技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及光譜技術(shù)，遙感測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)載高光譜圖像的幾何校正裝置及其方法，該方法適用于輕小型低成本高分辨率光譜遙感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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推掃式高光譜相機(jī)是一種采用線陣推掃成像方式的高光譜成像儀。推掃式高光譜相機(jī)常與機(jī)載平臺(tái)相結(jié)合，具有光譜波段多，波段連續(xù)，圖譜合一的特點(diǎn)，能夠提供豐富的地表信息。目前已廣泛應(yīng)用于巖礦識(shí)別，植被類(lèi)型區(qū)分，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

在成像過(guò)程中，由于飛機(jī)運(yùn)動(dòng)和氣流影像，推掃成像方式獲取的高光譜數(shù)據(jù)會(huì)存在較大的幾何畸變，這種畸變會(huì)嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，有時(shí)候甚至造成了圖像無(wú)法目視判讀，嚴(yán)重影響了影像的正常應(yīng)用。對(duì)于幾何校正，最基本的是需要獲取成像系統(tǒng)的外方位元素，即航偏角γ、俯仰角α和側(cè)滾角β(heading,pitch,roll,hpr)。目前常用的方法為地面控制點(diǎn)法和慣性姿態(tài)測(cè)量法。對(duì)于第一種方法，在困難地區(qū)，無(wú)圖區(qū)或者人員不能通達(dá)的地區(qū)，人們常常只能獲得少量地面控制點(diǎn)或者根本無(wú)法獲得地面控制點(diǎn)。對(duì)于第二種方法，普通民用慣性姿態(tài)測(cè)量產(chǎn)品(如mese陀螺)的精度一般只能做到±0.1°，無(wú)法對(duì)分辨率達(dá)到毫弧度量級(jí)的高分辨率高光譜圖像進(jìn)行像元級(jí)別幾何校正。某些能夠達(dá)到要求的慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，比如航空位置與姿態(tài)自動(dòng)測(cè)量和穩(wěn)定裝置(pos)，激光陀螺等，絕對(duì)角度精度能夠做到±0.001°，但價(jià)格昂貴，動(dòng)輒幾百萬(wàn)，并且重量達(dá)到數(shù)公斤，影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本發(fā)明采用的三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)成本可以控制在10萬(wàn)元以下，并具有高精度的特點(diǎn)，因此本發(fā)明提供的機(jī)載高光譜圖像實(shí)時(shí)幾何校正方法及裝置，能夠很好解決當(dāng)前機(jī)載高光譜相機(jī)姿態(tài)測(cè)量成本高的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種機(jī)載高光譜圖像的幾何校正裝置和校正方法。

本發(fā)明所述的裝置，由運(yùn)輸機(jī)，機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)控制器1，機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)2，固定支架3，慣性姿態(tài)測(cè)量模塊4，高速面陣cmos相機(jī)5，高光譜相機(jī)6組成。整套裝置可以配合運(yùn)12型運(yùn)輸機(jī)使用。運(yùn)輸機(jī)艙提供測(cè)量窗口，在窗口上安裝機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)。該穩(wěn)定平臺(tái)由鋁合金制作，并提供多種機(jī)械安裝接口。穩(wěn)定平臺(tái)自帶一款低成本的mems慣性姿態(tài)測(cè)量模塊，能夠通過(guò)反饋控制使平臺(tái)穩(wěn)定在±0.05°～±0.1°。穩(wěn)定平臺(tái)中心為固定支架，支架中心固定一個(gè)高光譜相機(jī)。三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)以高光譜相機(jī)中心視場(chǎng)主光軸為對(duì)稱軸，呈正三角形分布。三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)透鏡中心距離光譜儀安裝支架中心50cm，與光譜儀相機(jī)光軸平行。

綜合考慮像元規(guī)模、像元尺寸和幀頻三個(gè)指標(biāo)參數(shù)，結(jié)合項(xiàng)目需求，光譜儀決定采用加拿大dalsa公司的jugar型ccd探測(cè)器。該款ccd為四相面陣背照減薄幀轉(zhuǎn)移型探測(cè)器，光譜儀波段范圍是0.4-1.0um,光譜分辨率小于5nm。

cmos采用英國(guó)e2v公司的ev76c664型探測(cè)器。在典型應(yīng)用模式下，該面陣相機(jī)適應(yīng)作業(yè)高度1000～8000m，飛行速度180km/h～800km/h，在3000m作業(yè)高度時(shí)，空間分辨率0.25毫弧度(mrad)，幀速為350幀/秒。則此時(shí)每個(gè)高速面陣cmos相機(jī)地面分辨率為：

2×3000×tan(0.25×256/1000/2)≈200m.(1)

該像元分辨率優(yōu)于高光譜相機(jī)，是高光譜相機(jī)像元分辨率的3倍左右。該模式下具有突出的地物探測(cè)和識(shí)別能力。

電子學(xué)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、信息獲取模塊、主控模塊和通信模塊組成，驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)輸入電源進(jìn)行去耦、分配，為探測(cè)器正常工作提供所需的偏壓。信息獲取模塊為cmos芯片提供輸入輸出接口，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行射級(jí)跟隨，提高信號(hào)的傳輸能力，將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入主控fpga中。主控模塊為驅(qū)動(dòng)模塊提供驅(qū)動(dòng)時(shí)序、控制的視頻信號(hào)處理、編排數(shù)據(jù)格式、控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。通信模塊對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，并經(jīng)同軸電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄設(shè)備中。

高光譜相機(jī)和三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)同時(shí)對(duì)地面成像。首先，高速面陣cmos獲取的圖形進(jìn)行基于直方圖的圖像標(biāo)準(zhǔn)二值化處理，采用灰度平均值值法，即使用整幅圖像的灰度平均值最為二值化的閾值。

threshold＝sum/amount(4)

其中，h(g)為各顏色分量的直方統(tǒng)計(jì)函數(shù)，g為各個(gè)分量，sum為整幅圖像的灰度統(tǒng)計(jì)總和，amount為灰度統(tǒng)計(jì)數(shù)量，threshold即為閾值。

接著進(jìn)行濾波和圖像特征點(diǎn)的提取。濾波主要采用高斯濾波，即線性平滑濾波。對(duì)整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均，每一個(gè)像素點(diǎn)的值都由本身和領(lǐng)域內(nèi)的其他像素值經(jīng)過(guò)加權(quán)平均得到。特征提取采用尺寸不變特征變換算法(sift)，利用原始圖像與高斯核函數(shù)的卷積來(lái)建立尺寸空間，并在高斯差分空間金字塔上提取出尺寸不變性的特征點(diǎn)。

對(duì)于連續(xù)兩幅圖像，我們對(duì)后一張進(jìn)行坐標(biāo)變換。通過(guò)對(duì)不同的航偏、俯仰和側(cè)滾角組合進(jìn)行網(wǎng)格搜索，在兩幅圖像左，中，右分別選取三個(gè)特征區(qū)域，比對(duì)前后兩張圖像特征區(qū)域中的特征點(diǎn)來(lái)確定姿態(tài)角即航偏角γ、俯仰角α和側(cè)滾角β。例如。對(duì)于地面特征點(diǎn)a，在水平圖像p⁰和傾斜圖像p上的構(gòu)像分別是a⁰和a,對(duì)應(yīng)的以各自像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x⁰,y⁰)和(x,y)。則有：

其中，f為焦距。利用該公式獲得俯仰角α，同理可獲取其余兩個(gè)角度。

為了獲得相對(duì)于地面坐標(biāo)系的絕對(duì)姿態(tài)角，需要對(duì)系統(tǒng)初始姿態(tài)進(jìn)行定標(biāo)。這里采取通過(guò)地面控制點(diǎn)來(lái)獲取測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)角的方法。控制點(diǎn)的地理坐標(biāo)提前確定。當(dāng)三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)平拍攝到地面控制點(diǎn)后，通過(guò)控制點(diǎn)的地理坐標(biāo)和在圖像上的位置坐標(biāo)，來(lái)計(jì)算相機(jī)平臺(tái)當(dāng)前的姿態(tài)角。此姿態(tài)角即為后面計(jì)算用到的初始角度。

獲取姿態(tài)角α,β,γ后，基于共線方程計(jì)算因飛機(jī)姿態(tài)變化導(dǎo)致的像點(diǎn)位移。由攝影測(cè)量基本原理，線中心投影的幾何關(guān)系可以用共線方程表示：

其中，f為焦距，xreal和yreal是地物點(diǎn)的實(shí)際地理坐標(biāo)，(x,y)為像素點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(x,y,z)為像素點(diǎn)在圖像框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(xs,ys,zs)為投影中心在圖像框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，ai,bi,ci(i＝1,2,3)為只含三個(gè)獨(dú)立參數(shù)的九個(gè)方向余弦，它們可由以下公式計(jì)算獲得：

計(jì)算出全部像素點(diǎn)的地面坐標(biāo)后，對(duì)圖像進(jìn)行重采樣操作。用該坐標(biāo)來(lái)替換原高光譜圖像的坐標(biāo)，進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)幾何校正。

有益效果：

本發(fā)明解決了低成本云臺(tái)實(shí)現(xiàn)高光譜圖像的幾何校正的問(wèn)題。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，精度高，計(jì)算速度快，能夠?qū)D像進(jìn)行像元級(jí)別的實(shí)時(shí)幾何校正。

附圖說(shuō)明：

圖1是機(jī)載光譜圖像的幾何校正裝置示意圖。

圖2是算法流程圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

圖1是機(jī)載光譜圖像的幾何校正裝置示意圖。包括運(yùn)輸機(jī)，機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)控制器1，機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)2，固定支架3，慣性姿態(tài)測(cè)量模塊4，高速面陣cmos相機(jī)5，高光譜相機(jī)6組成。機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)2在運(yùn)輸機(jī)窗口上水平固定，z軸與地面鉛垂線方向一致。在電機(jī)控制下，并通過(guò)慣性姿態(tài)測(cè)量模塊4的反饋控制，能夠使其x,y軸穩(wěn)定在±0.05°～±0.1°。機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)2上有固定支架3，在3上固定有一個(gè)高光譜相機(jī)6。三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)以高光譜相機(jī)中心視場(chǎng)主光線為對(duì)稱軸，呈呈正三角形分布。三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)透鏡中心距離光譜儀中心50cm，與高光譜相機(jī)的光軸平行。7是其中一個(gè)高速面陣cmos相機(jī)的投影區(qū)域，10是高光譜相機(jī)的投影區(qū)域。

根據(jù)前后圖像特征匹配的方法只能得到平臺(tái)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。為了獲得相對(duì)于地面坐標(biāo)系的絕對(duì)姿態(tài)角，需要對(duì)系統(tǒng)初始姿態(tài)進(jìn)行定標(biāo)。多項(xiàng)式模型轉(zhuǎn)換是常用的一種方法。該方法是通過(guò)對(duì)原始影像坐標(biāo)(行，列)與地理參考坐標(biāo)之間數(shù)學(xué)關(guān)系，來(lái)獲取當(dāng)前測(cè)量平臺(tái)相對(duì)于地面坐標(biāo)系的姿態(tài)角。根據(jù)影像的變形程度，我們可以使用一階多項(xiàng)式，二階多項(xiàng)式和三階多項(xiàng)式等幾種，分別計(jì)算6個(gè)，12個(gè)，20個(gè)未知變形參數(shù)，因此需要3個(gè)，6個(gè)，10個(gè)控制點(diǎn)才能完成計(jì)算。為了提高校正精度，本發(fā)明采用10個(gè)控制點(diǎn)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)初始姿態(tài)角。在地面建有10個(gè)人工控制點(diǎn)8。并已知他們的坐標(biāo)。當(dāng)面陣相機(jī)檢測(cè)到這些人工控制點(diǎn)后，通過(guò)計(jì)算它們的圖像位置關(guān)系和實(shí)際地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，來(lái)確定平臺(tái)的初始姿態(tài)角。確定初始姿態(tài)角后，后續(xù)解算的相對(duì)姿態(tài)角即可轉(zhuǎn)化為絕對(duì)姿態(tài)角，從而進(jìn)行光譜圖像的幾何校正。

圖2是數(shù)據(jù)處理流程圖。首先將三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)拍攝的照片進(jìn)行二值化處理和濾波后，提取出圖像的特征點(diǎn)和特征向量。接著判斷這些特征點(diǎn)是否為人工控制點(diǎn)。如果是，則計(jì)算相機(jī)平臺(tái)的初始姿態(tài)角，即進(jìn)行姿態(tài)角定標(biāo)。如果否，則通過(guò)對(duì)比三個(gè)高速面陣cmos相機(jī)拍攝的前后圖像特征，得到相機(jī)平臺(tái)的航偏角γ、俯仰角α和側(cè)滾角β。得到這些角度后，利用共線方程，即可求得每個(gè)像素點(diǎn)相對(duì)地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)。然后，對(duì)坐標(biāo)變換后的像素值進(jìn)行重新采樣，即可得到幾何校正后的圖像。