CN103345761A - 用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法和系统，其中方法包括以下步骤：将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描成像，获得多个单景图像；根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；从校正后的单景图像中提取同名控制点；在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。本发明可解决塔载多光谱成像数据的几何畸变校正和多视场图像拼接的问题，实现方法快速、实用。

Description

用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法和系统

技术领域

本发明涉及遥感数字图像处理领域，尤其涉及一种用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法和系统。

背景技术

目前线阵列遥感成像仪是一种通用的遥感设备，成像获取数据需要借助一定的平台（航空或航天设备）进行垂直摄影测量，但是航空航天运行平台的运行费用较高，而地面高塔倾斜成像变成为一种选择。

地面高塔成像过程中需要设备水平方向固定情况下倾斜方向前后推扫进行单幅图像数据的获取，以及设备水平方向转动后多次成像以实现大视场的成像，但是成像过程中造成了极大的几何畸变，几何校正和数据拼接是数据处理的关键难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中获得线阵扫描成像仪图像成本较高的缺陷，提供一种较为经济的用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法，包括以下步骤：

S1、将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描成像，获得多个单景图像；

S2、根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；

S3、从校正后的单景图像中提取同名控制点；

S4、在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；

S5、在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。

本发明所述的方法中，步骤S2具体包括：

获取线阵扫描数据的成像参数，包括扫描成像仪成像高度，扫描成像仪视场角，扫描成像仪初始扫描俯角以及终止扫描俯角；获取待校正影像的影像参数，包括列数、行数和波段数；

计算行方向以及列方向的平均瞬时视场角；

根据线阵扫描仪成像关系，计算图像象元最小分辨单元；

根据线阵扫描仪成像关系，计算图像实际水平向和垂直向的最大覆盖范围；

计算重采样图像行数和列数大小，以图像最小分辨率单元为基准，根据地面实际覆盖范围，将原始图像重采样为相同分辨率图像；

计算在行方向每个象元水平地面范围与最小分辨象元地面水平范围比率；

计算在列方向每个象元垂直地面范围与最小分辨象元地面垂直范围比率；

对待校正图像分波段进行图像重采样，生成几何畸变校正图像。

本发明所述的方法中，步骤S4中具体通过用基准图像配准带配准的图像的方法，将所有校正后的单景图像进行旋转和坐标的统一。

本发明所述的方法中，步骤S5具体包括以下步骤：

获取待拼接图像的最小点坐标及行列数，以及几何校正及配准后写入的图像的最小坐标和行列数；

查找所有图像中自定义坐标的最大点与最小点；

计算拼接图像的大小；

将待拼接图像重采样到拼接图像；

对所有波段的拼接图像进行拼接，以完成多视场多幅图像拼接。

提供一种用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的系统，包括：

单景图像获取模块，用于获取多个单景图像，所述单景图像为将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描所获得的成像；

校正模块，用于根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；

同名控制点提取模块，用于从校正后的单景图像中提取同名控制点；

配准模块，用于在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；

拼接模块，用于在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。

本发明所述的系统中，所述校正模块包括：

参数获取模块，用于获取线阵扫描数据的成像参数，包括扫描成像仪成像高度，扫描成像仪视场角，扫描成像仪初始扫描俯角以及终止扫描俯角；还用于获取待校正影像的影像参数，包括列数、行数和波段数；

视场角计算模块，用于计算行方向以及列方向的平均瞬时视场角；

最小分辨单元计算模块，用于根据线阵扫描仪成像关系，计算图像象元最小分辨单元；

最大覆盖范围计算模块，用于根据线阵扫描仪成像关系，计算图像实际水平向和垂直向的最大覆盖范围；

计算和重采样模块，用于计算重采样图像行数和列数大小，以图像最小分辨率单元为基准，根据地面实际覆盖范围，将原始图像重采样为相同分辨率图像；

比率计算模块，用于计算在行方向每个象元水平地面范围与最小分辨象元地面水平范围比率；还用于计算在列方向每个象元垂直地面范围与最小分辨象元地面垂直范围比率；

校正图像生成模块，用于对待校正图像分波段进行图像重采样，生成几何畸变校正图像。

本发明所述的系统中，所述配准模块具体用于通过用基准图像配准带配准的图像的方法，将所有校正后的单景图像进行旋转和坐标的统一。

本发明所述的系统中，所述拼接模块包括：

数据获取模块，用于获取待拼接图像的最小点坐标及行列数，以及几何校正及配准后写入的图像的最小坐标和行列数；

查找模块，用于查找所有图像中自定义坐标的最大点与最小点；

计算模块，用于计算拼接图像的大小；

重采样模块，用于将待拼接图像重采样到拼接图像；

拼接模块，用于对所有波段的拼接图像进行拼接，以完成多视场多幅图像拼接。

本发明产生的有益效果是：本发明通过将线阵扫描仪置于高塔上，进行倾斜扫描成像，再将扫描图像进行几何校正、图像配准及图像拼接，从而实现多视场多幅图像的拼接。本发明的实施解决了塔载多光谱成像数据的几何畸变校正和多视场图像拼接的问题，方法具有快速、实用的特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为线阵扫描仪在高塔的倾斜成像方式示意图；

图2为线阵扫描仪在不同俯角情况下，成像高度为100m时，垂直方向对应的不同的地面范围；

图3为线阵扫描仪在不同俯角情况下，成像高度为100m时，水平方向对应的不同的地面范围；

图4A-4C为不同角度下一个瞬时视场角对应的地面范围，图4A代表垂直成像时，水平和垂直方向长度相同均为L，图4B图代表在最小俯角情况下，可以分辨的最小地面单元，水平和垂直方向距离分别为a和b，图4C图代表在某一瞬时视场角时一个象元对应的地面成像范围，水平和垂直方向范围分别是La和Lb；

图5为单视场成像数据几何校正流程图；

图6为单视场成像数据几何校正过程中单个波段图像重采样流程图；

图7为多视场成像数据拼接流程图；

图8为图像拼接重采样流程图；

图9为本发明实施例用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过将线阵扫描仪置于高塔上，进行倾斜扫描成像，再将扫描图像进行几何校正、图像配准及图像拼接，从而实现多视场多幅图像的拼接。本发明的实施解决了塔载多光谱成像数据的几何畸变校正和多视场图像拼接的问题，方法具有快速、实用的特点。

图1描述了线阵扫描仪在高塔的倾斜成像方式，定义成像的地面二维水平面，与线阵扫描行数据平行的为水平方向，仪器多次行扫描俯仰方向为垂直方向，即在二维水平面上，与图中线AB平行的为水平方向，与AB垂直的为垂直方向。在扫描一行数据时线阵扫描仪的视场角为α，与塔台俯角为β。

以下结合图1-4对用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法进行说明。

本发明实施例用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法，包括以下步骤：

S1、将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描成像，获得多个单景图像；

S2、根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；

S3、从校正后的单景图像中提取同名控制点；

S4、在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；

S5、在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。

本发明实施例中，如图5所示，步骤S2中对单视场成像数据进行几何校正主要包括以下步骤：

步骤501，获取线阵扫描数据的成像参数，扫描成像仪成像高度为H，扫描成像仪视场角α，扫描成像仪初始扫描俯角为β1，终止扫描俯角为β2，β1为最小俯角，β2为最大俯角。获取待校正影像的影像参数，列数为nSamples，行数为nLines，波段数为nBands；

步骤502，计算行方向平均瞬时视场角

计算列方向平均瞬时视场角 $\mathrm{\Δ\β}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{nLines}};$

步骤503，根据线阵扫描仪成像关系，计算图像象元最小分辨单元，水平向分辨率为：

垂直向分辨率为GSDY＝H*(tan(β₁+Δβ)-tan(Δβ))；

步骤504，根据线阵扫描仪成像关系，计算图像实际水平向和垂直向的最大覆盖范围，水平向最大距离覆盖为：

垂直向最大距离为：GroundY＝H*(tan(β₂)-tan(β₁))；

步骤505，计算重采样图像行数和列数大小，以图像最小分辨率单元为基准，根据地面实际覆盖范围，将原始图像重采样为相同分辨率图像，重采样后图像大小行数为重采样图像列数为 $\mathrm{ReSamples}=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{GroundX}}{\mathrm{GSDX}}+0.5);$

步骤506，计算在行方向每个象元水平地面范围与最小分辨象元地面水平范围比率，水平方向第i个象元实际地面水平覆盖范围为： $X_i=\frac{H*\mathrm{fabs}(\tan \left(\mathrm{fabs}(i-\mathrm{nSamples}/2)\mathrm{\Δ\α}\right)-\tan \left(\mathrm{fabs}(i-\mathrm{nSamples}/2+1)\mathrm{\Δ\α}\right))}{\cos \left({\mathrm{\β}}_1\right)},$ 比率为： $\frac{\mathrm{La}}{a}=\frac{X_i}{\mathrm{GSDX}};$

步骤507，计算在列方向每个象元垂直地面范围与最小分辨象元地面垂直范围比率，垂直方向第j行象元实际地面垂直向覆盖范围为：Y_j＝H*(tan(β₁+(i+1)*Δβ)-tan(i*Δβ))，比率为：

步骤508，对待校正图像分波段进行图像重采样，实现图像的几何校正操作。

在单视场成像数据几何校正过程中，如图6所示，步骤508中分波段图像重采样包括以下步骤：

步骤601，读入一个波段的图像数据，放入内存；

步骤602，获取原始图像的大小，列行数分别为nSamples和nLines，获取重采样图像的大小，列行数分别为nReSamples和nReLines，对图像进行逐行逐象元的重采样操作，定义行列变化的自变量i=0，j=0；

步骤603，行数判断，行数在小于nReLines时，进行重采样操作，否则完成单波段图像的重采样；

步骤604，获取第i行成像地面与线阵扫描仪星下点垂直向距离：LenY＝i*GSDY+H*tan(β₁)；

步骤605，由距离LenY计算第i行对应影像实际行数

步骤606，行数累加1；

步骤607，列数判断，列数在小于nReSamples时，进行重采样操作，否则跳出循环，进行步骤608，列数清零j=0，然后进行行数大小判断；

步骤609，获取第i行第j列象素与扫描仪星下点水平向距离，LenX＝fabs(i-nReSamples/2)*GSDX；

步骤610，计算第i行第j列象素对应原始图像的列数：如果i小于

则 $y=\frac{\mathrm{nSamples}}{2}-\frac{a\tan \left(\frac{\mathrm{LenX}}{\mathrm{sqrt}(\mathrm{Len}{Y}^2+H^2)}\right)}{\mathrm{\Δ\α}},$ 否则 $y=\frac{\mathrm{nSamples}}{2}+\frac{a\tan \left(\frac{\mathrm{LenX}}{\mathrm{sqrt}(\mathrm{Len}{Y}^2+H^2)}\right)}{\mathrm{\Δ\α}};$

步骤611，列数累加1；

步骤612，判断重采样象元是否在原始影像范围内，如果(x,y)在影像范围内，则进行重采样操作，否则不进行；

步骤613，选取插值方法计算(i,j)象元灰度，插值方法可以使用最近邻插值法、双线性插值法或三次卷积插值法；若使用双线性插值方法计算(i,j)象元灰度，则获取(x,y)周围四个象元值，然后根据这些点的距离权重计算一个新的象元灰度值，

其中Z_k为第k个象元的灰度值，D_k为第k个象元与(x,y)的欧氏距离；

步骤614，完成图像单波段几何校正。

步骤509，重复步骤601-614，完成所有波段图像的几何校正，生成几何校正后的新图像，定义扫描仪星下点为坐标原点，如图3，垂直向为y轴，水平向为x轴，并标定正方向，以米为距离单位，将图像的最小点定义为图像坐标原点(OriginX,OriginY)，写入头文件，完成单幅单视场图像的几何校正。

以下结合图7图8对线阵扫描数据多视场拼接流程进行说明。

图7为多视场成像数据拼接流程图，包括以下步骤：

步骤701，选择相邻两个视场校正后影像，确定一幅图像为基准图像，另一幅图像为待配准图像；

步骤702，在两幅图像选择至少不低于三对同名控制点，控制点均匀分布于图像中，当控制点点数大于3对时，并计算控制点的残差，将残差控制在约定限值内；

步骤703，根据控制点计算待校正图像逆向映射的仿射变换系数，计算方法可根据齐次坐标来求解，记仿射变换矩阵为H， $H=\left(\begin{array}{ccc}{a}_0& a_1& a_2\\ b_0& b_1& b_2\end{array}\right);$

步骤704，对配准图像进行重采样操作，重采样利用计算的仿射变换矩阵，首先计算重采样图像的大小，然后对图像中的每个点(x,y)，利用逆向映射方式，计算得到对应原图的位置(x′,y′)， ${(x^{\′},y^{\′})}^T=H*\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ 1\end{array}\right),$ 可选取插值方法，最近邻插值法、双线性插值法或三次卷积插值法，计算获得(x,y)象元的灰度值。如可获取(x′,y′)周围四个象元值，然后根据这些点的距离权重计算一个新的象元灰度值，

其中Z_k为第k个象元的灰度值，D_k为第k个象元与(x′,y′)的欧式距离，将新的灰度值赋值给(x,y)，然后遍历所有象元获得重采样的图像；

步骤705，重复步骤701-704，以一幅图像坐标为基准，完成所有图像的配准；

步骤706，将配准好的图像进行基于自定义坐标系的拼接。

其中步骤706具体步骤如图8所示：

步骤801，获取待拼接图像的最小点坐标及行列数，读取几何校正及配准后写入的图像中最小坐标，以及图像的行列数；

步骤802，查找所有图像中自定义坐标的最大点与最小点，根据第i图像的坐标原点(OriginX_i,OriginY_i)、象元分辨率(GSDX,GSDY)、行列数nLines_i和nSamples_i，求得图像最大地理坐标(MaxX_i,MaxY_i)，MaxX_i＝OriginX_i+nSamples_i*GSDX，MaxY_i＝OriginY_i+nLines_i*GSDY，然后计算每幅图像的最大坐标点和最小坐标点，查找出所有图像中的最大点(MaxX,MaxY)和最小点(MinX,MinY)；

步骤803，计算拼接图像的大小，重采样后图像大小行数为 $\mathrm{nReLines}=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{MaxY}-\mathrm{MinY}}{\mathrm{GSDY}}+0.5),$ 重采样图像列数为 $\mathrm{ReSamples}=\mathrm{int}(\frac{\mathrm{MaxX}-\mathrm{MinX}}{\mathrm{GSDX}}+0.5),$ 新图像坐标原点(OriginX,OriginY)＝(MinX,MinY)；

步骤804，将待拼接图像重采样到拼接图像，遍历每幅图像，对第i幅图像的(x,y)象元在新图像的位置(x′,y′)为x′＝(OriginY_i-OriginY)/GSDY+x，y′＝(OriginX_i-OriginX)/GSDX+y，选取适当的插值方法(最近邻插值法、双线性插值法或三次卷积插值)计算新图像的(x′,y′)处的灰度值；如果(x′,y′)已有灰度值，则进行与原有灰度值平均处理，完成拼接图像的重采样；

步骤805，重复步骤804将所有波段完成拼接，将新图像写入文件，并写入自定义原点坐标，完成多视场多幅图像拼接。

如图9所示，本发明实施例用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的系统用于实现上述实施例的方法，主要包括：

单景图像获取模块901，用于获取多个单景图像，所述单景图像为将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描所获得的成像；

校正模块902，用于根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；

同名控制点提取模块903，用于从校正后的单景图像中提取同名控制点；

配准模块904，用于在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；

拼接模块905，用于在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。

本发明的一个实施例中，校正模块902包括：

参数获取模块，用于获取线阵扫描数据的成像参数，包括扫描成像仪成像高度，扫描成像仪视场角，扫描成像仪初始扫描俯角以及终止扫描俯角；还用于获取待校正影像的影像参数，包括列数、行数和波段数；

视场角计算模块，用于计算行方向以及列方向的平均瞬时视场角；

最小分辨单元计算模块，用于根据线阵扫描仪成像关系，计算图像象元最小分辨单元；

最大覆盖范围计算模块，用于根据线阵扫描仪成像关系，计算图像实际水平向和垂直向的最大覆盖范围；

计算和重采样模块，用于计算重采样图像行数和列数大小，以图像最小分辨率单元为基准，根据地面实际覆盖范围，将原始图像重采样为相同分辨率图像；

比率计算模块，用于计算在行方向每个象元水平地面范围与最小分辨象元地面水平范围比率；还用于计算在列方向每个象元垂直地面范围与最小分辨象元地面垂直范围比率；

校正图像生成模块，用于对待校正图像分波段进行图像重采样，生成几何畸变校正图像。

本发明的一个实施例中，配准模块904具体用于通过用基准图像配准带配准的图像的方法，将所有校正后的单景图像进行旋转和坐标的统一。

本发明的一个实施例中，拼接模块905包括：

数据获取模块，用于获取待拼接图像的最小点坐标及行列数，以及几何校正及配准后写入的图像的最小坐标和行列数；

查找模块，用于查找所有图像中自定义坐标的最大点与最小点；

计算模块，用于计算拼接图像的大小；

重采样模块，用于将待拼接图像重采样到拼接图像；

拼接模块，用于对所有波段的拼接图像进行拼接，以完成多视场多幅图像拼接。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描成像，获得多个单景图像；

S2、根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；

S3、从校正后的单景图像中提取同名控制点；

S4、在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；

S5、在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

获取线阵扫描数据的成像参数，包括扫描成像仪成像高度，扫描成像仪视场角，扫描成像仪初始扫描俯角以及终止扫描俯角；获取待校正影像的影像参数，包括列数、行数和波段数；

计算行方向以及列方向的平均瞬时视场角；

根据线阵扫描仪成像关系，计算图像象元最小分辨单元；

根据线阵扫描仪成像关系，计算图像实际水平向和垂直向的最大覆盖范围；

计算重采样图像行数和列数大小，以图像最小分辨率单元为基准，根据地面实际覆盖范围，将原始图像重采样为相同分辨率图像；

计算在行方向每个象元水平地面范围与最小分辨象元地面水平范围比率；

计算在列方向每个象元垂直地面范围与最小分辨象元地面垂直范围比率；

对待校正图像分波段进行图像重采样，生成几何畸变校正图像。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4中具体通过用基准图像配准带配准的图像的方法，将所有校正后的单景图像进行旋转和坐标的统一。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：

获取待拼接图像的最小点坐标及行列数，以及几何校正及配准后写入的图像的最小坐标和行列数；

查找所有图像中自定义坐标的最大点与最小点；

计算拼接图像的大小；

将待拼接图像重采样到拼接图像；

对所有波段的拼接图像进行拼接，以完成多视场多幅图像拼接。

5.一种用于线阵高塔倾斜扫描成像数据校正及拼接的系统，其特征在于，包括：

单景图像获取模块，用于获取多个单景图像，所述单景图像为将线阵扫描仪置于高塔上进行多角度倾斜扫描所获得的成像；

校正模块，用于根据倾斜成像时成像区域与扫描仪几何关系，对多个单景图像进行无控制点的几何畸变校正；

同名控制点提取模块，用于从校正后的单景图像中提取同名控制点；

配准模块，用于在自定义坐标系统下，根据提取的同名控制点，进行图像的配准；

拼接模块，用于在自定义的坐标系下，对配准后的图像进行拼接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述校正模块包括：

参数获取模块，用于获取线阵扫描数据的成像参数，包括扫描成像仪成像高度，扫描成像仪视场角，扫描成像仪初始扫描俯角以及终止扫描俯角；还用于获取待校正影像的影像参数，包括列数、行数和波段数；

视场角计算模块，用于计算行方向以及列方向的平均瞬时视场角；

最小分辨单元计算模块，用于根据线阵扫描仪成像关系，计算图像象元最小分辨单元；

最大覆盖范围计算模块，用于根据线阵扫描仪成像关系，计算图像实际水平向和垂直向的最大覆盖范围；

计算和重采样模块，用于计算重采样图像行数和列数大小，以图像最小分辨率单元为基准，根据地面实际覆盖范围，将原始图像重采样为相同分辨率图像；

比率计算模块，用于计算在行方向每个象元水平地面范围与最小分辨象元地面水平范围比率；还用于计算在列方向每个象元垂直地面范围与最小分辨象元地面垂直范围比率；

校正图像生成模块，用于对待校正图像分波段进行图像重采样，生成几何畸变校正图像。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述配准模块具体用于通过用基准图像配准带配准的图像的方法，将所有校正后的单景图像进行旋转和坐标的统一。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述拼接模块包括：

数据获取模块，用于获取待拼接图像的最小点坐标及行列数，以及几何校正及配准后写入的图像的最小坐标和行列数；

查找模块，用于查找所有图像中自定义坐标的最大点与最小点；

计算模块，用于计算拼接图像的大小；

重采样模块，用于将待拼接图像重采样到拼接图像；

拼接模块，用于对所有波段的拼接图像进行拼接，以完成多视场多幅图像拼接。

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