韓 杰, 謝 勇, 吳國(guó)璽, 喻錚錚, 錢(qián)躍磊, 關(guān)小果
(1.許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院,許昌 461000; 2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院,南京 210044)
顧及多相機(jī)拼接成像特征的高分一號(hào)衛(wèi)星影像自適應(yīng)匹配方法
韓 杰1, 謝 勇2, 吳國(guó)璽1, 喻錚錚1, 錢(qián)躍磊1, 關(guān)小果1
(1.許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院,許昌 461000; 2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院,南京 210044)
衛(wèi)星影像高精度匹配一直是備受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。以高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星PMS傳感器雙相機(jī)全色影像為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)其同名點(diǎn)間的幾何偏移特性進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)分析后,提出了一種顧及多相機(jī)拼接成像特征的GF-1衛(wèi)星影像自適應(yīng)匹配方法。該方法是在傳統(tǒng)影像匹配過(guò)程中加入自適應(yīng)算法,利用迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)搜索窗口、范圍和方向的自適應(yīng)選擇。研究結(jié)果表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)GF-1衛(wèi)星同軌全色影像間的高精度自適應(yīng)匹配,可以為其他類(lèi)似衛(wèi)星傳感器影像匹配提供參考依據(jù)。
GF-1; 多相機(jī)拼接成像; 自適應(yīng)匹配; 幾何偏移統(tǒng)計(jì)
自2009年以來(lái),我國(guó)成功發(fā)射了多顆自主研發(fā)的高空間分辨率衛(wèi)星,其獲取的海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)已為我國(guó)資源詳查、城市規(guī)劃和地理測(cè)繪等領(lǐng)域提供了有效的信息服務(wù)[1]。然而由于受單臺(tái)高空間分辨率相機(jī)幅寬限制,無(wú)法同時(shí)獲取大范圍高空間分辨率衛(wèi)星影像。目前我國(guó)常采用多相機(jī)拼接成像技術(shù),將多臺(tái)高空間分辨率相機(jī)沿垂軌方向安置,實(shí)現(xiàn)高空間分辨率與寬覆蓋范圍相結(jié)合的研制目標(biāo)[2]。但是,受多相機(jī)安裝誤差及外界環(huán)境的影響,影像重疊區(qū)域內(nèi)同名點(diǎn)位置并不完全重合,并且會(huì)隨著衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)間的變化而有所不同,這會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)極大不便。因此,如何實(shí)現(xiàn)多相機(jī)拼接成像傳感器影像間的高精度匹配,已經(jīng)成為衡量國(guó)產(chǎn)高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
目前,關(guān)于衛(wèi)星影像匹配的算法很多,例如SIFT(scale invariant feature transform)算法[3]、基于物方幾何約束的多影像相關(guān)法[4]、基于有理函數(shù)模型法[5]、CCD偏差模型法[6]、互信息法[7]、梯度結(jié)構(gòu)法[8]和最小二乘法[9]等。這些方法已經(jīng)被有效地應(yīng)用于多種類(lèi)型的衛(wèi)星影像匹配處理中。但是利用上述算法對(duì)多相機(jī)拼接成像傳感器影像進(jìn)行匹配時(shí),由于缺乏對(duì)影像重疊區(qū)域同名點(diǎn)幾何偏移特性的分析,其匹配過(guò)程中對(duì)目標(biāo)搜索范圍和方向等參數(shù)的設(shè)置較為盲目,且不具備參數(shù)自適應(yīng)設(shè)定功能,使匹配精度和效率較低。
GF-1衛(wèi)星作為我國(guó)高分對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的首發(fā)星,該衛(wèi)星平臺(tái)搭載的PMS多光譜傳感器采用雙相機(jī)拼接成像技術(shù)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)。本文針對(duì)PMS傳感器多相機(jī)拼接成像特征,首先通過(guò)對(duì)同軌全色影像重疊區(qū)域內(nèi)同名點(diǎn)幾何偏移特性進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列統(tǒng)計(jì),分析其變化規(guī)律; 其次利用影像特征點(diǎn)提取方法獲取PMS1全色影像中重疊區(qū)域的特征點(diǎn)集; 然后基于物方幾何約束的匹配方法,預(yù)測(cè)該特征點(diǎn)集在PMS2全色影像上的位置,再根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,設(shè)置初始的搜索窗口大小和范圍; 最后基于松弛影像匹配方法獲取同名點(diǎn),同時(shí)利用迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)搜索窗口、范圍和方向的自適應(yīng)選擇,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GF-1衛(wèi)星同軌全色影像間的高精度自適應(yīng)匹配。
2013年4月26日,GF-1衛(wèi)星于甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。該衛(wèi)星搭載的PMS傳感器是由2臺(tái)垂軌安置的PMS相機(jī)拼接成像,其參數(shù)指標(biāo)如表1所示[2,10]。

表1 GF-1衛(wèi)星PMS傳感器參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameters of GF-1 PMS sensor
由于相機(jī)安裝誤差的存在,導(dǎo)致PMS傳感器的2臺(tái)相機(jī)影像重疊區(qū)域內(nèi)同名點(diǎn)不能完全重合,這就是同名點(diǎn)幾何偏移量的初始值。在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)及發(fā)射后受周?chē)h(huán)境和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素的影響,相機(jī)間相對(duì)位置關(guān)系會(huì)發(fā)生一定的變化,進(jìn)而改變同名點(diǎn)幾何偏移量的初始值。如何全面了解同名點(diǎn)間幾何位置關(guān)系是研究的重點(diǎn)。
為了獲取大量隨機(jī)樣本用于自適應(yīng)匹配模型的建模,在2013年6月—2014年11月期間,即衛(wèi)星發(fā)射后600 d內(nèi)每月隨機(jī)選取不同軌道內(nèi)的若干影像對(duì),共計(jì)44對(duì)。影像對(duì)重疊區(qū)域覆蓋地形包括平原、丘陵和山地,在每對(duì)影像中人工選取10個(gè)同名點(diǎn),精度約為1個(gè)像素。采用物方幾何約束的匹配方法,研究同名點(diǎn)之間的幾何位置關(guān)系,分析人工選點(diǎn)坐標(biāo)與投影預(yù)測(cè)坐標(biāo)的行、列號(hào)差異[4]。具體過(guò)程如下:
1)在影像重疊區(qū)域人工選取一同名點(diǎn),其像面坐標(biāo)在PMS1和PMS2全色影像上分別為(x1,y1)和(m1,n1)。
2)利用PMS1全色影像的有理多項(xiàng)式參數(shù)(rational polynomial coefficients,RPCs)和ASTER G-DEM數(shù)據(jù),獲取像點(diǎn)(x1,y1)對(duì)應(yīng)的地面三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。



圖1 同名點(diǎn)預(yù)測(cè)過(guò)程示意圖Fig.1 Prediction process of the conjugate points
選取4幅不同時(shí)相的影像,其預(yù)測(cè)結(jié)果分別如圖2所示。圖中箭頭長(zhǎng)度為偏移量大小,箭頭指向?yàn)槠品较颉?/p>

(1) 20130614 (2) 20130928
圖2-1同名點(diǎn)偏移量分布
Fig.2-1Offsetdistributionoftheconjugatepoints

(3) 20131229 (4) 20140430
圖2-2同名點(diǎn)偏移量分布
Fig.2-2Offsetdistributionoftheconjugatepoints
從圖2可以看出,同一景影像對(duì)內(nèi)部偏移量大小和偏移方向較為一致,取各影像同名點(diǎn)偏移量的均值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列分析,進(jìn)一步獲取真實(shí)點(diǎn)位與預(yù)測(cè)點(diǎn)位坐標(biāo)差異隨衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)間的變化情況,如圖3所示。

圖3 同名點(diǎn)投影偏移量時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)Fig.3 Time-series statistics of the offsets of the conjugate points
從圖3可以得出: ①對(duì)于垂軌方向偏移量而言,其在發(fā)射后第326天之前偏移量的絕對(duì)值先減小后增大,但絕對(duì)值穩(wěn)定在2個(gè)像素以?xún)?nèi),而在第327至第396天之間偏移量較大,約為3~10個(gè)像素,在第397天之后偏移量的絕對(duì)值又穩(wěn)定在2個(gè)像素以?xún)?nèi); ②對(duì)于沿軌方向偏移量而言,其在發(fā)射后第326天之前偏移量的絕對(duì)值逐漸增大,最大可達(dá)到5個(gè)像素,在第327至第396天之間的偏移量方向相反,其絕對(duì)值約為3個(gè)像素,在第397天之后偏移量絕對(duì)值穩(wěn)定在2個(gè)像素以?xún)?nèi); ③沿軌與垂軌偏移量的變化趨勢(shì)一致; ④垂軌方向偏移量最大值約為10個(gè)像素,沿軌方向偏移量最大值約為5個(gè)像素。
產(chǎn)生該偏移量的原因主要包括匹配算法的誤差、地面高程誤差、相機(jī)安裝誤差及外界環(huán)境的影響等,但是由文獻(xiàn)[11]可知,將ASTER G-DEM數(shù)據(jù)作為物方高程信息,采用物方幾何約束的匹配方法進(jìn)行同名點(diǎn)匹配時(shí),由地面高程誤差及匹配算法導(dǎo)致的誤差是可以忽略的。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于衛(wèi)星在發(fā)射過(guò)程中以及衛(wèi)星在軌運(yùn)行初期階段,受其外界環(huán)境的影響,導(dǎo)致2臺(tái)相機(jī)安裝角度和位置發(fā)生了一定的變化,進(jìn)而使得影像重疊區(qū)域內(nèi)同名點(diǎn)位置發(fā)生相應(yīng)的偏移,其中空間分辨率較高的全色影像對(duì)其變化更為敏感,這也給地面數(shù)據(jù)處理部門(mén)提供了一個(gè)監(jiān)測(cè)相機(jī)安裝參數(shù)變化的參考指標(biāo)。在2014年5月即發(fā)射后第397天左右時(shí),推測(cè)可能是衛(wèi)星地面系統(tǒng)對(duì)相機(jī)進(jìn)行了檢校,從而使影像重疊區(qū)域內(nèi)同名點(diǎn)幾何偏移量變小,具體原因還需進(jìn)一步作調(diào)查分析。
基于上述同軌全色影像間同名點(diǎn)幾何偏移特性,建立了顧及多相機(jī)拼接成像特征的GF-1衛(wèi)星影像自適應(yīng)匹配方法。該方法是在傳統(tǒng)的影像匹配流程中加入了自適應(yīng)算法,以實(shí)現(xiàn)GF-1衛(wèi)星影像亞像元級(jí)的自適應(yīng)匹配。具體流程如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)匹配流程Fig.4 Flow chart of the self-adaptive matching method
1)利用基于物方幾何約束方法,獲取同軌全色影像重疊區(qū)域,縮小特征點(diǎn)信息提取范圍,降低誤匹配概率。
2)利用Harris特征點(diǎn)提取算法,獲取PMS1全色影像重疊區(qū)域的特征點(diǎn)集,共w個(gè)特征點(diǎn)。
3)對(duì)于PMS1全色影像重疊區(qū)域內(nèi)的任意一特征點(diǎn)(xi,yi),i=1,2,3,…,w,以其為中心選取3像元×3像元的臨近窗口window1作為基準(zhǔn)窗口。


(1)
6)在利用步驟5縮小搜索窗口后,采用交叉相關(guān)法確定特征點(diǎn)集中的其他真實(shí)同名點(diǎn)位置。
7)采用樣條插值方法對(duì)上一步獲取的相關(guān)系數(shù)矩陣(5×5)進(jìn)行插值計(jì)算,形成30×30的插值矩陣以提高曲面擬合精度?;诖司仃?,再采用二次曲面函數(shù)擬合方法獲取PMS2影像亞像元級(jí)匹配位置[6]。
8)利用經(jīng)典的RANSAC算法、距離約束、斜率約束和雙向匹配法剔除誤匹配點(diǎn),最終得到高精度的同名點(diǎn)信息[13]。
采用參考文獻(xiàn)[14]的精度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行匹配精度評(píng)價(jià)。首先,從匹配結(jié)果中人工選取均勻分布的匹配點(diǎn)作為控制點(diǎn); 然后,基于控制點(diǎn)信息計(jì)算二次多項(xiàng)式變換模型參數(shù); 最后,計(jì)算所有匹配點(diǎn)的均方根誤差(root mean square error,RMSE),其表達(dá)式為
RMSE=

(2)

為了驗(yàn)證本文方法的可行性和魯棒性,在實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境為Intel Pentium CPU G3240 @3.10 GHz,2 G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上,選取同名點(diǎn)偏移量較大的影像(2014年5月21日山東省臨沂地區(qū))進(jìn)行實(shí)驗(yàn),影像覆蓋范圍如圖5所示。

圖5 測(cè)試影像覆蓋范圍Fig.5 Coverage range of the test images
采用基于物方幾何約束的方法,獲取研究區(qū)同軌全色影像間重疊區(qū)域范圍。在對(duì)不同時(shí)相的影像進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn),影像間重疊區(qū)域范圍較為穩(wěn)定。
雖然衛(wèi)星在軌運(yùn)行1 a時(shí)(與同名點(diǎn)偏移特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果中偏移量較大的時(shí)段相近),重疊區(qū)域范圍有所變化,從初始的574個(gè)像素變?yōu)?83個(gè)像素,據(jù)推測(cè)可能也是由于地面數(shù)據(jù)處理部門(mén)對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行檢校所導(dǎo)致的。為了使得本文提出的算法有較強(qiáng)的適用性,本研究選取了574個(gè)像素作為影像重疊區(qū)域。
采用經(jīng)典的Harris特征點(diǎn)提取方法進(jìn)行特征點(diǎn)提取。由于原始全色影像較大,截取重疊區(qū)域周邊典型地區(qū)影像進(jìn)行算法測(cè)試(影像大小為2 500像素×1 500像素),這將大大提高特征點(diǎn)提取速度,同時(shí)降低后續(xù)誤匹配概率。
選取該地區(qū)ASTER G-DEM數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù),利用基于物方幾何約束的方法獲取特征點(diǎn)初始搜索位置。隨機(jī)選取2個(gè)特征點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

(a) PMS1特征點(diǎn)1 (b) PMS2特征點(diǎn)1 (c) PMS1特征點(diǎn)2 (d) PMS2特征點(diǎn)2
圖6特征點(diǎn)初始搜索預(yù)測(cè)結(jié)果
Fig.6Initialsearchresultsoffeaturepoints
圖6中紅色十字為PMS1影像中提取的特征點(diǎn)位置,黃色十字為PMS1影像特征點(diǎn)在PMS2影像中的初始搜索位置。從圖6中可以看出,預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)同名點(diǎn)之間發(fā)生了較為明顯的偏移,且偏移方向較為一致。
針對(duì)該測(cè)試影像,利用步驟5獲取5個(gè)特征點(diǎn)偏移量均值后可以發(fā)現(xiàn),同名點(diǎn)在垂軌方向上向東偏移約為8個(gè)像元,在沿軌方向上向南方向偏移約為3個(gè)像元,從而利用公式(1)對(duì)初始預(yù)測(cè)位置進(jìn)行更新。最后采用步驟6—8完成影像匹配處理。
為了比較本文方法的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)利用傳統(tǒng)的遙感圖像處理軟件ENVI5.0中的基于特征的影像匹配方法和經(jīng)典的SIFT匹配方法對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理,并采用RANSAC算法、距離約束、斜率約束和雙向匹配算法剔除誤匹配點(diǎn)。匹配結(jié)果如圖7所示。為了綜合對(duì)比上述匹配方法的優(yōu)缺點(diǎn),分別從正確匹配比例、匹配精度和正確匹配點(diǎn)每點(diǎn)平均耗時(shí)3個(gè)方面進(jìn)行方法定量評(píng)價(jià)(表2)。

(a) 基于特征的影像匹配方法 (b) SIFT 方法

表2 影像匹配結(jié)果精度評(píng)價(jià)Tab.2 Comparison of image matching results using different methods
從圖7和表2中可以看出: ①與基于特征的匹配結(jié)果相比,本文方法獲取的正確匹配點(diǎn)分布更加均勻; ②本文方法獲取的正確匹配比例明顯高于其他2種方法; ③利用本文方法和基于特征的匹配方法精度相當(dāng),均高于SIFT的匹配精度; ④雖然本文方法獲得的同名點(diǎn)數(shù)比SIFT方法少,但是其平均每點(diǎn)耗時(shí)明顯低于其他2種方法。本文提出的自適應(yīng)匹配方法更加適用于多相機(jī)拼接成像傳感器影像間的匹配處理。
1)通過(guò)對(duì)GF-1衛(wèi)星同軌全色影像重疊區(qū)域內(nèi)同名點(diǎn)幾何偏移特性進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)分析,明確其變化規(guī)律。該過(guò)程既可為自適應(yīng)匹配方法提供理論依據(jù),也可用于監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間相機(jī)安裝參數(shù)變化情況。
2)提出了一種自適應(yīng)匹配方法,該方法在傳統(tǒng)匹配方法的基礎(chǔ)上,利用迭代計(jì)算完成了對(duì)搜索窗口、范圍及方向的自適應(yīng)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)了GF-1衛(wèi)星PMS傳感器同軌全色影像間的高精度匹配。
3)由于本文提出的自適應(yīng)匹配算法是針對(duì)多相機(jī)拼接成像傳感器特點(diǎn)建立的,該算法對(duì)于跨平臺(tái)、不同時(shí)相和不同空間分辨率影像間的幾何匹配效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證,這也將是下一步研究工作的重點(diǎn)。
志謝: 感謝中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心為本文研究提供GF-1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。
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Zhang Q,Jia Y H,Hu Z W.An improved SIFT algorithm for multi-source remote sensing image registration[J].Geomatics and information science of Wuhan University,2013,38(4):455-459.
Researchontheself-adaptivematchingmethodofGF-1satelliteimageryconsideringthefeaturesofmulti-cameramosaicimaging
HAN Jie1, XIE Yong2, WU Guoxi1, YU Zhengzheng1, QIAN Yuelei1, GUAN Xiaoguo1
(1.SchoolofUrban-ruralPlanningandArchitecture,XuchangUniversity,Xuchang461000,China; 2.SchoolofGeographyandRemoteSensing,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China)
The high precision matching of satellite images has been a problem of much concern. In this paper, the panchromatic images in the same track of GF-1 satellite PMS sensor are treated as investigated subjects. Based on the time-series statistical results of the offset property of the conjugate points, a self-adaptive image matching method is proposed considering mosaic imaging characteristics. In this method, the self-adaptive algorithm is added in the traditional image matching process. It can realize the self-adaptive selection of the target search window, search range and search direction using the iterative computation. The experiment results prove that the proposed method can achieve high precision self-adaptive matching of the GF-1 panchromatic images in the same track, which is useful for other similar satellites in future.
GF-1; multi-camera mosaic imaging; self-adaptive matching; geometric offset statistics
10.6046/gtzyyg.2017.04.03
韓杰,謝勇,吳國(guó)璽,等.顧及多相機(jī)拼接成像特征的高分一號(hào)衛(wèi)星影像自適應(yīng)匹配方法[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(4):13-19.(Han J,Xie Y,Wu G X,et al.Research on the self-adaptive matching method of GF-1 satellite imagery considering the features of multi-camera mosaic imaging[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):13-19.)
TP 79
A
1001-070X(2017)04-0013-07
2016-03-21;
2016-06-26
河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于交叉輻射定標(biāo)的GF-1衛(wèi)星WFV影像無(wú)損勻色方法研究”(編號(hào): 172102210463)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高分辨率光學(xué)遙感器輻射定標(biāo)與歸一化技術(shù)研究” (編號(hào): 41671345)和高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)共性指南項(xiàng)目“GF-4衛(wèi)星圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)與產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)”(編號(hào): 50-Y20A07-0508-15/16)共同資助。
韓 杰(1987-),男,博士,講師,主要從事高空間分辨率衛(wèi)星傳感器定標(biāo)、真實(shí)性檢驗(yàn)和影像匹配等方面的研究。Email: hanjie@radi.ac.cn。
謝 勇(1977-),男,博士,主要從事定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)研究。Email: xieyong@nuist.edu.cn。
(責(zé)任編輯:陳理)