培训-高分辨率卫星影像立体测图

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JPL pgm PED
JPL :美国喷气动力实验室
立体像对产品
7
RPC 模型
• 有理多项式模型代替相机模型,用以拟合内外方位元素,这个多项式的 系数就是RPC(Rational Polynomial Coefficient),不同的RPC用来拟合 不同的瞬时像机姿态 • 比传统的照相机模型便于操作 • 不必公开卫星姿态参数,保密
image
le mp Sa
Line h=h3
Height
h=h2
h=h1
ng Lo
de itu
Latitude OBJECT SPACE
16
RPC文档
LINE_OFF: +005748.88 pixels SAMP_OFF: +001429.88 pixels LAT_OFF: +37.09330000 degrees LONG_OFF: +127.63830000 degrees HEIGHT_OFF: +0260.000 meters LINE_SCALE: +000487.25 pixels SAMP_SCALE: +001489.25 pixels LAT_SCALE: +00.01710000 degrees LONG_SCALE: +000.06720000 degrees HEIGHT_SCALE: +0204.000 meters LINE_NUM_COEFF_1: -4.952934148236052E-04 LINE_NUM_COEFF_2: +4.397148912166850E-02 LINE_NUM_COEFF_3: -9.733382068601657E-01 LINE_NUM_COEFF_4: -1.621736797044583E-02 LINE_NUM_COEFF_5: +1.075604741560857E-03 LINE_NUM_COEFF_6: +4.771540416509949E-05 LINE_NUM_COEFF_7: +4.954676096901334E-04 LINE_NUM_COEFF_8: -1.130171237162285E-03 LINE_NUM_COEFF_9: -2.634870908945608E-03
• 随影像而不同
• 无RPC的影像无法用于测绘
8
RPC模型必要性-1
• 难以获得传感器的外方位元素
—— 采集影像时,按每条带的扫描线(scan line)作中心投影,外部几何 参数随扫描线(scan line)的不同而不同;
SPACE
line 1 time = t1 line 2 time = t2 line 3 time = t3 line n time = tn
CE90
GCP 사용시 单像对,有 GCP 30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 10 LE90 15 25 50 65 75 85
CE90
CE90
29
DEM精度和位置精度的关系
• 无GCP时
– – – – –
LE90 : DEM 精确度 : 摄影高度角(90-侧视角) 1.5m : IKONOS 影像内部相对误差 10m : IKONOS 绝对误差 N : 用于区域平差图像个数
易于操作, 精度上几乎无损失
实验:RPC 模型 vs. IKONOS 相机模型 – 以测得的影像坐标作比较根据 • 主要测验条件 – 条带宽度 : 100km - 旁向偏转 : 0 ~ 30° – 航向偏转 : 0 ~ 30 ° - 方位角 : 0 ~ 360 ° – 测试误差结果 像方坐标(line, sample)单位:像素
3
IKONOS 地图投影立体影像产品
地图投影影像
实际上是两个满足一定条件,但是独立不相关的影像 影像具有地理坐标, 北向上;立体测图和提取DEM之前,必须转换成核线影像
核线像对左片
核线像对右片
4
IKONOS 核线投影立体影像产品
Epipolar(核线)影像
Epipolar(核线)影像数据产品已经建立起影像核线相关
在影像坐标上, 核线上所有点有同一y坐标, 与x轴保持平行
可以直接进行三维立体测图和提取DEM
Z’ Y’ X’ C’ C’ Y’ X’
Z’
e’
e’
核线示意图
P
核线像对左片
核线像对右片
5
核线影像产品 Vs 地图影像产品
• 核线…产品
– – – 已经建立好核线相关,可以直接建立立体模型,提取DEM和立 体测图 面积大小有限制,为了确保精度,一般小于200平方千米 区域平差需要更多的联结点
22
立体测图流程
RPC文件 原数据文 件
立体影像产品 建立核线相 关 (相对定向)
立体像对模型
控制点
绝对定向
图例
原材料 处理过程
采集矢量数据
数字地面模型
N
检查
影像匹配/编辑
Y 矢量电子地图 DEM
24
成果
立体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图软件平台
公司
BAE SYSTEMS Leica Geosystems
软件
SOCET SET
高分辨率卫星影像立体测图
朱继东 北京天目创新科技有限公司 2005-10
提纲
一、高分辨率卫星影像立体像对
• 立体像对产品 • RPC
二、高分辨率立体像对测图
• 立体测图原理 • IKONOS测图精度
2
IKONOS立体像对
特点:
同轨立体; 重叠度约100%; 收敛角:30-45度; 基高比:0.54-0.87
le mp Sa
Line h=h3
图像 & 元数据
立体像对产品的生产过程
IMS IMS: 智能微缩影像还原系统
原始影像
几何校正影像
Height
h=h2
h=h1
ng Lo de itu
Latitude OBJECT SPACE
恒星追踪系统数据 陀螺仪 数据
卡尔曼算子
PAD
RPC GPS 数据 内方位元素 其他参考资料 轨道参数
17
立体测图
立体测图原理
s s
左影像 l
left
右影像 ,s
left l
l right ,s right
l
RPC RPC
h l
U, V, W
f
地面
19
立体测图原理
1. 立体像对的相对定向——核线重采样
遵循核线原理对左右原始影像沿核线方向保持 X 不变在 Y 方向进行核线 重采样,这样所生成的核线影像保持了原始影像同样的信息量和属性。
...
PC(t2) PC(t3) PC(tn)
PC(t1)
投影中心PC(t), 姿态 roll(t), pitch(t), yaw(t)
...
GROUND
9
RPC模型的必要性-1
—— IKONOS的采集姿态非常灵活,同一轨道上,外方位元素非常复杂;
跨轨往复扫描
顺轨往复扫描
顺轨条带扫描
单景扫描
10
RPC 模型的必要性-2
式中: U, V, W为点在像空间辅助坐标系中的坐标, X, Y, Z为模型点 在地面参考坐标系中的坐标, 为偏移量, 为模型缩放比例因子, 为旋转矩阵,由姿态参数构成。
21
立体测图原理
卫星参数无法的得到,所以,不同于传统变换公式。
绝对定向时,利用RPC参数,最小二乘法拟合
• 物方坐标(U V W)均为未知数 • 增加冗余检查点 • 用最小二乘法计算出物方坐标(U V W)
项目
Line Sample
计算后
0.01 0.01
检测点
0.01 0.01
最大误差
0.04 0.03
11
RPC的产生
规格化的像方坐标 规格化的物方坐标 (纬度, 经度, 高程)
12
RPC的产生——像方坐标的规格化
像方坐标
13
RPC的产生——物方坐标的规格化
物方坐标
椭圆
14
RPC 的产生
• 生成像方网格
27
区域平差:像对个数对精度的影响
Horizontal Accuracy
Vertical Accuracy
14
1:24,000
14 12
1:12,000
12
CE90 meters
LE90 meters
10 8 6
1:4,800
10 0 8 6 4 2 0 2x2 3x2
0 2x2 3x2
4 2 0 0 5 Number Strips 10
• 有GCP时
30
实习DEMO
• 目的:熟悉立体像对测图的流程 • 软件平台:PCI或 ERDAS • 数据:IKONOS卫星立体像对
31
– 在图像上生成二维网格 – 用IKONOS相机模型生成与h=h1交叉的像点 – 以同一方式生成各高度的三维图像方格
• 计算RPC系数
– 利用像方坐标(l,s)和网格坐标(X,Y,Z) – 将其数值放进多项式模型 – 适用最小二乘法而算出
15
RPC的产生
• 用IKONOS相机模型生成三维网格,按最小二乘法算 出80个系数,加上5个规格化偏移量、5个比例因子, IMAGE SPACE 共90个参数

地图…产品
– – – – 具有地理坐标(上北下南) 大范围(整条带),面积可以达到上千平方公里 区域平差需要的联结点较少 必须先转化为核线影像才能建立立体模型
6
GPS
星相机 恒星跟踪系统: • 陀螺仪 数据 • GPS 数据
DEM
GCP
相机模型
外方位元素
影像产品
IMAGE SPACE image
0
5 Number Strips
10
试验条件 : 110 公里长的卫星条带 0, 2x2 或 3x2 GCP. GCP 平均分布在两个条带上.
28
区域平差:GCP对精度的影响
30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 10 LE90 15 25 50 65 75 85
单像对,无 GCP • 영상의 수=2
영상2개, GCP없음
영상4개, GCP없음 2像对,无 GCP 30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 10 LE90 15 25 50 65 75 85
CE90
5像对,无GCP
30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 10 LE90 15 25 50 65 75 85
영상10개, GCP없음
光束法 区域平差
DEM提取 √

正射校正 √ √ √ √
3D特征提取

ERDAS IMAGINE Stereo Analyst
OrthoBASE PRO
*
√ √

√ √ √

PCI
Z/I Imaging
OrthoEngine
ImageStation




(* 只能用地面控制点(GCP)作单景处理,没有影像多像对区域平差功能; (目前国产的软件平台,还只能处理核线投影的立体像对产品,不能采用地图投影
Z’ Y’ X’ C’ C’ Z’ Y’ X’
e’
e’
P
20
立体测图原理
2.立体像对的绝对定向
立体像对相对定向仅仅恢复了卫星采集时像对之间的相对位置。要求 出模型在地面坐标系中的绝对位置,就要把像方空间坐标系的坐标转 化为地面参考坐标,这就是模型的绝对定向。 一般的航测方法,应用绝对定向空间相似变换公式,把立体模型点坐 标( U, V, W )换算到地面参考坐标系中的坐标值( X, Y, Z)
25
IKONOS立体影像的精度
IKONOS影像精度
• 卫星位置(ephemeris) : GPS 收信机
• 卫星姿态(attitude) : 恒星跟踪仪+陀螺仪 • 立体像对精度 概括
– (在轨精度测试 结果)
产品种类 无GCP 有GCP 水平精度 (CE90) 25.0米 2.0米 垂直精度 (LE90) 22.0米 3.0米
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