1、地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷 第6期2022年12月Vol.29 No.6December，2022自然资源统一调查监测技术体系构建基于资源三号03星的立体像对核线重采样方法研究Research on Epipolar Resampling Method of Stereo Image Based on ZY3-03 Satellite引文格式：张 政，许 殊，章文毅，等.基于资源三号03星的立体像对核线重采样方法研究J.地理信息世界,2022,29(6):21-25.张 政1,2，许 殊2，章文毅2，方 毅3，黄 鹏2，程 博21.中国科学院大学 资源与环境学院，北京
2、101400；2.中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100080；3.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079作者简介：张政（1999），男，陕西延安人，地图学与地理信息系统专业硕士研究生，主要研究方向为遥感E-mail：通信作者：许殊（1994），男，江苏扬州人，工程师，硕士，主要从事卫星摄影测量工作E-mail：收稿日期：2022-08-24ZHANG Zheng1,2，XU Shu2，ZHANG Wenyi2，FANG Yi3，HUANG Peng2，CHENG Bo21.College of Resources and Environment,University of
3、 Chinese Academy of Sciences,Beijing 101400,China;2.Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China;3.School of Remote Sensing and Information Engineering,Wuhan University,Wuhan 430079,China【摘要】针对ZY3-03卫星影像三维重建需求，基于资源三号03星前、正、后视影像提出了一种改进的基于物方基准的立体像对核线重采样方法。首
4、先对影像作分块处理，通过投影轨迹法定义核线，并利用最小二乘拟合法确定近似核线方向；其次建立原始影像到核线影像的正反坐标转换关系；最后利用双线性插值方法对核线影像进行重采样，并以核线影像同名点上下视差验证核线影像精度。实验证明，该方法生成的核线影像上下视差最大值为0.9个像素，均方根误差为0.5个像素，符合精度要求。【关键词】核线重采样；资源三号03星；有理函数模型；上下视差【中图分类号】P237 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）06-0021-05 Abstract：Tomeettheneedsof3DreconstructionofZY3-03satellitei
5、mages，basedonthefront，frontandrearviewimagesofZY3-03satellite，animprovedstereoimagere-samplingmethodbasedonobject-spacedatumisproposed.Firstly，theimageisdividedintoblocks，theepipolarlineisdefinedbytheprojectiontrajectorymethod，andtheapproximateepipolarlinedirectionisdeterminedbytheleastsquarefitting
6、method；Secondly，thecoordinatetransformationrelationshipbetweentheoriginalimagesandtheepipolarimagesisestablished；Finally，thebilinearinterpolationisusedtoresampletheepipolarimage，andtheparallaxoftheepipolarimagewasusedtoverifytheaccuracyoftheepipolarimage.Experimentsshowthatthemaximumvertical-paralla
7、xoftheepipolarimagegeneratedbythismethodis0.9pixel，andtherootmeansquareerroris0.5pixel，whichmeetstheaccuracyrequirements.Key words：epipolarresampling；ZY3-03satellite；RFM；vertical-parallax0 引 言在传统测绘技术与手段远远不能满足国民经济与社会信息化建设发展需要的大背景下，为建设和维持我国高精度的时空基准与基础地理信息数据库，资源三号卫星工程于 2012 年 1 月 9 日发射系列首颗卫星1。资源三号 03 星
8、（ZY3-03）是资源三号系列卫星的第三颗，于 2021 年 5 月 28 日正式交付运行。该星与目前在轨的资源三号 01、02 星共同组成我国立体测绘卫星星座，星上搭载的前、正、后视三线阵测绘相机能够获取同一测区 3 个角度的立体像对，保证我国高分辨率立体测绘数据的长期稳定获取，进而支撑自然资源动态变化监测与调查监测数据库建设。核线是数字摄影测量中的一个重要概念，它不仅能将二维影像匹配转化为一维影像匹配问题，而且在多影像匹配问题中还可以直接利用核线几何限制条件确定同名点2。在航空影像方面，张涛等3基于共线方程给出了倾斜影像与理想核线影像之间的坐标转换方程，赵祖军等4给出了一种基于斜线轨迹法确
9、定同名核线的新方法。在线阵推扫式影像方面，由于传感器成像过程中22地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷自然资源统一调查监测技术体系构建每行都对应着不同的外方位元素，因而线阵影像无法像框幅式影像一样给出严格的核线定义5。早在 20 世纪90 年代，张祖勋等就针对 SPOT 影像给出了一种基于多项式拟合法的近似核线排列方法6；巩丹超等建立了线阵 CCD 推扫式影像的核线理论基础与几何模型7；张永军等利用投影轨迹法得到近似核线并基于物方经纬度开展影像重采样8；张过等进一步利用 RPC 模型重建了核线影像的几何模型9；贾永红等从资源三号卫星彩色三维影像重建的需要出发，对波段融合后的影像数
10、据进行了核线重采样10；JANNATI 等针对异轨立体成像给出了一种基于轨道参数模型的核线重采样方法11。在核线应用方面，豆秀梅等基于双目摄像机影像同名核线构建了路面不规则四边形 DEM，并利用核线约束对立体像对进行密集匹配以得到三维点云数据12。为保证资源三号系列卫星影像数据产品更好地应用于自然资源调查监测工作中，本文从成像特点出发，给出了一套将原始影像作整体投影以生成核线影像的具体流程。首先将影像分块，对不同分块作批量处理；其次在确定物方基准核曲线投影轨迹近似直线方向时，采用最小二乘拟合方法给出近似核线；最后将原始影像沿核线方向在物方投影基准上做重投影得到核线影像。实验表明，按本文方法在已
11、知 RPC 参数文件的情况下无需测区 DEM 即能得到高精度核线影像对，为后续生成高质量空间数据产品进而支撑自然资源立体时空模型建设奠定了坚实的基础。1 研究思路1.1 核线几何模型对于 ZY3-03 卫星前、后视相机而言，由于在成像过程中通过行中心投影扫描成像，具有不完全中心投影成像几何的特点，核线几何关系与框幅式中心投影影像完全不同7，因而基于传统中心投影的共线方程成像几何模型给出严格的核线定义已不可行。本文基于 KIM13所提出的投影轨迹法给出线阵推扫式影像的近似核线几何模型。投影轨迹法将高程差异引起的点位轨迹定义为核线，如图 1 所示，在立体像对中取左影像上任一点p，设其位于核线l上，
12、基于左影像几何传感器模型并给定不同的高程面得到对应的地面点（Q1，Q2）。此时通过右影像几何传感器模型反算得到右影像上点（p1，p2）对其进行直线拟合即得到右影像上核线l。同样地，将（p1，p2）投影到左影像上得到对应点（p1，p2），且与p点位于同一核线上，将离散点拟合为直线即得到一对同名核线。图 1 基于投影轨迹法的核线几何模型Fig.1 Epipolar geometric model based on projection track method根据已有研究表明7，在线阵 CCD 推扫式成像中核线通常表现为类双曲线的曲线形式，但在影像范围内可视为近似直线；并且局部范围内由左右像对同名
13、像点拟合得到的核线一一对应。这一特性为本文用线性模型简化核线几何模型并开展后续工作提供了理论支撑。1.2 有理函数 RPC张力等14对有理函数模型这一广义几何成像模型在航天传感器几何建模中的应用做了总结。所谓有理函数模型（RFM）是直接采用数学函数将大地坐标D（Dlat，Dlon，Dhei）与对应的像点坐标（s，l）用比值多项式关联起来的一种广义的遥感卫星传感器成像几何模型15。基本公式如下：（1）为避免舍入误差，因此在计算过程中将大地坐标和影像坐标都做归一化处理，其中（P，L，H）为归一化后的大地坐标；（X，Y）为归一化后的影像坐标，具体公式如下：（3）（2）式中，（Dlat_off，Dla
14、t_scale，Dlon_off，Dlon_scale，Dhei_off，Dhei_scale）为大地坐标的标准化参数；（soff，ssclae，loff，lscale）为影像坐标的标准化参数。在已知 RPC 模型参数与大地高H的情况下，可将归一化大地坐标（P，L）作为未知参数建立误差方程，利用间接平差方法实现基于 RPC 模型的影像几何纠正。首先，对式（1）变形得到下式：（4）232022年 第6期自然资源统一调查监测技术体系构建张 政，等.基于资源三号03星的立体像对核线重采样方法研究式中，R为二维坐标旋转矩阵；G为坐标系缩放参数；dL dT 为坐标平移参数。如图 4 所示，将左右影像投影
15、到 OPD 上后，首先取投（11）（12）（5）（6）将该式针对（P，L）线性化并得到误差方程：根据间接平差原理，给定（P，L）初值，得到参数求解公式如下：然后更新归一化大地坐标（P，L）并进行迭代，最终得到（P，L）的平差值。利用式（2）即可求解得到大地坐标D（Dlat，Dlon，Dhei）。在由大地坐标反算影像坐标时，利用式（2）得到归一化大地坐标，再带入式（1）即可直接得到归一化影像坐标，最后利用式（3）即可最终得到影像坐标。1.3 物方投影基准WANG 等16提出了一种基于投影基准面的核线影像生成方法，实现了影像整体投影进行核线纠正。本文在此基础上给出物方投影基准的概念及几何模型。所谓
16、物方投影基准（OPD）即定义在给定地球椭球切平面坐标系上的水平面，其中切平面坐标系原点取影像测区内任一点，定义为Y轴指北的右手坐标系；然后取测区平均高程为水平面的Z值，得到 OPD，其中AP 为左右原始影像在物方投影基准上的投影范围交集（图 2）。图 2 物方投影基准几何模型Fig.2 Geometric model of the object-space projection datum2 技术路线2.1 确定近似核线方向设A点为左影像中心点，给定按大小排列的在平均高程附近的 N 个高程值，通过影像坐标与大地坐标之间的转换关系得到右影像上与A点位于同名核线上的 N 个点，再将这 N 个点投影到 OPD 上，利用最小二乘拟合法就得到了左右核曲线近似直线在 OPD 上的排列方向（图3）。取 N=2，其中P3P4方向即为近似核线方向。图 3 近似核线在物方投影基准的排列方向Fig.3 Direction of approximate epipolar lines in the object-space projection datum2.2 计算坐标转换关系2.2.1 原始影像坐标与大地坐
