基于幾何定位一致性的星載多光譜影像配準(zhǔn)精度分析

劉橋 向夏蕓 王密 朱映 齊建偉

（1 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079）

（2 湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一八隊長沙分院，湖南 長沙 410000）

（3 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

0 引言

多光譜相機(jī)能獲取不同波段的影像，提供地物不同光譜信息，是“資源三號”（以下稱 ZY-3）衛(wèi)星搭載的重要傳感器之一。相機(jī)設(shè)計復(fù)雜，具有焦平面內(nèi)視場平行排列成像的特點(diǎn)，不同波段依次對地面同一點(diǎn)延時成像。多光譜影像配準(zhǔn)精度反映了波段間變形的一致性[1]，將直接影響數(shù)據(jù)融合、變化檢測、基于光譜特征的分類等應(yīng)用，故實(shí)現(xiàn)自動精確配準(zhǔn)是高分遙感衛(wèi)星多光譜影像預(yù)處理的關(guān)鍵。然而，由于衛(wèi)星在軌運(yùn)行時，太空復(fù)雜冷熱交變環(huán)境及星上器件周期性運(yùn)動導(dǎo)致衛(wèi)星平臺產(chǎn)生幅值較小、頻率較高的震顫響應(yīng)[2]，加之地形起伏等各種因素的影響，必然導(dǎo)致整景影像畸變復(fù)雜[3-4]，不能用一個簡單的模型模擬整景影像畸變進(jìn)行糾正配準(zhǔn)，給高分遙感衛(wèi)星多光譜影像預(yù)處理工作帶來了難題。

目前，星載多光譜相機(jī)影像配準(zhǔn)方法大致分為兩類：基于像方的配準(zhǔn)和基于物方的配準(zhǔn)。傳統(tǒng)基于像方配準(zhǔn)方法依賴于影像匹配精度，利用匹配獲取的同名點(diǎn)建立待配準(zhǔn)影像與參考影像之間的坐標(biāo)映射關(guān)系[5]，當(dāng)影像存在較大灰度差異時不能滿足高精度配準(zhǔn)需求，且每次配準(zhǔn)時都需要進(jìn)行匹配，處理效率低下?；趲缀味ㄎ灰恢滦缘亩嗖ǘ闻錅?zhǔn)是基于物方配準(zhǔn)的典型方法，該方法的實(shí)質(zhì)是遙感影像間嚴(yán)密的相對幾何成像關(guān)系，無需精確匹配得到同名點(diǎn)，而是基于同名像元物方定位一致性的約束條件[6]實(shí)現(xiàn)多光譜影像高精度配準(zhǔn)，且波段間精確幾何成像關(guān)系一旦確定，便可應(yīng)用于其它數(shù)據(jù)，極大提高了高分遙感衛(wèi)星多光譜相機(jī)影像波段配準(zhǔn)處理效率。目前大量在軌獲取的 ZY-3衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)表明，采用基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法生成1A級影像的配準(zhǔn)精度較高，但仍存在極個別景影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度不理想，影響多光譜影像的后續(xù)應(yīng)用，所以很有必要深入研究影響該方法配準(zhǔn)精度的主要因素。

本文以 ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從理論上分析了基于幾何定位一致性多波段配準(zhǔn)方法，并結(jié)合基于小面元的多波段像方配準(zhǔn)[7]方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)當(dāng)衛(wèi)星平臺僅存在微小震顫或無震顫時，基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法在紅外波段與可見光波段、可見光波段影像之間的配準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.2像元，比傳統(tǒng)基于像方的匹配方法更具優(yōu)勢。

1 相關(guān)原理

1.1 ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)像面結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，多光譜相機(jī)通常采用五譜合一的多色TDI CCD設(shè)計，由于TDI器件每個波段之間均存在一定的物理間隔，同一時刻各波段對應(yīng)不同的攝影點(diǎn)。ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)即為多色TDI CCD的推掃式成像系統(tǒng)[8]，地面采樣間隔5.8m，包含藍(lán)（0.45～0.52μm）、綠（0.52～0.59μm）、紅（0.63～0.69μm）以及近紅外（0.77～0.89μm）四個波段，依次記為B1、B2、B3、B4。在相機(jī)焦平面上，四個波段線陣單元在沿軌方向依次平行擺放（如圖1所示），相鄰CCD間距約2mm，沿軌方向的偏視場角依次分別為0″、–350″、–650″和–950″。由于ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)各波段傳感器之間的固定物理間隔，這種剛性結(jié)構(gòu)的各波段傳感器成像視場角小，所以可采用基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法對 ZY-3多光譜相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。

1.2 基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法

基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)是多光譜影像波段間幾何關(guān)系模型[6]。該方法的核心思想是：將參考影像上特征點(diǎn)（xl,yl）由嚴(yán)格幾何成像模型和物方高程信息解算得到的地面點(diǎn)大地坐標(biāo)（X,Y,Z），按待配準(zhǔn)影像嚴(yán)格幾何成像模型反算出待配準(zhǔn)影像上對應(yīng)像點(diǎn)的坐標(biāo)），再根據(jù)與特征點(diǎn)對應(yīng)同名像點(diǎn)的坐標(biāo)（xr,yr）之間的差值，建立不同波段影像上同名像點(diǎn)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多光譜影像的高精度配準(zhǔn)。

圖1 ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)焦平面設(shè)計圖[9]Fig.1 Design of ZY-3 multi-spectral camera

圖2 衛(wèi)星多光譜相機(jī)波段間成像幾何關(guān)系[6]Fig.2 Band-to-band geometric imaging relationship

根據(jù)同名點(diǎn)空間交會的攝影幾何約束關(guān)系（如圖2（a）所示），以B1、B2波段為例，其投影中心依次為S1、S2，對于地面點(diǎn)P，對應(yīng)像點(diǎn)依次為p1、p2，那么光線S1p1、S2p2必然交會于P，因此高分遙感衛(wèi)星多光譜相機(jī)嚴(yán)格幾何成像模型如下：

利用高分衛(wèi)星多光譜相機(jī)嚴(yán)格幾何成像模型以及物方高程信息可以實(shí)現(xiàn)像點(diǎn)坐標(biāo)（x, y）與地面點(diǎn)大地坐標(biāo)（X ,Y,Z ）之間的正反換算。

由高分遙感衛(wèi)星多光譜相機(jī)嚴(yán)格幾何成像模型知：基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法的精度依賴于傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及幾何畸變、物方高程信息和外方位元素（軌道、姿態(tài)）精度[6]。而傳感器幾何畸變可通過波段間高精度相對幾何定標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償[10]，高程可通過全球30m Aster G-DEM[11]確定，衛(wèi)星事后處理能獲取厘米級精度狀態(tài)平穩(wěn)的精密軌道[12]，故外方位姿態(tài)角元素精度是物方配準(zhǔn)精度差異的主要原因。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)2012年2月至2014年5月之間的6景經(jīng)輻射校正、CCD拼接等預(yù)處理工作得到的0級影像數(shù)據(jù)，覆蓋了山區(qū)、高山區(qū)、丘陵和平原等典型特征地物，影像大小為8 824×9 715（單位像元），數(shù)據(jù)詳情如表1所示。

表1 多光譜數(shù)據(jù)詳情列表Tab.1 Multi-spectral data list

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法和基于小面元的多波段像方配準(zhǔn)方法，對0級多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)生成1A級影像數(shù)據(jù)。在1A級影像上劃分256×256的格網(wǎng)，以B2波段為參考波段，結(jié)合影像相關(guān)匹配和最小二乘匹配[13]算法得到高精度同名點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，計算檢查點(diǎn)的坐標(biāo)誤差，并統(tǒng)計中誤差，依次驗(yàn)證B1、B3、B4波段的配準(zhǔn)精度。

基于小面元的多波段像方配準(zhǔn)方法的基本思想是將影像依據(jù)特征點(diǎn)劃分為若干個三角形小面元，再對每個三角形面元構(gòu)建糾正模型，從而完成整幅影像的糾正，達(dá)到高精度配準(zhǔn)的目的[7]。另外，本文影像相關(guān)匹配的相關(guān)系數(shù)設(shè)為 0.9，可保證獲取像素級精度的同名點(diǎn)。最小二乘匹配算法充分利用影像窗口內(nèi)的信息進(jìn)行平差計算，顧及灰度線性變形和幾何仿射變形，可達(dá)1/10甚至1/100像素的高精度[14]，故將最小二乘算法匹配得到的同名點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)視為像點(diǎn)坐標(biāo)真值。對于同源影像數(shù)據(jù)，結(jié)合兩種匹配方法能充分保證子像素精度同名點(diǎn)的獲取。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

ZY-3多光譜影像0級數(shù)據(jù)采用不同配準(zhǔn)方法生成的1A級影像的配準(zhǔn)精度及匹配的同名點(diǎn)數(shù)量依次如圖3、表2所示。圖3中“像方配準(zhǔn)”表示基于小面元的多波段配準(zhǔn)方法，“物方配準(zhǔn)”表示基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法（表2中亦同）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：

①可見光波段影像的配準(zhǔn)：除74446景、702236景外，像方配準(zhǔn)方法垂軌方向配準(zhǔn)精度在0.12像元內(nèi)，沿軌方向配準(zhǔn)精度在0.13像元內(nèi)，整體配準(zhǔn)精度在0.18像元內(nèi)；除74446景外，物方配準(zhǔn)方法垂軌方向、沿軌方向配準(zhǔn)精度均在0.15像元內(nèi)，整體配準(zhǔn)精度在0.19像元內(nèi)。

②紅外波段與可見光波段影像的配準(zhǔn)：除74446景、702236景外，像方配準(zhǔn)方法垂軌方向配準(zhǔn)精度在0.28像元內(nèi)，沿軌方向配準(zhǔn)精度在0.32像元內(nèi)，整體配準(zhǔn)精度約0.31像元～0.37像元；除74446景外，物方配準(zhǔn)方法垂軌方向和沿軌方向的配準(zhǔn)精度均在0.15像元內(nèi)，整體配準(zhǔn)精度在0.21像元內(nèi)。

③74446景影像：像方配準(zhǔn)方法在可見光波段影像的配準(zhǔn)精度在0.22像元內(nèi)，紅外波段配準(zhǔn)精度為0.555像元內(nèi)；物方配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)精度約0.29像元～0.73像元。

④702236景影像：像方配準(zhǔn)方法在可見光波段影像的配準(zhǔn)精度在0.18像元內(nèi)，紅外波段配準(zhǔn)精度為0.715像元內(nèi)；物方配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)精度在0.2像元內(nèi)。

表2 兩種配準(zhǔn)方法配準(zhǔn)精度及同名點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計表Tab.2 Registration accuracy and corresponding image point number statistics

圖3 兩種配準(zhǔn)方法不同方向配準(zhǔn)精度比較Fig.3 Comparison of the accuracy of the two method in different direction

進(jìn)一步采用基于多光譜影像不同波段間的視差檢測衛(wèi)星平臺震顫[9]的方法，對6景實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的B2、B3波段進(jìn)行震顫檢測。對于不同時間獲取的河南嵩山地區(qū)影像，74446景成像時刻具有較大的平臺震顫，而1012969景成像時刻含有微小平臺震顫，2景影像垂軌方向和沿軌方向配準(zhǔn)誤差曲線如圖4所示；其余4景數(shù)據(jù)獲取時僅存在微小平臺震顫或無平臺震顫，其垂軌方向和沿軌方向配準(zhǔn)誤差曲線如圖5所示。圖4，圖5中各子圖橫坐標(biāo)值均為行數(shù)。

圖4 配準(zhǔn)前影像垂軌和沿軌方向配準(zhǔn)誤差曲線比較Fig.4 Comparison of Vertical orbit and along orbit registration error curve before registration

圖5 配準(zhǔn)前影像垂軌和沿軌方向配準(zhǔn)誤差曲線Fig.5 Registration error curve before registration in direction of vertical to orbit and along orbit

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

匹配的同名點(diǎn)數(shù)量范圍約為 130～900，可反映整景影像的配準(zhǔn)精度。同名點(diǎn)數(shù)量的多少是和影像的輻射質(zhì)量一致的，可以發(fā)現(xiàn)B3波段匹配點(diǎn)數(shù)最多，B1次之，B4波段點(diǎn)數(shù)最少。這是因?yàn)锽3與B2波段成像傳感器物理距離最近，兩個波段的影像輻射差異小，而B4與B2波段成像傳感器物理距離最遠(yuǎn)，且近紅外波段成像特性與可見光波段成像特性差異大，導(dǎo)致兩個波段影像輻射差異較大。

對于可見光波段配準(zhǔn)，像方配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)精度均在0.22像元內(nèi)，這是因?yàn)榭梢姽獠ǘ屋椛洳町愋?，同名點(diǎn)匹配精度高，依同名點(diǎn)構(gòu)建的三角網(wǎng)小面元糾正模型能很好地模擬整景影像不同區(qū)域的畸變參數(shù)，影像配準(zhǔn)精度高。同時，除74446景外物方配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)精度均在0.19像元內(nèi)，與像方配準(zhǔn)方法精度基本一致。

對于紅外波段與可見光波段配準(zhǔn)，像方配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)精度較低，均大于 0.3像元，對于存在震顫的山區(qū)影像74446景和無震顫的高山地區(qū)影像702236景，配準(zhǔn)精度相對更低。而除74446景外，物方配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)精度均在0.21像元內(nèi)?？梢?，在平臺無震顫和存在微小震顫時，物方配準(zhǔn)方法在紅外波段與可見光波段的配準(zhǔn)中具有明顯優(yōu)勢，這是因?yàn)樵摲椒ㄒ圆ǘ伍g嚴(yán)密幾何關(guān)系為基礎(chǔ)，通過嚴(yán)格幾何成像模型正反算得到待配準(zhǔn)影像上的精確同名點(diǎn)，繼而構(gòu)建兩個波段影像間的映射關(guān)系，不依賴影像灰度信息，配準(zhǔn)精度高且效果穩(wěn)定。另外，不難發(fā)現(xiàn)各景影像B3波段配準(zhǔn)精度最高，B1波段配準(zhǔn)精度次之，B4波段配準(zhǔn)精度相對最差，這是因?yàn)锽3波段與B2波段為相鄰波段，傳感器物理間隔近且偏視場角最小，受地形等其它因素影響最小，而B4波段與B2波段傳感器物理距離最遠(yuǎn)。

3 結(jié)束語

本文從理論上分析出衛(wèi)星平臺震顫是影響基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法精度的主要因素，且采用ZY-3衛(wèi)星多光譜相機(jī)0級數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，并對比了基于小面元的多波段像方配準(zhǔn)方法。研究結(jié)果表明：

基于幾何定位一致性的多波段配準(zhǔn)方法能很好地顧及波段間嚴(yán)密幾何關(guān)系，不受影像灰度差異影響，當(dāng)平臺存在微小震顫或無震顫時，對可見光波段影像之間、可見光波段影像與紅外波段影像之間均能達(dá)到高精度配準(zhǔn)效果，配準(zhǔn)精度優(yōu)于 0.2像元。且配準(zhǔn)質(zhì)量與影像紋理信息無關(guān)，對于山區(qū)、高山區(qū)等紋理匱乏區(qū)域仍能達(dá)到很好的配準(zhǔn)效果，相比傳統(tǒng)像方配準(zhǔn)方法，有效提高了紅外波段與可見光波段配準(zhǔn)精度。但當(dāng)存在較大的平臺震顫時，該方法配準(zhǔn)精度受到一定限制，如何抑制平臺震顫對多光譜相機(jī)影像配準(zhǔn)精度的影響是未來研究的主要方向。

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