CN103776426B

CN103776426B - 一种旋转平台农田成像几何校正方法

Info

Publication number: CN103776426B
Application number: CN201410003543.9A
Authority: CN
Inventors: 杨贵军; 于海洋; 杨小冬; 冯海宽; 宋晓宇; 龙慧灵; 杨浩; 闫华
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103776426A

Abstract

本发明涉及一种旋转平台农田成像几何校正方法，包括：对农田进行旋转式扫描成像以及POS数据同步采集；对旋转式扫描获得的影像进行扫描轨迹拟合获取扫描圆形轨迹方程；建立偏航角查找表，其中，偏航角查找表为对农田进行旋转式扫描成像的扫描行号与偏航角一一对应关系表；根据偏航角查找表和扫描圆形轨迹方程获得校正后影像各个像素的偏航角和行号，并对影像进行几何校正。本发明采用了升降机固定，伸缩臂旋转的成像方式，利用POS数据与扫描圆形轨迹的几何关系结合的几何校正方法，提高了影像采集效率，获得了高精度的影像几何校正效果。

Description

一种旋转平台农田成像几何校正方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种旋转平台农田成像几何校正方法。

背景技术

随着遥感技术的不断发展，遥感方法在农作物长势和产量监测、农作物品质监测和农作物病虫害监测等农业应用方面具有了其他方法无可比拟的优势。20世纪80年代出现的高光谱成像技术被认为是遥感发展以来两项重大技术突破之一，它具有光谱分辨率高、光谱范围广、图谱合一等特点。高光谱影像具有很高的光谱分辨率，它能为每个像元提供一条完整且连续的光谱曲线。

在农田小区试验中，为了研究农作物在不同生化参数下的光谱响应，以及农作物不同层次叶片、土壤、杂草等背景因素对冠层光谱的影响，常常需要采集毫米级空间分辨率的高光谱影像。现有的高光谱影响获取途径主要由卫星影像、机载航空影像和三脚架平台成像。其中卫星影像和机载航空影像由于飞行高度高，其空间分辨率很难达到毫米级，不适用于农田小区试验。三脚架平台通常距地面只有1.5m-2m的高度，成像面积约为0.5m²-0.7m²，采集的高光谱影像空间分辨率能够达到亚毫米级。但是对于每个小区通常为60m²-150m²的试验田来说，三脚架平台的成像面积过小，降低了影像采集效率，也不利于各个小区光谱特性的分类对比。同时，在影像几何校正方面，利用共线方程方法直接计算像点的地面坐标需要很高的GPS精度，在GPS精度不能满足时，影像的几何校正效果并不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提高影像采集效率以及通过几何校正获得高精度影像的问题。

为此目的，本发明提出了一种旋转平台农田成像几何校正方法，所述方法具体包括：

S1：对农田进行旋转式扫描成像以及POS数据同步采集；

S2：对所述旋转式扫描获得的影像进行扫描轨迹拟合获取扫描圆形轨迹方程；

S3：建立偏航角查找表，其中，所述偏航角查找表为对所述农田进行旋转式扫描成像的扫描行号与偏航角一一对应关系表；

S4：根据所述偏航角查找表和所述扫描圆形轨迹方程获得校正后所述影像各个像素的所述偏航角和所述行号，并对所述影像进行几何校正。

进一步地，所述S1进一步包括：

S11：在高空作业升降机平台上固定高光谱成像仪；

S12：连接GPS与惯性测量元件形成定位定姿系统，并将所述定位定姿系统安装在所述高光谱成像仪上形成第二系统；

S13：将所述第二系统与电脑终端相连接；

S14：地面工作站通过无线网络与所述电脑终端进行特征参数设置，以旋转所述高空作业升降机方式对所述农田进行所述旋转式扫描成像以及所述POS数据同步采集。

具体地，所述特征参数包括曝光时间参数以及增益成像参数。

进一步地，所述S2还包括：

S21：建立扫描轨迹方程，其中，所述扫描轨迹方程为：

(X-A)²+(Y-B)²=R²

（X,Y）为所述GPS采集到的传感器投影中心在WGS-84坐标系下的平面直角坐标，（A，B）为旋转式扫描中心坐标，R为扫描半径；

S22：对所述扫描轨迹方程进行整理，得到以参数形式表示的圆轨迹方程；

S23：将多次所述GPS采集得到的所述传感器投影中心在所述WGS-84坐标系下的所述平面直角坐标代入以参数形式表示的所述圆形轨迹方程中得到第一圆形轨迹方程；

S24：对所述第一圆形轨迹方程利用最小二乘法进行拟合，得到拟合的所述扫描圆形轨迹方程的圆心和半径。

进一步地，所述S4进一步包括：所述偏航角（θ）和所述行号（A）通过公式

\{\begin{matrix} θ = \arcsin (\frac{x - S / 2}{\sqrt{{(x - S / 2)}^{2} + {(y - S / 2)}^{2}}}) \times 180 / π \\ A = [R_{2} - \sqrt{{(X - S / 2)}^{2} + {(Y - S / 2)}^{2}}] \end{matrix}

进行计算，其中，R₂为同心圆的外圆半径，圆心O的坐标为（S/2,S/2），校正后任意一点P的坐标为P（X，Y）。

通过采用本发明所公开一种旋转平台农田成像几何校正方法，通过采用升降机固定，伸缩臂旋转的成像方式，减小了高光谱成像仪的振动，提高了影像质量，利用POS数据与扫描圆形轨迹的几何关系结合的几何校正方法，提高了影像采集效率，获得了高精度的影像几何校正效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中的一种旋转平台农田成像几何校正方法的步骤流程图；

图2示出了本发明实施例中的旋转平台农田成像装置及POS数据采集装置的安装步骤流程图；

图3示出了本发明实施例中的获取扫描轨迹方程的步骤流程图；

图4示出了升降机平台农田高光谱影像采集设备结构图；

图5示出了农田影像校正前后像方坐标；

图6示出了农田影像几何校正原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所述，本发明提供了一种旋转平台农田成像几何校正方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤S1：对农田进行旋转式扫描成像以及POS（PositionandOrientationSystem,定位定姿系统）数据同步采集。

如图2所示，具体地，步骤S1进一步包括：

步骤S11：在高空作业升降机平台上固定高光谱成像仪，其中，高空作业升降机型号与规格如表1所示：

品牌	卓立汉光
		型号	Image-λ-V10E-LU
光谱范围（nm）	400-1000
		光谱分辨率（nm）	2.8
垂直视场角（°）	20
		扫描角度分辨率（°）	0.05
相机像素	1392×1040
		像素尺寸（μm）	6.45×6.45

表1

以及高光谱成像仪型号与规格如表2所示：

表2

进一步地，在步骤S11中应当注意高光谱成像仪的夹缝要与升降机旋转的切线方向垂直。

步骤S12：连接GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）与惯性测量元件形成定位定姿系统，并将定位定姿系统安装在高光谱成像仪上形成第二系统，其中GPS与IMU（InertialMeasurementUnit，惯性测量元件）形成的定位定姿系统型号与规格如表3所示：

表3

进一步地，在步骤S12中应当注意IMU的X轴要与升降机旋转的切线方向平行。

步骤S13：将第二系统与电脑终端相连接，即按照步骤S11、步骤S12与步骤S13连接的装置图如图4所示。

步骤S14：地面工作站通过无线网络与电脑终端进行特征参数设置，以旋转高空作业升降机方式对农田进行旋转式扫描成像以及POS数据同步采集。其中，特征参数包括曝光时间参数以及增益成像参数。

步骤S11-步骤S14克服了卫星和航空影像空间分辨率不能满足农田小区试验的不足，相比三脚架平台，成像高度又有了很大的提升。即为了减小高光谱成像仪振动，提高影像质量，本发明采用了升降机固定，伸缩臂旋转的成像方式，使得集成的设备采集的高光谱影响空间分辨率为6mm以上，最大有效成像面积可达675m²，完全可以满足小区试验的要求。同时，为了校正由于旋转扫描成像产生的几何畸变，获取几何校正所需的位置和姿态数据，本发明在成像光谱仪上加装了GPS/IMU定位定姿系统，使得获取的高光谱影像每一扫描行都有各自的位置和姿态数据，为后续的影像几何校正提供了必要的数据。

步骤S2：对旋转式扫描获得的影像进行扫描轨迹拟合获取扫描圆形轨迹方程。

如图3所示，具体地，步骤S2进一步包括：

步骤S21：建立扫描轨迹方程，其中，扫描轨迹方程为：

(X-A)²+(Y-B)²=R²

（X,Y）为GPS采集到的传感器投影中心在WGS-84（WorldGeodeticSystem-1984CoordinateSystem，1984地心坐标系）下的平面直角坐标，（A，B）为旋转式扫描中心坐标，R为扫描半径，其中令a=-2A，b=-2B，c=A²+B²-R²，可得圆形轨迹方程的参数形式。

步骤S22：对扫描轨迹方程进行整理，得到以参数形式表示的圆形轨迹方程，即为X²+Y²+aX+bY+c=0

步骤S23：将多次GPS采集得到的传感器投影中心在WGS-84坐标系下的平面直角坐标代入以参数形式表示的圆形轨迹方程中得到第一圆形轨迹方程。

具体地，样本点（X_i,Y_i）i=(1,2,3…N)到圆心的距离的平方与半径的平方之差为：

δ_{i}^{2} = d_{i}^{2} - R^{2} = X_{i}^{2} + {Y_{i}}^{2} + a X_{i} + b Y_{i} + c

进一步地，根据最小二乘法平差使得即令

C = (NΣ X_{i}^{2} - Σ X_{i} Σ X_{i})

D=(N∑X_iY_i-∑X_i∑Y_i)

E = NΣ X_{i}^{2} + NΣ X_{i} Y_{i} - Σ (X_{i}^{2} + {Y_{i}}^{2}) Σ X_{i}

G=(N∑Y_i ²-∑Y_i∑Y_i)

H = NΣ X_{i}^{2} Y_{i} + NΣ {Y_{i}}^{3} - Σ (X_{i}^{2} + {Y_{i}}^{2}) Σ Y_{i}

可解得：

a=(HD-EG)/(CG-D²)

b=(HC-ED)/(D²-GC)

c = [Σ (X_{i}^{2} + {Y_{i}}^{2}) + aΣ X_{i} + bΣ Y_{i}] / N

步骤S24：对第一圆形轨迹方程利用最小二乘法进行拟合，得到拟合的扫描圆形轨迹方程的圆心和半径，即得到A、B、R的拟合值分别为：

A = - a / 2; B = - b / 2; R = \sqrt{a^{2} + b^{2} - 4 c} / 2

进一步地，步骤S21-步骤S24利用POS数据和共线方程求取地面坐标的几何校正方法，需要至少厘米级的GPS精度才能取得较好的校正效果，在GPS精度不高时，校正效果并不理想。因此，本发明提出了一种基于POS数据和圆几何关系的几何校正方法，在GPS精度不高时，也能达到理想的几何校正效果。

步骤S3：建立偏航角查找表，其中，偏航角查找表为对农田进行旋转式扫描成像的扫描行号与偏航角一一对应关系表。

具体地，由IMU惯性测量元件测得的偏航角(κ)经过重采样后得到高光谱影像各扫描行的偏航角，这样就能建立行号与偏航角一一对应的查找表，以备后续的几何校正使用。

步骤S4：根据偏航角查找表和扫描圆形轨迹方程获得校正后影像各个像素的偏航角和行号，并对影像进行几何校正。

具体地，如图5所示，校正后影响的像素大小为S×S，圆心O的坐标为（S/2，S/2），图像上任意一点P的坐标为P（X，Y），扫描半径为R，同心圆的外圆半径为R₂，偏航角为θ。校正前图像的校正前图像的图幅为M×N，对应校正前图像上任意一点P的坐标为P（A，B），各扫描行对应的航偏角为（θ₁…θ_N）。

进一步地，偏航角（θ）和行号（A）通过公式

\{\begin{matrix} θ = \arcsin (\frac{x - S / 2}{\sqrt{{(x - S / 2)}^{2} + {(y - S / 2)}^{2}}}) \times 180 / π \\ A = [R_{2} - \sqrt{{(X - S / 2)}^{2} + {(Y - S / 2)}^{2}}] \end{matrix}

进行计算。

进一步地，搜索偏航角查找表寻找最佳扫描行，然后将相应的像素值重采样后赋予校正后影像，完成几何校正，即旋转式扫描成像扫描区域为环形，但是高光谱成像仪所呈影像为矩形，使影像中产生环形几何畸变，根据原理且如图6所示，通过本发明上述所叙述的方法可以快速、有效的对这种环形畸变进行校正。

进一步地，高光谱影像的成像方式为线阵推扫式，需要传感器与目标的相对运动才能成像，然而升降机的行走会造成传感器振动，影响成像质量。所以，本发明设计了升降机固定，伸缩臂旋转的成像方式，以减小传感器振动，提高成像质量。同时，旋转式扫描可以一次对多个小区成像，便于不同小区光谱特性的分类对比。但是旋转式扫描的成像方式会使影像产生环形几何畸变，为了矫正影像的几何畸变，本发明在高光谱成像仪上加装了定位定姿系统POS，即定位定姿系统由GPS和惯性测量单元IMU组成，可以测量高光谱影像每一条扫描线的投影中心坐标(X,Y,Z)和成像时刻传感器的三个姿态角(θ,ω,κ)。利用共线方程和每一条扫描线的POS数据，可以求出影像上各像点的地面坐标，从而对影像进行几何校正。然而，利用共线方程方法直接计算像点的地面坐标需要很高的GPS精度（厘米级），在GPS精度不能满足时，影像的几何校正效果并不理想。因此，本发明提出了一种先用GPS测得的投影中心坐标拟合扫描轨迹，得到扫描半径，然后根据圆的几何关系和每一扫描行的偏航角(κ)进行几何校正的方法，即由于升降机的最大工作高度为25m左右，有效成像面积达80㎡-675m²，采集的高光谱影像空间分辨率为毫米级，满足了农田小区实验的空间分辨率需求，又提高了影像采集效率。

本发明提供一种旋转平台农田成像几何校正方法，通过采用升降机固定，伸缩臂旋转的成像方式，减小了高光谱成像仪的振动，提高了影像质量。利用POS数据与扫描圆形轨迹几何关系结合的几何校正方法，提高了影像采集效率，获得了高精度的影像几何校正效果。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种旋转平台农田成像几何校正方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S1：对农田进行旋转式扫描成像及定位定姿系统数据同步采集；

S2：对所述旋转式扫描成像获得的影像进行扫描轨迹拟合获取扫描圆形轨迹方程；

S3：建立偏航角查找表，其中，所述偏航角查找表为对所述农田进行旋转式扫描成像的扫描行号A与偏航角θ的一一对应关系表；

S4：根据所述偏航角查找表和所述扫描圆形轨迹方程获得校正后所述影像各个像素的所述偏航角θ和所述扫描行号A，并对所述影像进行几何校正。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1进一步包括：

S11：在高空作业升降机平台上固定高光谱成像仪；

S13：将所述第二系统与电脑终端相连接；

S14：地面工作站通过无线网络与所述电脑终端进行特征参数设置，以旋转所述高空作业升降机平台的方式对所述农田进行所述旋转式扫描成像以及所述定位定姿系统数据同步采集。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特征参数包括曝光时间参数以及增益成像参数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2还包括：

S21：建立扫描轨迹方程，其中，所述扫描轨迹方程为：

(X-A)²+(Y-B)²＝R²

(X,Y)为GPS采集到的传感器投影中心在WGS-84坐标系下的平面直角坐标，(A，B)为旋转式扫描中心坐标，R为扫描半径；

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4进一步包括：所述偏航角θ和所述扫描行号A通过公式

\{\begin{matrix} θ = \arcsin (\frac{X - S / 2}{\sqrt{{(X - S / 2)}^{2} + {(Y - S / 2)}^{2}}}) \times 180 / π \\ A = [R_{2} - \sqrt{{(X - S / 2)}^{2} + {(Y - S / 2)}^{2}}] \end{matrix}

进行计算，其中，R₂为同心圆的外圆半径，圆心O的坐标为(S/2,S/2)，校正后上任意一点P的坐标为(X，Y)。