海洋遙感圖像亞像素配準算法及其重點技術

許欣欣

遼寧省自然資源事務服務中心 遼寧 沈陽 110001

隨著海洋開發利用逐步深入,對海洋環境監測等提出了更高的要求,海洋是國家安全的重要空間,海上安全維系國家未來重大發展利益。隨著遙感技術的飛速發展,獲取遙感數據技術逐漸趨向多傳感器與高時間分辨率,高光譜分辨率的時代,獲得航空遙感數據信息量成倍增大,利用同一場景低分辨率遙感影像重建生成高分辨率影像成為研究熱點。靜止軌道衛星可以利用同一遙感器對感興趣的同一區域進行連續觀測,是開展高頻對地觀測的最佳手段由于靜止軌道衛星成像系統積分時間一般比較長,這些顫振將嚴重影響遙感圖像質量。目前衛星平臺的顫振測量計算和抑制技術都發展到了一定水平。衛星平臺抑制技術和相關設備可以消除大部分的平臺顫振,但是對于低頻的衛星平臺的姿態漂移卻束手無策。目前圖像亞像素配準算法有擴展相位相關與解最優化問題,解最優化問題實際應用中計算量大,相位法范圍包括了空城的相位相關,頻率域相位相關法最早由Kuglin提出,配準精度可達到像素級,Lee,De等人擴展到具有旋轉,縮放等不同情況,圖像平移是整體過程,提出改進亞像素配準方法,采用矩陣乘法傅里葉變換求取亞像素級位移,提高配準效率。適用于遙感影像海量數據的配準。

一、改進亞像素配準方法

像素級的圖像配準中,一般方法是特征空間,搜索算法等不同方面組合,多光譜成像是本土傳感器對同一場景拍攝,使用與基于互信息量理論進行配準,只依賴圖像信息,不需對圖像進行特征點提取等預處理,算法對圖像中的幾何失真及數據的缺失等不敏感。首先根據最優準則把圖像分割成不同的子圖像,其次使用基于Ostu的Canny算法對圖像進行邊緣分割提取,然后在提取后的圖像使用SURF算法提取特征點,最后在關鍵點周圍進行開窗,窗口大小為200×200像素。在窗口中使用矩陣乘法相位相關法來計算圖像亞像素偏移量。綜合所有的子圖像的偏移量最終獲得整幅圖像的亞像素偏移量。

以往的衛星遙感圖像配準是在像素級進行配準,亞像素配準技術的高分辨圖像融合預處理,將兩幅圖像小于一個像素誤差對齊調準到一致位置,配準首先非正數平移量計算,然后調準還原。

基于矩陣乘法采樣離散傅里葉變換方法避免了傳統方法求取圖像亞像素位移不足,但利用相位求取整數位移步驟計算量增大,為充分利用亞像素配準有效性,采用有效子圖代替原土進行圖像亞像素配準的改進方法。

有效圖可用二維小波方法選取,3個方向的高頻部分代表圖像3個方向細節信息,最大時對應圖像細節部分信息最多,用子圖作圖像配準效果較精確,如將512×512的圖像均勻分割為16等份。對每個子圖高頻總能量進行對比,取能量最大時對應子圖作有效子圖。

改進方法選取有效子圖代替原土配準,相比傳統方法更適于大尺度遙感影像高精度配準。改進方法將二維小波變換,上采樣矩陣乘法DFT 結合的亞像素圖像配準算法。采用矩陣乘法DFT 配準中以局部區域信息進行亞像素配準,算法的計算復雜度大大縮小,改進方法的計算復雜度由于上采樣矩陣算法,在計算量得到顯著提高。

二、實驗結果分析

圖片邊緣比較豐富的地方出現信息丟失,原因是圖像本身不再嚴格的頻譜帶限下,頻譜無限寬,需采樣前加載抗混疊濾波。濾波器過渡帶原因,圖像不在嚴格頻譜帶限下。由于非帶限情況出現混疊,提出分量計算準則,Takita等人強調高信噪比的低通分量,提高配準精度。二維傅里葉變換邊緣效應影響配準精度,應使其上下邊緣連續,窗函數可采用Blackman窗等。

修正圖像配準誤差,通過對參考圖像比較調準,將邊緣誤差大的圖像進行替換。由于配準結果圖與參考圖像邊緣發生差異,參考圖像之間的水平梯度二值化不同。利用大小元素為1的模板,利用二值化圖像1代表邊緣特點,對模板內元素求和,累加最大為包含邊緣最多部分。

結語：本文系統研究了圖像配準技術,敘述了現代遙感技術高光譜的需要,研究亞像素圖像配準算法,分析仿真結果,誤差修正算法對誤差信息進行很好的修正。提出利用有效子代圖代替原圖進行配準改進方法,提高配準速度,適用于存在旋轉,平移的遙感數據處理。