顾及子影像拼接参数的自检校模型

杨韫澜，韩 玲，胡海彦，陈 虹，江振治

(1.长安大学，陕西西安 710054；2.61363部队，陕西西安 710054；

3.信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州 450052；

4.地理信息工程国家重点实验室，陕西西安 710054；5.西安测绘研究所，陕西西安 710054）

顾及子影像拼接参数的自检校模型

杨韫澜1，2，韩 玲1，胡海彦3，4，5，陈 虹4，5，江振治4，5

(1.长安大学，陕西西安 710054；2.61363部队，陕西西安 710054；

3.信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州 450052；

4.地理信息工程国家重点实验室，陕西西安 710054；5.西安测绘研究所，陕西西安 710054）

一、引 言

数字航摄相机已取代胶片航摄相机，但离完全满足航测应用所需的“大像幅”面阵数字航摄相机这一要求还有距离。到目前为止，针对内视场光学分割型这一大类数字航摄相机[1-2]，摄影后处理中的高精度子影像几何拼接依然是实现大像幅数字航摄影像的关键技术点[3]。如果各个子影像对应的“小”面阵CCD在摄影过程中安置稳定，则子影像拼接误差可被视为一种相机自带的系统误差，就如同相机的其他系统误差一样(如焦距、主点及物镜畸变等系统误差），基于此考虑，将子影像拼接参数引入到基本成像模型―――共线方程中，形成顾及子影像拼接参数的自检校成像模型，从而使子影像拼接参数连同外方位元素及加密点坐标在自检校空三数据平差处理过程中能够一并进行高精度解算，并给出拼接误差分析及相机量测性能评价。

二、顾及子影像拼接参数的自检校模型构建

对于面阵中心投影影像，地面点A及对应的像点a，满足共线条件方程[4]

利用该条件方程进行空中三角测量平差处理时，通常设定9个未知数，包括外方位元素的3个角元素ω、φ、κ(旋转矩阵中的方向余弦m11、m12、…、m33是其三角函数），3个线元素XL、YL、ZL，以及物点A的物空间坐标(XA，YA，ZA）。像点坐标(xa，ya）、像主点坐标(x0，y0）、相机焦距f等可被视为观测常量。为便于在具体应用中依据泰勒定理进行线性化处理，将式(1）改写为

子影像到虚拟合成影像遵循仿射变换模型[5]，即

如果要将该模型应用于区域网自检校平差处理中，需对式(4）线性化，以第j号物点A为例，若其成像于第i号虚拟影像所包含的第K号子影像，则线性化后矩阵式为

ε由未知数初值代入式(4）泰勒展开式0阶项计算而得。偏导数系数矩阵˙Bij、¨Bij、B…ij的求解是在原有共线方程偏导求解的基础上利用复合函数求导原理而得，由于基本的共线方程偏导系数求解在各类摄影测量教材中均已给出[6]，因此这里的系数矩阵求解并不十分复杂。需要注意的是利用该模型进行光束法平差时，连接点可分为常规连接点和子影像重叠区连接点，后者即起到拼接子影像的作用。

三、试 验

1.试验数据

试验所用大面阵航摄相机为南京尖兵遥感信息技术有限公司制造的DMZ相机，该相机为6合1CCD组合方式，其中I、VI号CCD直接安置于焦面上，作为基准CCD，如图1所示。与几何特性相关的主要相机标称参数见表1。

图1 6合1视场分割器CCD

表1 DMZ相机主要几何特性参数

航摄区域为汉中某山地与平地接壤区，范围约5 km×5 km，最大高差300 m，摄影高度3500 m，地面分辨率(GSD）25 cm，东西方向3条航线，航片数37张，如图2所示。为验证相机几何量测特性，还专门在测区内2 km×2 km范围内进行了密集均匀高精度布控，如图2中矩形框所示，控制点数量为324，X、Y、Z 3个方向精度优于1 cm。

图2 测区内实际航摄数据

2.试验方案

针对每张待拼接的大幅面航摄影像，最直接的拼接方法是采用影像匹配技术，在子影像重叠区域匹配量测得到一定数量的同名影像点，仅利用式(3）单独计算每张合成影像拼接参数的最小二乘解，然后利用该组拼接参数进行单个子影像重采样而得到拼接后影像。这样，有多少张待合成的大面阵影像，就会有多少组拼接参数，为叙述方便，将这种常规影像拼接方法称为独立影像拼接法；而将采用本文提出的顾及拼接参数的自检校方法称之为整体自检校拼接法。为了进行试验验证，基于SIFT算子，用软件实现了同名像点的高精度匹配量测功能，粗差剔除后匹配精度达到1/10像元[7-11]，同样也实现了顾及子影像拼接参数的空三自检校软件功能。

为了验证拼接后影像的几何量测性能，采用了以下3种试验方案：

方案一：利用独立影像拼接法，将测区内所有37张航摄影像进行拼接。然后进行常规光束法区域网空三数据平差处理。

方案二：为了探测和挖掘相机的量测潜力，评估相机的量测性能，应尽可能地减小成像模型系统误差以达到更高的量测精度。因此在方案一拼接所得影像的基础上，进行顾及相机内方位元素、物镜等畸变条件下的自检校光束法区域网平差处理。这里采用较为常用的自检校模型，其由式(2）扩展而得，具体形式如下

方案三：采用本文提出的顾及拼接参数的自检校方法(即整体自检校拼接法），进行光束法区域网自检校空三数据平差处理。

3.试验效果

方案一、方案二都是利用每张影像的单独拼接参数对测区内37×6幅航摄子影像独立进行影像拼接，生成了37幅拼接后大幅面数字航摄影像及与之对应的37套拼接参数。而方案三是利用顾及拼接参数自检校模型进行光束法区域网自检校空三数据平差处理，得到只与相机相关的唯一一套拼接参数，而后用这一套拼接参数对所有影像进行拼接处理。

随机抽取测区内的一幅影像，进行拼接缝处的目视几何错位检查(如图3所示，为便于目视检查，未进行辐射拼接处理[12]），在该影像的7条重叠区域内(重叠宽度约100个像素）以1/10像元匹配精度匹配量测了892个同名像点，如图3(a）所示。从图3(b）可以看出，对采用独立影像拼接法、整体自检校拼接法两种方法得到的影像进行拼接缝处局部放大目视观察，几乎都无法察觉到几何错位。进一步利用这些同名像点统计该影像单位权中误差拼接精度，从表2第3行中可以看出，采用整体自检校拼接法得到的拼接精度为0.10个像素(与同名像点匹配量测精度一致），要高于独立影像拼接法的拼接精度―――0.13个像素。为了进一步验证拼接误差的稳定性，对测区所有37张航摄影像按两种拼接方法进行了拼接，并分别对每张影像的拼接单位权中误差进行统计，从表2第5、6行中可以看出，整体自检校拼接法的拼接误差均值和标准差(0.08，0.003）都要优于独立影像拼接法(0.11，0.007），这说明前者整体拼接精度及稳定度都要好于后者，这也是采用顾及拼接参数的自检校方法进行影像拼接的意义所在。

图3 数字影像拼接处几何错位效果

表2 随机抽取某样片及整个测区内37张影像的两种拼接方法精度统计像素

为了进一步验证拼接后影像的测图定位量测能力，按上述3种方案进行试验验证。控制点位于测区四角及中央共计5个野外测量点，并利用位于密集控制区的324个野外测量点作为检查点进行外部精度统计，平差的内、外部精度统计见表3。

表3 3种方案(自检校）空三定位内外部精度统计

由表3可以看出，方案一中的影像量测性能已经能够满足航摄相机作业精度要求―――检查点平面精度小于1 GSD，高程精度小于2 GSD；方案二的精度进一步得到较大幅度提高，检查点平面精度小于1/2 GSD，高程精度小于1 GSD，检校前后像方像点残差标准差由σ0＝7.8 μm提高到σ0＝1.8 μm，这一相机几何量测性能已达到国际上的DMC、UltraCam系列航摄相机的测量精度水平[13-15]；方案三的精度为3种方案中最优，检查点高程精度甚至达到3/5 GSD，像方残差标准差也只有1/10像元(σ0＝0.9 μm），这说明对于该款内视场分割型航摄相机而言，若以航测精度要求，则本文提出的顾及拼接参数自检校模型中的拼接参数与通常考虑相机内方位元素、物镜及CCD等畸变项的自检校模型中的附加参数是相关的，可以完全“吸收”其造成的系统误差影响，具有很好的替代作用，采用本文提出的模型能达到更好的定位精度效果。

四、结束语

本文提出了顾及子影像拼接参数的自检校空三成像模型，其特点是与相机相关，而非影像相关，从而更好地刻画和反映了相机的系统误差。利用该模型进行自检校空三平差处理，可以整体性地求解关于相机的唯一子影像拼接参数最或然值。相比常规大面阵影像数据后处理技术流程―――先单独对每张影像进行子影像拼接，然后进行空三/自检校空三数据处理，减少了技术环节，可达到更高的航测定位精度，这也是在使用国外同类相机中，要达到理想的测图精度，必须使用其自带后处理软件的主要原因，即需要根据相机自身设计特点，设计专门的成像模型及数据处理软件。本文提出的顾及子影像拼接参数的自检校成像模型和数据处理方法对国产同类型相机的数据后处理有一定的借鉴意义。

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Self-calibration Model Considering Stitching Parameters of Sub-image

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

针对利用多个面阵CCD组合形成较大像幅的大面阵数字航摄相机，提出将子影像拼接参数引入到共线方程中，形成顾及子影像拼接误差的自检校成像模型，并给出了利用该模型进行光束法区域网自检校空三数据平差处理，整体得到稳定可靠的子影像拼接参数估值解的算法流程。对一款国产数字航摄大面阵复合相机进行了子影像几何拼接定位试验，获得了良好的效果。

数字航摄相机；自检校；视场；子影像；拼接；几何量测性能

P236

B

0494-0911(2014）10-0029-04

2014-05-12

杨韫澜(1978―），女，回族，江苏南京人，博士生，研究方向为航空航天高精度定位理论与方法。

杨韫澜，韩玲，胡海彦，等.顾及子影像拼接参数的自检校模型[J].测绘通报，2014(10）：29-32.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0321