基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法

石 宁，马慧云，张云生，邹峥嵘，孟俊俊

（中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙410083）

三线阵传感器以高影像分辨率、多波段成像能力、可形成3对立体像对和地面覆盖宽［1］等特点逐渐成为获取摄影测量与遥感数据的重要手段。ADS40作为机载三线阵传感器的代表，自被推出以来备受青睐［2－3］。它采用推扫式成像，可提供多种类型的数字影像数据［4］，且集成POS（I MU＿DGPS）系统，可为每条扫描线提供较为准确的外方位元素初值［5］。但由于受气流等因素影响，机载平台的轨道不稳定，导致飞行速度、飞行姿态角以及飞行航高等参数发生变化，某些扫描线不再平行，原始影像产生严重的扭曲变形。因此，须对原始影像进行几何预处理生成Level 1级影像，消除因轨道不平稳、姿态角变化等因素造成的几何变形。ADS40影像由Level 0级纠正到Level 1级通常有两种方法：直接法和间接法［6］。在原始影像生成过程中，存在影像重复或遗漏，采用直接法纠正影像，易导致纠正影像像元排列不规则、重复或遗漏，难以进行灰度内插获得规则排列的纠正影像［7］。因此，一般采用间接法纠正影像，即传统的反投影变换［8］，而如何高效搜索最佳扫描行是其中的关键。

三线阵CCD沿轨道方向推扫成像时，严格遵循中心投影关系 即共线方程，见式（1 其为反投影计算物方坐标和三线阵ADS40影像采用间接法纠正计算最佳扫描行的基础。

其中：（X，Y，Z）为物方坐标；（XS，YS，ZS）为摄影中心坐标；a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3为旋转矩阵元素；（x，y）为焦平面坐标；f为相机焦距。

ADS40航拍影像有几万、十几万甚至几十万行，如何高效搜索某一地面点的最佳扫描行是目前研究的重点和难点。最佳扫描行搜索算法目前主要有二分法［11］和顺序搜索算法［12］等。二分法初始搜索窗口的起始行为原始影像第一行，终止行为原始影像最后一行，影像搜索范围跨度太大；顺序搜索算法需物方点坐标经共线方程投影到焦平面、焦平面坐标投影到原始影像坐标、原始影像坐标反投影到焦平面，坐标系转换复杂。

本文在对ADS40影像成像规律和已有搜索算法深入理解分析基础上，提出一种基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法。本算法充分利用ADS40影像成像规律，其最佳扫描行初始搜索窗口相比二分法大大缩小，可解决传统搜索算法大量迭代导致的计算效率瓶颈。本文拟采用ADS40影像对算法进行验证并与二分法实验结果进行对比。

1 基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法

1．1 机载三线阵ADS40影像成像原理

三线阵成像时，放置在同一焦平面上的3个不同线阵（前视、下视、后视）在同一时刻分别捕获不同的物方点，成像在3个不同的影像条带上；同一物方点则在不同时刻分别成像在3个不同的影像条带上，如图1所示。因此，每个物方点都为三度重叠，任意两线阵生成的影像均可构建立体模型。每次扫描都会生成相应的POS数据，并有唯一的时间标志。

1．1．1 稳定情况下的成像规律

如果飞行平台稳定且飞行速度控制在相机标定范围内，理论上扫描线近似平行相邻。假设地物A－L为Level 1级影像某行像元点对应的物方点，扫描线第一次扫过地物A部分，第二次扫过地物B部分，以此类推，第N 次扫过地物L部分，如图2（a）所示。由于航拍时，平台易沿着与航向垂直方向发生细微的左右摆动（即“侧滚”），但扫描线中地物像点与地物本身位置顺序关系一致，所以最终形成的原始图像如图2（b）所示；具体实验中，稳定情况下，Level 1级影像某行像元点对应物方点的最佳扫描行在原始Level 0级影像中的分布情况如图2（c）所示，其大致分布与图2（b）中对应像点位置所在行类似，即最佳扫描行依次为地物A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L等像点所在行。

1．1．2 异常情况下的成像规律

如果在飞行瞬间，环境发生异常，平台发生小幅度偏移或抖动，此时某个或某几个扫描线会发生错位偏移。假如扫地物D部分的瞬间，平台发生偏移或抖动，以至扫描线首先扫到地物E部分，然后扫到地物D部分，如图3（a）所示，此时地物D、E两部分发生错位偏移，最终形成的原始影像如图3（b）所示。具体实验中，异常情况下，Level 1级影像某行像元点对应地面点的最佳扫描行在原始Level 0级影像中的分布情况如图3（c）所示，其大致分布与图3（b）中像点位置所在行稍有不同，其最佳扫描行同样为地物 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L等像点所在行，只是D、E部分发生错位，两部分像点所在行发生互换。

图1 ADS40影像成像原理示意图

图2 ADS40稳定时成像规律示意图

图3 ADS40异常时成像规律示意图

1．2 算法原理及流程

最佳扫描行为三线阵扫描地物时其像点在原始影像上的行号。根据1．1机载三线阵ADS40影像成像原理可知，扫描线中地物像点与地物本身位置顺序关系一致，因此，稳定成像情况下，如地物A部分的最佳扫描行已搜索到，搜索地物B部分的最佳扫描行时，则可以地物A部分的最佳扫描行作为搜索基准传播到地物B部分并结合设定的初始窗口搜索半径进行搜索；同样，搜索地物C部分的最佳扫描行时，可以地物B部分的最佳扫描行作为搜索基准传播到地物C部分并结合初始窗口搜索半径进行搜索；异常成像情况下，平台不稳发生偏移错位现象，此时地物D部分的最佳扫描行并不一定在地物C部分最佳扫描行的后面，用初始窗口搜索半径可能搜索不到其最佳扫描行，但地物D部分的最佳扫描行不会偏离地物C部分的最佳扫描行太远，可扩大窗口搜索半径搜索地物D部分的最佳扫描行，窗口可循环扩大至搜索到其最佳扫描行为止；每次进行下一地物点最佳扫描行搜索时，先以稳定成像情况处理，如未能搜索到其最佳扫描行，则以异常情况处理。基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法流程如图4所示。

1）程序起始阶段，为避免复杂的矩阵运算，利用外方位元素建立旋转矩阵查找表，以后进行矩阵运算时直接调用。

2）调用查找表及相机检校文件、相机支持文件等参数，计算Level 1级影像范围大小（行列号）。

3）执行二分法搜索Level 1级影像某行起始像元点对应的物方点在Level 0级影像上的最佳扫描行，具体步骤为：①给定初始搜索窗口。窗口起始搜索行为原始影像第一个扫描行TS，窗口终止搜索行为原始影像最后一个扫描行TE。中点搜索行为TM＝［（TS＋TE）／2］。②分别把TS，TE，TM行对应的外方位元素代入式（1），分别计算其在像方空间坐标系中距原点的距离d xS，d xE，d xM。假如d xS×d xM＜＝0，则 TS＝TS，TE＝TM；反之，则TS＝TM，TE＝TE。反复迭代直至搜索窗口宽度小于预先设定的阈值。③分别计算TS，TE行间对应的d x，绝对值最小的d x对应的行号为最佳扫描行L。

图4 位置传播算法流程图

4）根据位置传播算法原理搜索Level 1级影像本行下一像元点对应的物方点在Level 0级影像上的最佳扫描行，以上一像元点对应的物方点最佳扫描行L作为搜索基准，其搜索步骤为：①设定初始搜索窗口，初始窗口搜索半径设定为R，窗口起始行为TS＝L－R，窗口终止行为TE＝L＋R。②将TS，TE行间对应的外方位元素代入式（1），计算其在像方空间坐标系中距原点的距离d xS，d xE。如d xS×d xE＞0，则扩大窗口搜索半径R，计算d xS，d xE，直至d xS×d xE＜＝0。③分别计算TS，TE行间对应的d x，绝对值最小的d x对应的行号为最佳扫描行L。

5）判断此行所有像元点是否已经处理完毕，如果为否，重复步骤4）～5）；如果为是，此行处理完毕。

6）判断此行是否为Level 1级影像最后一行，如果为否，继续下一行的搜索，重复步骤3）～5）；如果为是，整幅图像处理完毕，程序结束。

2 实 验

实验均在Micr osoft Windows7操作系统下基于Microsoft Visual Studio 2010 C＋＋集成开发环境编写实现，计算机硬件配置CPU为Inter（R）Core（T M）i5－2400 3．10GHZ，内存容量为4 GB。

2．1 实验数据

本文选取徕卡ADS40影像对算法进行验证，影像参数见表1。

表1 实验影像

2．2 实验结果

采用1．2节所介绍的基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法对表1中实验影像进行最佳扫描行搜索，统计迭代和耗时结果，其中初始窗口搜索半径设定为1。同时采用二分法对表1中实验影像进行最佳扫描行搜索，步骤参考1．2算法流程中步骤1）～3），统计迭代和耗时结果，其中二分法阈值设定为5。采用效率比和迭代比对两种算法的迭代和耗时结果进行对比，效率比为二分法搜索时间比基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法搜索时间；迭代比为二分法平均迭代次数比基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法平均迭代次数。本文同步进行二分法与本算法纠正影像的匹配率统计，即在实验搜索完最佳扫描行后附加灰度重采样步骤，生成纠正影像，以二分法纠正生成的图像为基准影像，基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法纠正生成的图像为匹配影像。匹配率越高表明两种算法搜索到的最佳扫描行相同程度越高。二分法与基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法对比结果见表2。

表2 迭代、耗时和匹配率结果

2．3 结果分析

对实验结果进行分析，可得出以下结论：

1）由表2可知，二分法和基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法均受共线方程迭代次数影响，但二分法平均迭代17次而本算法平均迭代2次，所以相对二分法其迭代次数更少；由于迭代次数减少，所以本算法耗时减少，本次实验中二分法平均耗时为794 188 ms，而本算法平均耗时为119 123 ms。因此，本算法平均搜索效率更高，本次实验中为二分法的6．66倍。

2）由表1和表2可知，扫描行数量从73 400行增加到79 000行，二分法搜索次数逐渐增多，从17．16次增加到17．27次；基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法则不受扫描行数量的影响，只受扫描线偏移量影响，因此，搜索次数为2保持不变。相比二分法，扫描行数量越多，本算法越高效，本次实验中效率从6．59增加到6．73倍。因此，相比二分法，扫描行数量越多，本算法越高效。

3）由表2可知，基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法和二分法搜索算法结果匹配率非常高，平均达到99．99%，表明本算法具有较高的准确性。

3 结束语

ADS40传感器独特的成像方式导致最佳扫描行的搜索必不可少，目前国内对于这方面的研究还较少，对ADS40影像最佳扫描行的搜索算法进行改进，有助于实时、高效地纠正图像。本文在对ADS40影像成像规律和已有搜索算法进行深入理解分析的基础上，提出一种基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法。本算法充分利用ADS40影像成像规律，减少了迭代搜索次数，突破了搜索效率瓶颈，有效提高了ADS40影像最佳扫描行的搜索效率。实验证明本算法正确、高效，能达到几何预处理成图的精度。因此，本文提出的基于位置传播的ADS40 L0级影像最佳扫描行快速搜索算法能为实时、高效处理海量的ADS40数据提供支持。

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