一種艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像處理技術領域，涉及高光譜圖像處理技術領域特別，為一種艇載 高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法。
【背景技術】
[0002] 定位定姿系統(tǒng)（position and orientation system, POS)利用全球定位系統(tǒng)和慣 性測量裝置直接確定傳感器空間位置和姿態(tài)的集成技術。
[0003] 20世紀80年代，隨著遙感技術的飛速發(fā)展，新興起的高光譜成像技術成為空間對 地表觀測的有力工具。高光譜成像數(shù)據(jù)在為人們提供了有關地表地物的豐富空間信息和光 譜信息的同時，也將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)高精度處理與深度處理需求提升到了一個更高層次。高 光譜成像技術能夠獲取大量窄波段的準連續(xù)光譜數(shù)據(jù)，每一個像元具有一條幾乎連續(xù)的光 譜曲線。與傳統(tǒng)的多光譜遙感技術相比，高光譜遙感能夠提供更加豐富的地物觀測信息，可 以用來生成更為復雜的觀測模型，提高地表地物狀況的綜合判別與分析能力。
[0004] 然而，星載遙感平臺受軌道的限制，經(jīng)過帶觀測區(qū)域時間固定，無法實現(xiàn)應急觀 測；機載遙感審批程序非常復雜，受天氣條件影響較大，且獲取影像數(shù)據(jù)成本較高。飛艇對 地觀測平臺可提供比星載或機載平臺更為豐富的多源同步對地觀測能力；可提供星載平臺 難以實現(xiàn)的動態(tài)對地觀測能力和精細對地觀測能力；可提供機載平臺難以實現(xiàn)的定點懸停 對地觀測能力；具有安全、可回收、易維護、可巡航、可更換載荷等有點，將成為未來的主要 遙感平臺之一。
[0005] 但飛艇受氣流側風影響較大，自身穩(wěn)定性較差。而高光譜儀一般采用推帚成像模 式，成像過程中每一掃描線的飛行姿態(tài)都在變化，使得高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的幾何形變。而 這種幾何形變與常規(guī)圖像的幾何形變恢復有較大區(qū)別，如何對這種圖像進行恢復是飛艇遙 感平臺需要解決的關鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種艇載高光譜推帚成像 數(shù)據(jù)的幾何校正方法，解決了現(xiàn)有算法處理艇載推帚成像數(shù)據(jù)幾何校正效果差的問題。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0008] 一種艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1，對于一幅待處理圖像數(shù)據(jù)，讀取其相對應的艇載POS數(shù)據(jù)，在飛艇飛行路 線的經(jīng)煒度范圍內(nèi)，選擇其中一點作為坐標原點，將艇載POS數(shù)據(jù)的經(jīng)煒度坐標轉換為地 面絕對坐標，將艇載POS數(shù)據(jù)的海拔高度坐標轉換為距地面高度坐標；
[0010] 步驟2,利用艇載POS數(shù)據(jù)計算高光譜相機掃描線中點的空間坐標；優(yōu)選地，其實 現(xiàn)方法如下：
[0011] 分別計算由飛艇俯仰、翻滾原因引起的高光譜相機掃描線中點偏移，并根據(jù)飛艇 航向角計算高光譜相機掃描線中點的空間坐標。
[0012] 步驟3,利用艇載POS數(shù)據(jù)計算失真圖像全部像素的空間坐標；優(yōu)選地，其實現(xiàn)方 法如下：
[0013] 首先逐掃描線計算每條掃描線上像素的空間坐標；
[0014] 然后計算每條掃描線上像素相對于掃描線中點的距離從而得到失真圖像全部像 素的空間坐標。
[0015] 其中在計算每條掃描線上像素相對于掃描線中點的距離時，考慮由于飛艇不是正 視成像引起的掃描線仿射變換。
[0016] 步驟4,建立失真圖像到校正圖像的1像素最近鄰對應關系；優(yōu)選地，其實現(xiàn)方法 如下：
[0017] 對失真圖像每個像素尋找校正圖像中的4個最近鄰像素，并建立4對對應關系；
[0018] 對于校正圖像的每個像素，在包含該像素的對應關系中尋找距離最小的一對，并 舍棄其他包含該像素對應關系。
[0019] 步驟5,采用最近鄰插值與8鄰域插值相結合的方式來校正圖像，優(yōu)選地，其實現(xiàn) 方法如下：
[0020] 對校正圖像中存在1像素最近鄰對應關系的像素進行最近鄰插值；
[0021] 對校正圖像中其他像素迭代進行8鄰域插值，即取像素8鄰域內(nèi)存在像素值的點 的平均值。
[0022] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過利用艇載POS數(shù)據(jù)計算高光譜相機掃描中心點空間 坐標以及計算失真圖像全部像素的空間坐標，建立了從失真圖像像素到校正圖像像素的對 應關系。利用最近鄰插值與8鄰域插值相結合的方式來校正圖像，快速且不失精度地對圖 像的幾何形變進行了恢復。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實施例1公開的艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法流程圖。
[0024] 圖2為艇載POS數(shù)據(jù)的一行示例。
[0025] 圖3為本發(fā)明實施例2公開的艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法流程圖。
[0026] 圖4為飛艇POS數(shù)據(jù)記錄的三個姿態(tài)角，翻滾角、俯仰角、偏航角的示意圖。
[0027] 圖5為相機掃描線受翻滾偏移而產(chǎn)生的仿射變換示意圖。
[0028] 圖6為建立失真圖像到校正圖像的1像素最近鄰對應關系不意圖。
[0029] 圖7為失真圖像掃描線分布情況的示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0031] 本發(fā)明公開了一種艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法，以解決現(xiàn)有技術的 算法處理艇載推帚成像數(shù)據(jù)幾何校正效果差的問題。其【具體實施方式】如下所述：
[0032] 實施例一
[0033] 本實施例公開的艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法的流程如圖1所示，
[0034] 步驟S11、利用艇載POS數(shù)據(jù)計算高光譜相機掃描線中點的空間坐標；
[0035] 設（xu yj為通過艇載POS數(shù)據(jù)記錄的經(jīng)煒度轉換的飛艇空間坐標，height為由 飛艇POS數(shù)據(jù)中的海拔度計算而得的距地面高度，（roll, pitch, yaw)為飛艇POS數(shù)據(jù)記錄 的三個姿態(tài)角，翻滾角、俯仰角、偏航角，如圖4所示。利用公式1. 1，計算得出高光譜相機掃 描線中點的空間坐標（xM，yM)，
[0036] Offsetroll= height*tan (-roll)
[0037] Offsetpitch= height/cos (roll) *tan (pitch) (0.1 )
[0038] xM= X L+offsetr〇n*cos (yaw) +offsetpitch*sin (yaw)
[0039] yM= y L-〇ffsetroll*sin (yaw) +offsetpitch*cos (yaw)
[0040] 式中，offsetMll是由翻滾角引起的掃描線中點偏移，稱之為翻滾偏移；offSet pitch 是由俯仰角引起的掃描線中點偏移，稱之為俯仰偏移；寫成復數(shù)形式即，
[0041] xM+i*yM= X L+i^yL+ofTseUe't+i^ofTsetpitd^e'*1 (0. 2)
[0042] 可以看出，掃描線中點的空間坐標（xM，yM)即由飛艇坐標（?以，加上翻滾偏移和 俯仰偏移得到。
[0043] 步驟S12、利用艇載POS數(shù)據(jù)計算失真圖像全部像素的空間坐標；
[0044] 本發(fā)明逐掃描線的計算失真圖像全部像素的空間坐標，將高光譜相機掃描線 中點空間坐標（xM，yM)代入如下公式，計算出失真圖像一條掃描線上像素的空間坐標 (Xline，Yline) '
【主權項】
1. 一種艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，對于一幅待處理圖像數(shù)據(jù)，讀取其相對應的艇載POS數(shù)據(jù)，在飛艇飛行路線的 經(jīng)煒度范圍內(nèi)，選擇其中一點作為坐標原點，將艇載POS數(shù)據(jù)的經(jīng)煒度坐標轉換為地面絕 對坐標，將艇載POS數(shù)據(jù)的海拔高度坐標轉換為距地面高度坐標； 步驟2,利用艇載POS數(shù)據(jù)計算高光譜相機掃描線中點的空間坐標； 步驟3,利用艇載POS數(shù)據(jù)計算失真圖像全部像素的空間坐標； 步驟4,建立失真圖像到校正圖像的1像素最近鄰對應關系； 步驟5,采用最近鄰插值與8鄰域插值相結合的方式來校正圖像。
2. 根據(jù)權利要求1所述艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法，其特征在于，所述 步驟2中，分別計算由飛艇俯仰、翻滾原因引起的高光譜相機掃描線中點偏移，并根據(jù)飛艇 航向角計算高光譜相機掃描線中點的空間坐標。
3. 根據(jù)權利要求1所述艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法，其特征在于，所述 步驟2中，高光譜相機掃描線中點的空間坐標（xM，yM)的計算公式如下： offsetr〇n= height*tan(-roll)offsetpitch= height/cos(roll)*tan (pitch) xM=xL+offsetr〇n*cos(yaw)+offsetpitch*sin(yaw) yM=yL_〇ffsetroll*sin(yaw)+offsetpitch*cos(yaw) 其中，offsetMll是由翻滾角引起的掃描線中點偏移，稱之為翻滾偏移；offset^^是 由俯仰角引起的掃描線中點偏移，稱之為俯仰偏移，（xuyj為通過艇載POS數(shù)據(jù)記錄的經(jīng) 煒度轉換的飛艇空間坐標，height為由飛艇P0S數(shù)據(jù)中的海拔度計算而得的距地面高度， (roll,pitch,yaw)為飛艇P0S數(shù)據(jù)記錄的三個姿態(tài)角，即翻滾角、俯仰角、偏航角。
4. 根據(jù)權利要求1所述的幾何校正方法，其特征在于，所述步驟3中： 首先逐掃描線計算每條掃描線上像素的空間坐標； 然后計算每條掃描線上像素相對于掃描線中點的距離從而得到失真圖像全部像素的 空間坐標，在計算每條掃描線上像素相對于掃描線中點的距離時，考慮由于飛艇不是正視 成像引起的掃描線仿射變換。
5. 根據(jù)權利要求3所述的幾何校正方法，其特征在于，所述步驟3中：失真圖像一條掃 描線上像素的空間坐標（xliM，yliM)的計算公式如下： h=hpip-ht/r.o.9Trol1 ^) /Tm*t.r.h')
xiine=xM+line*cos(yaw)yime=yM-line*sin(yaw) 其中，F(xiàn)OV為高光譜相機的視角，samples為高光譜相機的采樣率，h的物理意義為從高 光譜相機到掃描線中點的距離，a為掃描線上的點相對于相機中心線的角度，line為經(jīng)過 了仿射變換后，一條掃描線上的點相對于掃描線中心點的距離。
6. 根據(jù)權利要求1所述的幾何校正方法，其特征在于，所述步驟4中： 對失真圖像每個像素尋找校正圖像中的4個最近鄰像素，并建立4對對應關系； 對于校正圖像的每個像素，在包含該像素的對應關系中尋找距離最小的一對，并舍棄 其他包含該像素對應關系。
7. 根據(jù)權利要求1所述的幾何校正方法，其特征在于，所述步驟5中： 對校正圖像中存在1像素最近鄰對應關系的像素進行最近鄰插值； 對校正圖像中其他像素迭代進行8鄰域插值，即取像素8鄰域內(nèi)存在像素值的點的平 均值。
【專利摘要】一種艇載高光譜推帚成像數(shù)據(jù)的幾何校正方法，利用飛艇POS數(shù)據(jù)計算高光譜相機掃描線中點的空間坐標；利用飛艇POS數(shù)據(jù)計算失真圖像全部像素的空間坐標；利用失真圖像像素的空間坐標，建立失真圖像到校正圖像的1像素最近鄰對應關系；采用最近鄰插值與8鄰域插值相結合的方式來校正圖像；本發(fā)明采用計算失真圖像像素空間坐標的方式，建立失真圖像與校正圖像像素間的對應關系，并采用最近鄰插值與8鄰域插值相結合的方式快速地校正圖像。
【IPC分類】G06T5-00
【公開號】CN104700367
【申請?zhí)枴緾N201510097304
【發(fā)明人】龐慶宇, 禹晶, 孫衛(wèi)東
【申請人】清華大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月5日