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三片非共线TDI CCD成像数据内视场拼接理论与算法研究

胡芬  
【摘要】:时间延时积分电荷耦合元件(TDI CCD)能在不降低成像空间分辨率的同时,有效地提高空间相机的成像灵敏度和信噪比,因而正逐步取代常规CCD器件成为高分辨率光学传感器成像系统的主流传感器。由于单片TDI CCD的像元个数有限,在空间相机的设计上,为了保证获取较高空间分辨率和一定幅宽的影像,需要将多片TDI CCD连接排列以获得较大的成像视场。然而,由于TDI CCD在物理结构上是一个小面阵,加上受器件外壳包装等物理因素的限制,多片TDI CCD在视场上很难直接按照一条直线进行物理排列,而是通常采用三片非共线或多片上下交错的非共线排列方式。目前,IKONOS、QuickBird等高分辨率商业卫星以及我国资源一号02B (CBERS-02B)、遥感二号等卫星的光学相机都采用了这种非共线TDI CCD焦平面设计。非共线TDI CCD相机所获取的原始影像是按照每片TDICCD成像单独记录的,受传感器视场摆放位置、偏流角控制、卫星姿态角、地面高程以及行积分时间等因素的影响,无法直接形成一幅完整的扫描景影像。传统的基于片间匹配的平移拼接方法不仅在理论上缺乏严密性,而且也没能充分考虑非共线TDI CCD相机的成像特点,因而在积分时间跳变、地形起伏剧烈和大侧摆等复杂成像条件下并不适用。多片TDI CCD高精度和高可靠的内视场拼接是保证后期数据应用质量的基础,因此,围绕该类相机成像数据内视场拼接的理论和算法展开研究,具有重要的理论意义和应用价值。 本文针对三片非共线TDI CCD相机设计特点,深入研究了三片非共线TDICCD成像数据内视场拼接理论和算法。主要的研究内容和创新点如下: 1)三片非共线TDI CCD成像特点的分析。 重点研究了传感器焦平面位置关系、姿态角变化、偏流角控制偏差、行积分时间变化、地形起伏等因素对相邻TDI CCD影像水平重叠和垂直错位的影响,从而为成像数据内视场拼接模型和算法的研究提供理论基础和参考依据,同时也为星载高分辨率成像系统设计提供一些参考性的建议,以辅助高质量成像数据的获取,提高视场拼接处理的质量。 2)研究了提高内视场拼接精度和可靠性的相机标定模型。 非共线TDI CCD的片间摄影几何约束是成像数据无缝内视场拼接的几何基础。为此,本文在建立了原始影像严格成像几何模型的基础上,研究了多片TDICCD的片间摄影几何约束关系,建立了相机的片间成像几何关系模型;并通过分析指出,提高相机内外方位元素测量和标定的精度是满足成像数据片间几何定位精度一致性、提高内视场拼接处理效率和质量的必要前提,为此,本文研究了引入附加多项式系数的单片自检校模型,并对平差解算的策略和方法进行了分析,通过对模拟数据的实验和分析,证明了这种检校模型的正确性。通过分析三片非共线TDI CCD的成像特点,研究和实现了基于连接点的传感器相对位置在轨检校算法,实验结果表明,通过对片间相对位置关系进行检校,能有效提高片间连接点像点坐标的预测精度。 3)提出了两种改进的像方视场拼接算法。 根据三片非共线TDI CCD的成像特点,传统的片间平移拼接算法在某些情况下并不适用,无法满足高精度拼接处理的实际需求。为了克服已有像方拼接算法的局限性,本文分别提出了基于分段仿射变换模型和基于原始影像行积分时间归一化的像方拼接算法,实验结果表明,这两种像方拼接算法均具有处理简单、速度快、可靠性高的特点,能满足子像素级精度的拼接处理要求。任何像方拼接算法的高精度和高效率实现均离不开片间连接点的快速自动提取这一关键环节,针对非共线TDI CCD片间水平重叠很小的特殊情况,本文提出基于片间成像几何模型和片间偏移特性的先验知识进行连接点像点坐标的预测,以缩小了像方匹配搜索的范围,提高了连接点自动提取的效率。结合像方拼接算法的原理和过程,建立了虚拟扫描景的近似等效成像几何模型,并生成了高精度的RPC参数。 4)提出了基于构建虚拟CCD线阵和投影基准面的物方拼接算法。 物方拼接算法是从相机的成像几何模型出发,利用非共线TDI CCD的片间摄影几何约束条件,建立虚拟扫描景像点与原始影像像点之间的映射关系。围绕物方拼接的技术内涵,本文分别提出了基于构建虚拟CCD线阵和投影基准面纠正的物方拼接算法,阐述了这两种算法的基本思想及其理论流程,并围绕算法实现的关键问题以及误差来源展开了分析与研究;同时,针对影像辅助数据以及相机几何参数测量或标定精度达不到理想水平的技术现状,设计和实现了基于片间相对定向的物方拼接算法流程。对模拟数据和真实数据的内视场拼接实验均达到了子像素级的拼接精度,从而有效证明了物方拼接理论算法和实际算法的正确性;最后,对这两种物方拼接算法生成的虚拟扫描景,构建了等效成像几何模型,并生成了高精度的RPC参数。 5)通过模拟实验和CBERS-02B数据对本文的理论和算法进行了验证。 首先,基于模拟数据实验分析和对HR相机成像数据的抽样统计,对三片非共线TDI CCD成像数据的片间偏移特性进行验证,证明了本文理论分析结果的正确性。然后,基于模拟的三片非共线TDI CCD数据,在相机内外方位元素、地面高程信息均准确无误的情况下进行了物方拼接实验,证明了两种物方拼接算法的正确性,并分析了姿态角误差、焦距误差、传感器位置误差等对片间连接点像点坐标预测精度的影响;分别对存在行积分时间跳变和不存在行积分时间跳变的两景HR影像进行了内视场拼接实验,结果表明,像方拼接算法均达到了子像素级的拼接精度,与此同时,在基于连接点进行片间相对定向之后,物方拼接算法也达到了子像素级的拼接精度。最后,通过模拟数据实验,对引入附加多项式系数的单片自检校算法进行了验证与分析;选取了某一段时间内不同日期获取的几景HR影像,将该段时间的相机外检校参数视为精确值,基于连接点对三片TDI CCD的片间相对位置关系进行检校,结果表明能有效提高该段时间内成像数据的片间相对定位精度。 本文提出的拼接算法结合了我国近年来发射的高分辨率全色遥感卫星的实际情况,并在实际中得到了检验和应用。


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