[發明專利]一種GF-4衛星序列圖像自動相對配準方法

有效

• 申請號: 201710135418.7
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN106887016B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 胡昌苗;唐娉;張正;李宏益;單小軍;唐亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院遙感與數字地球研究所
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T7/38;G06T7/11
• 代理公司: 北京億騰知識產權代理事務所(普通合伙) 11309
• 代理人: 陳霽

本發明針對高分四號衛星圖像預處理應用，特別是云及云下陰影檢測應用，提供一種序列圖像自動相對配準技術。對同一地理區域的序列圖像，利用圖像四個角點的近似經緯度坐標確定圖像間的大致相對位置關系，并根據定位誤差確定圖像分塊自動匹配的檢索范圍，通過二級分塊自動匹配，獲得控制點數據并擬合出一個線性函數，序列圖像之間通過不同的線性函數實現相對配準，不同于傳統的衛星圖像逐像素配準，需要經過系統幾何校正與幾何精糾正兩步處理與多次圖像插值與重采樣。本方法處理流程簡化且充分考慮網格化并行，可滿足工程化快速處理海量數據的需求。

技術領域

本發明涉及遙感圖像幾何處理技術，具體的說，涉及一種針對高分辨率靜止衛星序列圖像的自動相對配準技術。

背景技術

遙感圖像的幾何預處理一直是遙感數據處理的主要課題之一。新的遙感衛星投入使用后，對新數據的預處理便是緊要的問題。遙感圖像的預處理通常包含幾何預處理與輻射預處理，其中的幾何預處理由于每個衛星的成像設計與軌道的不同，需要針對具體的衛星圖像開發專門的幾何預處理流程。幾何預處理通常包含系統幾何校正與幾何精糾正兩步主要處理。系統幾何校正通過衛星成像的嚴格幾何模型，建立衛星圖像像素點與對應的地面點之間的幾何轉換關系，并將衛星圖像映射到某一地圖投影下。經過系統幾何校正的衛星圖像具有統一的地圖投影，可依據地圖投影進行多幅圖像的鑲嵌，但同一區域多幅圖像按照地圖投影疊加后，由于系統幾何校正的精度有限，通常無法達到逐像素的嚴格配準，并且衛星成像過程還會發生設備老化、器械抖動及姿態偏差等造成的各種非系統誤差。要實現圖像之間的逐像素配準，通常的方法是在系統幾何校正的結果上進行幾何精糾正。幾何精糾正將匹配獲得的控制點數據用于擬合各種數學糾正模型，再利用得到的數學模型糾正圖像，達到修正圖像內部的局部幾何變形的目的，常用的數學糾正模型有多項式模型、樣條函數模型及Delaunay三角網模型等。

高分四號衛星(以下簡稱GF-4)是中國于2015年12月發射的一顆地球同步軌道衛星，搭載空間分辨率為50米的全色、多光譜相機和400米分辨率的中波紅外相機，采用面陣凝視方式成像，成像間隔快至20秒，具備高時間、高空間分辨率的優勢。自2016年2月3號國防科技工業局公布首批圖像以來，GF-4已經獲取了中國及周邊區域大量數據，在檢測森林火災、洪澇災害等方面發揮著重要作用。GF-4衛星圖像的預處理同樣包括幾何與輻射兩個部分，幾何預處理包括系統成像模型的構建、控制點匹配與幾何精糾正等，目標是實現同一地圖投影下成像數據的逐像素配準。輻射處理包括輻射定標、云及云下陰影的檢測等，目標是使得圖像像素值能精確地描述地表輻射狀況。

GF-4衛星數據預處理技術研發在充分利用之前衛星數據處理成果的基礎上，還要考慮GF-4衛星圖像本身的特性，研發專門的處理算法。面臨的關鍵問題主要有兩個：一是高分辨率靜止衛星圖像內部幾何變形的校正，該問題對于公里級低分辨率靜止衛星圖像并不突出，但對于50米的高分辨率靜止衛星圖像而言，對能否實現逐像素配準關系密切，因為更高分辨率下，圖像內部的幾何變形情況更加復雜；二是如何利用基于序列圖像的處理技術提高GF-4圖像預處理結果精度，GF-4衛星的面陣凝視成像方式，成像間隔快至20秒，短時間內可以獲取同一地理區域下大量的圖像，考慮到云的運動特性，利用序列圖像對于提高云及云下陰影的檢測精度非常必要。

對于上述兩個關鍵問題，如果能在不經過系統幾何校正的基礎上實現圖像之間的快速配準，配準后的數據將會成為GF-4圖像預處理過程中的關鍵中間數據產品，尤其是對于工程化生產云及云下陰影的檢測數據產品而言，需要一個針對GF-4衛星圖像的序列圖像的自動、快速配準算法。

發明內容

本發明的目的是針對GF-4靜止衛星圖像預處理應用，提供一種自動的序列圖像自動配準技術，特別是對于GF-4在凝視模式下對同一區域進行觀測獲取的序列圖像的云及云下陰影檢測數據產品的生產，提供序列圖像逐像素配準數據準備。本技術基于成熟的SIFT的自動匹配算法，根據GF-4衛星圖像的預處理需求與成像幾何特性定制的自動、快速配準處理流程。