摘(zhai)要：
針對推掃式成像(xiang)光譜(pu)儀(yi)獲取的狹帶(dai)影像(xiang)需(xu)要經過幾何(he)校正才能拼接形成空間二維影像(xiang)的問(wen)題，提出了基于ENVI二次開發的高光譜推掃圖像(xiang)拼接技術。基于單(dan)應映射建立光譜儀傾(qing)斜狀態(tai)下(xia)(xia)與(yu)正射狀態(tai)下(xia)(xia)圖像(xiang)上的二維點之間的關系，校正由姿態(tai)變化(hua)引(yin)起的圖像(xiang)畸變，結合GPS數據(ju)修正(zheng)因飛(fei)行速(su)度變化(hua)引(yin)起的(de)狹(xia)(xia)帶(dai)重(zhong)疊將校正(zheng)后的(de)狹(xia)(xia)帶(dai)影像拼(pin)接起來。在ENVI二次開發平臺上進(jin)行技術集成，實現(xian)了Resonon推掃高(gao)光譜(pu)狹帶影像的自(zi)動校正(zheng)拼接。對(dui)河北(bei)保定郊區高(gao)光譜(pu)影像的校正(zheng)拼接實驗證(zheng)明，該方法與光譜(pu)儀自(zi)帶拼接軟件校正(zheng)結果接近經緯度(du)坐標差均在1m以內，均方根誤(wu)差(cha)約(yue)為(wei)0.7389，能夠滿足一般高光譜遙感(gan)應用(yong)中的(de)地(di)理(li)精度要求。
研究目的：
根據(ju)單應映射(she)原理，建立光(guang)譜儀(yi)傾斜和正(zheng)射(she)狀態下像點的(de)映射(she)關系，利(li)用GPS/INS組合導(dao)航數(shu)據(ju)校正(zheng)狹帶影(ying)像中的(de)畸變，拼接成(cheng)一幅完整的(de)影(ying)像，并在ENVI二次開發平臺上實現推掃(sao)狹帶(dai)影像的自動校正和拼接(jie)。
推掃成像畸變原因：
推掃式(shi)成像(xiang)是利用(yong)(yong)飛(fei)行(xing)平臺的(de)(de)向前運動，借助于與飛(fei)行(xing)方(fang)向垂(chui)直的(de)(de)掃描線記錄(lu)而構(gou)成二維圖像(xiang)。推掃型成像(xiang)光譜儀通常采(cai)用(yong)(yong)一個(ge)垂(chui)直于運動方(fang)向的(de)(de)面陣CCD來感(gan)應(ying)地(di)面響應(ying)，在飛(fei)行平(ping)臺向前運動中(zhong)完成二(er)維空(kong)間掃描，平(ping)行于平(ping)臺運動方向，通過光柵和棱鏡分光完成光譜(pu)維掃描，因此(ci)，CCD上(shang)一個點(dian)對(dui)應一個譜段，一條(tiao)線對(dui)應一個譜面。CCD探(tan)測器每次(ci)成像是空間一條(tiao)線(xian)上(shang)的光(guang)譜信(xin)息(xi)。為了獲得空間二維圖(tu)像，再通(tong)過(guo)機械推(tui)掃(sao)，完成整(zheng)個平面(mian)的圖(tu)像和光(guang)譜數據采集。
推掃成像時，CCD探測器所(suo)記錄的(de)(de)(de)高(gao)光譜(pu)圖像(xiang)數(shu)據是沿著飛行(xing)(xing)方(fang)向的(de)(de)(de)條幅，由于搭載光譜(pu)儀的(de)(de)(de)飛行(xing)(xing)平臺在飛行(xing)(xing)過程中，不(bu)(bu)能一(yi)直保證理(li)想的(de)(de)(de)姿(zi)(zi)態正射獲取影(ying)像(xiang)，速度(du)和姿(zi)(zi)態的(de)(de)(de)不(bu)(bu)穩定導致飛行(xing)(xing)平臺的(de)(de)(de)位(wei)置、航偏角、俯仰角和橫滾(gun)角不(bu)(bu)斷隨(sui)機變化，引起光譜(pu)儀拍攝時(shi)外(wai)方(fang)位(wei)元素也不(bu)(bu)斷隨(sui)機變化。因此，CCD曝光時(shi)每條掃描(miao)線對(dui)應的(de)(de)(de)光譜(pu)儀外(wai)方(fang)位(wei)元素不(bu)(bu)一(yi)致引起了圖像(xiang)的(de)(de)(de)幾(ji)何畸(ji)變：
1. 飛行(xing)平(ping)臺姿態不穩定(ding)造(zao)成地(di)面(mian)掃描行(xing)之間相互(hu)交錯(cuo)，圖(tu)像扭曲(qu)變形，影(ying)響后期地(di)物目(mu)標的解析和判別。
2. 飛行平臺速(su)度不穩定易造成(cheng)掃(sao)描行之間(jian)的(de)(de)行間(jian)距(ju)忽(hu)大忽(hu)小(xiao)，出(chu)現重疊或間(jian)隙，為了獲得地面的(de)(de)完整影像，通常(chang)推掃(sao)成(cheng)像需保證一定的(de)(de)采樣(yang)率。因此，在(zai)圖像拼接(jie)時就需要借(jie)助ＧＰＳ位置信(xin)息對重疊的(de)(de)掃(sao)描行進行幾何糾正和圖像融合(he)處理(li)。
IDL實現(xian)
IDL是美國ITT VIS公司(si)推出的(de)第四代交互式、跨平臺、面向(xiang)矩陣處(chu)理(li)的(de)編程語言，具有快速的(de)數據分(fen)析、圖(tu)(tu)像處(chu)理(li)和強大的(de)可視(shi)化功能(neng)。采用(yong)(yong)IDL語言調(diao)用(yong)(yong)ENVI平臺中的(de)圖(tu)(tu)像處(chu)理(li)函數，可以很方便地進(jin)行二(er)次開發，實現遙感數據的(de)快速分(fen)析和可視(shi)化。
推掃圖像(xiang)的自動拼接主要包括如(ru)下３個(ge)基本步驟(zou)：
(１)影像(xiang)和(he)GPS/INS數(shu)(shu)據(ju)讀取(qu)：遙感影像(xiang)數(shu)(shu)據(ju)包(bao)含圖像(xiang)本身和(he)頭文件，ENVI二次開(kai)發(fa)提供(gong)了函數(shu)(shu)讀取(qu)遙感影像(xiang)及(ji)其(qi)屬性。如ENVI_OPEN_FILE、ENVI_FILE_QUERY、ENVI_GET_ SLICE等。GPS/INS數(shu)(shu)據(ju)存儲于文本文件中，按照文本文件讀取(qu)方式即可(ke)獲(huo)得狹帶(dai)影像(xiang)獲(huo)取(qu)時光譜儀的姿態和(he)位置(zhi)信(xin)息(xi)。
(２)單應矩陣計算(suan)和單應映射：以北東(dong)地(di)坐標(biao)系為地(di)理坐標(biao)系，依據公式計算(suan)得到單應矩陣Ｈ。主要代碼命令(ling)如下(xia):
H=M_inv#MATRIX_POWER（C, -1）#M；計算單應矩陣.
所以，對于狹帶影像上的每一個二維點 ( xｂ，yｂ ) ，都可以獲得校正后的對應點 (xｎ，yｎ ) ，點 ( xｎ，yｎ ) 的灰度值即為點 ( xｂ，yｂ ) 的灰度值。
(３)圖(tu)像拼接：校(xiao)正后的每(mei)條狹帶(dai)圖(tu)像中(zhong)(zhong)心點的二維(wei)地理(li)坐(zuo)標即光譜儀成像中(zhong)(zhong)心的ＧＰＳ 二維(wei)坐(zuo)標，根據光譜儀的成像地面分(fen)辨(bian)率(lv)，選定影像投影方式(shi)，可以為每(mei)條狹帶(dai)設(she)置地理(li)信息。主要代碼命(ming)令(ling)如下:
map_info=ENVI_MAP_INFO_CREATE( /geographic, mc=mc, ps=ps ); 為狹帶(dai)添加地理信(xin)息(xi)。
拼接后的(de)(de)(de)(de)影像被認為是光(guang)譜儀理想姿(zi)態下獲取的(de)(de)(de)(de)正(zheng)射影像，具有與GPS獲取的(de)(de)(de)(de)一(yi)致的(de)(de)(de)(de)位置信息(xi)，拼接影像點(dian)的(de)(de)(de)(de)高光(guang)譜曲(qu)線與原始掃描(miao)行對(dui)應(ying)點(dian)的(de)(de)(de)(de)一(yi)致，能夠真實地(di)反映地(di)面(mian)的(de)(de)(de)(de)空間特(te)征和光(guang)譜特(te)征。
實驗結果與分析：
本文選擇河(he)北省保定市郊(jiao)區的(de)高光譜影像進行校正拼接實驗(yan)，影像由搭載(zai)于無人機的PikaL 高光(guang)譜成像儀拍攝獲(huo)取，PikaL高光譜成(cheng)像儀由美國Resonon公司設計生產(chan)，光譜范(fan)圍為400-1000nm，光譜分辨率為2.1 nm，CCD掃(sao)描行寬度為(wei)900像素。飛(fei)行過程(cheng)中同時搭載慣導(dao)系(xi)統實時(shi)獲取光譜(pu)儀的姿態位置信息。高光譜(pu)儀將推掃獲(huo)取的原(yuan)始狹帶影像先簡單拼(pin)接起來，存(cun)儲(chu)于固態(tai)硬(ying)盤中(zhong)，此時的地理信息(xi)并未經過糾正，圖像存在幾何畸變，圖ａ所示為原(yuan)始圖像的假(jia)彩(cai)色圖像，狹帶經(jing)過幾何校正和拼(pin)接后才(cai)能正確顯示地(di)面目標的特(te)征，如圖ｂ所示。
為了能夠定量檢驗該幾何校正方法的效(xiao)果，同時采用Pika L高光譜成(cheng)像儀自帶(dai)的軟件對原(yuan)始影像進行(xing)幾何校正，將(jiang)兩(liang)種方法得到的校正影像進行(xing)比較。兩種校正方(fang)法均采用ＵＴＭ 投影，以(yi)WGS-84為基準面。首先在軟(ruan)件校正影像中(zhong)隨機選取10個均勻分布的明顯地物點，讀取其坐標(biao)值，作為采樣點用于評定校正精度(du)，然后從本文方法校(xiao)正后影像中讀取(qu)其相(xiang)應坐標值，經過對10個(ge)采樣點殘(can)差的計(ji)算(suan)得到如(ru)表１所示的精度(du)檢驗(yan)結果。
表１：北向距離(li)均方根誤差(cha)為0.6327ｍ，東向距離(li)均(jun)方根誤差為0.3817ｍ，
總均方根(gen)誤(wu)差為0.7389ｍ
由(you)表１可以看出，采樣點(dian)在(zai)ｘ和ｙ方向上的坐(zuo)標(biao)偏移均(jun)不超過１ｍ，兩種方法得到的校(xiao)正(zheng)圖像(xiang)地理信息較(jiao)為接近；ｙ方向坐(zuo)標(biao)均方根誤差(cha)大于ｘ方向坐(zuo)標(biao)均方根誤差(cha)，即像點坐標的經度值準確性高于緯度值。對于某些地理精度要求(qiu)不高的(de)航空高光(guang)譜遙感應用來說，本方法取得的校(xiao)正效果(guo)已(yi)滿(man)足(zu)需求。如果(guo)需要進一步提(ti)高精度，可以(yi)通(tong)過增加地(di)面控制(zhi)點或與高精度地(di)圖(tu)進行圖(tu)像配準(zhun)實現(xian)幾何精校正。
結語
本文根據推掃成像和單應(ying)映(ying)射原理(li)(li)，結合(he)GPS/INS組(zu)合(he)導航系統實時(shi)(shi)獲(huo)取光譜(pu)儀姿態角度和位置信息。在(zai)ENVI二次開發(fa)平(ping)臺上(shang)，采用IDL語言實現了高(gao)光譜(pu)儀推掃狹帶影像的自(zi)動校(xiao)正(zheng)和拼(pin)(pin)接(jie)。驗證實驗表明，本方法(fa)與(yu)自(zi)帶軟件(jian)校(xiao)正(zheng)拼(pin)(pin)接(jie)效果接(jie)近，均方根誤(wu)差基本滿足一般的高(gao)光譜(pu)遙感應(ying)用。雖然本文方法(fa)能夠(gou)取得較(jiao)為理(li)(li)想的校(xiao)正(zheng)拼(pin)(pin)接(jie)效果，但是(shi)單掃描(miao)行的校(xiao)正(zheng)過程(cheng)(cheng)耗時(shi)(shi)較(jiao)長，無法(fa)實時(shi)(shi)獲(huo)取校(xiao)正(zheng)影像，下一步將就(jiu)提高(gao)校(xiao)正(zheng)拼(pin)(pin)接(jie)效率(lv)展(zhan)開更加(jia)深入的研(yan)究。另外，拼(pin)(pin)接(jie)過程(cheng)(cheng)中不同(tong)成像條(tiao)件(jian)下的勻(yun)色處理(li)(li)同(tong)樣是(shi)后續需要研(yan)究的內容。
原文下(xia)載連(lian)接：