大面阵数字航空相机DMZ影像预处理研究

赵桂华，方 勇，戴晨光，邹晓亮 ，陈 虹

（1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052；2.西安测绘研究所,陕西 西安 710054；3.西安测绘总站,陕西 西安 710054)

大面阵数字航空相机DMZ影像预处理研究

赵桂华1,2，方 勇2，戴晨光1，邹晓亮3，陈 虹2

（1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052；2.西安测绘研究所,陕西 西安 710054；3.西安测绘总站,陕西 西安 710054)

对国产新型内拼式大面阵数字航测相机DMZ原型系统获取的数字影像进行几何预处理的方法进行了研究；在分析DMZ全色成像光路特点的基础上，提出了多相机联合的影像几何校正与缝合方法，生成等效虚拟立体影像。利用等效虚拟立体影像进行了3种布控方案的数字空三平差和精度分析，验证了该方法的正确性和可靠性，实现了对DMZ影像预处理的探索性研究。

航空遥感数字影像；几何校正；辐射校正；影像缝合；等效虚拟全色影像

近年来，利用CCD探测器件替代传统的航空胶片，使航空摄影机直接获取数字影像已成为摄影测量与遥感领域研究的主流技术之一。数字航测相机主要有线阵和面阵2种类型[1]，线阵相机的代表有ADS40/80；面阵相机的代表有DMC、UCD和SWDC等。面阵CCD相机又分为拼接型和整帧型2种，拼接型的代表有DMC、UCD、SWDC等，整帧型的代表有DMC II系列[2](140、230、250)面阵相机等。

从成像视场的角度看，拼接型面阵CCD相机的技术实现方案主要有2种[3]：外拼接和内拼接。对于拼接方式的数字航空相机，国内外学者提出了不同类型的几何预处理解决方案。Christoph[4]等人针对DMC“四合一”外拼方式，用4组全色相机的外方位元素确定虚拟影像的投影中心，采用像方拼接实现整帧虚拟影像的生成。Smith[5]等人针对兼有内拼和外拼特点“九合一”UCD相机，最早利用摄影测量工作站完成UCD子影像的缝合处理，并进行了精度的评估。随着UCD相机换代产品UCX、UCXp的出现，Gruber[6]等人提出在考虑自检校参数的情况下，对传感器模型进行偏移补偿，利用修正后的校正参数进行二级影像的缝合与拼接。Ladstädter[7]等人引入温度依赖模型TDM，对UltraCam系列相机的影像缝合算法进行了改进，除了对全色波段重叠区域内的连接点进行匹配外，也对每个全色通道与绿色通道之间的连接点进行匹配，使缝合算法的稳健性和缝合结果及精度得到了提高。

国内研究人员紧跟大面阵CCD器件发展技术的前沿，在影像拼接方面提出了自己的独到见解。针对SWDC-4“四拼一”的设计，李健[8]等人将倾斜影像纠正成水平影像，利用旋转平移关系求解4幅影像的相对方位元素，将水平影像投影到虚拟影像上，实现原始影像的预处理。祝汉锋[9]在分析多模态数字航空相机系统MADC构像方式的基础上，根据共线方程推导了MADC宽视场相机系统几何校正的数学模型，实现了影像的几何校正和拼接。王慧[10]博士针对3+1大面阵CCD航测相机SPC-1系统构建了多面阵CCD影像像方拼接模型，提出了基于随机序列分析的模拟运动影像拼接算法，消除了由于采用分通道并行转移所带来的影像拼接缝问题。

本文以国内首个内拼式大面阵数字航测相机DMZ原型系统获取的影像为研究对象，重点分析了DMZ光路的实现方法和影像的构像特点，提出了多相机联合的几何预处理方法，并对实验结果进行分析和精度评定。

1 DMZ系统构成与影像特点

DMZ相机系统是运用内视场光路分光法实现等效地获取高精度大幅面影像的数字相机系统，它的传感器头部由5个独立的相机镜头组成，中间1个长焦镜头用于获取大面阵的全色影像，四周4个短焦镜头用于获取等幅面的红、绿、蓝和近红外影像，如图1所示。为了获取大幅面的影像，DMZ由10个CCD传感器记录原始影像，全色光路中有6个CCD传感器，配备有1分6的分光装置和6台FTF7040M型高品质7k×4k的CCD传感器单元，DMZ全色相机曝光一次可以获得6帧子影像。

DMZ按照单镜头框幅式成像原理设计，保持中心投影的几何关系。为了保证影像的整体性，DMZ在全色光路设计时，使子视场之间有像元的重叠，同一次曝光时刻DMZ获取的6帧全色子影像之间有一定的重叠区域。DMZ全色成像光路系统各子影像几何位置关系如图2所示。

图1 DMZ结构外形图

图2子影像几何位置关系图

DMZ在全色光路中引入分光装置的独特设计，保证了单镜头中心投影的几何关系和像点曝光的同步性，解决了空间上不能在同一个焦平面安置6台中等面阵CCD传感器单元的矛盾，实现了用6个中等面阵CCD组合获取等效大幅面摄影效果的设计理念；同时也为影像预处理过程中利用重叠区域内的子影像缝合拼接整帧等效大面阵影像提供了依据。

2 DMZ影像预处理的关键技术

对DMZ数字航测相机全色子影像进行几何预处理，既要消除相机内、外部等各种因素引起的几何变形，还要完成中等面阵子影像的缝合拼接以及生成整帧大面阵影像。对于DMZ全色影像，6帧子影像拼合成1整帧等效大面阵影像一般有“先校正后拼接”和“先拼接后校正”2种影像缝合方案。本文着重对“先校正后拼接”方案进行研究，构建基于多相机联合的影像几何校正与缝合方案，实现对DMZ全色子影像的几何校正、拼接、配准及等效虚拟影像的生成。

2.1 子帧影像的辐射纠正

为了对DMZ全色影像的辐射误差进行检测改正，课题组利用实验室条件对DMZ相机进行了整机测试，在相机镜头前垂直于镜头方向上，放置均匀的面状光源，在光源和镜头之间增加了匀光板，以保证光源的均匀性。通过控制不同的曝光时间间隔，使影像的平均灰度分布在20%~90%的范围内，共获取了19组子影像数据。

以均匀光源获取的无光晕影响区域的中心灰度为基准，按照辐射照度分布模型，设计了灰度补偿公式，用灰度补偿公式校正无光晕影像数据，用校正后的影像减去平均灰度值，获得影像辐射校正模板，然后采用模板法辐射校正方法消除全色子影像的辐射误差。

2.2 子帧影像内拼式几何校正模型

DMZ是采用内拼式的面阵数字相机，其相关辅助参数的准确性有待于进一步的检校与验证，因此布设了地面检校场，检校场布设了高精度的地面控制点，考虑到通用成像模型几何校正的优势，本文选择一般多项式模型实现各子影像的几何校正。

多项式校正法的原理是回避成像的空间几何过程，直接对影像变形的本身进行数学模拟。总体变形可以看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲以及更高次基本变形的综合作用结果，纠正前后影像相应点之间的坐标关系可以用一般多项式来表示，一般多项式的形式为：

式中， k=（i×i+j）/2+j（i，j=1,2,3…）；t为多项式的次数；ak、bk为多项式系数；（x，y）为像点的像平面坐标；（∆x，∆y）为相机内方位元素的几何误差改正量；（X，Y）为像点所对应地面点的坐标。

对子影像的纠正，本文选取三次多项式。利用地面布设的GCP和影像重叠区域内选取的连接点对辐射校正后的各子影像进行多项式变换。对式(1)进行线性化，列误差方程式，按最小二乘法原理答解多项式的系数ak、bk，利用多项式模型对原始子影像进行逐点纠正，并进行双线性像素重采样，完成对各子影像的几何纠正。

2.3 中等面阵子影像的缝合

对一次曝光获取的6帧子影像经过多项式模型变换生成纠正后的子影像，然后对纠正后的子影像在子影像接边重叠区域内，采用选权拼接线方式在重叠区域内对子影像进行缝合拼接，沿拼接线两侧5个像素范围内进行羽化，完成子影像的缝合拼接。

2.4 基于多相机联合的等效虚拟影像生成

多相机联合的思想是选用同次曝光获取的绿波段影像作为配准影像，将缝合后的全色影像进行反变换生成等效虚拟整帧影像，实现对DMZ影像的几何预处理，其原理如图3所示。首先对绿色影像进行镜头畸变的改正，消除镜头畸变的影响，根据地面控制点和绿色影像上的相应像点进行基于网格的多项式变换，形成基于像差改正网格的绿色参考影像；然后以绿色波段为参考影像，选择10对以上的同名像点，对缝合后的全色纠正影像与绿波段参考影像进行三次多项式模型的图像配准，将缝合后的整帧影像反变换，生成像方无畸变的等效虚拟影像。

2.5 等效影像立体验证

图3 基于多相机联合的等效虚拟影像生成原理图

为了验证等效虚拟影像的几何精度，该方案的可行性、有效性，对生成的2张等效影像构建立体模型，自动匹配连接点、判读地面控制点和检查点，进行空中三角测量计算，分析地面控制点GCP和检查点Chk的均方根误差RMSE。本文采用3种布控方案进行空三平差计算、分析和评估地面控制点和检查点的精度：①四角布设4GCP +36Chk；②四角双点布设8GCP+，中心双点布设2GCP+30Chk；③全部使用40GCP。

3 实验结果分析与结论

3.1 数据来源

2009年9月，对国产新型DMZ相机的原型系统在汉中进行实验飞行，其目的是验证新型相机DMZ的质量和数据的采集性能，并对DMZ进行检校，检测其影像几何后处理的精度结果。DMZ相机焦距为170 mm，全色像元大小为12 um，彩色像元大小为9 um，飞行航高为3 900 m，检校场地势平坦，高差起伏不大，整个测区共布设了212个地面控制标志点。地面控制点采用外业静态GPS观测，进行差分处理，在X、Y、Z3个方向上的精度均优于±5 cm。

3.2 数据处理方法与实验结果

对DMZ获取的6张8_10子影像按照本文提出的“先校正后拼接”缝合方案，分别对全色子影像进行校正和缝合实验。原始影像的排列顺序依次为第一排从左到右为1、3、5，第二排从左到右为2、4、6的排列顺序。图4为DMZ在同一次曝光时所获取的8_10原始全色6帧子影像。图5为采用模板法辐射校正后的6帧8_10子影像；图6为6帧8_10子影像上控制点和连接点的分布；图7为纠正后采用选权拼接线方式显示8_10子影像拼接线与缝合影像；图8为同一曝光时间获取的绿波段影像；图9为缝合后的影像与基于地理网格的多项式变换的绿色波段影像进行多相机联合纠正生成的8_10等效虚拟影像。

图4 原始影像

图5 辐射校正后影像

图6 控制点和连接点分布

图7 子影像拼接缝合

图8 绿波段影像

图9 等效虚拟影像

利用DMZ影像几何预处理方案分别对8_10和8_11影像进行处理，生成等效虚拟影像，构建立体像对，并采用了3种布控方案执行空三平差计算。从表1可知，通过立体模型对控制点和检查点精度进行检查，平面精度随着控制点的增多，精度有所提高。由于DMZ获取的绿色影像是1整帧影像，这使得缝合后的整帧影像与绿色参考影像之间连接点的几何质量非常稳定，在一定程度上保证了等效虚拟影像在几何上的精度；但是，由于绿颜色通道比全色通道的分辨率低，基于绿色参考影像的缝合精度受二者匹配时的精度影响会降低。本文所提的基于多相机联合的几何纠正影像拼接方法是基于实验区为平地和有密集地面控制点坐标的基础之上的，没有考虑地形起伏的影响，因此该方法生成的虚拟等效影像在高程方向的精度还有提升的空间。

表1 8_10与8_11等效虚拟影像构建立体模型的空三平差结果

4 结 语

本文对DMZ光路系统的构成与影像特点进行了分析，依据DMZ全色和多光谱影像提出了基于多相机联合的几何预处理方案，并对所提方案进行了分析，构建立体模型，采用3种布控方案进行了验证。本文提出的方法在一定条件下是可行、有效的，同时文中所得结果也是对DMZ影像几何性能进行的验证，为DMZ相机影像的预处理提供了可供参考的解决途径，是有益的探索性研究。

[1] 张祖勋. 航空数码相机及其有关问题[J].测绘工程，2004，13(4) ：1-5

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[10] 王慧．面阵CCD航测相机成像模型与处理技术[D]．郑州：中国人民解放军信息工程大学，2006

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。

项目来源：国家863计划资助项目（2008AA121203、2011AA7013031）。

赵桂华，硕士，主要研究方向为数字摄影测量理论和应用。