多幅正射影像镶嵌的接边精度改进方法

2016-12-26夏团兵万幼川孙明伟

地理空间信息 2016年3期

关键词：选点射影偏差

夏团兵，万幼川，孙明伟

（1.武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉 430079）

多幅正射影像镶嵌的接边精度改进方法

夏团兵1，万幼川1，孙明伟1

（1.武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉 430079）

针对目前方法大多只能对两幅正射影像进行接边纠正且精度不高的问题，提出了一种基于最小二乘法的多幅正射影像镶嵌的接边精度改进方法。实验结果证明，该方法不仅提高了两幅影像接边纠正的精度，而且实现了多幅影像接边区域的同时纠正，消除了影像只能两两纠正带来的误差积累，得到了接边精度更高的镶嵌影像。

正射影像；SIFT匹配；最小二乘法；曲面拟合；网格插值

在利用遥感影像制作正射影像的过程中，影像镶嵌是一个重要步骤，其过程主要包括几何镶嵌、匀光匀色[1-3]和镶嵌线选择[4-7]等。由于某些国产卫星精度不高或平差结果一般，可能会出现单幅影像正射纠正之后区域相邻影像的接边精度较差的情况[8]，因此需要在进行影像镶嵌前先对接边区域进行处理。目前对接边区域进行处理的方法可分为两类：直接对接边区域像元赋值，如ArcGIS[9]中采用平均值作为栅格单元值或基于权重计算栅格单元值等；先配准后纠正，如刘晓龙[10]提出基于影像匹配接边纠正的数字正射影像的镶嵌技术，该方法能将接边误差均匀的分配至左右两幅影像接边区域中，以及在ArcGIS平台的接边区域人工选取同名点进行配准与纠正等。但这些方法都只能实现正射影像两两之间的接边纠正，当多幅正射影像接边时，两两纠正会产生误差积累，使首尾两幅影像的接边区域地物几何偏差大，无法得到较好的影像镶嵌结果。本文针对以上问题，提出了一种基于最小二乘法的多幅正射影像镶嵌的接边精度改进方法。

1 改进方法原理介绍

在实际应用中，通常采用ArcGIS人工选点配准与纠正方法实现接边纠正。ArcGIS人工选点配准与纠正方法是在ArcGIS平台上，在两幅影像接边区域选取同名点，再进行配准与纠正。其纠正方法有7种：零阶多项式变换、一阶多项式变换、二阶多项式变换、三阶多项式变换、校正变换、样条函数变换和投影变换。其中，样条函数变换是一种基于样条函数的橡皮页变换方法，并能对局部精度进行优化，其总体精度也更高。本文针对ArcGIS人工选点配准与纠正方法中的样条函数变换方法做了以下两点改进，提高了多幅影像接边纠正的精度。

1.1 分网格SIFT[11]匹配

ArcGIS人工选点配准与纠正方法是将整个接边区域作为匹配对象，可能会出现匹配点分布不均的情况（图1a），造成影像纠正精度不高。改进方法将正射影像按均匀的网格（图1b）分割成小影像，再分别对接边区域的小影像对进行SIFT匹配，从而自动得到分布均匀、数目更多、精度更高的同名点对。

1.2 解算整体意义上的坐标改正值

图1 按网格进行SIFT匹配

改进方法在多幅影像接边区域，考虑多幅影像地物之间的几何差异，而且使纠正后影像接边区域与非接边区域过渡平滑。方法原理如下：

1）最小二乘法计算坐标改正值。根据SIFT匹配所得到的同名点坐标，利用最小二乘法，得到影像中每个小影像对的坐标改正值。以4幅影像接边区域内同一网格范围对应的小影像为例，编号为1、2、3、4，可将其分为两两接边的6组小影像对。小影像1、2进行SIFT匹配后，可得如下方程：

2）曲面拟合修正坐标改正值。在实际情况中，不排除有的小影像对由于没有匹配点或匹配出的是完全错误的点，得到错误的ΔX、ΔY值。另外，纠正后的影像也需要在接边区域和非接边区域之间形成平滑的过渡，因此要对ΔX、ΔY值进行修正，以得到更好的结果。以某行小影像对对应的ΔX值为例（图2a），其中点6是误匹配点，点9没有匹配点，首尾有ΔX值的部分和没有ΔX值的部分没有过渡。用曲面拟合方法可较好地解决以上问题，在首尾各添加一个值为0的点，用比较平滑的曲线，拟合ΔX的值，如图2b。该方法可把点6修改成比较正确的值，同时也可拟合出点9的值，首尾处也有较好的过渡。

同理，对行方向的ΔY值也进行拟合，保存经过行方向拟合后的ΔX、ΔY值，将所得值作为进行列方向上拟合的初始值。经过2个方向的拟合后，能形成关于ΔX、ΔY值的2个平滑曲面，得到每个像素对应的质量较高的ΔX、ΔY值。

3）网格插值反算坐标改正值。通过曲面拟合方法，得到原正射影像每个像素对应的坐标改正值ΔX、ΔY，再由已知的像素坐标x、y，得到每个像素在纠正后影像上对应的位置。采用网格插值方法（图3）得到纠正后影像每个像素对应的ΔX'、ΔY'。反向寻找对应的原影像上的像素，并赋值和生成纠正后的影像。

图2 某行对应的ΔX值拟合方法

图3 网格插值示意图

2 实验与分析

本文采用的实验数据为山西省和河南省交界处的4 幅ZY-3影像。为了验证方法的有效性，将改进方法与ArcGIS人工选点配准与纠正方法进行对比实验。

图4 纠正前后相邻两幅影像接边区域地物偏差对比

图5 纠正前后首尾两幅影像接边区域地物偏差对比

图6 纠正前后4幅影像接边区域地物偏差对比

图4a中原正射影像上道路错位明显；经过ArcGIS方法纠正后道路错位减小，但仍没有完全消除错位，原因在于ArcGIS方法中匹配点数量少且精度受主观限制。而改进方法应用了SIFT匹配算法，无需人工选点，减少了人工操作，且SIFT匹配算法具有对影像的旋转、尺度缩放和亮度变换保持不变的特性，能得到更好的匹配结果，因此能完全消除道路错位，使两幅影像能够平滑接边（图4c）。

图5a中原正射影像上房屋在横向和纵向上错位大；经过ArcGIS方法纠正后仍没有消除房屋错位，因为该方法进行了3次影像之间的两两配准纠正，首尾两幅影像无法进行配准纠正，随着配准纠正误差的累积，首尾两幅影像接边区域地物偏差大。而改进方法应用最小二乘法解算多幅影像的坐标改正值，以多幅影像为整体计算坐标改正值，使得多幅影像接边区域地物纠正后的偏差也大大减小，消除了房屋错位（图5c）。

图6a中原正射影像4幅影像接边区域地物偏差大；ArcGIS方法纠正后地物偏差减小，但无法完全消除偏差，原因在于该方法在两幅影像之间纠正效果一般，且随着误差积累，4幅影像接边区域的偏差较大。而改进方法应用了分网格SIFT匹配和最小二乘法整体解算改正值，消除了多幅影像接边区域的地物偏差（图6c）。

实验结果可以看出，对4幅影像进行接边纠正时，ArcGIS人工选点配准与纠正方法在相邻两幅影像接边区域纠正效果较好，在首尾两幅影像接边区域纠正效果较差，在3或4幅影像接边区域的纠正效果较差。而改进方法不仅在两幅影像接边区域纠正精度更高，而且在多幅影像接边区域仍能获得较好的纠正效果。

为了定量评价本文提出的改进方法的纠正精度，用SIFT匹配得到纠正前、ArcGIS方法纠正后、改进方法纠正后接边区域地物匹配点的坐标差。表1为两种方法纠正效果的对比，可以看出改进方法在多幅影像接边区域纠正精度明显更高。

表1 纠正前与纠正后4幅影像之间的几何偏差

3 结语

通过对基于最小二乘法的多幅正射影像镶嵌的接边精度改进方法和ArcGIS人工选点配准与纠正方法的对比实验，得出如下主要结论：

1）在两幅影像接边纠正时，ArcGIS人工选点配准与纠正方法受人工选点数量和精度的限制，纠正精度一般；而本文方法能自动得到数量更多、精度更高的匹配点，纠正效果更好。

2）在多幅影像接边纠正时，ArcGIS人工选点配准纠正方法效果较差；而本文方法依然能得到较好的纠正效果，弥补了ArcGIS人工选点配准与纠正方法的不足。

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P237

1672-4623（2016）03-0045-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.015

夏团兵，硕士，研究方向为高质量标准正射影像的制作与发布。

2015-05-07。