顧及子影像拼接參數的自檢校模型

楊韞瀾，韓 玲，胡海彥，陳 虹，江振治

(1.長安大學，陜西西安 710054；2.61363部隊，陜西西安 710054；

3.信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州 450052；

4.地理信息工程國家重點實驗室，陜西西安 710054；5.西安測繪研究所，陜西西安 710054）

顧及子影像拼接參數的自檢校模型

楊韞瀾1，2，韓 玲1，胡海彥3，4，5，陳 虹4，5，江振治4，5

(1.長安大學，陜西西安 710054；2.61363部隊，陜西西安 710054；

3.信息工程大學地理空間信息學院，河南鄭州 450052；

4.地理信息工程國家重點實驗室，陜西西安 710054；5.西安測繪研究所，陜西西安 710054）

一、引 言

數字航攝相機已取代膠片航攝相機，但離完全滿足航測應用所需的“大像幅”面陣數字航攝相機這一要求還有距離。到目前為止，針對內視場光學分割型這一大類數字航攝相機[1-2]，攝影后處理中的高精度子影像幾何拼接依然是實現大像幅數字航攝影像的關鍵技術點[3]。如果各個子影像對應的“小”面陣CCD在攝影過程中安置穩定，則子影像拼接誤差可被視為一種相機自帶的系統誤差，就如同相機的其他系統誤差一樣(如焦距、主點及物鏡畸變等系統誤差），基于此考慮，將子影像拼接參數引入到基本成像模型―――共線方程中，形成顧及子影像拼接參數的自檢校成像模型，從而使子影像拼接參數連同外方位元素及加密點坐標在自檢校空三數據平差處理過程中能夠一并進行高精度解算，并給出拼接誤差分析及相機量測性能評價。

二、顧及子影像拼接參數的自檢校模型構建

對于面陣中心投影影像，地面點A及對應的像點a，滿足共線條件方程[4]

利用該條件方程進行空中三角測量平差處理時，通常設定9個未知數，包括外方位元素的3個角元素ω、φ、κ(旋轉矩陣中的方向余弦m11、m12、…、m33是其三角函數），3個線元素XL、YL、ZL，以及物點A的物空間坐標(XA，YA，ZA）。像點坐標(xa，ya）、像主點坐標(x0，y0）、相機焦距f等可被視為觀測常量。為便于在具體應用中依據泰勒定理進行線性化處理，將式(1）改寫為

子影像到虛擬合成影像遵循仿射變換模型[5]，即

如果要將該模型應用于區域網自檢校平差處理中，需對式(4）線性化，以第j號物點A為例，若其成像于第i號虛擬影像所包含的第K號子影像，則線性化后矩陣式為

ε由未知數初值代入式(4）泰勒展開式0階項計算而得。偏導數系數矩陣˙Bij、¨Bij、B…ij的求解是在原有共線方程偏導求解的基礎上利用復合函數求導原理而得，由于基本的共線方程偏導系數求解在各類攝影測量教材中均已給出[6]，因此這里的系數矩陣求解并不十分復雜。需要注意的是利用該模型進行光束法平差時，連接點可分為常規連接點和子影像重疊區連接點，后者即起到拼接子影像的作用。

三、試 驗

1.試驗數據

試驗所用大面陣航攝相機為南京尖兵遙感信息技術有限公司制造的DMZ相機，該相機為6合1CCD組合方式，其中I、VI號CCD直接安置于焦面上，作為基準CCD，如圖1所示。與幾何特性相關的主要相機標稱參數見表1。

圖1 6合1視場分割器CCD

表1 DMZ相機主要幾何特性參數

航攝區域為漢中某山地與平地接壤區，范圍約5 km×5 km，最大高差300 m，攝影高度3500 m，地面分辨率(GSD）25 cm，東西方向3條航線，航片數37張，如圖2所示。為驗證相機幾何量測特性，還專門在測區內2 km×2 km范圍內進行了密集均勻高精度布控，如圖2中矩形框所示，控制點數量為324，X、Y、Z 3個方向精度優于1 cm。

圖2 測區內實際航攝數據

2.試驗方案

針對每張待拼接的大幅面航攝影像，最直接的拼接方法是采用影像匹配技術，在子影像重疊區域匹配量測得到一定數量的同名影像點，僅利用式(3）單獨計算每張合成影像拼接參數的最小二乘解，然后利用該組拼接參數進行單個子影像重采樣而得到拼接后影像。這樣，有多少張待合成的大面陣影像，就會有多少組拼接參數，為敘述方便，將這種常規影像拼接方法稱為獨立影像拼接法；而將采用本文提出的顧及拼接參數的自檢校方法稱之為整體自檢校拼接法。為了進行試驗驗證，基于SIFT算子，用軟件實現了同名像點的高精度匹配量測功能，粗差剔除后匹配精度達到1/10像元[7-11]，同樣也實現了顧及子影像拼接參數的空三自檢校軟件功能。

為了驗證拼接后影像的幾何量測性能，采用了以下3種試驗方案：

方案一：利用獨立影像拼接法，將測區內所有37張航攝影像進行拼接。然后進行常規光束法區域網空三數據平差處理。

方案二：為了探測和挖掘相機的量測潛力，評估相機的量測性能，應盡可能地減小成像模型系統誤差以達到更高的量測精度。因此在方案一拼接所得影像的基礎上，進行顧及相機內方位元素、物鏡等畸變條件下的自檢校光束法區域網平差處理。這里采用較為常用的自檢校模型，其由式(2）擴展而得，具體形式如下

方案三：采用本文提出的顧及拼接參數的自檢校方法(即整體自檢校拼接法），進行光束法區域網自檢校空三數據平差處理。

3.試驗效果

方案一、方案二都是利用每張影像的單獨拼接參數對測區內37×6幅航攝子影像獨立進行影像拼接，生成了37幅拼接后大幅面數字航攝影像及與之對應的37套拼接參數。而方案三是利用顧及拼接參數自檢校模型進行光束法區域網自檢校空三數據平差處理，得到只與相機相關的唯一一套拼接參數，而后用這一套拼接參數對所有影像進行拼接處理。

隨機抽取測區內的一幅影像，進行拼接縫處的目視幾何錯位檢查(如圖3所示，為便于目視檢查，未進行輻射拼接處理[12]），在該影像的7條重疊區域內(重疊寬度約100個像素）以1/10像元匹配精度匹配量測了892個同名像點，如圖3(a）所示。從圖3(b）可以看出，對采用獨立影像拼接法、整體自檢校拼接法兩種方法得到的影像進行拼接縫處局部放大目視觀察，幾乎都無法察覺到幾何錯位。進一步利用這些同名像點統計該影像單位權中誤差拼接精度，從表2第3行中可以看出，采用整體自檢校拼接法得到的拼接精度為0.10個像素(與同名像點匹配量測精度一致），要高于獨立影像拼接法的拼接精度―――0.13個像素。為了進一步驗證拼接誤差的穩定性，對測區所有37張航攝影像按兩種拼接方法進行了拼接，并分別對每張影像的拼接單位權中誤差進行統計，從表2第5、6行中可以看出，整體自檢校拼接法的拼接誤差均值和標準差(0.08，0.003）都要優于獨立影像拼接法(0.11，0.007），這說明前者整體拼接精度及穩定度都要好于后者，這也是采用顧及拼接參數的自檢校方法進行影像拼接的意義所在。

圖3 數字影像拼接處幾何錯位效果

表2 隨機抽取某樣片及整個測區內37張影像的兩種拼接方法精度統計像素

為了進一步驗證拼接后影像的測圖定位量測能力，按上述3種方案進行試驗驗證。控制點位于測區四角及中央共計5個野外測量點，并利用位于密集控制區的324個野外測量點作為檢查點進行外部精度統計，平差的內、外部精度統計見表3。

表3 3種方案(自檢校）空三定位內外部精度統計

由表3可以看出，方案一中的影像量測性能已經能夠滿足航攝相機作業精度要求―――檢查點平面精度小于1 GSD，高程精度小于2 GSD；方案二的精度進一步得到較大幅度提高，檢查點平面精度小于1/2 GSD，高程精度小于1 GSD，檢校前后像方像點殘差標準差由σ0＝7.8 μm提高到σ0＝1.8 μm，這一相機幾何量測性能已達到國際上的DMC、UltraCam系列航攝相機的測量精度水平[13-15]；方案三的精度為3種方案中最優，檢查點高程精度甚至達到3/5 GSD，像方殘差標準差也只有1/10像元(σ0＝0.9 μm），這說明對于該款內視場分割型航攝相機而言，若以航測精度要求，則本文提出的顧及拼接參數自檢校模型中的拼接參數與通常考慮相機內方位元素、物鏡及CCD等畸變項的自檢校模型中的附加參數是相關的，可以完全“吸收”其造成的系統誤差影響，具有很好的替代作用，采用本文提出的模型能達到更好的定位精度效果。

四、結束語

本文提出了顧及子影像拼接參數的自檢校空三成像模型，其特點是與相機相關，而非影像相關，從而更好地刻畫和反映了相機的系統誤差。利用該模型進行自檢校空三平差處理，可以整體性地求解關于相機的唯一子影像拼接參數最或然值。相比常規大面陣影像數據后處理技術流程―――先單獨對每張影像進行子影像拼接，然后進行空三/自檢校空三數據處理，減少了技術環節，可達到更高的航測定位精度，這也是在使用國外同類相機中，要達到理想的測圖精度，必須使用其自帶后處理軟件的主要原因，即需要根據相機自身設計特點，設計專門的成像模型及數據處理軟件。本文提出的顧及子影像拼接參數的自檢校成像模型和數據處理方法對國產同類型相機的數據后處理有一定的借鑒意義。

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Self-calibration Model Considering Stitching Parameters of Sub-image

YANG Yunlan，HAN Ling，HU Haiyan，CHEN Hong，JIANG Zhenzhi

針對利用多個面陣CCD組合形成較大像幅的大面陣數字航攝相機，提出將子影像拼接參數引入到共線方程中，形成顧及子影像拼接誤差的自檢校成像模型，并給出了利用該模型進行光束法區域網自檢校空三數據平差處理，整體得到穩定可靠的子影像拼接參數估值解的算法流程。對一款國產數字航攝大面陣復合相機進行了子影像幾何拼接定位試驗，獲得了良好的效果。

數字航攝相機；自檢校；視場；子影像；拼接；幾何量測性能

P236

B

0494-0911(2014）10-0029-04

2014-05-12

楊韞瀾(1978―），女，回族，江蘇南京人，博士生，研究方向為航空航天高精度定位理論與方法。

楊韞瀾，韓玲，胡海彥，等.顧及子影像拼接參數的自檢校模型[J].測繪通報，2014(10）：29-32.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0321