CN105067116B - 一种画幅式成像光谱数据的拼接方法及系统 - Google Patents
一种画幅式成像光谱数据的拼接方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种画幅式成像光谱数据的拼接方法及系统，该方法包括：采集画幅式成像光谱立方体数据，根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系，根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，并将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。该方法避免海量成像光谱数据全部波段同时拼接问题，利用成像光谱数据所有波段空间覆盖一致性特点，仅拼接其中三个波段，破解了画幅式成像光谱仪几何拼接难题，为画幅式成像光谱仪的广泛应用提供了支撑。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种画幅式成像光谱数据的拼接方法及系统。
背景技术
近年来，成像高光谱遥感技术以图谱合一，空间和光谱分辨率高等特点推进了农业遥感定量化发展，具有巨大的应用潜力。特别是随着无人机遥感的逐步成熟，利用无人机载画幅式成像光谱仪可以快速获取光谱立方体，开展作物养分、病虫害及产量品质精确诊断的研究与应用成为国内外的热点。目前成像高光谱成像方式主要包括两类,即线阵推扫成像和画幅式成像。线阵推扫式成像光谱仪必须通过逐线连续扫描才能获得空间连续的数据，所以主要用于稳定的运动平台，例如卫星、航空及地面导轨等平台。而画幅式成像光谱仪可以获得瞬间的连续二维空间光谱数据，主要用于动态运动的非稳定的无人机遥感平台或地面人工测量。成像光谱仪需要采集的数据量大小取决于三个因素：空间分辨率(固定视场内像元行数及列数)、光谱分辨率(波段数)及数据存储位数。例如采用画幅式成像CCD为1024(行)*1024(列)，波段数100，存储位数8bit，所以画幅式成像光谱仪每成像一次需要存储传输的数据量为100M。为此，当无人机载成像光谱仪进行大范围数据获取时，将要采集大量的光谱立方体，数据量将达到10-1000GB，现有的常规处理方法基本无法满足如此大数据量的光谱立方体拼接及后续光谱分析，极大限制了画幅式成像光谱仪的应用。
只有完成光谱立方体的几何拼接，才能进行后续的光谱信息提取和应用分析。常规的成像光谱几何拼接需要对所有波段进行计算，导致计算量巨大，严重影响后续应用分析。目前，国内外还没有理想的解决无人机载成像高光谱几何拼接方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种画幅式成像光谱数据的拼接方法及系统，避免海量成像光谱数据全部波段同时拼接问题。
第一方面，本发明提供一种画幅式成像光谱数据的拼接方法，包括：
采集画幅式成像光谱立方体数据，根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；
通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；
根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系，根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，并将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。
可选的，所述三个波段包括：蓝光波段、绿光波段和红光波段。
可选的，所述蓝光波段为450nm，所述绿光波段为550nm，所述红光波段为650nm。
可选的，所述POS信息包括：经度、纬度和高程。
第二方面，本发明还提供了一种基于上述的画幅式成像光谱数据的拼接方法的动态光谱信息的提取方法，包括：
获取待提取动态光谱信息的地理坐标；
根据所述像平面坐标与地理坐标的转换关系，获取与所述地理坐标对应的像平面坐标；
通过文件定位读取方法，在画幅式成像光谱立方体数据中提取与所述像平面坐标对应的光谱信息。
第三方面，本发明还提供了一种画幅式成像光谱数据的拼接系统，包括：
采集模块，用于采集画幅式成像光谱立方体数据；
图像合成模块，用于根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；
第一获取模块，用于通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；
转换关系建立模块，用于根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系；
第二获取模块，用于根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，并获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。
可选的，所述三个波段包括：蓝光波段、绿光波段和红光波段。
可选的，所述蓝光波段为450nm，所述绿光波段为550nm，所述红光波段为650nm。
可选的，所述POS信息包括：经度、纬度和高程。
第四方面，本发明还提供了一种基于上述的画幅式成像光谱数据的拼接系统的动态光谱信息的提取系统，包括：
第三获取模块，用于获取待提取动态光谱信息的地理坐标；
第四获取模块，用于根据所述像平面坐标与地理坐标的转换关系，获取与所述地理坐标对应的像平面坐标；
信息提取模块，用于通过文件定位读取方法，在画幅式成像光谱立方体数据中提取与所述像平面坐标对应的光谱信息。
由上述技术方案可知，本发明提供的一种画幅式成像光谱数据的拼接方法及系统，避免海量成像光谱数据全部波段同时拼接问题，利用成像光谱数据所有波段空间覆盖一致性特点，仅拼接其中三个波段，即可实现用户任意查询位置光谱信息的动态提取，这种新方法破解了画幅式成像光谱仪几何拼接难题，为画幅式成像光谱仪的广泛应用提供了支撑。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种画幅式成像光谱数据的拼接方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例提供的一种画幅式成像光谱数据的拼接方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的动态光谱信息的提取方法的流程示意图；
图4为本发明另一实施例提供的动态光谱信息的提取方法的流程示意图；
图5为本发明一实施例提供的一种画幅式成像光谱数据的拼接系统的结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的动态光谱信息的提取系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种画幅式成像光谱数据的拼接方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
101、采集画幅式成像光谱立方体数据，根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；
102、通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；
103、根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系，根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，并将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。
上述方法避免海量成像光谱数据全部波段同时拼接问题，利用成像光谱数据所有波段空间覆盖一致性特点，仅拼接其中三个波段，破解了画幅式成像光谱仪几何拼接难题，为画幅式成像光谱仪的广泛应用提供了支撑。
下面通过具体的实施例对上述方法进行详细说明。
本实施例利用150个波段中的蓝、绿、红三个波段，结合无人机飞行辅助数据进行各个光谱立方体对应的高精度POS数据解算。根据POS数据实现所有彩色图像的坐标变换及几何拼接。保存拼接后的完成图像和各彩色图像变换后的地理坐标。拼接的空间续图像用于用户动态查询光谱，POS数据用于原始图像与拼接图像间投影坐标变换(行号，列号-经度，纬度)。当用户输入查询地理位置时，根据POS信息可计算出对应的彩色图像行列号位置，进而再从原始的光谱立方体中按照行列号位置提取所有波段的光谱值。
图2是本发明技术方案的流程图，画幅式成像高光谱数据拼接及动态光谱提取方法包括下列步骤：
(1)画幅式成像光谱立方体数据采集：为了满足后续空间三角测量需要，根据无人机飞行高度、飞行速度、画幅式成像光谱仪视场角(FOV)大小，计算出光谱仪采集频率V(Hz)
其中，S为无人机飞行速度(m/s)，H为无人机飞行高度(m)，FOV为画幅式光谱仪视场角大小(弧度)，r为空间三角测量所需的像片重叠度(％)。
(2)从原始光谱立方体中抽取红、绿、蓝三个波段：对画幅式成像光谱仪采集所有光谱立方体(1024行*1024列*150波段)，分别抽取每个立方体中的蓝光波段(450nm)、绿光波段(550nm)和红光波段(650nm)三个波段，分别合成RGB彩色图像。
(3)根据合成彩色影像求解高精度POS信息：根据彩色图像拍摄重叠度，地面同一点可以在多张像片上成像，可采用传统摄影测量及空中三角测量方法，精确求解出各张彩色图像拍摄位置的精确POS信息，POS包括：经度(XPOS)、纬度(YPOS)及高程(ZPOS)；横滚()、俯仰(ω)、航向(κ)。由于画幅式成像光谱仪所有波段空间范围完全一致，所以解算得到的POS信息也完全适用于每个光谱立方体的所有波段。
(4)根据解算的各彩色图像POS信息，基于几何共线方程建立像平面坐标(行、列)与地理坐标(经度、纬度)之间的转换关系，
其中a1，a2，a3；b1，b2，b3；c1，c2，c3分别代表几何共线方程中像素坐标向地理坐标转换过程中在X、Y、Z三轴的旋转、缩放及平移参数；(M,N)为彩色图像像素坐标；(X,Y,Z)为几何校正后地理坐标；f为成像光谱仪焦距。
(5)计算所有彩色图像地理范围并空间叠加：利用像平面坐标(行、列)与地理坐标(经度、纬度)之间的转换关系，对每个合成的彩色图像的边缘位置处的像素坐标进行计算，得到对应的地理坐标范围，并以矢量多边形格式分别存储，文件名与该彩色图像对应的光谱立方体文件名一致，便于后续光谱信息提取。在GIS中将所有转换后的彩色图像及对应的矢量多边形进行空间叠加。
图3为本发明一实施例提供的动态光谱信息的提取方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
301、获取待提取动态光谱信息的地理坐标；
302、根据所述像平面坐标与地理坐标的转换关系，获取与所述地理坐标对应的像平面坐标；
303、通过文件定位读取方法，在画幅式成像光谱立方体数据中提取与所述像平面坐标对应的光谱信息。
在另一个可实现的方式中，如图4所示，动态光谱信息提取：用户可以根据GIS中所有变换后图像覆盖空间范围，选取任意位置，通过获得选取位置的地理坐标X,Y，并与(5)中所有转换后的彩色图像对应的矢量多边形进行空间交叉分析，确定X,Y属于那个彩色图像。然后根据(4)中建立的像平面坐标(行、列)与地理坐标(经度、纬度)之间的转换关系，计算出与X,Y对应的彩色图像上的像平面坐标行列号M,N。最后，利用文件定位读取方法在彩色图像对应的光谱立方体中提取出M,N位置处的所有波段光谱值。
利用上述(4)、(5)、(6)步骤，可以动态查询任意位置的光谱信息，无需进行常规方法的几何拼接。而常规方法必须在完成成像光谱数据所有波段的拼接后才能实现光谱信息查询。本方法彻底解决了成像光谱数据所有波段几何拼接带来的数据量大，计算效率低及应用难等问题。
上述方法中画幅式成像光谱仪采集的光谱立方体覆盖波段范围400-1000nm，光谱分辨率4nm，有150个波段。CCD行列数均为1024。首先提取各个成像立方体其中蓝光波段(450nm)、绿光波段(550nm)和红光波段(650nm)三个波段，分别合成RGB彩色图像。根据合成的彩色图像、无人机POS数据，采用空中三角测量方法，解算各彩色图像对应的高精度POS信息。由于光谱立方体中所有谱段空间覆盖完全一致，所以解算的POS信息也适用于光谱立方体。根据解算的高精度POS信息，对合成的彩色图像像素坐标(行号，列号)按照共线方程依次进行几何变换和投影转换，得到完整拼接的彩色图像，同时输出每个彩色图像变换后的地理坐标范围(经度，纬度)。将所有变换后的彩色图像地理边界范围保存成单独的矢量文件，并在GIS中进行空间叠加。当用户在GIS中参考拼接后的完整图像并根据地理位置(经度，纬度)提取光谱信息时，根据输入的查询地理位置，首先判断与那些变换后的彩色图像在空间有交叉重叠，然后根据空间重叠的地理位置，依次利用前面解算的彩色图像POS数据和共线方程进行计算，得到所在彩色图像变换前的像素坐标位置(行号，列号)，最终根据计算出的行号和列号到原始的光谱立方体中提取出所有波段的光谱信号值。
上述方法充分利用了画幅式成像光谱仪所有波段空间一致性优势，利用光谱立方体中三个波段，并采用空中三角测量方法解算出高精度POS信息，建立原始光谱立方体像素坐标与几何变换后地理坐标的转换关系，最终根据用户查询点位地理位置反算出其位于那个光谱立方体，从而提取出所有谱段的光谱信息，破解了无人机画幅式成像光谱仪几何拼接和光谱动态提取难题。该方法并且能够利用画幅式成像光谱仪所有波段空间一致性优势，仅利用少量波段即可实现任意位置光谱信息的动态提取，避免了常规方法先将成像光谱数据所有波段几何拼接后才能进行光谱查询所带来的数据量大、拼接耗时、提取效率低及应用难等问题，破解了画幅式成像光谱仪几何拼接及光谱提取难题，为画幅式成像光谱仪的广泛应用提供了支撑。
图5示出了本发明实施例提供的一种画幅式成像光谱数据的拼接系统的结构示意图，如图5所示，该系统包括：
采集模块51，用于采集画幅式成像光谱立方体数据；
图像合成模块52，用于根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；
第一获取模块53，用于通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；
转换关系建立模块54，用于根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系；
第二获取模块55，用于根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，并获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。
在本实施例的一个优选的实施例中，所述三个波段包括：蓝光波段、绿光波段和红光波段。
在本实施例的一个优选的实施例中，所述蓝光波段为450nm，所述绿光波段为550nm，所述红光波段为650nm。
在本实施例的一个优选的实施例中，所述POS信息包括：经度、纬度和高程。
图6示出了本发明一实施例提供的基于上述的画幅式成像光谱数据的拼接系统的动态光谱信息的提取系统的结构示意图，如图6所示，该系统包括：
第三获取模块61，用于获取待提取动态光谱信息的地理坐标；
第四获取模块62，用于根据所述像平面坐标与地理坐标的转换关系，获取与所述地理坐标对应的像平面坐标；
信息提取模块63，用于通过文件定位读取方法，在画幅式成像光谱立方体数据中提取与所述像平面坐标对应的光谱信息。
上述系统与上述方法是一一对应的关系，本实施例不再对上述系统的实施细节进行详细说明。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种画幅式成像光谱数据的拼接系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集画幅式成像光谱立方体数据；
图像合成模块，用于根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；
第一获取模块，用于通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；
转换关系建立模块，用于根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系；
第二获取模块，用于根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，并获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三个波段包括：蓝光波段、绿光波段和红光波段。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述蓝光波段为450nm，所述绿光波段为550nm，所述红光波段为650nm。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述POS信息包括：经度、纬度和高程。
5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的画幅式成像光谱数据的拼接系统的动态光谱信息的提取系统，其特征在于，包括：
第三获取模块，用于获取待提取动态光谱信息的地理坐标；
第四获取模块，用于根据所述像平面坐标与地理坐标的转换关系，获取与所述地理坐标对应的像平面坐标；
信息提取模块，用于通过文件定位读取方法，在画幅式成像光谱立方体数据中提取与所述像平面坐标对应的光谱信息。
6.一种基于如权利要求1所述的画幅式成像光谱数据的拼接系统的拼接方法，其特征在于，所述拼接方法包括：
采集模块采集画幅式成像光谱立方体数据，图像合成模块根据所述立方体数据中的三个波段，分别合成RGB图像；
第一获取模块通过空中三角测量方法，获取所述RGB图像拍摄位置的POS信息；
转换关系建立模块根据所述POS信息，建立像平面坐标与地理坐标的转换关系，第二获取模块根据所述转换关系对所述RGB图像的像平面坐标进行计算，获取与所述像平面坐标对应的地理坐标，并将所述地理坐标以多边形矢量的格式进行空间叠加。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三个波段包括：蓝光波段、绿光波段和红光波段。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述蓝光波段为450nm，所述绿光波段为550nm，所述红光波段为650nm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述POS信息包括：经度、纬度和高程。
10.一种基于权利要求6-9中任一项所述的画幅式成像光谱数据的拼接方法的动态光谱信息的提取方法，其特征在于，所述提取方法使用如权利要求5所述的提取系统，且该提取方法包括：
第三获取模块获取待提取动态光谱信息的地理坐标；
第四获取模块根据所述像平面坐标与地理坐标的转换关系，获取与所述地理坐标对应的像平面坐标；
信息提取模块通过文件定位读取方法，在画幅式成像光谱立方体数据中提取与所述像平面坐标对应的光谱信息。
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