本發(fā)明涉及一種本發(fā)明涉及圖像處理
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法。
背景技術(shù)：
：近年來，成像高光譜的空間分辨率與光譜分辨率越來越高，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，城市規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域起到了很大的作用，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)前高光譜圖像的采集主要依靠衛(wèi)星進(jìn)行采集，具有衛(wèi)星平臺軌道相對固定，只能獲取固定時(shí)間的圖像，不能實(shí)時(shí)實(shí)地的進(jìn)行信息采集，受天氣影響較大等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)在工農(nóng)業(yè)對高光譜圖像時(shí)間分辨率上的要求。無人機(jī)具有實(shí)時(shí)性高，可適應(yīng)各種環(huán)境，價(jià)格相對便宜等優(yōu)點(diǎn)。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型無人機(jī)機(jī)載高光譜在農(nóng)業(yè)低空遙感及城市規(guī)劃上具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。無人機(jī)的載荷較低，平臺穩(wěn)定性較差，容易受氣流，風(fēng)速的影響，而大多數(shù)成像高光譜采用推掃的方式，使得高光譜成像受平臺姿態(tài)影響，幾何畸變較大。后續(xù)的幾何校正需要高精度的POS數(shù)據(jù)來進(jìn)行，但由于無人機(jī)載荷較低，無法攜帶高精度的POS設(shè)備及其它設(shè)備。給無人機(jī)高光譜成像實(shí)際應(yīng)用造成了很大困難。目前使用的無人機(jī)幾何校正方法一般單純采用地面控制點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式校正，但這種方法對POS精度要求較高，且精度受控制點(diǎn)影響較大。還有人使用框架攝像機(jī)與高光譜圖像進(jìn)行匹配校正，然而受無人機(jī)載重影響，攜帶框架攝像機(jī)無疑增加了成本，在應(yīng)用上有一定限制?，F(xiàn)有低成本小型無人機(jī)只負(fù)載有低精度的POS位置傳感器以及推掃式高光譜成像儀，由于風(fēng)力影響，只根據(jù)POS數(shù)據(jù)校正獲得的圖像與實(shí)際偏離過大，景物點(diǎn)，線，面畸變?nèi)耘f較大，且難以通過多項(xiàng)式校正進(jìn)行幾何精校正，不能滿足實(shí)際使用要求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決目前根據(jù)POS數(shù)據(jù)校正獲得的圖像與實(shí)際偏離過大，景物點(diǎn)，線，面畸變較大，且難以通過多項(xiàng)式校正進(jìn)行幾何精校正，不能滿足實(shí)際使用要求，而提出一種無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法。一種無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，所述方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、獲得無人機(jī)低精度POS傳感器的POS數(shù)據(jù)：俯仰角Φ、翻滾角Ω、方位角Ψ，航高h(yuǎn)，同時(shí)獲取無人機(jī)GPS信息；步驟二、校正視準(zhǔn)軸偏差產(chǎn)生的POS數(shù)據(jù)的誤差；步驟三、根據(jù)地物特征對POS數(shù)據(jù)及高光譜圖像進(jìn)行預(yù)處理；步驟四、建立地面坐標(biāo)系，根據(jù)校正后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行共線方程幾何校正；步驟五、地面參考點(diǎn)校正。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明針對已有系統(tǒng)的校正方法，采集當(dāng)前無人機(jī)低精度POS傳感器的位置姿態(tài)信息校正視準(zhǔn)軸誤差；根據(jù)地物特征的角點(diǎn)、輪廓信息對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得對應(yīng)的外方位元素；共線方程校正；通過地面校正點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式校正。對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理過程中，是以實(shí)際景物特征為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合POS數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有在無人機(jī)平臺下，只攜帶低精度POS成像高光譜儀設(shè)備下采集到的圖像進(jìn)行幾何校正。采用本發(fā)明公開的一種無人機(jī)載成像高光譜幾何校正的方法,利用地物特征信息對POS信息進(jìn)行預(yù)處理，提高了POS信息精度,對無人機(jī)低精度POS數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)成像高光譜儀逐掃描線幾何精確校正，為無人機(jī)成像高光譜廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。附圖說明圖1為本發(fā)明的方法流程圖；圖2為本發(fā)明涉及的POS數(shù)據(jù)預(yù)處理過程；圖3為本發(fā)明的畸變與角點(diǎn)關(guān)系示意圖；圖中的“X”表示角點(diǎn)。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，結(jié)合圖1所示，所述方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、獲得無人機(jī)低精度POS傳感器的POS數(shù)據(jù)：俯仰角Φ、翻滾角Ω、方位角Ψ，航高h(yuǎn)，同時(shí)獲取無人機(jī)GPS信息；步驟二、校正視準(zhǔn)軸偏差產(chǎn)生的POS數(shù)據(jù)的誤差；步驟三、根據(jù)地物特征對POS數(shù)據(jù)及高光譜圖像進(jìn)行預(yù)處理；步驟四、建立地面坐標(biāo)系，根據(jù)校正后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行共線方程幾何校正；步驟五、地面參考點(diǎn)校正。具體實(shí)施方式二：與具體實(shí)施方式一不同的是，本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，步驟二所述的校正視準(zhǔn)軸偏差產(chǎn)生的POS數(shù)據(jù)誤差的過程為，步驟二一、利用標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)場獲得標(biāo)準(zhǔn)參照物的準(zhǔn)確位置信息；步驟二二、設(shè)視準(zhǔn)軸偏差為(ex，ey，ez)，POS數(shù)據(jù)為(Φ，Ω，Ψ)，則影像姿態(tài)角構(gòu)成的正交變換矩陣R表示為：R=RBL(Φ,Ω,Ψ)RPB(ex,ey,ez)---(1)]]>其中，ex為X方向上的旋轉(zhuǎn)誤差，ey為Y方向上的旋轉(zhuǎn)誤差，ez為Z方向上的旋轉(zhuǎn)誤差；為IMU坐標(biāo)系到物方坐標(biāo)系的變換矩陣，有：RBL(Φ,Ω,Ψ)=RΦRΩRΨ=cosΦ0-sinΦ010sinΦ0cosΦ1000cosΩ-sinΩ0sinΩcosΩcosΨ-sinΨ0sinΨcosΨ0001---(2)]]>為像空間到IMU坐標(biāo)的變換矩陣，有：RPB(ex,ey,ez)=RexReyRez=cosex0-sinex01010cosex1000cosey-siney0sineycoseycosez-sinez0sinezcosez0001---(3)]]>步驟二三、設(shè)高光譜圖像拍攝時(shí)實(shí)際的俯仰角翻滾角ω，方位角κ，則正交變換矩陣R仍表示為：結(jié)合以上方程，可以解算出：具體實(shí)施方式三：與具體實(shí)施方式一或二不同的是，本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，步驟三所述的根據(jù)地物特征對POS數(shù)據(jù)及高光譜圖像進(jìn)行預(yù)處理的過程為，由于POS姿態(tài)數(shù)據(jù)精度很低，造成地物畸變較大，直接校正后，地物畸變難以恢復(fù)，故對POS姿態(tài)數(shù)據(jù)做以下處理，見圖2：步驟三一、對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，并對GPS信息進(jìn)行差分修正；再根據(jù)經(jīng)緯度信息計(jì)算出掃描中心相對起始掃描中心偏移的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的距離，將單位換算成米；.步驟三二、通過高光譜圖像本身的景物特征，獲取高光譜圖像角點(diǎn)信息；獲得的角點(diǎn)包括景物自身的拐角以及交叉點(diǎn)、幾何畸變造成的角點(diǎn)以及噪聲造成的角點(diǎn)；且?guī)缀位冊斐傻慕屈c(diǎn)與其它兩種角點(diǎn)的最大區(qū)別在于，幾何畸變造成的角點(diǎn)在同一個(gè)掃描行內(nèi)有多個(gè)相似的形狀；景物自身的拐角交叉點(diǎn)不在同一掃描行；噪聲造成的角點(diǎn)是孤立存在的；步驟三三、對于推掃高光譜成像儀而言，幾何畸變產(chǎn)生原因是風(fēng)力的變化影響翻滾角Ω，以掃描行坐標(biāo)作為橫坐標(biāo)、翻滾角Ω作為縱坐標(biāo)形成的曲線的極值點(diǎn)處，見圖3；計(jì)算翻滾角Ω的所有極值點(diǎn)所在的行Xo，并記錄，對行高光譜圖像做分割以獲得地物輪廓信息；步驟三四、將獲得的角點(diǎn)與地物輪廓做匹配，檢查角點(diǎn)是否與獲得的地物輪廓重疊；若角點(diǎn)與獲得的地物輪廓重疊，則認(rèn)為該角點(diǎn)為地物拐點(diǎn)或由于風(fēng)力影響造成的畸變點(diǎn)，再對這些角點(diǎn)做判斷，若角點(diǎn)所在行屬于Xo，則判定該角點(diǎn)為畸變點(diǎn)；若角點(diǎn)不與獲得的地物輪廓重疊，則將不重疊的角點(diǎn)標(biāo)志為基準(zhǔn)點(diǎn)；步驟三五、對地物輪廓進(jìn)行規(guī)則化校正，計(jì)算角點(diǎn)與規(guī)則化的地物輪廓偏差，進(jìn)一步更新經(jīng)卡爾曼濾波后的POS數(shù)據(jù)，則獲得校正后的POS數(shù)據(jù)為(Φ′，Ω′，Ψ，h，Ox，Oy)；其中，Ox表示當(dāng)前掃描行掃描中心相比起始行掃描中心偏移的橫向GPS信息，Oy表示當(dāng)前掃描行掃描中心相比起始行掃描中心偏移的縱向GPS信息。具體實(shí)施方式四：與具體實(shí)施方式三不同的是，本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，步驟三一所述的對原始GPS信息數(shù)據(jù)進(jìn)行差分修正的過程為，對GPS信息數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，使之與其他數(shù)據(jù)匹配，并與起始GPS信息數(shù)據(jù)做差分。具體實(shí)施方式五：與具體實(shí)施方式三或四不同的是，本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，步驟三四所述的對地物輪廓進(jìn)行規(guī)則化校正，計(jì)算角點(diǎn)與規(guī)則化的地物輪廓偏差，進(jìn)一步更新經(jīng)卡爾曼濾波后的POS數(shù)據(jù)，則獲得校正后的POS數(shù)據(jù)為(Φ′，Ω′，Ψ，h，Ox，Oy)的過程為，對于與獲得的地物輪廓重疊的角點(diǎn)，去除輪廓上屬于幾何畸變造成的角點(diǎn)，將保留下的角點(diǎn)作為輪廓線端點(diǎn)，對保留下的角點(diǎn)在鄰近行之間做插值點(diǎn)，使插值點(diǎn)與保留下的角點(diǎn)成直線排列，獲取一個(gè)新的輪廓圖，并與原始輪廓做對比，將算出輪廓像素偏差保存在一個(gè)與高光譜圖像行數(shù)相同的行向量G＝(g1,g2,g3…)中，對經(jīng)卡爾曼濾波后的POS數(shù)據(jù)中的翻滾角Ω進(jìn)行進(jìn)一步校正，獲得Ω′＝Ω+G/h。具體實(shí)施方式六：與具體實(shí)施方式五不同的是，本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，步驟四所述建立地面坐標(biāo)系，根據(jù)校正后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行共線方程幾何校正的過程為，步驟四一、建立空間輔助坐標(biāo)系(X，Y，Z)，建立從像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到輔助坐標(biāo)系(x，y，-f)的變換關(guān)系：XYZ=Rxy-f---(6)]]>步驟四二、建立輔助坐標(biāo)系(x，y，-f)到地面攝影坐標(biāo)系上之間的關(guān)系，地面上點(diǎn)A坐標(biāo)為(XA，YA，ZA)，投影中心為S，S坐標(biāo)為(XS，YS，ZS)：XYZ=1λXA-XSYA-YSZA-ZS---(7)]]>最終解算出投影變換關(guān)系，有：X=((Z-ZS)×a1×x+a2×y-a3×fc1×x+c2×y-c3×f))+XSY=((Z-ZS)×a1×x+a2×y-a3×fc1×x+c2×y-c3×f))+YS---(8)]]>步驟四三、根據(jù)相機(jī)參數(shù)獲得內(nèi)方位參數(shù)，根據(jù)校正過的POS數(shù)據(jù)獲得外方位參數(shù)，以及GPS信息偏差，從而可以解算出(XS，YS，ZS)以及正交變換矩陣R，從而利用公式(8)解算出空間坐標(biāo)；步驟四四、逐行計(jì)算每點(diǎn)對應(yīng)的物理坐標(biāo)，由于計(jì)算出的點(diǎn)分布并不均勻，則在每次計(jì)算出相鄰兩行的物理坐標(biāo)后，根據(jù)兩行對應(yīng)相同X坐標(biāo)的點(diǎn)構(gòu)建四邊形，做雙線性插值，獲得校正圖像。具體實(shí)施方式七：與具體實(shí)施方式一、二、四或六不同的是，本實(shí)施方式的無人機(jī)機(jī)載成像高光譜幾何校正方法，步驟五所述地面參考點(diǎn)校正的過程為，根據(jù)實(shí)際參考點(diǎn)，建立校正多項(xiàng)式，并根據(jù)最小二乘法求出多項(xiàng)式參數(shù)，對高光譜圖像進(jìn)行逐行、逐像素校正，獲得最終圖像，具體為：步驟五一、建立投影坐標(biāo)系；步驟五二、利用已知地面控制點(diǎn)求解多項(xiàng)式系數(shù)：設(shè)高光譜圖像上點(diǎn)的坐標(biāo)為(u,v)，投影坐標(biāo)系上對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，則二者的關(guān)系用如下多項(xiàng)式表達(dá)：u=Σj=0mΣk=0m-jajkxjykv=Σj=0mΣk=0m-jbjkxjyk---(9)]]>在高光譜圖像上與投影坐標(biāo)系上參考點(diǎn)的坐標(biāo)為已知，通過最小二乘法擬合出多項(xiàng)式系數(shù)；m表示多項(xiàng)式的次數(shù)；j表示x的次數(shù)，k表示y的次數(shù)；步驟五三、遙感圖像的糾正變換(幾何糾正)；通過公式(9)計(jì)算投影坐標(biāo)系上每點(diǎn)對應(yīng)高光譜圖像上點(diǎn)的坐標(biāo)，對于對應(yīng)的(u,v)不為整數(shù)點(diǎn)，則做二次線性插值，獲得(u,v)點(diǎn)的灰度值，并以該灰度值作為投影坐標(biāo)系上對應(yīng)點(diǎn)的灰度值，完成校正。實(shí)施例1：A.數(shù)據(jù)導(dǎo)入(A1)讀取成像光譜儀獲得的IMG格式光譜數(shù)據(jù)；(A2)讀取POS格式文件中的俯仰角Φ、翻滾角Ω、方位角Ψ，航高h(yuǎn)，GPS，航速，速度，速度方向等參數(shù)；B.校正視準(zhǔn)軸誤差(B1)在訓(xùn)練場試飛，并通過實(shí)際地物信息與獲取數(shù)據(jù)，以及公式(1)-(5)計(jì)算獲得視準(zhǔn)軸誤差(ex,ey,ez)；(B2)通過公式(1)-(5),以及(ex,ey,ez)對POS數(shù)據(jù)中的俯仰角Φ、翻滾角Ω、方位角Ψ進(jìn)行校正，獲得新的((Φ′,Ψ′,Ω′))。CPOS數(shù)據(jù)預(yù)處理(C1)對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，使之與其它數(shù)據(jù)匹配，并與起始GPS數(shù)據(jù)做差分，結(jié)果單位轉(zhuǎn)換為m；(C2)對俯仰角Φ′、翻滾角Ω′、方位角Ψ′，航高h(yuǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波；獲得新的數(shù)據(jù)(Φ″,Ψ″,Ω″,h)。(C3)使用SIFT算子計(jì)算高光譜圖像的角點(diǎn)信息，并保存在一個(gè)矩陣V中，V的行數(shù)為高光譜圖像的行數(shù)，列數(shù)為高光譜圖像的列數(shù)，維數(shù)等于光譜維。當(dāng)與之對應(yīng)的元素為角點(diǎn)是，設(shè)置為1，否則為0；(C4)使用橫向Sober算子求高光譜圖像每個(gè)波段的輪廓，并保存在一個(gè)與原有高光譜圖像相同大小的圖像中；(C5)對Ω″求差分，設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)差分值小于閾值時(shí)，則判定該行為極值點(diǎn)，記錄在一個(gè)行向量O中；(C6)對高光譜圖像波段輪廓進(jìn)行疊加判斷，獲取比較清晰的輪廓；(C7)對高光譜圖像中的角點(diǎn)進(jìn)行濾除，若同一位置的角點(diǎn)存在于多個(gè)波段中，則保留，反之去除；(C8)判斷保留的角點(diǎn)是否與輪廓重疊，重疊保留，反之，去除；(C9)去除輪廓上屬于行向量O元素對應(yīng)行的角點(diǎn)；(C10)將保留下的角點(diǎn)作為輪廓線端點(diǎn)，對保留下角點(diǎn)鄰近行之間做插值點(diǎn)，使之與保留下的角點(diǎn)成直線排列，獲取一個(gè)新的輪廓圖，并與之前輪廓做對比，算出輪廓像素偏差，保存在一個(gè)與高光譜圖像行數(shù)相同的行向量G＝(g1,g2,g3…),可近似對Ω″進(jìn)行進(jìn)一步校正，獲得Ω″′＝Ω″+G/h。D.共線方程校正將(Φ″,Ψ″,Ω″)作為外方位參素，根據(jù)內(nèi)方位參數(shù)以及(XS，YS，ZS)，R以及公式(8)做投影校正，由于投影像素分布不均勻，故根據(jù)相鄰兩行的投影結(jié)果，對中間元素做插值，獲得校正圖像。E.多項(xiàng)式校正在有地面參考點(diǎn)的情況下，建立校正多項(xiàng)式，并根據(jù)最小二乘法求出多項(xiàng)式參數(shù)。對高光譜圖像進(jìn)行逐行，逐像素校正，獲得最終圖像。本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3