一種改進(jìn)的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)字表面模型生成方法

劉世杰，晏飛，3，王衛(wèi)安，李榮興

（1.同濟(jì)大學(xué) 空間信息科學(xué)及可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中心，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上海200092；3.重慶市地理信息中心，重慶401121）

衛(wèi)星遙感影像立體匹配是航天攝影測量中的關(guān)鍵技術(shù)和核心問題［1］，許多學(xué)者提出了各種匹配方法，包括最小二乘匹配［2］、歸一化互相關(guān)（normalized cross correlation，NCC）［3］等灰度區(qū)域匹配、全局／半全局匹配［4］以及相位相關(guān)等頻域匹配算法［5］.各種匹配方法差異反映了影像立體匹配的復(fù)雜性和高難度.在圖像獲取的過程中，三維空間投影到二維的平面圖像上，導(dǎo)致許多信息丟失，因此圖像匹配屬于逆向工程類問題，這是一個病態(tài)問題［6］.除了因遮擋造成匹配失敗，還有可能由于重復(fù)紋理導(dǎo)致誤匹配，以及由于圖像存在噪聲和幾何變形使得匹配算法不穩(wěn)定等問題.針對這些問題，有學(xué)者提出和研究了基于尺度不變特征轉(zhuǎn)換（SIFT）的立體匹配算法［7］，以克服立體影像尺度差異和幾何變形造成的匹配困難，但由于特征比較稀疏且分布容易不均，不利于生成較高分辨率的數(shù)字表面模型（digital surface model，DSM）；針對DSM生成，有學(xué)者研究了基于物方的匹配方法如鉛垂線軌跡法（VLL）［8］，該方法以地面為采樣計(jì)算單元，通過高程值的改變計(jì)算像方最大相關(guān)系數(shù)，從而在成功匹配的同時獲取地面DSM，該方法速度快，但仍面臨影像畸變和遮擋帶來的問題.

本文綜合運(yùn)用SIFT算子和NCC算子，并考慮核線和視差約束，提出了一種改進(jìn)的基于三角網(wǎng)視差傳遞約束的立體影像分層匹配方法，并利用上海崇明區(qū)域的WorldView-1影像和浙江舟山區(qū)域的資源三號衛(wèi)星影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文方法的有效性，獲得了高精度的DSM.

1 影像成像模型

有理函數(shù)模型（rational function model，RFM）是目前高分辨率衛(wèi)星廣泛采用的成像模型，衛(wèi)星影像供應(yīng)商直接提供有理函數(shù)模型參數(shù).有理函數(shù)模型是將像點(diǎn)坐標(biāo)表示為以相應(yīng)地面點(diǎn)空間坐標(biāo)為自變量的多項(xiàng)式的比值，如式（1）所示［9］.

式中：（rn，cn）是像平面坐標(biāo)；（Xn，Yn，Zn）是地面坐標(biāo)；它們均是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的坐標(biāo)值，以減小計(jì)算過程中由于數(shù)量級差別過大引入的誤差；對于標(biāo)準(zhǔn)有理函數(shù)模型，pi（i=1，2，3，4）是一個20項(xiàng)三階多項(xiàng)式.

使用原始影像提供的有理函數(shù)模型參數(shù)（RPCs）直接進(jìn)行定位具有明顯的系統(tǒng)誤差，需利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高定位精度.一般說有兩種補(bǔ)償方案［10］，一種是在物方直接對定位結(jié)果進(jìn)行誤差糾正，另一種是先糾正像平面坐標(biāo)的誤差，再進(jìn)行立體定位.后一種方案理論上嚴(yán)密，對于高分辨率衛(wèi)星影像，一般仿射變換模型能滿足精度要求，且較穩(wěn)健，故本文采用像方仿射變換誤差補(bǔ)償模型.

2 影像立體匹配和DSM生成

本文提出的影像立體匹配生成DSM的流程如圖1所示，包括影像預(yù)處理、金字塔逐層約束匹配獲取密集匹配點(diǎn)、立體定位和點(diǎn)云內(nèi)插生成DSM等.

2.1 影像預(yù)處理

預(yù)處理包括影像去噪、增強(qiáng)和影像金字塔構(gòu)建.數(shù)字影像獲取不可避免會存在噪聲，因此需要進(jìn)行去噪處理.對于圖像平滑去噪算子而言，不僅需要過濾掉噪聲，更重要的是要保持邊緣信息.本文采用Saint-Marc提出的自適應(yīng)平滑算子［11］，屬于非線性濾波，通過一個迭代的過程，達(dá)到去除噪聲并保留邊緣的目的.影像增強(qiáng)采用 Wallis濾波［12］，用于增強(qiáng)紋理并提高信噪比，便于特征提取和匹配.在建立金字塔影像過程中，先利用高斯模糊算子對當(dāng)前層影像進(jìn)行低通濾波，然后進(jìn)行降采樣，得到上一層影像，最終建立包含4層的影像金字塔.

圖1 高分辨率立體影像生成DSM方法流程圖Fig.1 Workflow of DSM generation from high resolution satellite stereo images

2.2 影像匹配

2.2.1 SIFT初匹配

影像初始匹配點(diǎn)將作為下層加密匹配的約束條件，對準(zhǔn)確性的要求非常高.SIFT特征具有對尺度、旋轉(zhuǎn)、亮度變化保持不變的穩(wěn)定特性，故采用SIFT算子進(jìn)行初匹配，結(jié)合RANSAC（隨機(jī)抽樣一致）檢驗(yàn)算法［13］，檢驗(yàn)并剔除可能的誤匹配，保證初匹配的準(zhǔn)確性.

2.2.2 特征點(diǎn)和格網(wǎng)點(diǎn)匹配

本文采用F?rstner特征算子［14］，它能給出特征點(diǎn)的類型且精度較高.其基本思想是：對于角點(diǎn)，對最佳窗口內(nèi)通過每個像元的邊緣直線（垂直于梯度方向）進(jìn)行加權(quán)中心化，得到角點(diǎn)的坐標(biāo)；對于圓狀點(diǎn)，對最佳窗口內(nèi)通過每個像元的梯度直線進(jìn)行加權(quán)中心化，得到圓心的坐標(biāo).

利用特征算子提取的特征點(diǎn)主要分布在影像灰度存在變化具有明顯特征的地方，其分布不均勻且數(shù)量有限.為了生成DSM，需要更多密集的匹配點(diǎn).因此，除特征點(diǎn)外，在影像上按一定間隔劃分格網(wǎng)，并去除灰度方差低于一定閾值的格網(wǎng)點(diǎn)，然后對保留的格網(wǎng)點(diǎn)逐個在待匹配影像上進(jìn)行搜索匹配.

特征點(diǎn)和格網(wǎng)點(diǎn)匹配采用NCC算法.在傳統(tǒng)的匹配方法中，一般采用矩形窗口計(jì)算相關(guān)系數(shù)，這種方法適用于幾何變形較小的影像匹配，而對于幾何變形較大的情況，矩形窗口不再適用.因此，本文提出一種基于視差幾何糾正的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法.在該方法中，對于待匹配點(diǎn)，根據(jù)附近的視差三角形格網(wǎng)點(diǎn)上的視差計(jì)算幾何變換系數(shù)，糾正待匹配窗口并重采樣，使左右影像匹配窗口內(nèi)容一致.另外，由于采用固定模板進(jìn)行匹配會降低匹配成功率，本文采用一種自動改變匹配窗口大小和形狀的匹配策略，它通過把匹配窗口向四個方向擴(kuò)展，直到相關(guān)系數(shù)不再增大為止，從而提高匹配的準(zhǔn)確性和成功率.2.2.3 特征線匹配

特征線是影像和地面上的重要特征，反映了影像灰度或地面高程的不連續(xù)性.通過對特征線的提取和匹配，可以實(shí)現(xiàn)對地面高程不連續(xù)的精確定位，對精確DSM的構(gòu)建具有重要意義.對于特征線段的提取，本文采用Akinlar提出的EDLines算法［15］.該方法無需對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整而可得到精確的結(jié)果，且速度快.該檢測算子利用亥姆霍茲規(guī)則進(jìn)行線段驗(yàn)證，剔除錯誤的線段.

對線段的匹配，除幾何位置、長度和方向（與核線夾角）外，還考慮線段周圍的灰度信息，采用平行于線段的矩形滑動窗口計(jì)算灰度相關(guān)系數(shù).在匹配搜索過程中，綜合利用已匹配點(diǎn)所形成的三角網(wǎng)約束和核線約束來確定候選匹配線段.

2.2.4 匹配搜索約束

（1）三角網(wǎng)約束

對于灘涂、島礁等特征不明顯、紋理重復(fù)或缺乏的區(qū)域，直接進(jìn)行影像匹配很容易造成誤匹配，因此本文采用三角網(wǎng)約束的策略進(jìn)行匹配［16］.點(diǎn)的匹配首先在最上層低分辨率的影像上進(jìn)行，匹配成功的點(diǎn)傳遞到較高分辨率的下一層重新進(jìn)行匹配以獲得更高的匹配精度，并把匹配上的點(diǎn)建立一個視差表面的狄洛尼三角網(wǎng)，用作加密匹配點(diǎn)的搜索約束.這個過程不斷重復(fù)，直到最下層原始分辨率影像.在每個影像層上，同名點(diǎn)搜索區(qū)域根據(jù)上一層的視差確定.從影像最高層到最低層，匹配上的同名點(diǎn)越來越多，獲得的減小搜索范圍的視差信息就越精確.

（2）核線約束

線陣CCD（電荷耦合器件）推掃式影像遵循一種“動態(tài)”的行中心投影成像方式，因此無法像框幅式中心投影影像那樣基于成像幾何關(guān)系給出嚴(yán)格直觀的核線定義.目前，在衛(wèi)星影像近似核線幾何關(guān)系的各種描述中，基于投影軌跡法的核線定義建立在成像的幾何約束條件之上，在理論上最為嚴(yán)密.線陣CCD推掃式影像核線類似于雙曲線，但在影像范圍內(nèi)可以近視看作直線［17］.

根據(jù)三角網(wǎng)視差約束條件，得到左影像上某個待匹配點(diǎn)在右影像上的估計(jì)位置.然后以估計(jì)的位置為中心，建立矩形搜索窗口.再由左影像上的待匹配點(diǎn)計(jì)算在右影像上的核線.匹配搜索的時候，就只需在這個搜索窗口內(nèi)的核線段上搜索即可.由于計(jì)算的核線會存在一定的誤差，因此實(shí)際情況下會把核線左右兩側(cè)擴(kuò)寬一定像素，然后沿著這條具有一定寬度的核線段搜索.這樣不僅可以大大提高搜索效率，而且有效地降低了匹配的不確定性.

2.2.5 誤匹配剔除

（1）雙向匹配

雙向匹配算法的基本思想是在第一次匹配時，以左影像某個特征點(diǎn)或格網(wǎng)點(diǎn)作為待匹配點(diǎn)，在右影像上一定視差搜索范圍內(nèi)計(jì)算所有候選點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，取相關(guān)系數(shù)最大值點(diǎn)為有效匹配點(diǎn)，即進(jìn)行所謂的正匹配.然后將上一次匹配的結(jié)果（右影像上的點(diǎn)）作為待匹配點(diǎn)，在左影像上一定視差范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，以同樣的方法進(jìn)行二次匹配，即所謂的逆匹配.如果兩次結(jié)果的差異小于設(shè)定的閾值（如1個像素），則接受該匹配結(jié)果，否則舍棄，達(dá)到剔除誤匹配點(diǎn)的目的.

（2）視差平滑約束

盡管在匹配過程中采用了三角網(wǎng)視差約束和雙向匹配的算法，仍然不能保證所有的匹配點(diǎn)都是正確的.在本文的匹配算法中，引入了視差平滑約束條件.對于每一對同名點(diǎn)，使用它們的鄰域內(nèi)的同名點(diǎn)擬合一個視差平面（不跨越邊線）.如果該點(diǎn)視差與視差平面的距離超過閾值（3倍中誤差），認(rèn)為該點(diǎn)是誤匹配并剔除.實(shí)驗(yàn)表明，該方法可有效剔除絕大多數(shù)錯誤匹配.

2.3 DSM構(gòu)建

成功匹配的同名點(diǎn)通過成像模型立體定位得到對應(yīng)地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，但影像匹配定位得到的三維點(diǎn)的排列是不規(guī)則的，因此需要通過內(nèi)插獲得規(guī)則格網(wǎng)的DSM.綜合考慮時間復(fù)雜度和插值精度，本文采用反距離加權(quán)插值方法構(gòu)建DSM.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 崇明WorldView-1衛(wèi)星影像生成DSM

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該實(shí)驗(yàn)使用上海市崇明島東灘區(qū)域的WorldView-1影像，分辨率0.5m，為不同時期（2012／01／25 和 2012／04／06）異 軌 立 體，交 會 角28.7°.實(shí)驗(yàn)區(qū)域大小約為18km×18km，見圖2a和圖2b，區(qū)域內(nèi)地勢平坦，主要為農(nóng)田和灘涂；該區(qū)域位于相鄰兩景影像內(nèi)（供應(yīng)商按一定分幅規(guī)格進(jìn)行分幅，且相鄰影像具有一定重疊度），兩期共四幅影像.為了糾正影像幾何定位誤差，使用了17個地面控制點(diǎn)，其地面坐標(biāo)由GPS（全球定位系統(tǒng)）測得；同時，在重疊區(qū)域選取了9個連接點(diǎn)參與平差解算，以保證上下兩幅影像生成的DSM高程連續(xù).

圖2 崇明WorldView-1影像及控制點(diǎn)與連接點(diǎn)分布（三角點(diǎn)：控制點(diǎn)，圓點(diǎn)：連接點(diǎn)）和生成的DSMFig.2 Chongming WorldView-1image and distribution of control points and tie points （triangle：control point，circle：tie point）and generated DSM

（2）DSM 和精度分析

首先利用地面控制點(diǎn)和影像連接點(diǎn)糾正影像成像模型誤差（采用像方仿射模型），平差后成像模型誤差在0.5像素以內(nèi)，最后生成的拼接后的DSM如圖2c所示.從生成的DSM上可清晰看出地面紋理，特別是線性特征，如道路和不同地表覆蓋的邊線等，反映了線特征提取和匹配的作用.利用該區(qū)域內(nèi)均勻分布的100個高程注記點(diǎn)作為檢核來評價(jià)DSM的精度，計(jì)算得DSM的高程中誤差約為0.7m.

3.2 舟山資源三號衛(wèi)星影像生成DSM

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)影像數(shù)據(jù)為中國資源三號衛(wèi)星2013年1月24日拍攝的全色前、后視立體影像，前、后視夾角為44°，地面分辨率為3.6m，區(qū)域大小約為58km×58km，如圖3a所示.該區(qū)域包含眾多島嶼，高程變化在海拔550m范圍內(nèi).

（2）DSM和精度分析

由于沒有該區(qū)域的地面控制點(diǎn)，故直接采用影像附帶有理函數(shù)模型進(jìn)行地面定位，生成的DSM如圖3b所示.為了檢驗(yàn)DSM的精度，利用該區(qū)的ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱輻射反射探測儀全球數(shù)字高程模型）作為參考，先將生成的DSM與ASTER GDEM進(jìn)行配準(zhǔn)，然后比較并統(tǒng)計(jì)高程差異.考慮到舟山群島區(qū)域地形復(fù)雜，按山地（高程大于20m的山地區(qū)域）、城區(qū)（城鎮(zhèn)區(qū)域，主要分布在沿海）和平地（高程小于20m的沿?？諘鐓^(qū)域）三類地形檢驗(yàn)DSM精度.結(jié)果顯示，山地區(qū)域DSM與ASTER GDEM的偏差均方根為15.5m，城區(qū)為8.9m，平地為4.6m，兩者吻合較好.該差異一部分是因?yàn)锳STER GDEM 本身存在誤差，另一部分是因?yàn)锳STER和資源三號影像拍攝相隔10余年（ASTER GDEM是利用1999發(fā)射的ASTER傳感器所獲取的15m分辨率影像生產(chǎn)得到，資源三號影像為2013年拍攝），由于人類活動而造成了地面變化（如山體開挖、城區(qū)建設(shè)等）.

4 結(jié)語

本文綜合運(yùn)用SIFT算子的可靠性和灰度相關(guān)算子的密集匹配特性，并考慮核線和視差約束，提出了一種改進(jìn)的基于三角網(wǎng)視差傳遞約束的衛(wèi)星影像金字塔分層匹配方法，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)、格網(wǎng)點(diǎn)和特征線的匹配，用于從高分辨率衛(wèi)星立體影像生成DSM.該方法在金字塔分層匹配中引入三角網(wǎng)視差傳遞約束和核線約束以提高匹配效率和準(zhǔn)確性，同時采用自適應(yīng)窗口改進(jìn)來提高匹配成功率，對于誤匹配點(diǎn)通過雙向匹配和視差平滑約束進(jìn)行剔除，最后將匹配成功的點(diǎn)經(jīng)立體幾何模型定位生成點(diǎn)云，并內(nèi)插獲得DSM.由于采用了自適應(yīng)窗口和多種約束及誤匹配檢測算法，該DSM生成方法具有較好的魯棒性.實(shí)驗(yàn)證明，該方法能提高匹配的準(zhǔn)確性和成功率，獲得高精度的DSM.

圖3 舟山資源三號影像和生成的DSMFig.3 Zhoushan ZY-3image and generated DSM

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