一種遙感圖像自動幾何糾正的系統框架和方法

2023-06-21 04:54:41 1

專利名稱：一種遙感圖像自動幾何糾正的系統框架和方法
技術領域：
本發明涉及遙感圖像處理中的圖像幾何糾正技術，尤其是遙感圖像的幾何精糾正 或正射糾正技術。
背景技術：
遙感圖像在成像時，由於成像投影方式、傳感器外方位元素變化、傳感介質的不均 勻、地球曲率、地形起伏、地球旋轉等因素的影響，使獲得的遙感圖像相對於地表目標存在 一定的幾何變形。所有的遙感圖像在應用前必須進行幾何處理，使處理後圖像上的像元點 與地表的地理位置或地圖嚴格對準，該過程稱為遙感圖像的幾何糾正。遙感圖像的幾何糾正通常包括兩個過程系統校正或幾何粗糾正、幾何精糾正或 正射糾正。系統校正是糾正遙感圖像在幾何位置上的系統性形變。系統性幾何變形是有 規律的和可以預測的，可以通過模擬遙感平臺及遙感器內部變形的數學公式或模型來預 測，但由於可精確模擬和預測的系統性形變的精確度有限，導致系統誤差改正後影像上還 存在剩餘形變。剩餘形變一般認為是非系統性的形變，是由遙感平臺的高度、經緯度、速度 和姿態等不穩定因素或地球曲率變化等引起的，是難以預測的，一般藉助地面控制點(GCP， Ground ControlPoints)作進一步的幾何處理，實現圖像與標準參考圖像或地圖的配準，這 種對剩餘形變的糾正就是幾何精糾正。進一步地，利用GCP、數字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)或數字地形模型(DTM, Digital Terrain Modal)結合糾正模型糾正因 地形起伏、太陽高度角和成像視角引起的幾何形變，就是正射糾正。顯然，不管是幾何精糾正還是正射糾正都是建立在GCP基礎之上的，而控制點的 採集是需要經驗且繁重的工作。不考慮野外採集GCP的模式，常規的採集GCP的工作是由 人工對照地圖和圖像來完成的，而且控制點的精度依賴於採集者個人的認識水平和技能， 這使得採集控制點的工作耗時長，嚴重影響幾何糾正的效率。因此提高控制點的採集速度 是許多遙感圖像幾何糾正著力解決的問題。其中基於控制點庫的幾何糾正是許多商業系統 為提高几何糾正效率實際運行所採用的處理方式，如PCI軟體系統。假定控制點庫中已經存儲了控制點的經緯度坐標和以控制點為中心的圖像片。基 於控制點庫進行幾何精糾正或正射糾正的過程為根據待糾正影像四個角點的經緯度從數 據庫中查詢出落入該範圍的已知控制點片，並根據其地理坐標計算映射到待糾正影像的大 致位置，然後在待糾正影像上進行控制點圖像片的匹配檢測並定位控制點的位置。使用控制點庫糾正圖像有優點也有缺點。優點是控制點圖像片都是以特徵點為 中心選取的，在匹配時會得到較高的匹配度；控制點圖像片是局部數據，整體誤差對控制點 片匹配的影響較小；一定區域內控制點片的數量有限且分布相對均勻，因此匹配的效率較 高。缺點是需要大量的人工工作以採集充實控制點庫；某些區域內控制點片的數量可能 太少且分布密度太低；不同空間解析度和光譜波段的遙感圖像可能需要解析度和譜段不同 的控制點片。

發明內容
本發明針對現有技術中存在的缺陷和不足，提出一種新的遙感衛星圖像自動糾正 的框架，該框架沒有使用控制點庫而是一種利用幾何精度滿足要求的參考數據為基準圖像 對新圖像進行幾何糾正的系統和方法。它通過在參考圖像上和待糾正圖像進行自動匹配獲 得控制點，繼而通過控制點建立圖像形變模型來糾正圖像。本發明的技術方案如下一種基於區域級參考圖像對遙感衛星圖像自動糾正的框架和方法。其特徵在於包 括以下步驟(1)包含一個區域級參考圖像集。參考數據集主要包括兩類數據有準確地理編 碼的遙感圖像和同區域的DEM數據，數據的範圍可以是局部區域或全球範圍的數據，至少 包括待糾正圖像的區域。地理編碼的遙感圖像通常選用任何已經經過正射糾正，認為幾何 精度滿足要求可作為基準圖像的圖像組成；(2)控制圖像，即參考圖像集中感興趣區域(ROI)的提取。待糾正圖像是經過系統 糾正的圖像，系統待糾正圖像的四個角點坐標是包含了系統校正誤差的地理坐標，以此為 參考，加上系統誤差的估算值，可將對應於待糾正圖像的參考圖像和DEM(或DTM)提取出來 作為控制影像，稱為感興趣區域(ROI)圖像；(3)圖像自動匹配。將控制圖像與待糾正圖像進行自動匹配，獲得控制點；(4)圖像糾正。基於控制點建立待糾正圖像和控制圖像之間的糾正模型，繼而利用 糾正模型對待糾正圖像進行糾正。本發明與現有技術相比具有下列優點直接利用參考圖像動態提取臨時的圖像控 制點進行糾正，無需人工工作採集充實控制點庫；控制點的分布和數量可以依據需要調節； 可將參考數據集存儲在本地或異地，從而支持網絡環境下並行的幾何糾正作業。


圖1遙感圖像自動糾正框架和基本流程2利用待糾正圖像的角點坐標確定控制影像區域的示意3模板匹配模板窗口和搜索窗口示意4待糾正圖像和控制圖像自動匹配流程5NCC快速算法中和表s (u，ν)和s2 (u，ν)遞推關係示意圖
具體實施例方式下面結合附圖通過實施例對本發明作進一步的詳細說明。圖1是遙感圖像自動糾正框架和基本流程圖。它包括三個步驟(1)控制圖像或ROI提取。待糾正圖像是經過系統糾正的圖像，系統糾正圖像的四 個角點坐標是包含了系統校正誤差的地理坐標，以此為參考，加上系統誤差的估算值，可將 對應於待糾正圖像的參考圖像和DEM(或DTM)提取出來，作為控制圖像，該控制圖像的區域 覆蓋待糾正圖像含系統性誤差的範圍，如附圖2所示。附圖2中圖像的四個角點坐標分別 是C1, C2，C3, C4,由於是系統校正，每個坐標含有誤差，假設橫向和縱向誤差範圍不超過e，則 控制圖像的範圍是圖2中A的範圍，它覆蓋了待糾正圖像的區域範圍。
( 控制圖像與待糾正圖像的自動匹配。該步驟是整個發明的核心部分，包含五個 處理單元，如圖3所示。單元100利用待糾正圖像和控制圖像的空間解析度信息調整待糾正圖像的空間 解析度，使待糾正圖像的空間解析度與控制圖像的空間解析度相等。調整方法採用圖像重 採樣方法。另外可依據待糾正圖像的定向信息對圖像重新定向使其與控制圖像具有相同或 相似的定向。圖像重新定向本質是對圖像旋轉，也採用重採樣方法。一般可將解析度調整 和圖像定向在一個過程中完成。單元110是特徵點提取單元。實際應用中常常要求自動提取的控制點和人工選擇 的控制點有儘可能多相似的特徵，如控制點的候選點應具備以下特徵容易精確定位；穩 定、不易發生變化；有明顯的視覺特徵；角點、道路的拐點、交叉點等都是具有上述特徵的 點。為此採用特徵提取算子可以生成控制點候選點。遙感圖像處理中常見的特徵點提取算 子有Moravec算子、F0rstner算子、Harris算子等。可以選擇其中任何一個算子來提取特 徵點。在本發明的實施例中，我們選擇F0rstner算子提取特徵點，分別在待糾正圖像和參考 圖像上提取特徵點。單元120是特徵點匹配單元。經過單元100的處理，待糾正圖像和參考圖像具有 同樣的空間解析度和幾乎相同的定向。特徵點匹配一般採用模板匹配方法。模板匹配分別 以待糾正圖像和參考圖像上的特徵點為中心，在兩幅圖像中提取模板窗口和搜索窗口。模 板窗口通常選用方形窗口，窗口大小可以預先給定，比如取值129*129 ；搜索窗口通常也為 方形窗口，窗口尺寸寬一般至少取模板尺寸與加的和，e是系統誤差中橫向和縱向誤差的 最大值。模板匹配的過程就是模板窗口在搜索窗口中逐點移動，利用相似性判別準則計算 模板和其重疊區域的相似度或匹配度，找到相似度最大的位置，如果相似度大於設定的閾 值，就認為找到了一個匹配點。為忽略因亮度因素造成的圖像差異，本發明採用歸一化相關 係數Y (NCC,Normalized Cross Correlation)作為相似性判斷準則，並使用NCC快速算法 計算歸一化相關係數Y。歸一化相關係數的計算公式如下
權利要求
1.一種基於區域級參考圖像對遙感衛星圖像自動糾正的框架和方法。其特徵在於包括 以下步驟(1)包含一個區域級參考圖像集，參考數據集主要包括兩類數據有準確地理編碼的 遙感圖像和同區域的DEM數據，數據的範圍可以是局部區域或全球範圍的數據，至少包括 待糾正圖像的區域；地理編碼的遙感圖像通常選用任何已經經過正射糾正，認為幾何精度 滿足要求可作為基準圖像的圖像組成；(2)控制圖像，即參考圖像集中感興趣區域(ROI)的提取。待糾正圖像是經過系統糾正 的圖像，系統待糾正圖像的四個角點坐標是包含了系統校正誤差的地理坐標，以此為參考， 加上系統誤差的估算值，=可將對應於待糾正圖像的參考圖像和DEM(或DTM)提取出來作 為控制影像，稱為感興趣區域(ROI)圖像；(3)圖像自動匹配。將控制圖像與待糾正圖像進行自動匹配，獲得控制點；(4)圖像糾正。基於控制點建立待糾正圖像和控制圖像之間的糾正模型，繼而利用糾正 模型對待糾正圖像進行糾正。
2.根據權利要求1所述的圖像自動匹配方法，其特徵在於所述的控制圖像與待糾正 圖像的自動匹配包括四個處理步驟(1)利用待糾正圖像和控制圖像的空間解析度信息調整待糾正圖像的空間解析度，使 待糾正圖像的空間解析度與控制圖像的空間解析度相等；依據待糾正圖像的定向信息對圖 像重新定向使其與控制圖像具有相同或相似的定向；(2)利用興趣算子在待糾正圖像和參考圖像上提取特徵點；(3)採用模板匹配方法對於步驟( 獲得的特徵點進行匹配；(4)從步驟(3)的匹配結果中剔除誤匹配點；(5)將控制點進行均勻化處理，使控制點的分布比較均勻。
3.根據權利要求2步驟(1)所述的圖像解析度調整方法和圖像重新定向方法，其特徵 在於採用圖像重採樣方法實現。
4.根據權利要求2步驟( 所述的利用興趣算子提取特徵點的方法，其特徵在於可 用的興趣算子包括=Moravec算子、F5rstner算子、Harris算子、sift算子。
5.根據權利要求2步驟C3)所述的模板匹配方法，其特徵在於模板匹配分別以待糾 正圖像和參考圖像上的特徵點為中心，在兩幅圖像中提取模板窗口和搜索窗口，然後將模 板窗口在搜索窗口中逐點移動，計算模板和其重疊區域相似度或匹配度，找到相似度最大 的位置，如果相似度大於設定的閾值，就認為找到了一個匹配點。
6.根據權利要求2步驟(4)所述的誤匹配點的剔除方法，其特徵在於採用RANSAC算 法剔除。
7.根據權利要求2步驟(5)所述的控制點均勻化方法，其特徵在於結合網格剖分進 行控制點均勻化首先將輸入的待糾正的圖像進行網格剖分，網格大小為MXM，M值可以 依據圖像的寬、高確定，也可以由預期控制點總數估算得出；然後考察每個網格內的控制點 數。如果網格內僅有一個控制點，則保留該控制點；如果網格內控制點數目大於1，則保留 匹配度最高的控制點。
8.根據權利要求5所述的計算模板和其重疊區域相似度或匹配度的方法，其特徵在 於將歸一化相關係數作為相似性判斷準則。
9.根據權利要求8所述的計算歸一化相關係數的方法，其特徵在於採用NCC快速算 法計算歸一化相關係數。
全文摘要
本發明提供一種遙感圖像自動幾何糾正的系統框架和方法。該框架包含一個區域級參考圖像集，利用該參考數據為基準圖像對新圖像進行幾何糾正。主要包括三個步驟利用待糾正圖像的四個角點坐標信息和系統校正誤差的估算值，提取對應於待糾正圖像區域的參考圖像和DEM(或DTM)作為控制影像；將控制圖像與待糾正圖像進行自動匹配，獲得控制點；基於控制點建立待糾正圖像和控制圖像之間的糾正模型，對圖像進行糾正。
文檔編號G06K9/46GK102073990SQ20101056078
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者樂小峰, 唐亮, 唐娉, 胡昌苗, 譚書倫, 趙革, 鄭柯 申請人:中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院第五研究所, 中國科學院遙感應用研究所