CN102968788B - 一种基于规则格网面元的波段配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于规则格网面元的波段配准方法，包括以下步骤：选取波长范围居中的波段作为参考波段，根据传感器设计，规则化各波段影像，并划分格网面元；以参考波段影像为基准，对每个格网面元，在待配准波段分别进行匹配，求出每个格网面元中心点在各待配准波段的同名点；根据参考波段格网面元中心点以及在待配准波段匹配得到的同名点划分参考面元与纠正面元，并以纠正面元为单位，采用仿射变换，分别对各待配准波段进行重采样，得到配准后的多波段遥感影像。通过以上步骤获得的波段配准后的多波段遥感影像配准精度高，方法简单快速，可以方便的实现并行计算。该方法适用于可见光波长范围的各种多波段遥感影像数据的波段间配准。

Description

一种基于规则格网面元的波段配准方法

技术领域

本发明属于摄影测量与遥感图像处理领域，涉及对多波段的遥感影像进行波段配准处理时，一种基于规则格网面元的波段配准方法。

背景技术

摄影测量与遥感目前已在国民经济、社会发展以及国防建设中发挥了越来越重要的技术支撑作用，各种遥感影像产品已经广泛应用于基础测绘、经济建设、灾害管理、资源调查、全球测图、深空探测、国家安全等众多领域。

在遥感数据获取过程中，各波段地物的电磁波信息是用不同探测元件探测的，如果从地表到达受光面上排列的各探测元件的路径有微小的不同，将使各探测元件捕捉到的地表位置信息存在着细小的差异，造成波段间存在配准误差，即波段影像间的变形存在不一致性，这种误差是影响遥感影像质量以及应用精度的重要因素之一。波段间的配准是指波段间的像元定位、对齐或重合，以消除或降低合成图像模糊、双边等影响。波段间配准的精度对几何定位精度，乃至对地物分类准确性与可应用性的影响尤为显著。因此多波段遥感影像在进行几何纠正、波段合成等处理之前，需要进行波段间的配准处理。

发明内容

本发明所要解决的问题是多波段遥感影像在进行波段配准时如何实现高精度的波段配准，消除或降低合成图像模糊、双边等现象。

本发明的技术方案为一种基于规则格网面元的波段配准方法，包括以下步骤：

步骤1，预处理，包括以下子步骤，

步骤1.1，从多波段遥感影像中，选取波长范围居中的波段作为参考波段，其他波段为待配准波段；

步骤1.2，根据传感器设计，以参考波段为基准，确定待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值，并规则化各待配准波段影像，得到经规则化处理后的多波段遥感影像；

步骤1.3，对于经规则化处理后的多波段遥感影像，以左下角为原点，向上为正，单位为像素，设影像宽度为w，高度为h，在待配准波段进行匹配时在x、y方向的搜索半径分别为Δx、Δy，格网面元宽Δw，高Δh，则根据设定的格网面元大小对参考波段影像进行格网划分，参考波段影像被划分范围的左下角坐标为（Δx，Δy），右上角为（w-1-Δx，h-1-Δy）,得到若干格网面元及相应的格网面元中心点；

步骤2，以参考波段影像为基准，对每个格网面元，在各待配准波段分别进行匹配，求出每个格网面元中心点在各待配准波段影像的同名点；

步骤3，以纠正面元为单位分别对各待配准波段进行重采样，得到配准后的多波段遥感影像；包括对每个待配准波段影像进行如下处理，

步骤3.1，在参考波段根据步骤1中所得格网面元中心点划分参考面元，在待配准波段根据格网面元中心点的同名点划分纠正面元，然后以参考面元为基准，根据每个参考面元与相应纠正面元的所有同名点对坐标，采用仿射变换公式计算每个对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数；

步骤3.2，对待配准波段影像的每个纠正面元，根据步骤3.1求取的仿射变换系数，采用内插方法进行重采样，各待配准波段所有纠正面元纠正完成后得到配准后的多波段遥感影像。

而且，步骤2中，对任一格网面元在某待配准波段进行匹配的实现方式如下，

设某格网面元的左下角坐标为（Δx+p，Δy+q），右上角坐标为（Δx+r，Δy+s），则格网面元中心点坐标为在待配准波段进行匹配时搜索范围的左下角坐标为（p，q），右上角坐标为（2Δx+r，2Δy+s）；

匹配采用相关系数法，以参考波段影像的任一格网面元为目标窗口，分别在各待配准波段的搜索范围内计算目标窗口与搜索窗口的相关系数，找出相关系数最大的搜索窗口并记为窗口W_max，窗口W_max的中心点坐标设为（u，v）、最大相关系数设为C₀，然后再结合窗口W_max下、上、左、右四个最邻近的搜索窗口与目标窗口之间的相关系数C₁、C₂、C₃、C₄，采用二次曲线内插方式分别在x、y方向内插得到子像素级的相关系数极值点，设为（u+Δu，v+Δv），

其中，

$\mathrm{\Δu}=\frac{C_3-C_4}{2(C_3+C_4-2C_0)}$

$\mathrm{\Δv}=\frac{C_1-C_2}{2(C_1+C_2-2C_0)}$

则点与点（u+Δu，v+Δv）为同名点。

而且，步骤3.1中，所述构建参考波段影像上的参考面元实现方式为，

将参考波段影像中被格网面元中心点完全覆盖的区域设为0区，通过延长0区边界的直线分别与参考波段影像边界相交得到其它8个区域，从0区左下角开始顺时针标记为1区、2区、3区、4区、5区、6区、7区和8区；

在各区，根据参考面元与相应的纠正面元计算纠正面元纠正时的仿射变换系数的方式为，

在0区，在参考波段影像上以每四个邻近的格网面元中心点为顶点构成一个矩形的参考面元，参考面元之间不重叠，而待配准波段影像中与参考面元的四个顶点对应的四个同名点构成对应的纠正面元；然后将参考面元与纠正面元对应的四对同名点对坐标代入仿射变换公式计算每个纠正面元纠正时的仿射变换系数；

在1区、3区、5区和7区，均仅有一对同名点对，各区域自行构成一个参考面元，而待配准波段影像中各对应有一个纠正面元，各纠正面元顶点的坐标均根据仅有的一对同名点对计算的坐标差进行平移处理，相应的纠正面元纠正时的仿射变换系数则根据参考面元与纠正面元的坐标点对进行计算；

在2区、4区、6区和8区，通过延长每行或每列格网面元中心点连线所在直线与参考波段影像边界相交，得到的交点和各区域格网面元中心点为构建参考面元的顶点，各区域中每四个邻近的顶点构成一个参考面元，每个参考面元在待配准波段影像中对应有一个纠正面元。这几个区域中的参考面元和对应的纠正面元均只有两对同名点对，纠正面元均只在两个同名点对确定的方向上进行纠正，在另外一个方向上进行平移处理，相应的纠正面元纠正时的仿射变换系数则根据参考面元与纠正面元的坐标点对进行计算。

通过以上步骤就可以获得波段间精确配准后的遥感影像，该方法简单快速，可以方便的实现并行计算，波段间配准精度高，适用于可见光波长范围的各种多波段遥感影像数据的波段间配准处理。

附图说明

图1为参考波段格网面元划分示意图；

图2为参考波段目标窗口与待配准波段搜索范围示意图；

图3为本发明实施例的相关系数极值点内插示意图；

图4为本发明实施例的格网面元中心点与待配准波段的同名点示意图；

图5为本发明实施例的参考波段的划分及纠正示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于规则格网面元的波段配准方法，所要解决的问题是多波段遥感影像在进行波段配准时如何实现高精度的波段配准，消除或降低合成图像模糊、双边等现象。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

实施例针对各正射影像，执行步骤如下，可采用计算机软件技术实现自动运行流程：

步骤1，选取参考波段，规则化各波段影像，并划分格网面元；

步骤1.1，从多波段遥感影像中，选取波长范围居中的波段作为参考波段，如三个波段的遥感影像，可选取第二个波段作为参考波段；

步骤1.2，规则化各波段影像。根据传感器设计，以参考波段为基准，确定其它待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值，并规则化各波段影像。对于多波段同时成像的传感器，待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值为0，各波段影像均不需要处理；对于多波段延时成像的传感器，待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值参考传感器的设计来确定，然后进行各波段影像的规则化处理，即根据确定的待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值对各波段影像进行裁剪，只保留各波段影像的共同区域；

步骤1.3，划分格网面元。对于经规则化处理后的多波段遥感影像，以左下角为原点(0，0)，向上为正，单位为像素，设影像宽度为w，高度为h，在待配准波段进行匹配时在x、y方向的搜索半径分别为Δx、Δy，格网面元宽Δw，高Δh，则根据设定的格网面元大小对参考波段影像进行格网划分，参考波段影像被划分范围的左下角坐标为（Δx，Δy），右上角为（w-1-Δx，h-1-Δy），划分得到规则排列的格网面元矩阵，也得到每个格网面元相应的格网面元中心点。如图1所示，图中虚线矩形区域即为被划分范围。具体实施时，划分的行列数与实际像素情况有关，则：

如果w-2Δx不能够被Δw整除，x方向格网面元块数如果w-2Δx能够被Δw整除，

如果h-2Δy不能够被Δh整除，y方向格网面元块数如果h-2Δy能够被Δh整除，

int()表示向下舍入取整。

步骤2，以参考波段影像为基准，对每个格网面元，在待配准波段分别进行匹配。设格网面元左下角坐标为（Δx+p，Δy+q），（其中0≤p≤w-1-2Δx，0≤q≤h-1-2Δy），右上角坐标为（Δx+r，Δy+s），（其中0≤r≤w-1-2Δx，0≤s≤h-1-2Δy），即目标窗口，如图2所示（图2中矩形区域），则格网面元中心点坐标为在待配准波段进行匹配时搜索范围的左下角坐标为（p，q），右上角坐标为（2Δx+r，2Δy+s），如图2所示（图2中虚线矩形区域），匹配采用现有的相关系数法，以参考波段格网面元为目标窗口，分别在待配准波段的搜索范围内计算参考波段目标窗口与待配准波段搜索窗口的相关系数，找出相关系数最大的搜索窗口并记为窗口W_max，窗口W_max中心点坐标设为（u，v），其最大相关系数设为C₀，然后再结合窗口W_max下、上、左、右四个最邻近的搜索窗口（即这4个窗口中心点坐标依次为（u，v-1）、（u，v+1）、（u-1，v）、（u+1，v））分别与目标窗口之间的相关系数C₁、C₂、C₃、C₄，采用二次曲线内插的方法分别在x、y方向内插得到子像素级的相关系数极值点，设为（u+Δu，v+Δv），则参考波段影像上的点与待配准波段影像上的点（u+Δu，v+Δv）为同名点；依此类推，分别求出每个格网面元中心点在各待配准波段的同名点。

实施例采用二次曲线内插方法得到子像素级相关系数极值点的示意图如图3所示，图中P0表示相关系数最大的搜索窗口的中心点，P1、P2、P3、P4分别表示该窗口下、上、左、右四个最邻近的搜索窗口的中心点，则

$\mathrm{\Δu}=\frac{C_3-C_4}{2(C_3+C_4-2C_0)}$

$\mathrm{\Δv}=\frac{C_1-C_2}{2(C_1+C_2-2C_0)}$

格网面元中心点与待配准波段的同名点示意图如图4所示，其中参考波段有4个格网面元，各格网面元中心点依次为a、b、c、d，某一待配准波段匹配得到的对应的子像素精度的同名点a¹、b¹、c¹、d¹。

步骤3，以纠正面元为单位分别对各待配准波段进行重采样，得到配准后的多波段遥感影像。

步骤3.1，在参考波段根据步骤1中格网面元的中心点划分参考面元，在待配准波段根据格网面元中心点的同名点划分纠正面元，然后以参考面元为基准，根据每个参考面元与相应纠正面元的所有同名点对坐标，采用仿射变换公式计算每个对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数。

实施例在参考波段划分参考面元及在待配准波段划分纠正面元如图5所示，根据步骤1中格网面元中心点，参考波段影像被划分为9个区域，分别记为0区、1区、2区、3区、4区、5区、6区、7区、8区，顶点包括A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、e、f、m、n、Z，由于格网面元是规则分布的矩形区域，因此格网面元的中心点也是规则分布的。0区是被格网面元中心点完全覆盖的区域，即参考波段影像中外围格网面元中心点构成的矩形区域（如图5中阴影区域，即矩形区域ABCD），其它区域则通过延长0区边界的直线分别与参考波段影像边界相交来划分，从0区左下角开始顺时针标记为1区、2区、3区、4区、5区、6区、7区和8区；待配准波段则有相应区域。对每个区域采用仿射变换，以参考面元为基准分别计算每个对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数。仿射变换公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}X=a_0+a_{1}x+a_{2}y+a_3\mathrm{xy}\\ Y=b_0+b_{1}x+b_{2}x+b_3\mathrm{xy}\end{array}\right.$

其中，x、y表示参考面元顶点坐标，X、Y表示纠正面元顶点坐标，a₀、a₁、a₂、a₃、b₀、b₁、b₂、b₃为仿射变换系数。各区域仿射变换系数的求解详述如下：

0区被同名点对完全覆盖，在该区域，以每四个邻近的格网面元中心点为顶点构成一个矩形的参考面元，参考面元之间不重叠，而待配准波段影像中对应的4个同名点则构成一个纠正面元，然后将参考面元与纠正面元对应的四对同名点对坐标代入仿射变换公式求取仿射变换系数之后即可对纠正面元进行纠正。如图5所示，矩形区域ABCD即为0区，该例中有9对同名点对A与A₁、e与e₁、B与B₁、f与f₁、C与C₁、m与m₁、D与D₁、n与n₁、Z与Z₁，这9对同名点对构成了4个参考面元，分别为矩形区域AeZn、矩形区域eBfZ、矩形区域ZfCm、矩形区域nZmD，对应的待配准波段的纠正面元分别为区域A₁e₁Z₁n₁、区域e₁B₁f₁Z₁、区域Z₁f₁C₁m₁、区域n₁Z₁m₁D₁。将每个参考面元和对应的纠正面元的4对点坐标代入仿射变换公式后即可求取每个对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数。

1区、3区、5区、7区均仅有一对同名点对，且均只有一个参考面元和一个纠正面元，即在参考波段影像上各区域自行构成一个参考面元，而待配准波段影像中每个参考单元各对应有一个纠正面元。各纠正面元顶点的坐标均根据仅有的一对同名点对计算的坐标差进行平移处理，相应的纠正面元纠正时的仿射变换系数则根据参考面元与纠正面元的坐标点对进行计算。如图5所示，以1区为例（即矩形区域EFAT），点A与待配准波段中点A₁是一对同名点，设点A与A₁坐标分别为(refX_A,refY_A)、(posX_A,posY_A)，则有坐标差Δx_A＝posX_A-refX_A，Δy_A＝posY_A-refY_A，参考波段中E、F、A、T四个点坐标分别为(0,0)、(0,refY_A)、(refX_A,refY_A)、(refX_A,0)，这四点形成的面元即为参考面元，这四点即为参考面元的四个顶点，平移后对应的待配准波段纠正面元的四个顶点的坐标分别为(Δx_A,Δy_A)、(Δx_A,posY_A)、(posX_A,posY_A)、(posX_A,Δy_A)，将这四对点坐标代入仿射变换公式后即可求取对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数，实际上对该纠正面元只是进行平移处理。

2区、4区、6区、8区中通过延长每行或每列格网面元中心点连线所在直线与参考波段影像边界相交，得到的交点和各区域格网面元中心点为构建参考面元的顶点，各区域中每四个邻近的顶点构成一个参考面元，每个参考面元在待配准波段影像中对应有一个纠正面元。这几个区域中的参考面元和对应的纠正面元均只有两对同名点对，纠正面元均只在两个同名点对确定的方向上进行纠正，在另外一个方向上进行平移处理，相应的纠正面元纠正时的仿射变换系数则根据参考面元与纠正面元的坐标点对进行计算。如图5所示，矩形区域FHBA为2区，以2区为例，矩形区域FGeA为一个参考面元，点e、点A与待配准波段中点e₁、点A₁分别是对应的同名点，设点e与e₁坐标分别为(refX_e,refY_e)、(posX_e,posY_e)，点A与点A₁坐标分别为(refX_A,refY_A)、(posX_A,posY_A)，则有坐标差Δx_e＝posX_e-refX_e，Δx_A＝posX_A-refX_A，参考波段中F、G、e、A四点坐标分别为(0,refY_A)、(0,refY_e)、(refX_e,refY_e)、(refX_A,refY_A)，这四点即为参考面元的四个顶点，对应的待配准波段纠正面元的四个顶点的坐标分别为(Δx_A,posY_A)、(Δx_e,posY_e)、(posX_e,posY_e)、(posX_A,posY_A)，将这四对点坐标代入仿射变换公式后即可求取对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数，实际上对该纠正面元在水平方向只是进行平移处理，在垂直方向上进行纠正。同理，矩形区域GHBe为2区中另外一个参考面元，点B、点e与待配准波段中点点B₁、e₁分别是对应的同名点，设点B与点B₁坐标分别为(refX_B,refY_B)、(posX_B,posY_B)，点e与e₁坐标分别为(refX_e,refY_e)、(posX_e,posY_e)，则有坐标差Δx_B＝posX_B-refX_B，Δx_e＝posX_e-refX_e，参考波段中G、H、B、e四点坐标分别为(0,refY_e)、(0,refY_B)、(refX_B,refY_B)、(refX_e,refY_e)，这四点即为参考面元的四个顶点，对应的待配准波段纠正面元的四个顶点的坐标分别为(Δx_e,posY_e)、(Δx_B,posY_B)、(posX_B,posY_B)、(posX_e,posY_e)，将这四对点坐标代入仿射变换公式后即可求取对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数。

步骤3.2，对待配准波段的每个纠正面元，根据求取的仿射变换系数，采用双线性内插或者双三次卷积或者B样条内插等内插方法进行重采样，所有纠正面元纠正完成后即得到配准后的波段影像，所有待配准波段处理完之后即得到配准后的多波段遥感影像。

通过以上步骤就可以获得波段间精确配准后的遥感影像，该方法简单快速，可以方便的实现并行计算，波段间配准精度高，适用于可见光波长范围的各种多波段遥感影像数据的波段间配准处理。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于规则格网面元的波段配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，预处理，包括以下子步骤,

步骤1.1，从多波段遥感影像中，选取波长范围居中的波段作为参考波段，其他波段为待配准波段；

步骤1.2，根据传感器设计，以参考波段为基准，确定待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值，并规则化各待配准波段影像，包括根据确定的待配准波段相对于参考波段的波段偏移初值对各波段影像进行裁剪，只保留各波段影像的共同区域，得到经规则化处理后的多波段遥感影像；

步骤1.3，对于经规则化处理后的多波段遥感影像，以左下角为原点，向上为正，单位为像素，设影像宽度为w，高度为h，在待配准波段进行匹配时在x、y方向的搜索半径分别为Δx、Δy，格网面元宽Δw，高Δh，则根据设定的格网面元大小对参考波段影像进行格网划分，参考波段影像被划分范围的左下角坐标为(Δx，Δy)，右上角为(w-1-Δx，h-1-Δy),得到若干格网面元及相应的格网面元中心点；

步骤2，以参考波段影像为基准，对每个格网面元，在各待配准波段分别进行匹配，求出每个格网面元中心点在各待配准波段影像的同名点；步骤2中，对任一格网面元在某待配准波段进行匹配的实现方式如下，

设某格网面元的左下角坐标为(Δx+p，Δy+q)，右上角坐标为(Δx+r，Δy+s)，则格网面元中心点坐标为在待配准波段进行匹配时搜索范围的左下角坐标为(p，q)，右上角坐标为(2Δx+r，2Δy+s)；

匹配采用相关系数法，以参考波段影像的任一格网面元为目标窗口，分别在各待配准波段的搜索范围内计算目标窗口与搜索窗口的相关系数，找出相关系数最大的搜索窗口并记为窗口W_max，窗口W_max的中心点坐标设为(u，v)、最大相关系数设为C₀，然后再结合窗口W_max下、上、左、右四个最邻近的搜索窗口与目标窗口之间的相关系数C₁、C₂、C₃、C₄，采用二次曲线内插方式分别在x、y方向内插得到子像素级的相关系数极值点，设为(u+Δu，v+Δv)，

其中，

$\mathrm{\Δu}=\frac{C_3-C_4}{2(C_3+C_4-{2C}_0)}$

$\mathrm{\Δv}=\frac{C_1-C_2}{2(C_1+C_2-{2C}_0)}$

则点与点(u+Δu，v+Δv)为同名点；

步骤3，以纠正面元为单位分别对各待配准波段进行重采样，得到配准后的多波段遥感影像；包括对每个待配准波段影像进行如下处理，

步骤3.1，在参考波段根据步骤1中所得格网面元中心点划分参考面元，在待配准波段根据格网面元中心点的同名点划分纠正面元，然后以参考面元为基准，根据每个参考面元与相应纠正面元的所有同名点对坐标，采用仿射变换公式计算每个对应的纠正面元纠正时的仿射变换系数；步骤3.1的实现方式如下，

将参考波段影像中被格网面元中心点完全覆盖的区域设为0区，通过延长0区边界的直线分别与参考波段影像边界相交得到其它8个区域，从0区左下角开始顺时针标记为1区、2区、3区、4区、5区、6区、7区和8区；在各区，根据参考面元与相应的纠正面元计算纠正面元纠正时的仿射变换系数的方式为，

在0区，在参考波段影像上以每四个邻近的格网面元中心点为顶点构成一个矩形的参考面元，参考面元之间不重叠，而待配准波段影像中与参考面元的四个顶点对应的四个同名点构成对应的纠正面元；然后将参考面元与纠正面元对应的四对同名点对坐标代入仿射变换公式计算每个纠正面元纠正时的仿射变换系数；

在1区、3区、5区和7区，均仅有一对同名点对，各区域自行构成一个参考面元，而待配准波段影像中各对应有一个纠正面元，各纠正面元顶点的坐标均根据仅有的一对同名点对计算的坐标差进行平移处理，相应的纠正面元纠正时的仿射变换系数则根据参考面元与纠正面元的坐标点对进行计算；

在2区、4区、6区和8区，通过延长每行或每列格网面元中心点连线所在直线与参考波段影像边界相交，得到的交点和各区域格网面元中心点为构建参考面元的顶点，各区域中每四个邻近的顶点构成一个参考面元，每个参考面元在待配准波段影像中对应有一个纠正面元；这几个区域中的参考面元和对应的纠正面元均只有两对同名点对，纠正面元均只在两个同名点对确定的方向上进行纠正，在另外一个方向上进行平移处理，相应的纠正面元纠正时的仿射变换系数则根据参考面元与纠正面元的坐标点对进行计算；

步骤3.2，对待配准波段影像的每个纠正面元，根据步骤3.1求取的仿射变换系数，采用内插方法进行重采样，各待配准波段所有纠正面元纠正完成后得到配准后的多波段遥感影像。