航空遙感圖像幾何校正模型的效果比較

盛啟慧，李啟明

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

航空遙感圖像幾何校正模型的效果比較

盛啟慧，李啟明

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航空遙感圖像也得到廣泛的應(yīng)用。針對(duì)航空遙感圖像存在的幾何畸變現(xiàn)象，在遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理中幾何校正是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，因此幾何校正模型的選擇很關(guān)鍵。比較仿射變換模型和多項(xiàng)式模型的校正效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明仿射變換模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正效果更佳。

上海市自然科學(xué)基金（No.14ZR1419700）

0 引言

近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，航空遙感平臺(tái)上也可以搭載各種類(lèi)型的有效載荷，從傳感器的成像方式可以分為擺掃型傳感器和推掃型傳感器。面陣擺掃型傳感器因其具有瞬間凝視成像方式、總視場(chǎng)角大、觀測(cè)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)國(guó)家都投入大量的資源研制生產(chǎn)滿(mǎn)足自身需要的面陣擺掃型傳感器[1]。

面陣擺掃式傳感器是一種復(fù)雜的成像系統(tǒng)，這種成像系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）多中心投影成像。當(dāng)擺掃到下視點(diǎn)時(shí)，屬于中心投影成像，當(dāng)擺掃角成一定角時(shí)，屬于傾斜中心投影成像，如圖1所示；

（2）圖像重疊率不一致。由于平臺(tái)抖動(dòng)而且姿態(tài)不穩(wěn)定，同時(shí)固有的系統(tǒng)誤差，都使得航帶內(nèi)和航帶間影像序列的重疊率不一致；

（3）虛擬合成影像產(chǎn)品似全景變形。在掃描帶內(nèi)成像獲取的影像序列合成后與全景相機(jī)采集的影像有相似的幾何畸變。

圖1 面陣掃描寬幅成像原理

因此面陣擺掃型成像系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足常規(guī)的航空對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法需要的高精度內(nèi)外范圍元素、較大的圖像重疊及地面控制點(diǎn)等信息，而目前國(guó)內(nèi)外的研究人員主要對(duì)傳感器的硬件系統(tǒng)進(jìn)行研究，而在面陣擺掃型航空遙感圖像的處理方法方面比較缺乏。并且對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何校正是第一步也是關(guān)鍵的一步，幾何校正的效果對(duì)圖像后續(xù)的拼接工作有較大的影響。

2011年李慶鵬等人提出了利用較少量地面控制點(diǎn)，采用基于嚴(yán)格仿射變換模型求解遙感影像的RPC參數(shù)，并對(duì)CBERS-02B衛(wèi)星HR相機(jī)遙感影像進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了一定的成果[2]。王子維等人在2015年，針對(duì)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中通過(guò)數(shù)碼相機(jī)來(lái)獲得的低空遙感圖像在進(jìn)行拼接時(shí)所涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，引入了多項(xiàng)式算法進(jìn)行幾何校正[3]。

雖然對(duì)遙感圖像幾何校正的研究已經(jīng)取得了一定的效果，但是在多個(gè)幾何校正模型對(duì)同一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的效果比較方面仍有改進(jìn)的余地。因此，本文研究了兩種主要的幾何校正模型，并對(duì)其校正效果進(jìn)行了比較。

1 幾何校正流程

利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行的幾何校正，是幾何校正的一種典型的方法。但由于地理環(huán)境復(fù)雜或數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求的限制下，不能實(shí)時(shí)獲取實(shí)測(cè)的野外控制點(diǎn)，此時(shí)使用無(wú)地面控制點(diǎn)的幾何校正方法對(duì)待校正圖像進(jìn)行校正。

一般的步驟描述如下：

（1）收集資料；

（2）導(dǎo)入圖像數(shù)據(jù)；

（3）選取基準(zhǔn)圖像和待校正圖像的偽控制點(diǎn)，確定其空間坐標(biāo)；

（4）建立幾何校正變換函數(shù)；

（5）確定輸出影像范圍；

（6）插值和像元幾何位置變換方法；

（7）像元的灰度重采樣；

（8）輸出校正后的圖像。

幾何校正的一般流程如圖2所示。

圖2 幾何校正的一般流程

2 幾何校正模型

針對(duì)不同的數(shù)學(xué)模型，需要用不同的校正方法，經(jīng)常用到的校正模型是仿射變換模型、多項(xiàng)式模型。仿射變換模型可以描述因任何方式而引起的線(xiàn)性形變，并可以自動(dòng)改正。多項(xiàng)式模型的特點(diǎn)是其原理比較直觀，計(jì)算也比較簡(jiǎn)單，特別是在地面相對(duì)平坦的情況下，具有較好的校正效果[4]。下面將對(duì)兩種模型原理進(jìn)行介紹。

2.1 仿射變換模型

仿射變換為一種線(xiàn)性變換，也就是說(shuō)，將平行線(xiàn)轉(zhuǎn)換成另一條平行線(xiàn)，將有限點(diǎn)映射到有限點(diǎn)的一般過(guò)程，可以將目標(biāo)中的3D空間描述為2D平面成像過(guò)程。具體的性能可以是任何方向有著一致尺度變換系數(shù)的均勻變換或在所有方向上具有不一致的變換系數(shù)的非均勻變換及剪切變換，它具有平移、旋轉(zhuǎn)、和縮放不變性[5]。

仿射變換模型可以表示為：

2.2 多項(xiàng)式模型

多項(xiàng)式模型是使用一般多項(xiàng)式來(lái)表示校正前后的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。多項(xiàng)式模型避免了圖像的空間幾何，直接模擬圖像本身。可以解決由于平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、部分扭曲、彎曲和較高的基本變形的組合作用，造成的遙感圖像的幾何誤差和變形[6]。

式中，（x，y）是像素的校正坐標(biāo)；（X，Y）是校正前坐標(biāo)；ai、bi是多項(xiàng)式系數(shù)。幾何校正成功與否的關(guān)鍵是二元n次多項(xiàng)式系數(shù)中a和b的解。當(dāng)前求解方法的核心是通過(guò)存在于兩幅圖像上的若干個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，建立n次多項(xiàng)式系數(shù)的方程組，進(jìn)行求解，使用小二乘法，獲得二元n次多項(xiàng)式的系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)為中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所某次航拍的橫店影視城明清宮苑周邊的圖像，本次采集數(shù)據(jù)是在天氣晴朗的情況下，且采集目標(biāo)為平坦的土地以及房屋等，輻射失真較小，可忽略不計(jì)。相機(jī)成像參數(shù)如表1所示。

表1 相機(jī)成像參數(shù)

3.2 圖像校正結(jié)果及分析

由于仿射變換為線(xiàn)性變換，多項(xiàng)式變換為非線(xiàn)性變換，線(xiàn)性變換是通過(guò)適當(dāng)?shù)钠揭啤⑿D(zhuǎn)、縮放和反轉(zhuǎn)（鏡像）來(lái)實(shí)現(xiàn)變換，這樣一幅圖像中的直線(xiàn)經(jīng)過(guò)變換映射到另一幅圖像，仍然保持著平行關(guān)系，這種變換能夠較大程度上保持著圖像原來(lái)的形態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生二次畸變。圖3是待校正圖像，圖4是通過(guò)仿射變換模型以及三次卷積內(nèi)插的重采樣方法進(jìn)行幾何校正得到的圖像，圖5是通過(guò)多項(xiàng)式變換模型以及三次卷積內(nèi)插的重采樣方法進(jìn)行幾何校正得到的圖像。從對(duì)比中可以看出，通過(guò)仿射變換模型校正的圖像與原圖像相比沒(méi)有較大的形態(tài)改變，但是多項(xiàng)式變換模型校正后生成的圖像在形態(tài)上有了較大改變、物體間距變大且圖像面積比例變化較大，使得圖像效果有所改變。因此針對(duì)本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，仿射變換模型的幾何校正效果更令人滿(mǎn)意。

圖3 待校正圖像圖

圖4 仿射變換模型校正

圖5 多項(xiàng)式變換 模型校正

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要是研究適用于航空遙感圖像的幾何校正模型效果比較。首先介紹由面陣擺掃式傳感器拍攝得到的航空遙感圖像的原理及幾何校正的研究現(xiàn)狀；然后介紹了遙感圖像幾何校正的流程以及針對(duì)兩種幾何校正模型的原理；最后對(duì)本文的數(shù)據(jù)用兩種模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)兩種幾何校正模型的比較實(shí)驗(yàn)，得出仿射變換模型進(jìn)行校正的圖像效果更佳，適用于本文情況，對(duì)于后續(xù)圖像的拼接工作打下良好的基礎(chǔ)。

[1]宋耀鑫.面陣擺掃式航空影像幾何校正與無(wú)縫拼接技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2014.

[2]李慶鵬,王志剛,陳琦.基于嚴(yán)格仿射變換模型的遙感影像RPC參數(shù)求解[J].測(cè)繪地理信息,2011,36（3）:1-4.

[3]王子維.無(wú)人機(jī)遙感圖像的拼接技術(shù)研究[D].東北石油大學(xué),2015.

[4]邱春霞,董乾坤.遙感圖像幾何校正模型探討[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,（01）:349-353.

[5]陶冰潔,王敬儒,張啟衡.采用仿射變換的紅外與可見(jiàn)光圖像配準(zhǔn)方法[J].光電工程,2004,（11）:39-41.

[6]張建,何宏昌.資源一號(hào)02C影像的幾何校正精度分析——基于RPC模型和多項(xiàng)式模型[J].池州學(xué)院學(xué)報(bào),2014（3）:65-67.

Comparison of Geometric Correction Models of Aerial Remote Sensing Images

SHENG Qi-hui，LI Qi-ming
（College of Information Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306）

With the development of sensor technology and computer technology,aerial remote sensing images have been widely used.For geometric distortion in aerial remote sensing images,geometric correction is an important part in the remote sensing data preprocessing.Furthermore,the choice of geometric correction model is very important for geometric correction.Compares the effects of affine transformation model and polynomial model,the experimental results show that the affine transformation model has better effect on the experimental data.

盛啟慧（1993-03），女，山東榮成人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇者b感圖像處理

李啟明（1982-），男，山東五蓮人，博士，講師，研究方向?yàn)閳D像處理、網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù),E-mail:qmli@shmtu.ac.cn

2017-04-06

2017-06-05

1007-1423（2017）17-0062-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.17.013

航空遙感圖像;幾何校正

Aerial Remote Sensing Image;Geometric Correction