尺度不變特征轉(zhuǎn)換算法的多源SAR影像匹配

黎旻懿，楊杰，李平湘，郭琳

（1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢430079；2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京100048）

尺度不變特征轉(zhuǎn)換算法的多源SAR影像匹配

黎旻懿1，楊杰1，李平湘1，郭琳2

（1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢430079；2.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京100048）

鑒于直接利用SIFT算法進(jìn)行SAR影像間的匹配不能得到很好的效果，考慮SIFT算法在應(yīng)對噪聲以及對鏡像影像進(jìn)行匹配的局限性，提出了針對SAR影像之間匹配的SIFT算法預(yù)處理。首先利用影像與影像之間的空間信息進(jìn)行匹配，之后利用SIFT算法進(jìn)行局部特征點匹配，通過采用RANSAC進(jìn)行錯配點的去除，實現(xiàn)SAR影像的高精度配準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明，該文提出的預(yù)處理以及錯配點的去除為利用SIFT算法進(jìn)行SAR影像的匹配提供了可能。

合成孔徑雷達(dá)；SAR；SIFT；匹配；預(yù)處理

0 引 言

影像匹配是指利用其兩幅影像間灰度、紋理等特征的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行相似性和一致性分析，對兩幅或多幅存在重疊圖像區(qū)域的圖像之間進(jìn)行搜索并識別出相鄰圖像間的同名點對。影像匹配是計算機視覺的基礎(chǔ)，在遙感圖像處理、醫(yī)學(xué)圖像分析、目標(biāo)跟蹤識別等圖像分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1－3］。

目前，基于特征匹配算法逐漸成為圖像匹配的主流研究方向，其相關(guān)理論的研究取得快速發(fā)展。2004年，加拿大學(xué)者David G.Lowe［4］總結(jié)并正式提出的SIFT算法通過構(gòu)建128維的特征描述子，可以準(zhǔn)確穩(wěn)定地提取出特征點并進(jìn)行高精度的匹配。

而在SAR影像的匹配方面，由于SAR影像所獨有的斑點噪聲和由于頻段不一致引起的分辨率上的差別，使得利用SIFT直接進(jìn)行SAR影像之間的匹配變得十分困難。楊雪梅等［5］在2010年提出了一種改進(jìn)SIFT算子，優(yōu)化了SIFT特征描述子的主方向，用來匹配光學(xué)影像和SAR影像；陳敏［6］于2014年提出了基于邊緣強度圖的光學(xué)影像與SAR影像之間的匹配；姜文聰［7］在2013年提出利用機載SAR影像成像特點和幾何特性與SIFT算法結(jié)合來匹配機載SAR影像。而筆者發(fā)現(xiàn)如果利用影像的幾何關(guān)系以及考慮SAR影像獨特斑點噪聲的濾波方式，可以有效地提高SIFT算法在SAR影像匹配時的正確率，提出了針對SIFT算法的一系列SAR影像的預(yù)處理流程。

1 SIFT特征匹配算法

尺度不變特征轉(zhuǎn)換（Scale－invariant feature transform，SIFT）是一種檢測局部特征的算法，該算法通過尺度空間求一幅圖中的特征點并獲得有關(guān)尺度和方向的描述子，利用這些特征進(jìn)行圖像特征點匹配，性能穩(wěn)定。SIFT算法主要有以下5個步驟：①建立尺度空間；②檢測DoG尺度空間極值點；③消去不穩(wěn)定的特征點；④確定特征點的方向；⑤特征描述子的生成。完成以上5個步驟之后，對得到的特征描述子運用以歐氏距離作為相似性測度的匹配方法，選取出最優(yōu)的匹配點對，實現(xiàn)特征點之間的匹配。

2 利用多源SAR影像的空間信息進(jìn)行匹配預(yù)處理

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，對于SAR數(shù)據(jù)，影響SIFT算法效果的主要有三點：①SAR影像所帶有的斑點噪聲；②由于升軌降軌的影響，或者由于機載傳感器掃描方向的影響，可能主輔影像之間存在較大的旋轉(zhuǎn)，甚至存在鏡像現(xiàn)象；③主影像與輔影像之間過大的尺度差異，比如Radarsat－2影像與機載高分辨率影像之間的配準(zhǔn)。因此，為了在利用SIFT算法時能達(dá)到更好的效果，可以利用SAR影像自帶的空間信息進(jìn)行匹配的預(yù)處理，同時根據(jù)SAR影像的特點進(jìn)行噪聲的去除。

2.1 噪聲抑制

由于SAR成像系統(tǒng)是相干成像的特性，圖像中往往具有較嚴(yán)重的斑點噪聲［8－10］。針對單／全極化SAR影像采用不同的濾波方式，最大利用影像的信息達(dá)到對斑點噪聲的抑制。針對單極化SAR數(shù)據(jù)，采用Lee濾波或者Sigma濾波等濾波方式，針對全極化SAR數(shù)據(jù)，采用精制極化Lee濾波等極化濾波方式。在實驗部分，針對高分辨率的數(shù)據(jù)，根據(jù)具體情況均做了相應(yīng)的濾波或多視處理，但由于低分辨率數(shù)據(jù)做濾波容易丟失細(xì)節(jié)紋理信息故未做處理。

2.2 減輕旋轉(zhuǎn)或鏡像的影響

對于一般的星載數(shù)據(jù)如Radarsat衛(wèi)星，都會在元數(shù)據(jù)中提供影像一定的幾何信息［11］，可以得到影像4個角點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過這些基本的空間幾何信息，可以計算得出影像的掃描方向與北方向之間的夾角。如圖1所示（本文假設(shè)所有數(shù)據(jù)都是西經(jīng)和北緯的情況）。

圖1 一般星載影像的方向示意圖

r所指的方向為距離向，a所指的方向為方位向，N所指的方向為北方向；P1點代表影像第一行近距端的角點，P2代表第一行遠(yuǎn)距端的角點，P3代表最后一行近距端角點，P4代表最后一行遠(yuǎn)距端角點。而每個角點都可以通過SAR的嚴(yán)密成像幾何模型（R－D模型）或者根據(jù)影像頭文件中提取的角點坐標(biāo)得到它們的經(jīng)緯度坐標(biāo)。假設(shè)坐標(biāo)分別為P1（lat1，long1），P2（lat2，long2），P3（lat3，long3），P4（lat4，long4）。首先計算方位向與距離向分別兩個邊界的方向向量。

在距離向上：

在方位向上：

可以取平均得到影像中心的大致方向

然后將這兩個向量歸一化：

本文將空間按照0°～360°每10°劃分一個角度空間，以主影像的方位向為標(biāo)準(zhǔn)，將輔影像旋轉(zhuǎn)到主影像對應(yīng)的方向上，然后判斷輔影像的距離向與方位向的夾角方向是否與主影像上距離向與方位向夾角一致，如果方向剛好相反，則需要對輔影像進(jìn)行一次距離向上的鏡像處理，如圖2所示。

圖2 將輔影像旋轉(zhuǎn)到與主影像對應(yīng)的方向上

2.3 減小尺度差異

目前雷達(dá)不同頻段的影像分辨率差別很大，在匹配兩幅分辨率差別較大的影像時，可以采用一些空間信息消除尺度上過大的差異，同時去除不相關(guān)區(qū)域的運算，使匹配更加快速而精確。

首先利用影像元數(shù)據(jù)計算出輔影像的最大最小經(jīng)緯度區(qū)間，然后利用線性插值在主影像上搜尋出覆蓋輔影像的區(qū)域，僅僅對兩幅影像的重疊區(qū)域進(jìn)行處理，并且得到重疊區(qū)域的經(jīng)緯度覆蓋范圍，即得到點LU和RD在主影像上的像素坐標(biāo)，如圖3所示。

圖3 計算重疊范圍

然后分別計算在重疊區(qū)域內(nèi)，在主影像的方位向和距離向兩個方向，兩幅影像的分辨率差異。因為SIFT算法本身就是尺度不變的算法，能處理一定程度下不同尺度影像之間的匹配，所以，對于減小兩幅影像之間的尺度差異，并不需要做到十分精確。

本文將輔影像及包圍盒壓縮或者放大到LU和RD的像素范圍內(nèi)，采用雙線性采樣法進(jìn)行重采樣，粗略地將輔影像處理成與主影像尺度一致的情況。

2.4 利用RANSAC算法去除錯匹配點

由于可信匹配子塊本身存在噪聲等多因素影響，經(jīng)過歐式距離相似性判別法所得粗匹配對中可能存在較多的偽匹配對，需要進(jìn)一步除偽，實現(xiàn)精匹配。

RANSAC［12］是一種通過迭代方式估計模型參數(shù)的不確定性方法。RANSAC從一組包含較大噪聲或無效點的觀測數(shù)據(jù)中反復(fù)選擇數(shù)據(jù)，利用隨機子集來達(dá)成目標(biāo)，RANSAC假設(shè)給定一組正確數(shù)據(jù)，可以解出符合數(shù)據(jù)模型的參數(shù)。在特征匹配中，模型即為從一幅圖像上的特征點到另外一幅圖像上的特征點的射影關(guān)系，一個3×3的基礎(chǔ)矩陣就可反映其射影關(guān)系。利用RANSAC即可實現(xiàn)對基礎(chǔ)矩陣的參數(shù)估計，以高概率去除偽匹配對。

3 實驗結(jié)果與分析

本文選擇3組數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗，通過利用不同傳感器、不同分辨率、不同頻率的機載和星載數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，驗證提出算法的有效性。

（1）機載和星載數(shù)據(jù)之間的匹配

采用的實驗數(shù)據(jù)為：主影像為Radarsat－2，輔影像為XSAR數(shù)據(jù)。Radarsat－2的數(shù)據(jù)為C波段，方位向分辨率為5.1m，距離向為4.7m；XSAR是中國電子科技集團(tuán)38研究所的一套全極化干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，方位向分辨率0.1m，距離向斜距分辨率0.4m，在X波段成像，工作頻率為9.6GHz。

圖4 機載和星載數(shù)據(jù)匹配影像

圖5 未經(jīng)過處理的輔影像與主影像進(jìn)行匹配

如果直接用未經(jīng)過預(yù)處理的輔影像與主影像進(jìn)行匹配，得到的結(jié)果如圖5所示。圖6為經(jīng)過預(yù)處理后的輔影像與主影像匹配結(jié)果（帶RANSAC），可以看到圖5中無一個正確匹配點，而圖6中獲得全部6組正確的匹配。

由于主輔影像之間分辨率差異較大，導(dǎo)致輔影像的細(xì)節(jié)紋理比主影像要豐富很多，主影像在圖中機場跑道周圍具有豐富的特征信息，而其他區(qū)域并不具備明顯的特征，所以特征點大多集中在機場跑道。而機場跑道附近的匹配點基本都能與輔影像高分辨率的數(shù)據(jù)對應(yīng)上，產(chǎn)生足夠糾正機場附近區(qū)域的匹配點數(shù)。

（2）機載不同頻率數(shù)據(jù)之間的匹配

圖7為CASM系統(tǒng)同時獲取的不同頻率的機載數(shù)據(jù)：左圖為X波段，分辨率為1m，右圖為P波段，分辨率為方位向2.5m距離向1.2m。圖8為采用預(yù)處理后的X波段數(shù)據(jù)與P波段數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果，在進(jìn)行了RANSAC去除錯配點之后，在特征明顯的區(qū)域得到了一共5組匹配點，其中有3對為正確匹配，帶有2組錯匹配。

圖6 經(jīng)過預(yù)處理及RANSAC處理的結(jié)果

圖7 CASM機載系統(tǒng)數(shù)據(jù)

該實驗驗證同平臺不同傳感器之間的匹配性能，在該數(shù)據(jù)覆蓋的范圍，紋理特征比較豐富的區(qū)域主要集中在圖中右側(cè)河流的區(qū)域，故最終匹配出的點對也集中在該區(qū)域。相比于第一組實驗，由于機場為人工地物，相對于河流這種天然地物來說，邊緣特征較為突出，狀態(tài)也更為簡單，故此組實驗并未表現(xiàn)出如實驗1中的效果，在有限的5組最終結(jié)果中還有2組為錯配點。雖然數(shù)據(jù)復(fù)雜，匹配精度也達(dá)到了60%。

圖8 CASM系統(tǒng)不同頻率影像之間的匹配結(jié)果

（3）不同星載傳感器數(shù)據(jù)之間的匹配

圖9中的數(shù)據(jù)為ALOS和TerraSAR的影像，ALOS影像為L波段數(shù)據(jù)，分辨率為方位向3.5m距離向9.3m，TerraSAR為X波段，分辨率為1m。以TerraSAR數(shù)據(jù)為輔影像，進(jìn)行匹配，并對SIFT結(jié)果進(jìn)行RANSAC處理，得到5對正確匹配點，如圖10所示。

圖9 不同星載傳感器數(shù)據(jù)之間匹配用影像

在該組實驗中，驗證不同星載平臺之間的匹配效果。由于平臺之間差異十分大，所以該實驗難度也大，在將Terra－SAR輔影像做預(yù)處理之后，Terra－SAR已經(jīng)丟失了大部分細(xì)節(jié)信息，而由于覆蓋區(qū)域為城區(qū)，所以數(shù)據(jù)在紋理方面看起來顯得雜亂，只在湖區(qū)與城區(qū)的邊界區(qū)域有明顯的邊緣信息，而主要的匹配點也由此產(chǎn)生。在本組實驗中，即使數(shù)據(jù)情況十分復(fù)雜也產(chǎn)生了較好的匹配結(jié)果，產(chǎn)生了可以進(jìn)行幾何變換的特征點對的數(shù)目，為下一步的處理提供了可能。

圖10 ALOS與Terra－SAR影像匹配結(jié)果

表1 三組實驗結(jié)果比較

4 結(jié)束語

該方法以SIFT為核心，通過影像帶有的信息進(jìn)行可逆的預(yù)處理，使得SAR在主輔影像在分辨率、傳感器、頻率等差異很大并且?guī)в邪唿c噪聲的情況下的匹配變?yōu)榱丝赡?。對于大部分的星載影像，可以直接從元數(shù)據(jù)中提取出預(yù)處理所需的信息，從而使得基于本文提出的預(yù)處理進(jìn)行匹配的方式可以自動進(jìn)行。對于元數(shù)據(jù)信息不豐富的數(shù)據(jù)，可以通過經(jīng)典的SAR幾何定位模型來得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而這一過程同樣也可以自動進(jìn)行。而進(jìn)行了本文提出的預(yù)處理方式之后，SIFT算法可以以高精度來產(chǎn)生匹配點對，使得后續(xù)的影像配準(zhǔn)或者圖像拼接成為可能。

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Multi－sensor SAR Imagery Matching by Using SIFT

LI Min－yi1，YANG Jie1，LI Ping－xiang1，GUO Lin2（
1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079；2.College of Resource Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing100048）

Scale Invariant Feature Transform（SIFT）has been widely applied in image processing.To a certain extent，the algorithm can keep scale and rotation invariance and weaken the influence of the light.However，directly using SIFT for SAR image matching could not obtain good results as expected because of the speckle noises caused by SAR imaging.In consideration of the limitation of SIFT in noises and mirror image situation，this paper proposes a pre－processing method of SIFT algorithm for SAR image matching，which firstly match images using the geographic information between them，then match local feature points with SIFT and remove mismatching points with RANSAC，finally realize the high－accuracy matching of SAR images.Results show that the pre－processing method proposed by this paper and the removal of mismatching points provide the possibility for SAR image matching using SIFT.

Synthetic Aperture Radar；SAR；SIFT；matching；pre－processing

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.06.001

P237

A

1000－3177（2015）142－0003－05

2014－12－22

2015－03－18

黎旻懿（1990—），男，碩士研究生，主要從事SAR數(shù)據(jù)幾何校正研究。

E－mail：lmy0501＠whu.edu.cn