戴激光

遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧阜新 123000

漸進(jìn)式多特征異源高分辨率衛(wèi)星影像密集匹配方法研究

戴激光

遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧阜新 123000

異源高分辨率衛(wèi)星影像匹配是高分辨率衛(wèi)星影像處理的技術(shù)關(guān)鍵,也是實(shí)現(xiàn)三維重建、信息提取、變化監(jiān)測(cè)等應(yīng)用研究工作的技術(shù)基礎(chǔ)。研究表明在地面覆蓋相同的情況下,隨著空間分辨率的提高,衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)量急劇增加,并由此產(chǎn)生了幾何噪聲增大、陰影變化影響、局部形變加劇、紋理相似性降低等異源高分辨率影像特有的問(wèn)題。傳統(tǒng)同(異)源遙感影像匹配方法多數(shù)著眼于低、中分辨率遙感影像,難以有效完成異源高分辨率衛(wèi)星影像的密集匹配任務(wù),進(jìn)而極大地阻礙了高分辨率衛(wèi)星影像的深化處理與應(yīng)用。圍繞這一技術(shù)難題,以異源高分辨率衛(wèi)星影像為研究對(duì)象,提出一種漸進(jìn)式多特征匹配方法,具體研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新之處如下:

(1)漸進(jìn)式多特征匹配的基本概念及方法闡述。漸進(jìn)式指的是對(duì)原影像通過(guò)多次匹配,逐步變換幾何約束獲取密集匹配點(diǎn);多特征是指綜合利用多種特征信息進(jìn)行影像的匹配,而漸進(jìn)式多特征匹配則是兩者的有機(jī)結(jié)合。實(shí)施步驟:首先,構(gòu)建異源高分辨率影像近似核線模型,將其作為幾何約束條件進(jìn)行同名直線的提取;其次,基于同名直線和近似核線對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行幾何約束,同時(shí)利用特征點(diǎn)描述子信息獲取初始匹配點(diǎn);再次,利用初始同名點(diǎn)建立局部幾何約束模型,對(duì)剩余特征點(diǎn)進(jìn)行約束匹配;最后,利用同名點(diǎn)構(gòu)建更加精細(xì)的局部幾何約束模型,對(duì)同名直線進(jìn)行精匹配并構(gòu)建虛擬特征點(diǎn)集,通過(guò)對(duì)特征描述使之轉(zhuǎn)化為三角形區(qū)域影像,采用基于區(qū)域的幾何約束和測(cè)度方法對(duì)虛擬特征點(diǎn)進(jìn)行匹配,從而獲取同名點(diǎn)。

(2)建立了針對(duì)特征點(diǎn)、線幾何約束的異源高辨率衛(wèi)星影像核線模型。依據(jù)高分辨率衛(wèi)星影像雙曲線核線可通過(guò)短直線擬合的理論,論文基于RFM正反解模型和核線投影軌跡法,通過(guò)設(shè)定不同高度地面高程間隔提取虛擬物方點(diǎn)的方式,構(gòu)建了異源高分辨率衛(wèi)星影像近似核線模型。針對(duì)RFM反解模型難以獲取問(wèn)題,論文利用影像提供的正解模型參數(shù),通過(guò)建立像方點(diǎn)和虛擬物方點(diǎn)的迭代幾何映射,實(shí)現(xiàn)了RFM反解模型的構(gòu)建,通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該模型在像方精度可以達(dá)到0．01像素。

(3)提出了直線提取和漸進(jìn)式匹配的方法。在直線提取過(guò)程中,首先依據(jù)影像邊緣點(diǎn)和噪聲點(diǎn)的局部梯度特點(diǎn),提出一種結(jié)合梯度方向的改進(jìn)雙邊濾波算法;其次利用Canny算法與模糊分類理論提取影像邊緣;最后針對(duì)Hough變換提取直線計(jì)算量大的問(wèn)題,提出分區(qū)域的Hough變換算法。在漸進(jìn)式直線匹配中,初次匹配是以異源影像核線、直線梯度為約束條件,采用影像粗匹配模型求取待匹配直線對(duì)間的垂直距離和重疊長(zhǎng)度,以此來(lái)獲取約束特征點(diǎn)匹配范圍的同名直線;第二次匹配是以核線為約束條件,利用局部幾何約束模型參數(shù)提取精確同名直線,從而有效構(gòu)建了虛擬特征點(diǎn)對(duì),提高影像匹配的精度。

(4)構(gòu)建了基于同名點(diǎn)的局部幾何約束模型。首先利用已獲取初始匹配點(diǎn)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng);其次以三角網(wǎng)重心坐標(biāo)為中心點(diǎn),通過(guò)逐層擴(kuò)散的方式來(lái)獲取影像所有像素點(diǎn)的局部幾何約束模型。根據(jù)局部連續(xù)性約束理論,三角網(wǎng)內(nèi)的像素點(diǎn)幾何變形特性受到所在三角形三個(gè)頂點(diǎn)影響,可利用三個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)建其局部幾何約束模型參數(shù)。而對(duì)于三角網(wǎng)以外的影像像素點(diǎn),依據(jù)Voronoi剖分理論,以點(diǎn)擴(kuò)散的方式逐層分析其八鄰域像素點(diǎn)局部幾何約束模型特點(diǎn),以此來(lái)獲取其模型參數(shù)。

(5)虛擬特征點(diǎn)集的構(gòu)建、描述與匹配。利用精確同名直線交點(diǎn)構(gòu)建虛擬特征點(diǎn)對(duì)來(lái)提高同名點(diǎn)的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)多特征結(jié)合下的影像匹配。但受到高分辨率衛(wèi)星影像幾何噪聲大的影響,部分邊緣點(diǎn)提取精度下降,導(dǎo)致直線擬合真實(shí)邊緣精度受到影響,因而虛擬特征點(diǎn)對(duì)難以構(gòu)成真實(shí)匹配點(diǎn)對(duì)。為解決上述問(wèn)題,提出利用同名直線旋轉(zhuǎn)、平移后的交點(diǎn)形成新虛擬特征點(diǎn),以此構(gòu)建虛擬特征點(diǎn)集。在對(duì)虛擬特征點(diǎn)描述過(guò)程中,由于單一點(diǎn)特征無(wú)法描述其紋理特征,因此依據(jù)影像像對(duì)空間分辨率比率,基于虛擬特征點(diǎn)和同名直線提取等腰三角形影像作為虛擬特征點(diǎn)的描述子,將點(diǎn)特征匹配轉(zhuǎn)換為基于區(qū)域的影像匹配問(wèn)題;在匹配中以三角形頂點(diǎn)、夾角為幾何約束條件,最大互信息方法為測(cè)度提取新匹配點(diǎn)。

(6)以復(fù)雜地形區(qū)域的多幅異源高分辨率衛(wèi)星影像像對(duì)(覆蓋范圍包括地形起伏較大的山區(qū)與城區(qū)影像)為研究對(duì)象,對(duì)論文所提出的漸進(jìn)式多特征匹配理論進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)果表明,該方法提取的同名點(diǎn)數(shù)量是SIFT方法10倍以上,影像匹配誤差低于1個(gè)像素,實(shí)現(xiàn)了異源影像的密集匹配目標(biāo),驗(yàn)證了漸進(jìn)式多特征匹配方法的有效性和穩(wěn)定性,但不足之處在于計(jì)算量較大,復(fù)雜程度高,這將是今后進(jìn)一步深入研究的方向。

Study on Progressive Multi-feature Dense Matching Techniques for Multisource High Resolution Satellite Image

DAI Jiguang
School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China

I Jiguang(1978—),male,

his doctorate from school of geomatics,Liaoning Technical University in June 2013,majors in high resolution satellite image processing．

P237

D

1001-1595(2014)04-0438-01

2013-10-22

戴激光(1978—),男,2013年6月獲遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院攝影測(cè)量與遙感專業(yè)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師:宋偉東教授),研究方向?yàn)楦叻直媛市l(wèi)星影像處理。

DAI Jiguang．Study on Progressive Multi-feature Dense Matching Techniques for Multi-source High Resolution Satellite Image [J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(4):438．(戴激光．漸進(jìn)式多特征異源高分辨率衛(wèi)星影像密集匹配方法研究[J]．測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(4):438．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0065

國(guó)家自然基金(40771159;41271374;41271435)

E-mail:daijg03＠163．com