多幅正射影像鑲嵌的接邊精度改進方法

夏團兵，萬幼川，孫明偉

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

多幅正射影像鑲嵌的接邊精度改進方法

夏團兵1，萬幼川1，孫明偉1

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

針對目前方法大多只能對兩幅正射影像進行接邊糾正且精度不高的問題，提出了一種基于最小二乘法的多幅正射影像鑲嵌的接邊精度改進方法。實驗結(jié)果證明，該方法不僅提高了兩幅影像接邊糾正的精度，而且實現(xiàn)了多幅影像接邊區(qū)域的同時糾正，消除了影像只能兩兩糾正帶來的誤差積累，得到了接邊精度更高的鑲嵌影像。

正射影像；SIFT匹配；最小二乘法；曲面擬合；網(wǎng)格插值

在利用遙感影像制作正射影像的過程中，影像鑲嵌是一個重要步驟，其過程主要包括幾何鑲嵌、勻光勻色[1-3]和鑲嵌線選擇[4-7]等。由于某些國產(chǎn)衛(wèi)星精度不高或平差結(jié)果一般，可能會出現(xiàn)單幅影像正射糾正之后區(qū)域相鄰影像的接邊精度較差的情況[8]，因此需要在進行影像鑲嵌前先對接邊區(qū)域進行處理。目前對接邊區(qū)域進行處理的方法可分為兩類：直接對接邊區(qū)域像元賦值，如ArcGIS[9]中采用平均值作為柵格單元值或基于權(quán)重計算柵格單元值等；先配準后糾正，如劉曉龍[10]提出基于影像匹配接邊糾正的數(shù)字正射影像的鑲嵌技術(shù)，該方法能將接邊誤差均勻的分配至左右兩幅影像接邊區(qū)域中，以及在ArcGIS平臺的接邊區(qū)域人工選取同名點進行配準與糾正等。但這些方法都只能實現(xiàn)正射影像兩兩之間的接邊糾正，當多幅正射影像接邊時，兩兩糾正會產(chǎn)生誤差積累，使首尾兩幅影像的接邊區(qū)域地物幾何偏差大，無法得到較好的影像鑲嵌結(jié)果。本文針對以上問題，提出了一種基于最小二乘法的多幅正射影像鑲嵌的接邊精度改進方法。

1 改進方法原理介紹

在實際應用中，通常采用ArcGIS人工選點配準與糾正方法實現(xiàn)接邊糾正。ArcGIS人工選點配準與糾正方法是在ArcGIS平臺上，在兩幅影像接邊區(qū)域選取同名點，再進行配準與糾正。其糾正方法有7種：零階多項式變換、一階多項式變換、二階多項式變換、三階多項式變換、校正變換、樣條函數(shù)變換和投影變換。其中，樣條函數(shù)變換是一種基于樣條函數(shù)的橡皮頁變換方法，并能對局部精度進行優(yōu)化，其總體精度也更高。本文針對ArcGIS人工選點配準與糾正方法中的樣條函數(shù)變換方法做了以下兩點改進，提高了多幅影像接邊糾正的精度。

1.1 分網(wǎng)格SIFT[11]匹配

ArcGIS人工選點配準與糾正方法是將整個接邊區(qū)域作為匹配對象，可能會出現(xiàn)匹配點分布不均的情況（圖1a），造成影像糾正精度不高。改進方法將正射影像按均勻的網(wǎng)格（圖1b）分割成小影像，再分別對接邊區(qū)域的小影像對進行SIFT匹配，從而自動得到分布均勻、數(shù)目更多、精度更高的同名點對。

1.2 解算整體意義上的坐標改正值

圖1 按網(wǎng)格進行SIFT匹配

改進方法在多幅影像接邊區(qū)域，考慮多幅影像地物之間的幾何差異，而且使糾正后影像接邊區(qū)域與非接邊區(qū)域過渡平滑。方法原理如下：

1）最小二乘法計算坐標改正值。根據(jù)SIFT匹配所得到的同名點坐標，利用最小二乘法，得到影像中每個小影像對的坐標改正值。以4幅影像接邊區(qū)域內(nèi)同一網(wǎng)格范圍對應的小影像為例，編號為1、2、3、4，可將其分為兩兩接邊的6組小影像對。小影像1、2進行SIFT匹配后，可得如下方程：

2）曲面擬合修正坐標改正值。在實際情況中，不排除有的小影像對由于沒有匹配點或匹配出的是完全錯誤的點，得到錯誤的ΔX、ΔY值。另外，糾正后的影像也需要在接邊區(qū)域和非接邊區(qū)域之間形成平滑的過渡，因此要對ΔX、ΔY值進行修正，以得到更好的結(jié)果。以某行小影像對對應的ΔX值為例（圖2a），其中點6是誤匹配點，點9沒有匹配點，首尾有ΔX值的部分和沒有ΔX值的部分沒有過渡。用曲面擬合方法可較好地解決以上問題，在首尾各添加一個值為0的點，用比較平滑的曲線，擬合ΔX的值，如圖2b。該方法可把點6修改成比較正確的值，同時也可擬合出點9的值，首尾處也有較好的過渡。

同理，對行方向的ΔY值也進行擬合，保存經(jīng)過行方向擬合后的ΔX、ΔY值，將所得值作為進行列方向上擬合的初始值。經(jīng)過2個方向的擬合后，能形成關(guān)于ΔX、ΔY值的2個平滑曲面，得到每個像素對應的質(zhì)量較高的ΔX、ΔY值。

3）網(wǎng)格插值反算坐標改正值。通過曲面擬合方法，得到原正射影像每個像素對應的坐標改正值ΔX、ΔY，再由已知的像素坐標x、y，得到每個像素在糾正后影像上對應的位置。采用網(wǎng)格插值方法（圖3）得到糾正后影像每個像素對應的ΔX'、ΔY'。反向?qū)ふ覍脑跋裆系南袼兀①x值和生成糾正后的影像。

圖2 某行對應的ΔX值擬合方法

圖3 網(wǎng)格插值示意圖

2 實驗與分析

本文采用的實驗數(shù)據(jù)為山西省和河南省交界處的4 幅ZY-3影像。為了驗證方法的有效性，將改進方法與ArcGIS人工選點配準與糾正方法進行對比實驗。

圖4 糾正前后相鄰兩幅影像接邊區(qū)域地物偏差對比

圖5 糾正前后首尾兩幅影像接邊區(qū)域地物偏差對比

圖6 糾正前后4幅影像接邊區(qū)域地物偏差對比

圖4a中原正射影像上道路錯位明顯；經(jīng)過ArcGIS方法糾正后道路錯位減小，但仍沒有完全消除錯位，原因在于ArcGIS方法中匹配點數(shù)量少且精度受主觀限制。而改進方法應用了SIFT匹配算法，無需人工選點，減少了人工操作，且SIFT匹配算法具有對影像的旋轉(zhuǎn)、尺度縮放和亮度變換保持不變的特性，能得到更好的匹配結(jié)果，因此能完全消除道路錯位，使兩幅影像能夠平滑接邊（圖4c）。

圖5a中原正射影像上房屋在橫向和縱向上錯位大；經(jīng)過ArcGIS方法糾正后仍沒有消除房屋錯位，因為該方法進行了3次影像之間的兩兩配準糾正，首尾兩幅影像無法進行配準糾正，隨著配準糾正誤差的累積，首尾兩幅影像接邊區(qū)域地物偏差大。而改進方法應用最小二乘法解算多幅影像的坐標改正值，以多幅影像為整體計算坐標改正值，使得多幅影像接邊區(qū)域地物糾正后的偏差也大大減小，消除了房屋錯位（圖5c）。

圖6a中原正射影像4幅影像接邊區(qū)域地物偏差大；ArcGIS方法糾正后地物偏差減小，但無法完全消除偏差，原因在于該方法在兩幅影像之間糾正效果一般，且隨著誤差積累，4幅影像接邊區(qū)域的偏差較大。而改進方法應用了分網(wǎng)格SIFT匹配和最小二乘法整體解算改正值，消除了多幅影像接邊區(qū)域的地物偏差（圖6c）。

實驗結(jié)果可以看出，對4幅影像進行接邊糾正時，ArcGIS人工選點配準與糾正方法在相鄰兩幅影像接邊區(qū)域糾正效果較好，在首尾兩幅影像接邊區(qū)域糾正效果較差，在3或4幅影像接邊區(qū)域的糾正效果較差。而改進方法不僅在兩幅影像接邊區(qū)域糾正精度更高，而且在多幅影像接邊區(qū)域仍能獲得較好的糾正效果。

為了定量評價本文提出的改進方法的糾正精度，用SIFT匹配得到糾正前、ArcGIS方法糾正后、改進方法糾正后接邊區(qū)域地物匹配點的坐標差。表1為兩種方法糾正效果的對比，可以看出改進方法在多幅影像接邊區(qū)域糾正精度明顯更高。

表1 糾正前與糾正后4幅影像之間的幾何偏差

3 結(jié) 語

通過對基于最小二乘法的多幅正射影像鑲嵌的接邊精度改進方法和ArcGIS人工選點配準與糾正方法的對比實驗，得出如下主要結(jié)論：

1）在兩幅影像接邊糾正時，ArcGIS人工選點配準與糾正方法受人工選點數(shù)量和精度的限制，糾正精度一般；而本文方法能自動得到數(shù)量更多、精度更高的匹配點，糾正效果更好。

2）在多幅影像接邊糾正時，ArcGIS人工選點配準糾正方法效果較差；而本文方法依然能得到較好的糾正效果，彌補了ArcGIS人工選點配準與糾正方法的不足。

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P237

B

1672-4623（2016）03-0045-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.015

夏團兵，碩士，研究方向為高質(zhì)量標準正射影像的制作與發(fā)布。

2015-05-07。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2014BAL05B00）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目（2012CB719904）；博士點科研基金資助項目（20130141130003）。