空间信息导论第9讲-空间数据的采集技术4-传感器的几何特征.ppt
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- 空间 信息 导论 数据 采集 技术 传感器 几何 特征
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1、立体立体传感器的几何特征传感器的几何特征 3.2.1 像幅式摄影机的几何特征像幅式摄影机的几何特征 3.2.2 CCD直线阵列推扫式传感器的构像方直线阵列推扫式传感器的构像方程程 3.2.3 红外和多光谱扫描仪的构像方程红外和多光谱扫描仪的构像方程 3.2.4 全景摄影机的构像方程全景摄影机的构像方程 3.2.5 侧视雷达图像的构像方程侧视雷达图像的构像方程 像幅式摄影机的几何特征像幅式摄影机的几何特征 它所摄的影像为地面点的中心投影,其成像它所摄的影像为地面点的中心投影,其成像几何关系如图几何关系如图像幅式摄影机的几何特征像幅式摄影机的几何特征(1) 图中图中S为摄影机位置亦即摄影中心,为摄
2、影机位置亦即摄影中心, f为摄影机的焦距为摄影机的焦距 、 为摄影机姿态角,即像片平面绕空间坐标系为摄影机姿态角,即像片平面绕空间坐标系三个坐标轴的旋转角(航测中称为外方位元素的角三个坐标轴的旋转角(航测中称为外方位元素的角元素)。由图见摄影中心()、像点(元素)。由图见摄影中心()、像点()地面点()地面点()位于同一直线上,称之为位于同一直线上,称之为三点共线三点共线。 共线方程为:共线方程为:)()()()()()()()()()()()(332313322212332313312111spspspspspspspspspspspspZZaYYaXXaZZaYYaXXafyZZaYYaX
3、XaZZaYYaXXafx 式中:式中: x,y为像点为像点 在像平面坐标系在像平面坐标系oxy中的坐标;中的坐标; p,Yp,Zp为地面点在物方空间坐标系中的为地面点在物方空间坐标系中的坐标,坐标, Xs,Ys,Zs为摄影中心在物方空间坐标系中的坐为摄影中心在物方空间坐标系中的坐标;(航测中也称之为外方位元素之线元素)。标;(航测中也称之为外方位元素之线元素)。 a11 、 a12 、a13 、a21 、a22、 a23 、a31 、a32 、a33是摄影机姿态角的函数,其关系如下:是摄影机姿态角的函数,其关系如下:coscoscossincossinsinsinsincoscossinsi
4、ncoscossincoscossincossinsinsincossinsinsincoscos333231232221131211akkakkaakakaakkakkaCCD直线阵列推扫式传感器的构像方程直线阵列推扫式传感器的构像方程 CCD直线阵列推扫式传感器是行扫描动态传感器,直线阵列推扫式传感器是行扫描动态传感器,图像中每一行上所有像元都是在同一时刻成像图像中每一行上所有像元都是在同一时刻成像(如如图所示图所示),故在旁向,故在旁向(Y方向方向)可认为是中心投影关系,可认为是中心投影关系,而在而在航向航向(X方向方向)则是以时间为参数的正射投影则是以时间为参数的正射投影。所以,在垂直
5、成像情况下,所以,在垂直成像情况下,CCD直线阵列传感器图直线阵列传感器图像的共线方程可引用如下公式。像的共线方程可引用如下公式。 )()()()(ZYfyZXfxCCD直线阵列推扫式传感器的构像方程直线阵列推扫式传感器的构像方程 为了获取立体图像,为了获取立体图像,CCD传感器一般要进行两种倾斜扫描:传感器一般要进行两种倾斜扫描:一种是一种是CCD阵列沿航向前后倾斜一个固定角其构像方程为:阵列沿航向前后倾斜一个固定角其构像方程为: 另一种方案是使另一种方案是使CCD阵列沿旁向倾斜一个固定角阵列沿旁向倾斜一个固定角 ,这时,这时,令:令: B=E X Y Z t = 0 0 0t Up Vp
6、Wpt = 0 y -f t p )()()()()()(cos)()()()()()(sp33sp23sp13sp32sp22sp120sp33sp23sp13sp31sp21sp110ZZaYYaXXaZZaYYaXXafyZZaYYaXXaZZaYYaXXaftgfCCD直线阵列推扫式传感器的构像方程直线阵列推扫式传感器的构像方程 可得相应的共线方程如下:可得相应的共线方程如下: (x)、(y)为等效的垂直框幅摄影图像坐标。为等效的垂直框幅摄影图像坐标。 )()(sincossincos)()()(0)(0000ZYfyffyfyZXfx0000cossin0sincos0001c红外和
7、多光谱扫描仪的构像方程红外和多光谱扫描仪的构像方程 红外扫描仪红外扫描仪(IRS)和多光谱扫描仪和多光谱扫描仪(MSS)的的成像原理如图所示。成像原理如图所示。红外和多光谱扫描仪的构像方程红外和多光谱扫描仪的构像方程(1) 它通过反射镜它通过反射镜(m)的旋转来实现行扫描,通过飞行的旋转来实现行扫描,通过飞行器的前进来实现整幅图像的面扫描。由于聚焦透镜器的前进来实现整幅图像的面扫描。由于聚焦透镜(S)与探测器与探测器(D)之间的光距之间的光距(f)是固定不变的,并是固定不变的,并且每个被扫描的目标点且每个被扫描的目标点P都由探测器来检测成像都由探测器来检测成像(像像素间的区分,是通过检测抽样时
8、间间隔来实现素间的区分,是通过检测抽样时间间隔来实现),所以任意地面扫描线所以任意地面扫描线AB的图像是一条圆弧的图像是一条圆弧ab; 整幅图像是一个等效的圆柱面整幅图像是一个等效的圆柱面。 这类传感器具有全景投影的成像方式,它的任意一这类传感器具有全景投影的成像方式,它的任意一个像素的构像,等效于一架个像素的构像,等效于一架框幅摄影机沿旁向旋转框幅摄影机沿旁向旋转了扫描角了扫描角 后,以像幅中心点后,以像幅中心点(x=0,y=0)成像的几成像的几何关系。因此,对于通用构像方程有何关系。因此,对于通用构像方程有 )()()()()()()()()()()()(sp33sp23sp13sp32s
9、p22sp12sp33sp23sp13sp31sp21sp11ZZaYYaXXaZZaYYaXXaftgfZZaYYaXXaZZaYYaXXafx全景摄影机的构像方程全景摄影机的构像方程 全景摄影机的成像几何关系如图所示:全景摄影机的成像几何关系如图所示:全景摄影机的构像方程全景摄影机的构像方程 它的每幅图像是由一条曝光缝隙沿旁向扫描而成的。它的每幅图像是由一条曝光缝隙沿旁向扫描而成的。对于每条缝隙图像的形成,其几何关系等效于一架对于每条缝隙图像的形成,其几何关系等效于一架框幅摄影机沿旁向倾斜一个扫描角框幅摄影机沿旁向倾斜一个扫描角 后,以中心线后,以中心线(y=o)成像的情况。因此,对通用构
10、像方程可作定成像的情况。因此,对通用构像方程可作定义:义:Up Vp Wp T=x 0 -f T p 其他条件与红外和多光谱扫描仪的构像方程式的其他条件与红外和多光谱扫描仪的构像方程式的条件相同条件相同(包括包括C矩阵矩阵)。把这些关系代入此式,便。把这些关系代入此式,便可得全景摄影机的共线方程:可得全景摄影机的共线方程: )()()()()(cos/)(ZYftgfyzXfxx侧视雷达图像的构像方程侧视雷达图像的构像方程 侧视雷达是主动式传感器,其侧向侧视雷达是主动式传感器,其侧向(Y方向方向)的图像点坐标,取决于雷达微波往返于天线的图像点坐标,取决于雷达微波往返于天线和相应地物点之间的传播
11、时间,即天线至地和相应地物点之间的传播时间,即天线至地物点间的空间距离,所以该类传感器具有斜物点间的空间距离,所以该类传感器具有斜距投影的性质。侧视雷达有真实孔径雷达和距投影的性质。侧视雷达有真实孔径雷达和合成孔径合成孔径(相干相干)雷达两种。其工作方式又分雷达两种。其工作方式又分平面扫描和圆锥扫描等几种。因此,对它们平面扫描和圆锥扫描等几种。因此,对它们的构像方程亦有不同的表达。的构像方程亦有不同的表达。 A 侧视雷达的成像几何形态 B 圆锥扫描侧视雷达的 成像几何形态 当侧视雷达按侧向平面扫描方式工作时,其当侧视雷达按侧向平面扫描方式工作时,其成像投影方式如成像投影方式如A图所示。其构像方
12、程为:图所示。其构像方程为: )()()()()()( )()()()()()( sp33sp23sp13sp32sp22sp1222rrsp33sp23sp13sp31sp21sp11ZZaYYaXXaZZaYYaXXaffydZZaYYaXXaZZaYYaXXaf0 当侧视雷达按圆锥扫描方式工作时;其成当侧视雷达按圆锥扫描方式工作时;其成像几何形态如像几何形态如B图所示图所示 。相应的构像方程。相应的构像方程为为 :)()()()()()( cos)()()()()()( sinsp33sp23sp13sp32sp22sp12222asp33sp23sp13sp31sp21sp11aZZa
13、YYaXXaZZaYYaXXaffyZZaYYaXXaZZaYYaXXafy遥感图像的几何校正遥感图像的几何校正 传感器的成像几何形态,有传感器的成像几何形态,有中心投影、全景投影、中心投影、全景投影、斜距投影以及平行投影斜距投影以及平行投影等不同的类型。等不同的类型。 其中中心投影的图像视为基准图像,因为当竖直投其中中心投影的图像视为基准图像,因为当竖直投影、地面平坦的情况下,中心投影图像本身与地面影、地面平坦的情况下,中心投影图像本身与地面景物保持景物保持相似相似的关系,不存在由成像几何形态所造的关系,不存在由成像几何形态所造成的几何变形。成的几何变形。 在竖直情况下的平行投影(正射投影)
14、也是无几何在竖直情况下的平行投影(正射投影)也是无几何形态变形的。形态变形的。 、全景投影(如全景投影机所摄得的影像)和斜距、全景投影(如全景投影机所摄得的影像)和斜距投影(侧视雷达传感器所摄的影像)则存在图像几投影(侧视雷达传感器所摄的影像)则存在图像几何变形。其变形规律,可以通过与中心投影或正射何变形。其变形规律,可以通过与中心投影或正射投影的影像相比较而获得。投影的影像相比较而获得。传感器成像几何形态所带来的图像变形传感器成像几何形态所带来的图像变形 1全景投影变形全景投影变形 从图中可以看出红外机械扫描仪的成像面不是一个平面,从图中可以看出红外机械扫描仪的成像面不是一个平面,而是一个圆
15、柱面而是一个圆柱面MON,相当于全景摄影机的投影面,称之,相当于全景摄影机的投影面,称之为全景面。图中,地物点户在全景面上的像点为全景面。图中,地物点户在全景面上的像点p具有坐标具有坐标yp (一般图像中行序方向即飞行方向,通常定义为一般图像中行序方向即飞行方向,通常定义为x方向方向)。 yp=f / (a) 这里,这里,f是焦距,是焦距, 为成像角为成像角(以度为单位以度为单位), =572957 rad 假定有一个等效的中心投影成像面假定有一个等效的中心投影成像面oy,P点在点在soy上有坐标上有坐标yp,则,则 yp=ftg (b) 由由(a)式和式和(b)式可以得到全景图像坐标与等效中
16、心投影图像式可以得到全景图像坐标与等效中心投影图像坐标之间的相互转换关系,即坐标之间的相互转换关系,即 2斜距投影变形斜距投影变形 侧视雷达属斜距投影类型传感器,如图所示侧视雷达属斜距投影类型传感器,如图所示Y S为雷达天线中心,为雷达天线中心,Sy为雷达成像面。地物点为雷达成像面。地物点p的的图像坐标图像坐标yp,是雷达波束扫描方向的图像坐标,它,是雷达波束扫描方向的图像坐标,它取决于斜距取决于斜距Rp以及成像比例尺以及成像比例尺 , 其中,其中, 、C、H、f的意义与上式中各相应参量意的意义与上式中各相应参量意义相同。义相同。 由于有由于有Rp=H/cos 于是于是yp= Rp= H/co
17、s =f/cos HfC2 此外,地面点此外,地面点P在等效的中心投影图像在等效的中心投影图像oy 上的成像点上的成像点P ,的,的坐标坐标y p可表达为可表达为 y p=ftg 从上式可推导出雷达图像坐标和等效中心投影图像坐标间从上式可推导出雷达图像坐标和等效中心投影图像坐标间的转换关系,即的转换关系,即 于是,斜距投影的变形误差为于是,斜距投影的变形误差为 dy=yp -y p =f(1/cos tg )=yp1-sinarcos(f/yp) 斜距变形的图形变化如下图所示。斜距变形的图形变化如下图所示。 xx(b)全景投影变形图形 (c)斜距投影变形图形成像几何形态引起的图像变形成像几何形
18、态引起的图像变形 3.3.2传感器外方位元素变化的影响传感器外方位元素变化的影响 传感器的外方位元素,是指传感器成像时传感器的外方位元素,是指传感器成像时的位置的位置(Xs,Ys,Zs)和姿态角和姿态角( , , )。 当外方位元素偏离标准位置而出现变动时,当外方位元素偏离标准位置而出现变动时,就会使图像产生变形。这种变形一般是由地就会使图像产生变形。这种变形一般是由地物点图像的坐标误差来表达的,并可以通过物点图像的坐标误差来表达的,并可以通过传感器的构像方程写出。传感器的构像方程写出。 1 常规的像幅摄影机常规的像幅摄影机 像幅摄影机构像几何关系可用共线方程来表像幅摄影机构像几何关系可用共线
19、方程来表达:达: 式中,式中,x,y为地物点的图像坐标;为地物点的图像坐标;Xp、Yp、Zp为地物点地面坐标;为地物点地面坐标;f为摄影焦距;为摄影焦距;Xs,Ys,Zs是摄影机在地面坐标系中的坐标,是摄影机在地面坐标系中的坐标,aij为摄影机姿态角为摄影机姿态角 , , 的函数。的函数。 摄影机坐标和姿态角即摄影机外方位元素。摄影机坐标和姿态角即摄影机外方位元素。 aij为摄影机方向余弦矩阵为摄影机方向余弦矩阵A之元素,即:之元素,即: 333231232221131211aaaaaaaaaA 上式中:上式中:coscoscossincossinsinsinsincoscossinsinco
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