刁靜靜，袁占良，陳繼平，余濤，張建霞，張鈺萌

(1．河南理工大學(xué)測繪學(xué)院，河南 焦作454000;2．中國科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京100101;3．國家航天局航天遙感論證中心，北京100101)

一、引 言

無人機遙感是一種新的遙感手段，具有快速、靈活、低成本、高影像分辨率等特點[1]。無人機遙感作為衛(wèi)星遙感不可缺少的補充手段，具有在云下低空飛行能力，彌補了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷;具有靈活機動的特點，無需機場起降，可進行車載起飛、傘降和水面降落等多種方式，能夠彌補衛(wèi)星遙感、航空遙感在時效性方面的不足;由于無人駕駛，回避了飛行員人身安全的風(fēng)險;可以到達交通工具和人員所不能到達的受災(zāi)及危險區(qū)域，因此無人機遙感非常適于救災(zāi)應(yīng)急等[2-3]．

中科院遙感所研制的單CCD四波段航空遙感相機是一種目前已實現(xiàn)的、能達到實用化標(biāo)準(zhǔn)的、可同時應(yīng)用于多種航空遙感平臺(小型飛機、無人機、飛艇等)的結(jié)構(gòu)小巧、使用靈活的對地觀測多光譜CCD相機，其特點主要體現(xiàn)在兩個方面：

1)單面陣CCD感光器件，多光譜通道共享感光光路，分時切換。相機體積、重量、系統(tǒng)功耗的減少，為實現(xiàn)簡易航空遙感平臺(特別是無人機、飛艇等)的搭載作業(yè)提供了技術(shù)保證。

2)在可見光范圍內(nèi)可以方便地實現(xiàn)對不同地物特定光譜信息的自由獲取，曝光控制時間間隔可調(diào)，使得該相機不僅能完成畫幅式常規(guī)對地觀測，還能勝任對特定地物的多角度遙感觀測。

該CCD相機應(yīng)具有獲取4個波段(R、G、B、近紅外)圖像的能力，采用單一光譜信息采集光路、轉(zhuǎn)輪濾光片順序切換的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對不同波段光譜圖像的采集。其經(jīng)無人機或其他小型航空器搭載，可充分發(fā)揮無人機機動靈活、受天氣影響小、高位作業(yè)、應(yīng)急性高等特點，通過4個可更換的濾光窗口可獲得水體、水汽、氣溶膠參數(shù)，在水文環(huán)保調(diào)查、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域，可提供比遙感衛(wèi)星、大飛機遙感更及時、更方便的光譜影像。因此，本文對其進行了圖像幾何預(yù)處理分析，以便多光譜影像的后續(xù)研究處理。

二、影像的幾何處理

遙感圖像的幾何校正是遙感信息處理中一個十分重要的環(huán)節(jié)。與衛(wèi)星遙感影像相比，航空遙感影像不需考慮地球自轉(zhuǎn)及地球曲率的影響。在發(fā)生幾何畸變的諸多原因中，其可校正的有傳感器內(nèi)部誤差、外方位元素變化和地形起伏對影像的影響。幾何校正過程包括兩部分：①建立原始畸變圖像空間與校正后的圖像空間的某種對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)遙感圖像像元的幾何定位，即地理經(jīng)緯度的校正;②利用這種對應(yīng)關(guān)系把原始畸變圖像空間中全部像素變換到校正后的圖像空間中的對應(yīng)位置上，完成校正后的圖像空間中每一像元亮度值的計算，即對原始遙感圖像數(shù)據(jù)進行重采樣[4]。

本次航拍試驗在道路的交叉口、水庫壩址、河流彎曲點等，圖像邊緣部分特征變化大的地區(qū)[5]，采用GPS野外測量盡可能均勻獲取GCP。采用中心投影構(gòu)像方程對航拍試驗獲取的4個波段的圖像進行地理坐標(biāo)定位。共線方程如式(1)所示

分別為攝影中心S與地面點A的地面直角坐標(biāo);λ為比例因子;R為姿態(tài)角(航向偏角φ、旁向傾角ω、像片旋角K)函數(shù)的旋轉(zhuǎn)矩陣[6]。

原始遙感圖像的像元經(jīng)過坐標(biāo)校正后，得到的待輸出圖像僅僅是地理空間位置得到糾正，而圖像中像元沒有灰度值。這就需要根據(jù)原始遙感圖像中像元的灰度值，求得地理空間位置校正后的像元灰度值，進而得到一幅完整可以使用的圖像。

灰度重采樣時常使用的重采樣函數(shù)有：最鄰近像元法、雙線性內(nèi)插法、雙三次立方卷積插值法等[7]。

最鄰近像元法是選擇與輸出點最臨近的像元灰度值作為新像元點的灰度值。假設(shè)采樣點的最鄰近點坐標(biāo)為(k，l)，和采樣點坐標(biāo)(x，y)之間的關(guān)系為式(2)所示，即

則采樣點灰度值就為f x，()y=f k，()l。

雙線性內(nèi)插法的采樣方式是利用畸變影像采樣點周圍的4個鄰近像素灰度值進行二維線性插值，輸出灰度值由這4個像素點對采樣點的距離而定。假設(shè)目的像素通過間接變換得到原影像坐標(biāo)為(i+u，j+v)，其中 i、j是非負(fù)整數(shù)，u、v 是[0，l]區(qū)間內(nèi)浮點數(shù)，則目的像值f(i+u，j+v)為式(3)所求。雙三次立方卷積插值法的采樣方式如式(4)所示，且其中x表示采樣點鄰近像素的x坐標(biāo)，將x換為y則可得鄰近像素的y坐標(biāo)。

三、各波段影像的幾何處理

此次航拍試驗獲取的近紅外、R、G、B 4個波段的影像數(shù)據(jù)如圖1所示?；叶戎抵夭蓸硬捎秒p線性插值法的校正圖像如圖2所示。以近紅外波段影像為例對3種重采樣方法進行比較，最鄰近像元法、雙三次立方卷積插值法的采樣方式校正的近紅外影像分別如圖3所示。

圖1 原始影像

圖2 雙線性插值法

圖3 近紅外影像

由圖可得，最鄰近法方法簡單，但影像上容易出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象，光滑的邊界出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象。雙線性內(nèi)插法使幾何精度提高，輸出影像具有灰度連續(xù)性，但是計算量有所增大，有低通濾波的效果使校正后的影像輪廓變得模糊。雙三次立方卷積插值法計算精度高，影像的亮度連續(xù)較好，比雙線性內(nèi)插法的邊緣銳化，但計算復(fù)雜且會破壞原始的數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語

采用3種重采樣方法對航拍影像進行了處理，最鄰近像元法、雙線性內(nèi)插法、雙三次立方卷積插值法其計算逐漸復(fù)雜，精度越來越高。此單CCD四波段多光譜相機不僅能搭載在無人機等小型航空器上，而且能夠同時獲取近紅外、R、G、B 4個波段的影像。校正后的各波段影像能夠滿足遙感影像的進一步研究分析，促進了我國低空無人機搭載多光譜相機系統(tǒng)的發(fā)展，但其在航拍中的穩(wěn)定性仍需進一步改善。

[1]崔紅霞，孫杰，林宗堅．無人機遙感設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)[J]．測繪科學(xué)，2004，29(l)：47-49．

[2]周潔萍，龔建華，王濤，等．汶川地震災(zāi)區(qū)無人機遙感影像獲取與可視化管理系統(tǒng)研究[J]，遙感學(xué)報，2008，12(6)：877-884．

[3]洪宇，龔建華，胡社榮，等．無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23(4)：462-466．

[4]曾麗萍．遙感圖像幾何校正算法研究[D]．成都：電子科技大學(xué)，2005．

[5]CURLANDER JC．Location of Spaceborne SAR Imagery[J]．IEEE Transactionson on Geoscience and Remote Sensing，1982，3(20)：359-364．

[6]VINCENT T C，HU Yong．Image Rectification Using a Generic Sensor Model Rational Model[J]．International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing，2000，XIX(B4)：874-881．

[7]楊高攀．遙感影像幾何校正方法研究與應(yīng)用[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2010．