無人機(jī)載單CCD四波段多光譜相機(jī)的幾何預(yù)處理

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(cè)繪學(xué)院，河南 焦作454000;2．中國(guó)科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101;3．國(guó)家航天局航天遙感論證中心，北京100101)

一、引 言

無人機(jī)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(diǎn)[1]。無人機(jī)遙感作為衛(wèi)星遙感不可缺少的補(bǔ)充手段，具有在云下低空飛行能力，彌補(bǔ)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(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，無需機(jī)場(chǎng)起降，可進(jìn)行車載起飛、傘降和水面降落等多種方式，能夠彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感、航空遙感在時(shí)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(xiǎn);可以到達(dá)交通工具和人員所不能到達(dá)的受災(zāi)及危險(xiǎn)區(qū)域，因此無人機(jī)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(jī)是一種目前已實(shí)現(xiàn)的、能達(dá)到實(shí)用化標(biāo)準(zhǔn)的、可同時(shí)應(yīng)用于多種航空遙感平臺(tái)(小型飛機(jī)、無人機(jī)、飛艇等)的結(jié)構(gòu)小巧、使用靈活的對(duì)地觀測(cè)多光譜CCD相機(jī)，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1)單面陣CCD感光器件，多光譜通道共享感光光路，分時(shí)切換。相機(jī)體積、重量、系統(tǒng)功耗的減少，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易航空遙感平臺(tái)(特別是無人機(jī)、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(shí)現(xiàn)對(duì)不同地物特定光譜信息的自由獲取，曝光控制時(shí)間間隔可調(diào)，使得該相機(jī)不僅能完成畫幅式常規(guī)對(duì)地觀測(cè)，還能勝任對(duì)特定地物的多角度遙感觀測(cè)。

該CCD相機(jī)應(yīng)具有獲取4個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段光譜圖像的采集。其經(jīng)無人機(jī)或其他小型航空器搭載，可充分發(fā)揮無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、受天氣影響小、高位作業(yè)、應(yīng)急性高等特點(diǎn)，通過4個(gè)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(cè)等領(lǐng)域，可提供比遙感衛(wèi)星、大飛機(jī)遙感更及時(shí)、更方便的光譜影像。因此，本文對(duì)其進(jìn)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(gè)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)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(duì)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(duì)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(jì)算，即對(duì)原始遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣[4]。

本次航拍試驗(yàn)在道路的交叉口、水庫壩址、河流彎曲點(diǎn)等，圖像邊緣部分特征變化大的地區(qū)[5]，采用GPS野外測(cè)量盡可能均勻獲取GCP。采用中心投影構(gòu)像方程對(duì)航拍試驗(yàn)獲取的4個(gè)波段的圖像進(jìn)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(diǎn)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(jìn)而得到一幅完整可以使用的圖像。

灰度重采樣時(shí)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(diǎn)最臨近的像元灰度值作為新像元點(diǎn)的灰度值。假設(shè)采樣點(diǎn)的最鄰近點(diǎn)坐標(biāo)為(k，l)，和采樣點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)之間的關(guān)系為式(2)所示，即

則采樣點(diǎn)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(diǎn)周圍的4個(gè)鄰近像素灰度值進(jìn)行二維線性插值，輸出灰度值由這4個(gè)像素點(diǎn)對(duì)采樣點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yàn)獲取的近紅外、R、G、B 4個(gè)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(duì)3種重采樣方法進(jìn)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(jiǎn)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(jì)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(jì)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(jì)算復(fù)雜且會(huì)破壞原始的數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語

采用3種重采樣方法對(duì)航拍影像進(jìn)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(jì)算逐漸復(fù)雜，精度越來越高。此單CCD四波段多光譜相機(jī)不僅能搭載在無人機(jī)等小型航空器上，而且能夠同時(shí)獲取近紅外、R、G、B 4個(gè)波段的影像。校正后的各波段影像能夠滿足遙感影像的進(jìn)一步研究分析，促進(jìn)了我國(guó)低空無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，但其在航拍中的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步改善。

[1]崔紅霞，孫杰，林宗堅(jiān)．無人機(jī)遙感設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J]．測(cè)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(jī)遙感影像獲取與可視化管理系統(tǒng)研究[J]，遙感學(xué)報(bào)，2008，12(6)：877-884．

[3]洪宇，龔建華，胡社榮，等．無人機(jī)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．