慣導約束下的高光譜圖像行相關幾何校正演算法
摘要
針對搭載於無人機的推掃式高光譜成像儀受氣流影響顯著，獲取的高光譜圖像幾何畸變明顯，無人機搭載POS精度相對較低，傳統方法難以消除圖像幾何畸變等問題。該文提出了結合圖像行相關和低精度GPS慣導數據校正的思路，首先進行行相關匹配完成圖像行之間的相對平移量，然後經過反算修正POS的翻滾角數據，最後基於更新後的POS數據進行幾何校正。該方法充分結合了行相關匹配和POS校正的優勢，最大程度消除了幾何畸變，經過對無人機圖像驗證，比其他單一方法處理效果更為明顯。
引用格式
胡海斌，張浩，李聰，等．慣導約束下的高光譜圖像行相關幾何校正演算法［Ｊ］． 測繪科學，２０１８，４３（７）：１-６．
正文
無人機由於其體積小、重量輕，高空飛行易受風力的影響，飛行姿態不及有人駕駛飛機平穩，導致影像扭曲變形比較大。無人機圖像成像主要有框幅式成像和線陣推掃成像兩類。框幅式形成的圖像內部幾乎沒有相對畸變，主要考慮圖像的絕對位置校正和不同圖像間的拼接即可，針對這種圖像的幾何校正過去常採用兩種方法：利用數量充足且均勻分布的地面控制點，採用多項式擬合校正；使用大比例尺地形圖作為底圖，通過同名點配准校正。這兩種幾何校正方法的不足之處在於工作量很大，對於無人機獲取的缺少控制點的很多圖像校正來說並不適用，針對這種情況，有學者研究開展了基於飛行姿態變化的無人機遙感圖像幾何校正模型研究，對缺少控制點條件下的無人機遙感圖像幾何校正具有很大意義，大大提高了無人機框幅式圖像的幾何校正效率。第二類線陣推掃形成的圖像往往畸變嚴重，加之無人機姿態穩定性差，不同掃描行之間錯位嚴重，不進行幾何校正往往無法進行後續進一步處理。隨著導航定位技術的發展，POS系統逐步應用到航空圖像獲取中。POS系統可以在感測器成像過程中實時測量其位置和姿態，無需對地面控制點進行空三加密就可以獲得較高精度的影像內外方位元素[3-4]。文獻[5]基於POS系統對線陣高光譜圖像幾何校正提出的直接法和間接法兩種快速處理思路，對於高精度POS系統支持下的線陣航空圖像能夠實現快速幾何校正。
對有人機而言，由於飛行高度較高、姿態相對穩定，往往還搭載了數據採集頻率高於成像載荷的POS系統，從而能夠基於共線方程的方法完全實現線陣航空圖像的幾何校正。而無人機高光譜成像系統基於成本和重量考慮，一般無法搭載較高精度和較高採樣頻率的POS系統，直接借用有人機條件下的線陣航空圖像幾何校正演算法無法達到預期效果，特別是圖像掃描行會造成嚴重錯位以及「毛刺」現象無法消除，從而極大影響了低成本無人機高光譜圖像的應用價值。針對以上情況，本文從圖像相鄰行之間的相關性出發，提出了根據行相關匹配的思路來降低不同掃描行之間的嚴重錯位，並結合POS數據的翻滾角進行約束，通過對某實驗區影像進行幾何校正後得到了較為滿意的效果。
雜訊是用來描述所觀察現象提取信息中附加的不易區別的任意錯誤，而數據平滑能消除所有帶有較大誤差障礙的數據點，或者從圖形中作出初步而又粗糙的簡單參數估算[10]。在本文中，慣導數據平滑採用的是一種特殊的低通濾波器—Savitzy-Golay平滑器[11]，該低通濾波器可以高質量地平滑雜訊數據。 Savitzy-Golay平滑器最初由Savitzy A和Golay M於1964年提出，隨後被廣泛地運用於數據流平滑去噪，是一種在時域內、基於多項式、通過移動窗口、利用最小二乘法進行最佳擬合的方法。
行相關法幾何校正可以根據相鄰行之間同一地物相關性最大的原理，通過比較兩相鄰行在各個位置的相關係數找到相關係數最大的位置，從而確定偏移量予以改正。此方法的不足之處在於：一是易出現誤匹配，二是得到的圖像往往沒有地理信息。儘管如此，但可以根據誤匹配區域突變行的偏移量計算出誤匹配區域需要的改正量，以此作為修改POS數據的依據。POS數據雖然精度較低，但是對於改善誤匹配和增加圖像的地理信息有較大的優勢，因此可以將二者結合起來進行無人機影像的幾何校正。
本文針對低精度POS條件下線陣推掃成像的無人機圖像幾何校正的難題，提出了綜合POS數據和行相關匹配的演算法，實現了較好的幾何校正效果。本文的主要思路是：根據圖像相鄰行地物的相關性特點確定相鄰行的偏移量，將此偏移量與POS獲取的翻滾角總體趨勢進行結合，形成能夠兼顧無人機翻滾角總體趨勢與高頻變化的新數據，從而在較大程度上消除了線陣無人機高光譜圖像的嚴重畸變。此方法可以改善僅僅依賴圖像行相關的無匹配現象，同時也可以改善由於POS採樣頻率低於圖像採樣頻率造成的相鄰行之間嚴重錯位的現象。通過對校正結果的分析表明，本文採用的方法提高了低精度POS數據輔助線陣高光譜成像儀圖像幾何校正的應用能力，該方法一定程度上有利於推廣低成本無人機高光譜系統的應用範圍。當然，經此方法校正後的地物和實際地物相比還有一定的變形。若想得到更好的校正效果，仍需進一步提高POS系統數據獲取精度和採樣頻率，另外，為了減少圖像掃描行的劇烈抖動現象，建議無人機增加穩定平台。
編輯：鄧國臣
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