專利名稱：基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法。
背景技術(shù)：
在航空遙感中，由于海面上空氣流動復(fù)雜、波動大，飛機(jī)飛行姿態(tài)易受影響，使得機(jī)載多光譜遙感掃描儀成像姿態(tài)不穩(wěn)定，圖像幾何畸變嚴(yán)重，在數(shù)據(jù)應(yīng)用前必須首先進(jìn)行幾何校正。但由于部分多光譜遙感掃描儀未帶有IMU/POS(Inertial Measurement Unit/ Position and Orientation Solutions)等姿態(tài)角測量設(shè)備,給幾何校正帶來了極大挑戰(zhàn)。 本發(fā)明是一種無姿態(tài)信息條件下的基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法。國外機(jī)載多光譜掃描圖像幾何特性的研究開展較早，從20世紀(jì)60年代開始，一直為人們所關(guān)注。傳統(tǒng)的幾何糾正方法，利用參考點(diǎn)和最小二乘法擬合求取空間轉(zhuǎn)換多項式， 經(jīng)過插值求得校正圖像。該法能在一定程度上消除圖像的整體畸變，但對參考點(diǎn)要求較高， 且多為野外測量參考點(diǎn)坐標(biāo)，人力物力消耗大。早期的幾何校正方法僅利用控制點(diǎn)和最小二乘法擬合求取空間轉(zhuǎn)換多項式，經(jīng)插值求得校正圖像，但對于由平臺姿態(tài)、運(yùn)動變化引起的高頻畸變則無法消除。到了 1990年，
B.J. Devereux等提出了匹配Delannay三角形的機(jī)載多光譜掃描圖像幾何畸變校正方法。與傳統(tǒng)方法相比，該方法雖在精度上略有提高，但同樣需選取大量的控制點(diǎn)以形成三角形聯(lián)網(wǎng)。另一類校正方法稱非參數(shù)校正方法[2]，將原始圖像和校正圖像空間坐標(biāo)間的差異視為二維隨機(jī)場，其利用一組控制點(diǎn)，對每一點(diǎn)計算其原始空間坐標(biāo)與校正空間坐標(biāo)的差值，通過加權(quán)平均來完成幾何校正，權(quán)因子與至每個GCP的距離成反比。隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)以及 GPS定位技術(shù)的發(fā)展，從空間實(shí)現(xiàn)象元點(diǎn)幾何定位已成為可能。美國、加拿大等歐美國家具有先進(jìn)的 P0S/DG (Position and Orientation Solutions for Direct Georeferencing) 等測量飛行姿態(tài)角的設(shè)備，建立了相應(yīng)的校正模式，對沒有姿態(tài)角的情況研究較少。在我國，機(jī)載多光譜掃描圖像幾何特性研究起步較晚。其中中科院上海技術(shù)物理所研制的一個機(jī)載多光譜成像儀OMIS系統(tǒng),該系統(tǒng)將成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合在一起，在連續(xù)光譜段上對同一地物同時成像。對OMIS數(shù)據(jù)，人們做了一些航拍變形校正探討。郭小方[3]詳細(xì)分析了導(dǎo)致機(jī)載多光譜掃描圖像幾何畸變的因素，包括三個飛行姿態(tài)角變化、速高比不定、地面起伏等。張靜波[4]利用OMIS數(shù)據(jù)，針對中低空機(jī)載成像光譜圖像正切投影變形等幾何失真因素，建立了航空高光譜圖像單因素幾何校正模型，得出一種幾何畸變綜合校正方法，其中正切校正模式原理是以掃描線中心像元為起點(diǎn)，利用重采樣技術(shù)，以中心像元大小為定步長，分別向掃描線兩端展點(diǎn)，然后進(jìn)行插值運(yùn)算求出定步長各像元的灰度值。由于中心像元大小為定步長，向掃描線兩端展點(diǎn)的方法是一樣的。該方法基本消除了正切畸變，效果較好，但沒有完成最后的精校正。袁修孝[5]構(gòu)建了類似的推掃式傳感器糾正方程，不過該方程更多是利用成像數(shù)學(xué)關(guān)系，考慮地表情況不多。
針對海洋遙感圖像參考點(diǎn)難以提取的情況，毛志華Μ提出了一種利用海岸線選參考點(diǎn)的方法，將海岸線的拐點(diǎn)等設(shè)為參考點(diǎn)來校正衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。劉濤利用航空多光譜遙感器附帶的GPS數(shù)據(jù)和飛行參數(shù)，提出反演飛機(jī)姿態(tài)幾何糾正法。該法首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除輔助數(shù)據(jù)、消除時間延遲、轉(zhuǎn)換地理坐標(biāo)系、GPS插值處理等預(yù)處理，接著給出一種飛機(jī)可能的飛行模式。該模式假設(shè)飛機(jī)在一秒內(nèi)做圓周運(yùn)動，然后利用飛行動力學(xué)原理，反演出滾動角(掃描儀的側(cè)翻角)、俯仰角等姿態(tài)參數(shù)。最后利用構(gòu)象方程，計算像元坐標(biāo)。 在沒有姿態(tài)角的情況下，該法進(jìn)行了幾何校正的探索性研究，校正精度比以往的兩秒校正模式有很大提高，很好的解決航空多光譜遙感影像幾何粗校正問題。為滿足生產(chǎn)需求，我們需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行幾何精校正。相對航空遙感平臺，高精度高分辨率衛(wèi)星SPOT等航天遙感器軌道高、成像穩(wěn)定、 幾何變形較小，因此可以采用與高分辨率衛(wèi)星影像配準(zhǔn)的方法，糾正航空多光譜遙感圖像變形。參考文獻(xiàn)[I]B J Devereux,R M Fuller,L Carter,et al. 1990. Geometric correction of airborne scanner imagery by matching Delaunay triangles. International Journal of Remote Sensing,11(12) :2237-2251[2]Kindelan M, Moreno V, Valverde A, Geometric Correction of Airborne Multispectral Scanner Images. 15th International Symposium on Remote Sensing of environment,1981 1539-1549.[3]郭小方，王天興，張幼瑩，楊蘇明.機(jī)載多光譜掃描圖像幾何畸變的全自動校正·中國圖像圖形學(xué)報，1998，3 (5) :394 399.[4]張靜波.中、低空機(jī)載成像光譜圖像的幾何校正研究[J].鈾礦地質(zhì)，2001， 17(5) :307 313[5]袁修孝，張過.缺少參考點(diǎn)的衛(wèi)星遙感對地目標(biāo)定位[J].武行大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2003，28 (5) :505 508. ·[6]毛志華，黃海清，朱乾坤，潘德爐.利用海岸線的海洋遙感圖像控制點(diǎn)自動匹配法·海洋學(xué)報，2000，22 (5) :41 49.[7]劉濤.機(jī)載多通道掃描儀幾何校正算法研究及軟件開發(fā).國家海洋局第二海洋研究所碩士論文，2006.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供無姿態(tài)信息條件下一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法?；趫D像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法的步驟如下I)對待配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像，分別采用Sobel邊緣檢測算子進(jìn)行邊緣提取；2)利用Harris角點(diǎn)檢測法檢測待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像的角點(diǎn)；3)通過相關(guān)法進(jìn)行待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像角點(diǎn)間的粗關(guān)聯(lián)； 4)通過計算支持強(qiáng)度進(jìn)行兩個影像角點(diǎn)間的精關(guān)聯(lián)；5)根據(jù)多項式模型反算出多項式系數(shù)；6)采用雙線性內(nèi)插進(jìn)行灰度重采樣，生成配準(zhǔn)后的圖像。所述的步驟I)為為避免將海面灰度變化而誤認(rèn)為角點(diǎn)，首先對待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像分別進(jìn)行邊緣提取，本方法采用Sobel邊緣檢測算子，包括兩個有向算子，其中一個水平有向算子，一個垂直有向算子，每一個有向算子逼近一個偏導(dǎo)數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法，其特征在于它的步驟如下1)對待配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像，分別采用 Sobel邊緣檢測算子進(jìn)行邊緣提??；2)利用Harris角點(diǎn)檢測法檢測待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像的角點(diǎn)；3)通過相關(guān)法進(jìn)行待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像角點(diǎn)間的粗關(guān)聯(lián)；4)通過計算支持強(qiáng)度進(jìn)行兩個影像角點(diǎn)間的精關(guān)聯(lián)；5)根據(jù)多項式模型反算出多項式系數(shù)；6)采用雙線性內(nèi)插進(jìn)行灰度重采樣，生成配準(zhǔn)后的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法，其特征在于所述的步驟I)為為避免將海面灰度變化而誤認(rèn)為角點(diǎn)，首先對待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像分別進(jìn)行邊緣提取，本方法采用 Sobel邊緣檢測算子，包括兩個有向算子，其中一個水平有向算子，一個垂直有向算子，每一個有向算子逼近一個偏導(dǎo)數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法，其特征在于所述的步驟2)為Harris算子處理過程表示如下
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法，其特征在于所述的步驟3)為對于待配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像中任意一個角點(diǎn)a， 選定以a為中心的一個尺寸為(2m+l) X (2n+l)相關(guān)窗口，然后在標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像中與a具有相同坐標(biāo)的點(diǎn)選定一個(2p+l) X (2q+l)的矩形搜索區(qū)域，對于待配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像的角點(diǎn)a與標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像中落入搜索區(qū)域內(nèi)的角點(diǎn)群， 在給定的窗口完成相關(guān)操作，其相關(guān)系數(shù)定義為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法，其特征在于所述的步驟4)為角點(diǎn)精關(guān)聯(lián)從候選的匹配角點(diǎn)中找出一一對應(yīng)最好的角點(diǎn)的集合，首先計算角點(diǎn)的支持強(qiáng)度，采用松弛算法迭代，最后確定一一對應(yīng)的角點(diǎn)集合，獲得匹配點(diǎn)對，具體方法如下(I)對于航空多光譜遙感影像圖和標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像圖中候選對應(yīng)角點(diǎn) X、Y，假設(shè)其為一對真正對應(yīng)角點(diǎn)，在各自影像圖中R半徑鄰域內(nèi)，假設(shè)角點(diǎn)數(shù)目分別為 N⑴、N(Y)，若X、Y為一對真正的對應(yīng)角點(diǎn)，則在其鄰域內(nèi)，可能得到更多的對應(yīng)角點(diǎn)aX、 bY，也即一個鄰域內(nèi)角點(diǎn)相互支持；若(aX，bY)為對應(yīng)角點(diǎn)，其受真實(shí)對應(yīng)角點(diǎn)(X，Y)支持的必要條件是——^與W之間的角度小于Θ，這里R為1/8圖像寬度和高度的較小者，Θ取90°，當(dāng)以上假定得到滿足時，定義(Χ，Υ)與(aX，bY)的支持強(qiáng)度為
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正 方法，其特征在于所述的步驟5)為將角點(diǎn)一一對應(yīng)后，即可根據(jù)多項式模型反算出多項 式系數(shù)，多項式模型設(shè)計為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正 方法，其特征在于所述的6)步驟為對于一個目的像素，設(shè)置坐標(biāo)通過反向變換得到的浮 點(diǎn)坐標(biāo)為(i+u，j+v)，其中i、j均為非負(fù)整數(shù)，u、v為[0，1)區(qū)間的浮點(diǎn)數(shù)，則這個像素的 值f(i+u，j+v)可由待配準(zhǔn)的航空多光譜影像中坐標(biāo)為(i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)、(i+1， j+1)所對應(yīng)的周圍四個像素的值決定，即
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于圖像特征配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像幾何精校正方法。它的步驟如下1)對待配準(zhǔn)的航空多光譜遙感影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像，分別采用Sobel邊緣檢測算子進(jìn)行邊緣提??；2)利用Harris角點(diǎn)檢測法檢測待配準(zhǔn)的航空多光譜影像與作為標(biāo)準(zhǔn)的正射高分辨率衛(wèi)星影像的角點(diǎn)；3)通過相關(guān)法進(jìn)行兩種影像間的粗關(guān)聯(lián)；4)通過計算支持強(qiáng)度進(jìn)行兩種影像角點(diǎn)間的精關(guān)聯(lián)；5)根據(jù)多項式模型反算出多項式系數(shù)；6)采用雙線性內(nèi)插進(jìn)行灰度重采樣，生成配準(zhǔn)后的圖像。本發(fā)明比較好的解決了缺乏地面參考點(diǎn)的航空遙感圖像幾何校正問題，提高了航空多光譜掃描儀的幾何校正精度，使航空遙感技術(shù)能夠更好的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中。
文檔編號G06T5/00GK102609918SQ20121003405
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者毛志華, 沈亮, 潘德爐, 王迪峰, 龔芳 申請人:國家海洋局第二海洋研究所