專利名稱：一種遙感圖像自動幾何糾正的系統(tǒng)框架和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感圖像處理中的圖像幾何糾正技術(shù)，尤其是遙感圖像的幾何精糾正 或正射糾正技術(shù)。
背景技術(shù)：
遙感圖像在成像時，由于成像投影方式、傳感器外方位元素變化、傳感介質(zhì)的不均 勻、地球曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)等因素的影響，使獲得的遙感圖像相對于地表目標(biāo)存在 一定的幾何變形。所有的遙感圖像在應(yīng)用前必須進(jìn)行幾何處理，使處理后圖像上的像元點 與地表的地理位置或地圖嚴(yán)格對準(zhǔn)，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(tǒng)校正或幾何粗糾正、幾何精糾正或 正射糾正。系統(tǒng)校正是糾正遙感圖像在幾何位置上的系統(tǒng)性形變。系統(tǒng)性幾何變形是有 規(guī)律的和可以預(yù)測的，可以通過模擬遙感平臺及遙感器內(nèi)部變形的數(shù)學(xué)公式或模型來預(yù) 測，但由于可精確模擬和預(yù)測的系統(tǒng)性形變的精確度有限，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差改正后影像上還 存在剩余形變。剩余形變一般認(rèn)為是非系統(tǒng)性的形變，是由遙感平臺的高度、經(jīng)緯度、速度 和姿態(tài)等不穩(wěn)定因素或地球曲率變化等引起的，是難以預(yù)測的，一般借助地面控制點(GCP， Ground ControlPoints)作進(jìn)一步的幾何處理，實現(xiàn)圖像與標(biāo)準(zhǔn)參考圖像或地圖的配準(zhǔn)，這 種對剩余形變的糾正就是幾何精糾正。進(jìn)一步地，利用GCP、數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)或數(shù)字地形模型(DTM, Digital Terrain Modal)結(jié)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(chǔ)之上的，而控制點的 采集是需要經(jīng)驗且繁重的工作。不考慮野外采集GCP的模式，常規(guī)的采集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于采集者個人的認(rèn)識水平和技能， 這使得采集控制點的工作耗時長，嚴(yán)重影響幾何糾正的效率。因此提高控制點的采集速度 是許多遙感圖像幾何糾正著力解決的問題。其中基于控制點庫的幾何糾正是許多商業(yè)系統(tǒng) 為提高幾何糾正效率實際運行所采用的處理方式，如PCI軟件系統(tǒng)。假定控制點庫中已經(jīng)存儲了控制點的經(jīng)緯度坐標(biāo)和以控制點為中心的圖像片。基 于控制點庫進(jìn)行幾何精糾正或正射糾正的過程為根據(jù)待糾正影像四個角點的經(jīng)緯度從數(shù) 據(jù)庫中查詢出落入該范圍的已知控制點片，并根據(jù)其地理坐標(biāo)計算映射到待糾正影像的大 致位置，然后在待糾正影像上進(jìn)行控制點圖像片的匹配檢測并定位控制點的位置。使用控制點庫糾正圖像有優(yōu)點也有缺點。優(yōu)點是控制點圖像片都是以特征點為 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(shù)據(jù)，整體誤差對控制點 片匹配的影響較??；一定區(qū)域內(nèi)控制點片的數(shù)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采集充實控制點庫；某些區(qū)域內(nèi)控制點片的數(shù)量可能 太少且分布密度太低；不同空間分辨率和光譜波段的遙感圖像可能需要分辨率和譜段不同 的控制點片。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，提出一種新的遙感衛(wèi)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(shù)據(jù)為基準(zhǔn)圖像 對新圖像進(jìn)行幾何糾正的系統(tǒng)和方法。它通過在參考圖像上和待糾正圖像進(jìn)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(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于區(qū)域級參考圖像對遙感衛(wèi)星圖像自動糾正的框架和方法。其特征在于包 括以下步驟(1)包含一個區(qū)域級參考圖像集。參考數(shù)據(jù)集主要包括兩類數(shù)據(jù)有準(zhǔn)確地理編 碼的遙感圖像和同區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的范圍可以是局部區(qū)域或全球范圍的數(shù)據(jù)，至少 包括待糾正圖像的區(qū)域。地理編碼的遙感圖像通常選用任何已經(jīng)經(jīng)過正射糾正，認(rèn)為幾何 精度滿足要求可作為基準(zhǔn)圖像的圖像組成；(2)控制圖像，即參考圖像集中感興趣區(qū)域(ROI)的提取。待糾正圖像是經(jīng)過系統(tǒng) 糾正的圖像，系統(tǒng)待糾正圖像的四個角點坐標(biāo)是包含了系統(tǒng)校正誤差的地理坐標(biāo)，以此為 參考，加上系統(tǒng)誤差的估算值，可將對應(yīng)于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(qū)域(ROI)圖像；(3)圖像自動匹配。將控制圖像與待糾正圖像進(jìn)行自動匹配，獲得控制點；(4)圖像糾正?；诳刂泣c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(jìn)行糾正。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點直接利用參考圖像動態(tài)提取臨時的圖像控 制點進(jìn)行糾正，無需人工工作采集充實控制點庫；控制點的分布和數(shù)量可以依據(jù)需要調(diào)節(jié)； 可將參考數(shù)據(jù)集存儲在本地或異地，從而支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下并行的幾何糾正作業(yè)。


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(biāo)確定控制影像區(qū)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(guān)系示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)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(jīng)過系統(tǒng)糾正的圖像，系統(tǒng)糾正圖像的四 個角點坐標(biāo)是包含了系統(tǒng)校正誤差的地理坐標(biāo)，以此為參考，加上系統(tǒng)誤差的估算值，可將 對應(yīng)于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(qū)域 覆蓋待糾正圖像含系統(tǒng)性誤差的范圍，如附圖2所示。附圖2中圖像的四個角點坐標(biāo)分別 是C1, C2，C3, C4,由于是系統(tǒng)校正，每個坐標(biāo)含有誤差，假設(shè)橫向和縱向誤差范圍不超過e，則 控制圖像的范圍是圖2中A的范圍，它覆蓋了待糾正圖像的區(qū)域范圍。
( 控制圖像與待糾正圖像的自動匹配。該步驟是整個發(fā)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分辨率信息調(diào)整待糾正圖像的空間 分辨率，使待糾正圖像的空間分辨率與控制圖像的空間分辨率相等。調(diào)整方法采用圖像重 采樣方法。另外可依據(jù)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(zhì)是對圖像旋轉(zhuǎn)，也采用重采樣方法。一般可將分辨率調(diào)整 和圖像定向在一個過程中完成。單元110是特征點提取單元。實際應(yīng)用中常常要求自動提取的控制點和人工選擇 的控制點有盡可能多相似的特征，如控制點的候選點應(yīng)具備以下特征容易精確定位；穩(wěn) 定、不易發(fā)生變化；有明顯的視覺特征；角點、道路的拐點、交叉點等都是具有上述特征的 點。為此采用特征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征點提取算 子有Moravec算子、F0rstner算子、Harris算子等?？梢赃x擇其中任何一個算子來提取特 征點。在本發(fā)明的實施例中，我們選擇F0rstner算子提取特征點，分別在待糾正圖像和參考 圖像上提取特征點。單元120是特征點匹配單元。經(jīng)過單元100的處理，待糾正圖像和參考圖像具有 同樣的空間分辨率和幾乎相同的定向。特征點匹配一般采用模板匹配方法。模板匹配分別 以待糾正圖像和參考圖像上的特征點為中心，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(yù)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(tǒng)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(zhǔn)則計算 模板和其重疊區(qū)域的相似度或匹配度，找到相似度最大的位置，如果相似度大于設(shè)定的閾 值，就認(rèn)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(fā)明采用歸一化相關(guān) 系數(shù)Y (NCC,Normalized Cross Correlation)作為相似性判斷準(zhǔn)則，并使用NCC快速算法 計算歸一化相關(guān)系數(shù)Y。歸一化相關(guān)系數(shù)的計算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于區(qū)域級參考圖像對遙感衛(wèi)星圖像自動糾正的框架和方法。其特征在于包括 以下步驟(1)包含一個區(qū)域級參考圖像集，參考數(shù)據(jù)集主要包括兩類數(shù)據(jù)有準(zhǔn)確地理編碼的 遙感圖像和同區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的范圍可以是局部區(qū)域或全球范圍的數(shù)據(jù)，至少包括 待糾正圖像的區(qū)域；地理編碼的遙感圖像通常選用任何已經(jīng)經(jīng)過正射糾正，認(rèn)為幾何精度 滿足要求可作為基準(zhǔn)圖像的圖像組成；(2)控制圖像，即參考圖像集中感興趣區(qū)域(ROI)的提取。待糾正圖像是經(jīng)過系統(tǒng)糾正 的圖像，系統(tǒng)待糾正圖像的四個角點坐標(biāo)是包含了系統(tǒng)校正誤差的地理坐標(biāo)，以此為參考， 加上系統(tǒng)誤差的估算值，=可將對應(yīng)于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(qū)域(ROI)圖像；(3)圖像自動匹配。將控制圖像與待糾正圖像進(jìn)行自動匹配，獲得控制點；(4)圖像糾正。基于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(jìn)行糾正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像自動匹配方法，其特征在于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分辨率信息調(diào)整待糾正圖像的空間分辨率，使 待糾正圖像的空間分辨率與控制圖像的空間分辨率相等；依據(jù)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征點；(3)采用模板匹配方法對于步驟( 獲得的特征點進(jìn)行匹配；(4)從步驟(3)的匹配結(jié)果中剔除誤匹配點；(5)將控制點進(jìn)行均勻化處理，使控制點的分布比較均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2步驟(1)所述的圖像分辨率調(diào)整方法和圖像重新定向方法，其特征 在于采用圖像重采樣方法實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2步驟( 所述的利用興趣算子提取特征點的方法，其特征在于可 用的興趣算子包括=Moravec算子、F5rstner算子、Harris算子、sift算子。
5.根據(jù)權(quán)利要求2步驟C3)所述的模板匹配方法，其特征在于模板匹配分別以待糾 正圖像和參考圖像上的特征點為中心，在兩幅圖像中提取模板窗口和搜索窗口，然后將模 板窗口在搜索窗口中逐點移動，計算模板和其重疊區(qū)域相似度或匹配度，找到相似度最大 的位置，如果相似度大于設(shè)定的閾值，就認(rèn)為找到了一個匹配點。
6.根據(jù)權(quán)利要求2步驟(4)所述的誤匹配點的剔除方法，其特征在于采用RANSAC算 法剔除。
7.根據(jù)權(quán)利要求2步驟(5)所述的控制點均勻化方法，其特征在于結(jié)合網(wǎng)格剖分進(jìn) 行控制點均勻化首先將輸入的待糾正的圖像進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小為MXM，M值可以 依據(jù)圖像的寬、高確定，也可以由預(yù)期控制點總數(shù)估算得出；然后考察每個網(wǎng)格內(nèi)的控制點 數(shù)。如果網(wǎng)格內(nèi)僅有一個控制點，則保留該控制點；如果網(wǎng)格內(nèi)控制點數(shù)目大于1，則保留 匹配度最高的控制點。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計算模板和其重疊區(qū)域相似度或匹配度的方法，其特征在 于將歸一化相關(guān)系數(shù)作為相似性判斷準(zhǔn)則。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的計算歸一化相關(guān)系數(shù)的方法，其特征在于采用NCC快速算 法計算歸一化相關(guān)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種遙感圖像自動幾何糾正的系統(tǒng)框架和方法。該框架包含一個區(qū)域級參考圖像集，利用該參考數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)圖像對新圖像進(jìn)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(biāo)信息和系統(tǒng)校正誤差的估算值，提取對應(yīng)于待糾正圖像區(qū)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(jìn)行自動匹配，獲得控制點；基于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(jìn)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(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)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(xué)院遙感應(yīng)用研究所