CN107220939A - 一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其步骤如下：(1)岩芯高光谱数据读入；(2)根据光谱特征，确定提取定标三角形的波段；(3)由平滑线性空间滤波器对图像进行滤波处理，采用阈值分割方法对定标三角形进行粗提取；(4)由步骤(3)得到的结果进行膨胀和腐蚀处理，消除不规则的边界点，得到互不连通的定标三角形和干扰区域；(5)以定标三角形在岩芯数据中的面积为阈值，消除干扰区域，得到定标三角形；(6)由Canny边缘检测器对定标三角形进行边缘检测，提取定标三角形的轮廓信息；(7)采用霍夫变换寻找定标三角形轮廓中的直线，以直线斜率和长度为阈值，提取发生畸变的定标三角形斜边线段端点，以此为控制点进行几何畸变校正。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种利用图像处理的方法进行岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，属于高光谱数据处理方法与应用技术领域，适用于高光谱数据几何畸变校正的理论方法和应用技术研究。
(二)背景技术
高光谱成像仪是一种新型的遥感载荷，其光谱具有紧密、连续的特点，可以同时记录被测同一地物的光谱和空间信息特征，使本来在宽波段遥感中不可能探测的物质在高光谱遥感中能被探测到。岩芯是通过钻井取心获得的第一手资料，通过对岩芯的分析，可以确定地层的年代，研究地层的岩性、物性、电性和含油性以及判断岩性的沉积环境及断裂情况。鉴于岩芯数据的重要性以及防止由于自然风化、人为管理不当等原因造成岩芯损失，为了更好地对岩芯数据进行保存和研究，岩芯成像光谱仪应运而生。岩芯成像光谱仪在扫描数据的过程中，受其工作方式、光学系统组成、光照条件以及扫描平台机械运动精度等内外因素的影响，原始的岩芯扫描图像中存在几何畸变，无法被用户直接使用。几何畸变成为岩芯高光谱数据应用的主要问题，通过对几何畸变进行校正可以大大推动高光谱数据的应用，并不断扩展岩芯高光谱数据的应用深度和广度。
图像分割与识别是数字图像处理重要的组成部分。随着计算机技术的不断发展，图像分割与识别逐渐得到重视，各种处理方法层出不穷。本发明基于仪器特性和成像条件的分析，提出基于几何定标、平滑滤波、阈值化、膨胀和腐蚀、边缘检测以及霍夫直线检测等图像处理方法，实现图像的几何畸变校正。
(三)发明内容
本发明的目的是提出一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，此方法利用图像分割和识别方法可以自动识别畸变区域，并提取畸变区域边缘特征点，以特征点作为控制点，有效地解决了岩芯图像数据中无固定控制点的问题，为几何校正提供依据，进行几何畸变校正。
本发明的技术解决方案是：针对岩芯成像光谱仪采集岩芯图像数据中存在拉伸压缩几何畸变时，无法在不停变换的岩芯数据中选取固定的控制点，难以进行几何校正的问题，提出了基于三角形定标法的几何校正方法。该方法利用图像识别与分割等图像处理方法，提取定标三角形畸变区域边缘特征点作为几何畸变校正的控制点，达到几何校正的目的。
本发明一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其步骤如下：
(1)岩芯高光谱数据的读入；
(2)根据光谱特征，确定提取定标三角形的波段；
(3)由平滑线性空间滤波器对图像进行滤波处理，采用阈值分割方法对定标三角形进行粗提取；
(4)由步骤(3)得到的结果进行膨胀和腐蚀处理，消除不规则的边界点，得到互不连通的定标三角形和干扰区域；
(5)以定标三角形在岩芯数据中的面积为阈值，消除干扰区域，得到定标三角形；
(6)由Canny边缘检测器对定标三角形进行边缘检测，提取定标三角形的轮廓信息；
(7)采用霍夫变换寻找定标三角形轮廓中的直线，以直线斜率和长度为阈值，提取发生畸变的定标三角形斜边线段端点，以此为控制点进行几何畸变校正。
其中，步骤(2)中所述的根据光谱特征，确定提取定标三角形的波段为岩芯数据光谱特征差异大、图像对比度高的波段。
其中，步骤(3)中所述的“由平滑线性空间滤波器对图像进行滤波处理，采用阈值分割方法对定标三角形进行粗提取”，其阈值分割方法操作如下：
f(x，y)为平滑后的岩芯图像，g(x，y)为阈值分割后图像，T为阈值。
其中，其步骤(4)中所述的“由步骤(3)得到的结果进行膨胀和腐蚀处理，消除不规则的边界点，得到互不连通的定标三角形和干扰区域”，腐蚀操作为：
A为需进行腐蚀处理的集合，AC是A的补集，是空集，B为腐蚀结构元素，腐蚀选择不同大小的结构元素，去除集合不同大小的边界以及有细小的连通的两个集合；膨胀是腐蚀的对偶运算，即对集合的补集进行腐蚀运算得到膨胀结果。
其中，其步骤(5)中所述的“以定标三角形在岩芯数据中的面积S为阈值，消除干扰区域，得到定标三角形”，岩芯成像光谱仪焦距f和成像高度h已知，定标三角形实际面积大小为S0，依据成像等比关系，可以计算定标三角形在岩芯图像中的面积S为阈值进一步提取定标三角形：
其中，步骤(6)中所述的“由Canny边缘检测器对定标三角形进行边缘检测，提取定标三角形的轮廓信息”，利用Canny算子以面积S为阈值，寻找定标三角形的轮廓信息，提取定标三角形的轮廓。
其中，步骤(7)中所述的“采用霍夫变换寻找定标三角形轮廓中的直线，以直线斜率和长度为阈值，提取发生畸变的定标三角形斜边线段端点，以此为控制点进行几何畸变校正”，通过一个直线的离散极坐标公式，可以表达出直线的离散点集合等式如下：
ρ＝xcosθ+ysinθ
ρ≥0，0≤θ＜π，其中ρ为l相对于原点的距离，θ为l与x轴的交角，(x，y)为像元坐标；直线l上不同点(x，y)在参数空间中被变换为一簇相交于p点的正弦曲线，若能确定参数空间中的p点(局部最大值)，即实现直线检测；无畸变情况时定标三角形的斜边斜率的绝对值|α|应为1，以此为阈值提取出三角形斜边直线，再以斜边长度L为阈值，提取出小于正常斜边长度的直线，位于同一定标三角形斜边上的两条直线之间的区域就是几何畸变区域，以畸变区域的边缘特征点为控制点，进行几何畸变校正。
本发明与现有技术相比的优点在于：克服了传统遥感图像几何畸变校正中需要位置相对不变，确定的控制点的局限，利用图像处理的相关方法自动识别畸变区域，提取畸变区域的边缘特征点作为控制点，有效地解决了岩芯图像数据无固定控制点的问题，为几何校正提供依据。它具有以下的优点：(1)通过设立定标三角形解决了岩芯数据中无固定控制点的问题，为岩芯数据的几何畸变校正提供依据；(2)通过图像分割和识别方法，自动识别和提取畸变区域，减少人为干预，节省人力；(3)利用定标三角形面积，斜边长度和斜率等先验知识，实现定标三角形畸变区域边缘特征点的提取，有效的提高了算法的可靠性。
(四)附图说明
图1为模拟岩芯数据图像处理过程，其中：
图1(a)为模拟岩芯图像；
图1(b)为平滑滤波灰度图；
图1(c)为二值化图；
图1(d)为腐蚀和膨胀结果图；
图1(e)为Canny边缘检测结果图；
图1(f)为定标三角形轮廓提取结果图；
图1(g)为霍夫变换直线检测结果图；
图1(h)为校正结果图。
(五)具体实施方式
为了更好的说明本发明涉及的一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，利用模拟岩芯数据进行几何畸变校正。本发明一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，具体实现步骤如下：
(1)岩芯数据的读入：读入模拟岩芯数据；如图1(a)所示；
(2)根据光谱特征，确定提取定标三角形的波段：根据数据特点，确定第一波段为实验波段；
(3)由平滑线性空间滤波器对图像进行滤波处理，采用阈值分割方法对定标三角形进行粗提取：其阈值分割方法操作如下：
f(x，y)为平滑后的岩芯图像，g(x，y)为阈值分割后图像，T为阈值，图像由较亮岩芯数据等组成的背景以及背景上的黑色定标三角形组成，以这样的组成方式，定标三角形像素和背景像素所具有的灰度值组合成了两种支配模式，从背景中提取物体的一种明显方法是选择一个将这些模式分开的阈值T，然后，f(x，y)＜T的任何点(x，y)称为一个对象点；否则将该点成为背景点；如图1(b)和图1(c)所示；
(4)由步骤(3)得到的结果进行膨胀和腐蚀处理，消除不规则的边界点，得到互不连通的定标三角形和干扰区域：腐蚀选择不同大小的结构元素，就可以去除集合不同大小的边界，如果两个集合之间有细小的连通，通过腐蚀运算就可将两个集合分开，用集合A和B表示腐蚀的定义为：
A为需进行腐蚀处理的集合，AC是A的补集，是空集，B为腐蚀结构元素，膨胀是腐蚀的对偶运算，可定义为对集合的补集就行腐蚀运算；如图1(d)所示，对定标三角形进行了分割；
(5)以定标三角形在岩芯数据中的面积为阈值，消除干扰区域，得到定标三角形：岩芯成像光谱仪焦距f和成像高度h已知，定标三角形实际面积大小为S0，依据成像等比关系，可以计算定标三角形在岩芯图像中的面积S为阈值进一步提取定标三角形(如图1(e)所示)：
(6)由Canny边缘检测器对定标三角形进行边缘检测，提取定标三角形的轮廓信息：边缘检测是以找到亮度的一阶导数在幅度上比指定阈值大的区域和找到亮度的二阶导数有零交叉的地方两个基本准则为标准，在图像中寻找亮度快速变化的地方；按照上述两个准则，选择细节更清晰的Canny边缘检测器进行岩芯图像的边缘检测，并以面积S为阈值，寻找定标三角形的轮廓信息，提取定标三角形的轮廓；如图1(f)所示；
(7)采用霍夫变换寻找定标三角形轮廓中的直线，以直线斜率和长度为阈值，提取发生畸变的定标三角形斜边线段端点，以此为控制点进行几何畸变校正：霍夫变换是一种在图像中寻找直线、圆等简单形状的方法，利用霍夫变换在轮廓中寻找直线，一条直线在图像中是一系列离散点的集合，通过一个直线的离散极坐标公式，可以表达出直线的离散点集合等式如下：
ρ＝xcosθ+ysinθ
ρ≥0，0≤θ＜π，其中ρ为l相对于原点的距离，θ为l与x轴的交角，(x，y)为像元坐标，无畸变情况时定标三角形的斜边斜率的绝对值|α|应为1，以此为阈值提取出三角形斜边直线。再以斜边长度L为阈值，提取出小于正常斜边长度的直线，位于同一定标三角形斜边上的两条直线之间的区域就是几何畸变区域，以畸变区域的边缘特征点为控制点，进行几何畸变校正，如图1(g)和图1(h)所示。
Claims (6)
1.一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其特征在于：它包含以下步骤：
(1)岩芯高光谱数据的读入；
(2)根据光谱特征，确定提取定标三角形的波段；
(3)由平滑线性空间滤波器对步骤(2)获取的波段图像进行滤波处理，采用阈值分割方法对定标三角形进行粗提取；
(4)由步骤(3)得到的结果进行膨胀和腐蚀处理，消除不规则的边界点，得到互不连通的定标三角形和干扰区域；
(5)以定标三角形在岩芯数据中的面积为阈值，消除干扰区域，得到定标三角形；
(6)由Canny边缘检测器对定标三角形进行边缘检测，提取定标三角形的轮廓信息；
(7)采用霍夫变换寻找定标三角形轮廓中的直线，以直线斜率和长度为阈值，提取发生畸变的定标三角形斜边线段端点，以此为控制点进行几何畸变校正。
2.根据权利要求1所述的一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其特征在于：步骤(3)中所述的“由平滑线性空间滤波器对图像进行滤波处理，采用阈值分割方法对定标三角形进行粗提取”，其阈值分割方法操作如下：
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</mtr>
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</mrow>
f(x，y)为平滑后的岩芯图像，g(x，y)为阈值分割后图像，T为阈值。
3.根据权利要求1所述的一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其特征在于：步骤(4)中所述的“由步骤(3)得到的结果进行膨胀和腐蚀处理，消除不规则的边界点，得到互不连通的定标三角形和干扰区域”，腐蚀操作为：
A为需进行腐蚀处理的集合，AC是A的补集，是空集，B为腐蚀结构元素，腐蚀选择不同大小的结构元素，去除集合不同大小的边界以及有细小的连通的两个集合；膨胀是腐蚀的对偶运算，即对集合的补集进行腐蚀运算得到膨胀结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其特征在于：其步骤(5)中所述的“以定标三角形在岩芯数据中的面积为阈值，消除干扰区域，得到定标三角形”，岩芯成像光谱仪焦距f和成像高度h已知，定标三角形实际面积大小为S0，依据成像等比关系，可以计算定标三角形在岩芯图像中的面积S为阈值进一步提取定标三角形：
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5.根据权利要求1所述的一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其特征在于：步骤(6)中所述的“由Canny边缘检测器对定标三角形进行边缘检测，提取定标三角形的轮廓信息”，利用Canny算子以面积S为阈值，寻找定标三角形的轮廓信息，提取定标三角形的轮廓。
6.根据权利要求1所述的一种基于三角形定标法的岩芯高光谱数据几何畸变校正方法，其特征在于：步骤(7)中所述的“采用霍夫变换寻找定标三角形轮廓中的直线，以直线斜率和长度为阈值，提取发生畸变的定标三角形斜边线段端点，以此为控制点进行几何畸变校正”，通过一个直线的离散极坐标公式，可以表达出直线的离散点集合等式如下：
ρ＝x cosθ+y sinθ
ρ≥0，0≤θ＜π，其中ρ为l相对于原点的距离，θ为l与x轴的交角，(x，y)为像元坐标；直线l上不同点(x，y)在参数空间中被变换为一簇相交于p点的正弦曲线，若能确定参数空间中的p点(局部最大值)，即实现直线检测；无畸变情况时定标三角形的斜边斜率的绝对值|α|应为1，以此为阈值提取出三角形斜边直线，再以斜边长度L为阈值，提取出小于正常斜边长度的直线，位于同一定标三角形斜边上的两条直线之间的区域就是几何畸变区域，以畸变区域的边缘特征点为控制点，进行几何畸变校正。
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