機(jī)系統(tǒng)MADC構(gòu)像方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)共線方程推導(dǎo)了MADC寬視場相機(jī)系統(tǒng)幾何校正的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了影像的幾何校正和拼接。王慧[10]博士針對3+1大面陣CCD航測相機(jī)SPC-1系統(tǒng)構(gòu)建了多面陣CCD影像像方拼接模型，提出了基于隨機(jī)序列分析的模擬運(yùn)動影像拼接算法，消除了由于采用分通道并行轉(zhuǎn)移所帶來的影像拼接縫問題。

本文以國內(nèi)首個(gè)內(nèi)拼式大面陣數(shù)字航測相機(jī)DMZ原型系統(tǒng)獲取的影像為研究對象，重點(diǎn)分析了DMZ光路的實(shí)現(xiàn)方法和影像的構(gòu)像特點(diǎn)，提出了多相機(jī)聯(lián)合的幾何預(yù)處理方法，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和精度評定。

1 DMZ系統(tǒng)構(gòu)成與影像特點(diǎn)

DMZ相機(jī)系統(tǒng)是運(yùn)用內(nèi)視場光路分光法實(shí)現(xiàn)等效地獲取高精度大幅面影像的數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)，它的傳感器頭部由5個(gè)獨(dú)立的相機(jī)鏡頭組成，中間1個(gè)長焦鏡頭用于獲取大面陣的全色影像，四周4個(gè)短焦鏡頭用于獲取等幅面的紅、綠、藍(lán)和近紅外影像，如圖1所示。為了獲取大幅面的影像，DMZ由10個(gè)CCD傳感器記錄原始影像，全色光路中有6個(gè)CCD傳感器，配備有1分6的分光裝置和6臺FTF7040M型高品質(zhì)7k×4k的CCD傳感器單元，DMZ全色相機(jī)曝光一次可以獲得6幀子影像。

DMZ按照單鏡頭框幅式成像原理設(shè)計(jì)，保持中心投影的幾何關(guān)系。為了保證影像的整體性，DMZ在全色光路設(shè)計(jì)時(shí)，使子視場之間有像元的重疊，同一次曝光時(shí)刻DMZ獲取的6幀全色子影像之間有一定的重疊區(qū)域。DMZ全色成像光路系統(tǒng)各子影像幾何位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 DMZ結(jié)構(gòu)外形圖

圖2子影像幾何位置關(guān)系圖

DMZ在全色光路中引入分光裝置的獨(dú)特設(shè)計(jì)，保證了單鏡頭中心投影的幾何關(guān)系和像點(diǎn)曝光的同步性，解決了空間上不能在同一個(gè)焦平面安置6臺中等面陣CCD傳感器單元的矛盾，實(shí)現(xiàn)了用6個(gè)中等面陣CCD組合獲取等效大幅面攝影效果的設(shè)計(jì)理念；同時(shí)也為影像預(yù)處理過程中利用重疊區(qū)域內(nèi)的子影像縫合拼接整幀等效大面陣影像提供了依據(jù)。

2 DMZ影像預(yù)處理的關(guān)鍵技術(shù)

對DMZ數(shù)字航測相機(jī)全色子影像進(jìn)行幾何預(yù)處理，既要消除相機(jī)內(nèi)、外部等各種因素引起的幾何變形，還要完成中等面陣子影像的縫合拼接以及生成整幀大面陣影像。對于DMZ全色影像，6幀子影像拼合成1整幀等效大面陣影像一般有“先校正后拼接”和“先拼接后校正”2種影像縫合方案。本文著重對“先校正后拼接”方案進(jìn)行研究，構(gòu)建基于多相機(jī)聯(lián)合的影像幾何校正與縫合方案，實(shí)現(xiàn)對DMZ全色子影像的幾何校正、拼接、配準(zhǔn)及等效虛擬影像的生成。

2.1 子幀影像的輻射糾正

為了對DMZ全色影像的輻射誤差進(jìn)行檢測改正，課題組利用實(shí)驗(yàn)室條件對DMZ相機(jī)進(jìn)行了整機(jī)測試，在相機(jī)鏡頭前垂直于鏡頭方向上，放置均勻的面狀光源，在光源和鏡頭之間增加了勻光板，以保證光源的均勻性。通過控制不同的曝光時(shí)間間隔，使影像的平均灰度分布在20%~90%的范圍內(nèi)，共獲取了19組子影像數(shù)據(jù)。

以均勻光源獲取的無光暈影響區(qū)域的中心灰度為基準(zhǔn)，按照輻射照度分布模型，設(shè)計(jì)了灰度補(bǔ)償公式，用灰度補(bǔ)償公式校正無光暈影像數(shù)據(jù)，用校正后的影像減去平均灰度值，獲得影像輻射校正模板，然后采用模板法輻射校正方法消除全色子影像的輻射誤差。

2.2 子幀影像內(nèi)拼式幾何校正模型

DMZ是采用內(nèi)拼式的面陣數(shù)字相機(jī)，其相關(guān)輔助參數(shù)的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步的檢校與驗(yàn)證，因此布設(shè)了地面檢校場，檢校場布設(shè)了高精度的地面控制點(diǎn)，考慮到通用成像模型幾何校正的優(yōu)勢，本文選擇一般多項(xiàng)式模型實(shí)現(xiàn)各子影像的幾何校正。

多項(xiàng)式校正法的原理是回避成像的空間幾何過程，直接對影像變形的本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬?？傮w變形可以看作是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲以及更高次基本變形的綜合作用結(jié)果，糾正前后影像相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系可以用一般多項(xiàng)式來表示，一般多項(xiàng)式的形式為：

式中， k=（i×i+j）/2+j（i，j=1,2,3…）；t為多項(xiàng)式的次數(shù)；ak、bk為多項(xiàng)式系數(shù)；（x，y）為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；（?x，?y）為相機(jī)內(nèi)方位元素的幾何誤差改正量；（X，Y）為像點(diǎn)所對應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo)。

對子影像的糾正，本文選取三次多項(xiàng)式。利用地面布設(shè)的GCP和影像重疊區(qū)域內(nèi)選取的連接點(diǎn)對輻射校正后的各子影像進(jìn)行多項(xiàng)式變換。對式(1)進(jìn)行線性化，列誤差方程式，按最小二乘法原理答解多項(xiàng)式的系數(shù)ak、bk，利用多項(xiàng)式模型對原始子影像進(jìn)行逐點(diǎn)糾正，并進(jìn)行雙線性像素重采樣，完成對各子影像的幾何糾正。

2.3 中等面陣子影像的縫合

對一次曝光獲取的6幀子影像經(jīng)過多項(xiàng)式模型變換生成糾正后的子影像，然后對糾正后的子影像在子影像接邊重疊區(qū)域內(nèi)，采用選權(quán)拼接線方式在重疊區(qū)域內(nèi)對子影像進(jìn)行縫合拼接，沿拼接線兩側(cè)5個(gè)像素范圍內(nèi)進(jìn)行羽化，完成子影像的縫合拼接。

2.4 基于多相機(jī)聯(lián)合的等效虛擬影像生成

多相機(jī)聯(lián)合的思想是選用同次曝光獲取的綠波段影像作為配準(zhǔn)影像，將縫合后的全色影像進(jìn)行反變換生成等效虛擬整幀影像，實(shí)現(xiàn)對DMZ影像的幾何預(yù)處理，其原理如圖3所示。首先對綠色影像進(jìn)行鏡頭畸變的改正，消除鏡頭畸變的影響，根據(jù)地面控制點(diǎn)和綠色影像上的相應(yīng)像點(diǎn)進(jìn)行基于網(wǎng)格的多項(xiàng)式變換，形成基于像差改正網(wǎng)格的綠色參考影像；然后以綠色波段為參考影像，選擇10對以上的同名像點(diǎn)，對縫合后的全色糾正影像與綠波段參考影像進(jìn)行三次多項(xiàng)式模型的圖像配準(zhǔn)，將縫合后的整幀影像反變換，生成像方無畸變的等效虛擬影像。

2.5 等效影像立體驗(yàn)證

圖3 基于多相機(jī)聯(lián)合的等效虛擬影像生成原理圖

為了驗(yàn)證等效虛擬影像的幾何精度，該方案的可行性、有效性，對生成的2張等效影像構(gòu)建立體模型，自動匹配連接點(diǎn)、判讀地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)，進(jìn)行空中三角測量計(jì)算，分析地面控制點(diǎn)GCP和檢查點(diǎn)Chk的均方根誤差RMSE。本文采用3種布控方案進(jìn)行空三平差計(jì)算、分析和評估地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度：①四角布設(shè)4GCP +36Chk；②四角雙點(diǎn)布設(shè)8GCP+，中心雙點(diǎn)布設(shè)2GCP+30Chk；③全部使用40GCP。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 數(shù)據(jù)來源

2009年9月，對國產(chǎn)新型DMZ相機(jī)的原型系統(tǒng)在漢中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)飛行，其目的是驗(yàn)證新型相機(jī)DMZ的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的采集性能，并對DMZ進(jìn)行檢校，檢測其影像幾何后處理的精度結(jié)果。DMZ相機(jī)焦距為170 mm，全色像元大小為12 um，彩色像元大小為9 um，飛行航高為3 900 m，檢校場地勢平坦，高差起伏不大，整個(gè)測區(qū)共布設(shè)了212個(gè)地面控制標(biāo)志點(diǎn)。地面控制點(diǎn)采用外業(yè)靜態(tài)GPS觀測，進(jìn)行差分處理，在X、Y、Z3個(gè)方向上的精度均優(yōu)于±5 cm。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對DMZ獲取的6張8_10子影像按照本文提出的“先校正后拼接”縫合方案，分別對全色子影像進(jìn)行校正和縫合實(shí)驗(yàn)。原始影像的排列順序依次為第一排從左到右為1、3、5，第二排從左到右為2、4、6的排列順序。圖4為DMZ在同一次曝光時(shí)所獲取的8_10原始全色6幀子影像。圖5為采用模板法輻射校正后的6幀8_10子影像；圖6為6幀8_10子影像上控制點(diǎn)和連接點(diǎn)的分布；圖7為糾正后采用選權(quán)拼接線方式顯示8_10子影像拼接線與縫合影像；圖8為同一曝光時(shí)間獲取的綠波段影像；圖9為縫合后的影像與基于地理網(wǎng)格的多項(xiàng)式變換的綠色波段影像進(jìn)行多相機(jī)聯(lián)合糾正生成的8_10等效虛擬影像。

圖4 原始影像

圖5 輻射校正后影像

圖6 控制點(diǎn)和連接點(diǎn)分布

圖7 子影像拼接縫合

圖8 綠波段影像

圖9 等效虛擬影像

利用DMZ影像幾何預(yù)處理方案分別對8_10和8_11影像進(jìn)行處理，生成等效虛擬影像，構(gòu)建立體像對，并采用了3種布控方案執(zhí)行空三平差計(jì)算。從表1可知，通過立體模型對控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度進(jìn)行檢查，平面精度隨著控制點(diǎn)的增多，精度有所提高。由于DMZ獲取的綠色影像是1整幀影像，這使得縫合后的整幀影像與綠色參考影像之間連接點(diǎn)的幾何質(zhì)量非常穩(wěn)定，在一定程度上保證了等效虛擬影像在幾何上的精度；但是，由于綠顏色通道比全色通道的分辨率低，基于綠色參考影像的縫合精度受二者匹配時(shí)的精度影響會降低。本文所提的基于多相機(jī)聯(lián)合的幾何糾正影像拼接方法是基于實(shí)驗(yàn)區(qū)為平地和有密集地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)之上的，沒有考慮地形起伏的影響，因此該方法生成的虛擬等效影像在高程方向的精度還有提升的空間。

表1 8_10與8_11等效虛擬影像構(gòu)建立體模型的空三平差結(jié)果

4 結(jié) 語

本文對DMZ光路系統(tǒng)的構(gòu)成與影像特點(diǎn)進(jìn)行了分析，依據(jù)DMZ全色和多光譜影像提出了基于多相機(jī)聯(lián)合的幾何預(yù)處理方案，并對所提方案進(jìn)行了分析，構(gòu)建立體模型，采用3種布控方案進(jìn)行了驗(yàn)證。本文提出的方法在一定條件下是可行、有效的，同時(shí)文中所得結(jié)果也是對DMZ影像幾何性能進(jìn)行的驗(yàn)證，為DMZ相機(jī)影像的預(yù)處理提供了可供參考的解決途徑，是有益的探索性研究。

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Research on Image Preprocessing of Large Format Digital Aerial Camera DMZ

byZHAO Guihua

The paper researched on image preprocessing of Large Format Digital Aerial Camera DMZ, which was a new prototype camera system with the design idea of internal stitching and mosaic.The architecture of panchromatic optical channel characteristics in DMZ was analyzed. Based on its unique characteristics, a geometric correction method of multi-camera combination had been proposed,which 6 sub-pan original images were merged to a full frame pan image by stitching algorithm. In order to validate the method reliability and correctness, the result of aerial triangulation was calculated by stereo virtual images. The experiment results were analyzed and evaluated using three different GCPs layout scheme. The method of image preprocessing is an exploratory experimental study on DMZ camera.

Digital Aerial Image, geometric correction, radiometric correction, stitching image, virtual image

P237

B

1672-4623（2013）02-0049-04

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.015

2012-07-09。

項(xiàng)目來源：國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008AA121203、2011AA7013031）。

趙桂華，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字?jǐn)z影測量理論和應(yīng)用。