一種GF?4衛星序列圖像自動相對配準方法技術

本發明專利技術針對高分四號衛星圖像預處理應用，特別是云及云下陰影檢測應用，提供一種序列圖像自動相對配準技術。對同一地理區域的序列圖像，利用圖像四個角點的近似經緯度坐標確定圖像間的大致相對位置關系，并根據定位誤差確定圖像分塊自動匹配的檢索范圍，通過二級分塊自動匹配，獲得控制點數據并擬合出一個線性函數，序列圖像之間通過不同的線性函數實現相對配準，不同于傳統的衛星圖像逐像素配準，需要經過系統幾何校正與幾何精糾正兩步處理與多次圖像插值與重采樣。本方法處理流程簡化且充分考慮網格化并行，可滿足工程化快速處理海量數據的需求。

A GF 4 satellite image automatic registration method for relative sequence

The invention provides a sequence automatic relative registration technique for the application of the high number four satellite image preprocessing, especially for cloud and cloud shadow detection applications. The sequence of images in the same geographical area, by using the approximate geodetic coordinates to determine the image between roughly the relative position between the four corners of the image, and to determine the image block matching search range according to the automatic positioning error, automatic matching through two block, control point data and fitted a linear function sequence the image between the relative registration through different linear function, the satellite image is different from the traditional pixel registration and geometric correction need to go through two steps of processing and multiple image interpolation and resampling geometric correction system. This method simplifies the process and takes full advantage of grid parallel, which can meet the needs of rapid processing of large amounts of data.

【技術實現步驟摘要】
一種GF-4衛星序列圖像自動相對配準方法
本專利技術涉及遙感圖像幾何處理技術，具體的說，涉及一種針對高分辨率靜止衛星序列圖像的自動相對配準技術。
技術介紹
遙感圖像的幾何預處理一直是遙感數據處理的主要課題之一。新的遙感衛星投入使用后，對新數據的預處理便是緊要的問題。遙感圖像的預處理通常包含幾何預處理與輻射預處理，其中的幾何預處理由于每個衛星的成像設計與軌道的不同，需要針對具體的衛星圖像開發專門的幾何預處理流程。幾何預處理通常包含系統幾何校正與幾何精糾正兩步主要處理。系統幾何校正通過衛星成像的嚴格幾何模型，建立衛星圖像像素點與對應的地面點之間的幾何轉換關系，并將衛星圖像映射到某一地圖投影下。經過系統幾何校正的衛星圖像具有統一的地圖投影，可依據地圖投影進行多幅圖像的鑲嵌，但同一區域多幅圖像按照地圖投影疊加后，由于系統幾何校正的精度有限，通常無法達到逐像素的嚴格配準，并且衛星成像過程還會發生設備老化、器械抖動及姿態偏差等造成的各種非系統誤差。要實現圖像之間的逐像素配準，通常的方法是在系統幾何校正的結果上進行幾何精糾正。幾何精糾正將匹配獲得的控制點數據用于擬合各種數學糾正模型，再利用得到的數學模型糾正圖像，達到修正圖像內部的局部幾何變形的目的，常用的數學糾正模型有多項式模型、樣條函數模型及Delaunay三角網模型等。高分四號衛星(以下簡稱GF-4)是中國于2015年12月發射的一顆地球同步軌道衛星，搭載空間分辨率為50米的全色、多光譜相機和400米分辨率的中波紅外相機，采用面陣凝視方式成像，成像間隔快至20秒，具備高時間、高空間分辨率的優勢。自2016年2月3號國防科技工業局公布首批圖像以來，GF-4已經獲取了中國及周邊區域大量數據，在檢測森林火災、洪澇災害等方面發揮著重要作用。GF-4衛星圖像的預處理同樣包括幾何與輻射兩個部分，幾何預處理包括系統成像模型的構建、控制點匹配與幾何精糾正等，目標是實現同一地圖投影下成像數據的逐像素配準。輻射處理包括輻射定標、云及云下陰影的檢測等，目標是使得圖像像素值能精確地描述地表輻射狀況。GF-4衛星數據預處理技術研發在充分利用之前衛星數據處理成果的基礎上，還要考慮GF-4衛星圖像本身的特性，研發專門的處理算法。面臨的關鍵問題主要有兩個：一是高分辨率靜止衛星圖像內部幾何變形的校正，該問題對于公里級低分辨率靜止衛星圖像并不突出，但對于50米的高分辨率靜止衛星圖像而言，對能否實現逐像素配準關系密切，因為更高分辨率下，圖像內部的幾何變形情況更加復雜；二是如何利用基于序列圖像的處理技術提高GF-4圖像預處理結果精度，GF-4衛星的面陣凝視成像方式，成像間隔快至20秒，短時間內可以獲取同一地理區域下大量的圖像，考慮到云的運動特性，利用序列圖像對于提高云及云下陰影的檢測精度非常必要。對于上述兩個關鍵問題，如果能在不經過系統幾何校正的基礎上實現圖像之間的快速配準，配準后的數據將會成為GF-4圖像預處理過程中的關鍵中間數據產品，尤其是對于工程化生產云及云下陰影的檢測數據產品而言，需要一個針對GF-4衛星圖像的序列圖像的自動、快速配準算法。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對GF-4靜止衛星圖像預處理應用，提供一種自動的序列圖像自動配準技術，特別是對于GF-4在凝視模式下對同一區域進行觀測獲取的序列圖像的云及云下陰影檢測數據產品的生產，提供序列圖像逐像素配準數據準備。本技術基于成熟的SIFT的自動匹配算法，根據GF-4衛星圖像的預處理需求與成像幾何特性定制的自動、快速配準處理流程。本專利技術的基本思路為：GF-4靜止衛星對同一地理區域獲取的序列圖像數據，在沒有系統幾何模型的情況下，僅利用衛星記錄的圖像中心點及四個角點的近似經緯度坐標確定圖像的大致相對位置關系，然后根據圖像定位誤差范圍確定圖像分塊自動匹配檢索范圍，從分塊的圖像區域中獲得至少3組不同區域的控制點，利用這些控制點擬合出一個線性函數。對于同一地理區域，不同時間獲取的n(n＞2)幅圖像相鄰兩幅圖像之間，都能得到一個線性函數，利用這n-1個線性函數，實現n幅圖像之間逐像素的配準。需要注意的是，這里的序列圖像配準并不對圖像本身進行變換與重采樣，配準的結果只有n-1組線性函數系數，在后續的GF-4圖像云與云下陰影檢測等預處理中利用該組系數實現n幅圖像的逐像素配準。所述的n幅GF-4衛星序列圖像，限定為50米空間分辨率的全色、多光譜圖像，圖像四個角點的經緯度差異不超過±0.3度，n幅圖像可以是GF-4衛星凝視模式下獲取的序列圖像，也可以是不同天獲取的，按照獲取時間先后排列的序列圖像。本專利技術的技術方案提供的GF-4衛星序列圖像自動配準方法，其特征在于包括以下實施步驟：A數據預處理，生成不精確的云與陰影掩膜；B將序列圖像中的所有圖像都劃分成4行4列，共16個網格區域，結合每個圖像的掩膜數據與四個角點的近似地理坐標，對兩幅圖像的每個網格區域的數據進行基于二級網格劃分的快速自動匹配，獲取一組控制點數據；C對兩幅圖像的每個網格區域匹配獲取的控制點數據中選取一個代表控制點；D如果序列中兩幅圖像的16個網格區域中獲得了2個或者更多的代表控制點，利用這些代表控制點擬合出一個線性函數，線性函數的參數作為結果輸出。上述實施步驟的特征在于：步驟A中所述數據預處理，指算法程序對輸入的序列圖像進行數據完整性檢查、地理覆蓋范圍檢查、按獲取時間排序、以及程序運行的一些準備初始化處理。生成不精確的云與陰影掩膜通過標記過亮與過暗像素完成，掩膜排除的區域不參與后續的自動匹配，可提高算法的速度與魯棒性。步驟B中所述的自動匹配，是在序列圖像中的兩幅圖像之間，采用二級網格劃分的策略，對于一組包含n幅圖像的序列圖像，第一級網格劃分先將每幅圖像劃分為4行4列，共16個網格塊，自動匹配過程在(n-1)×16個塊中獨立并行運算，每個一級網格塊再進行二級網格劃分，劃分為20行20列，共400個網格，在兩幅圖像之間，遍歷其中一個圖像的二級網格，根據圖像四個角點近似坐標，對應到另一幅圖像對應的16個二級網格區域進行自動匹配，當有3個二級網格都成功匹配得到控制點后，停止該塊二級網格遍歷并輸出所有控制點數據。通過二級網格劃分后，自動匹配僅在一個128×128像素區域與512×512像素區域展開，運算量大幅減少，利用基于SIFT特征的自動匹配算法，結合RANSAC算法剔除誤匹配點，可快速獲得控制點數據。步驟C中所述代表控制點，是從通過對兩幅圖像的每個網格區域匹配獲取的控制點數據對進行誤差分析與數據擬合，利用線性最小二乘法，選取所有控制點中誤差最小的點。步驟D中，如果獲得了2個控制點，則嚴格求解出線性函數的兩個參數，如果獲得了多余2個的控制點，則采用線性最小二乘擬合獲得線性函數的兩個參數。若n個序列圖像全部處理成功，則算法最終輸出n-1組線性函數參數。將線性函數的參數作為最終輸出結果，序列圖像通過線性函數實現逐像素的相對配準，處理過程中不對圖像本身進行插值與重采樣。本專利技術與現有技術相比有如下特點：本專利技術提供了一種簡單的GF-4序列圖像自動配準解決方案，直接通過線性函數實現GF-4序列圖像逐像素位置關系的配準，算法結構適合大數據量的快速并行處理，具有處理流程簡單、無需人工交互、運算速度快的特點，而且在算法的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種GF?4衛星序列圖像自動相對配準方法，該方法針對高分四號衛星圖像預處理應用，特別是云及云下陰影檢測應用，其特征在于包括以下實施步驟：A數據預處理，生成不精確的云與陰影掩膜；B將序列圖像中的所有圖像都劃分成4行4列，共16個網格區域，結合每個圖像的掩膜數據與四個角點的近似地理坐標，對兩幅圖像的每個網格區域的數據進行基于二級網格劃分的快速自動匹配，獲取一組控制點數據；對兩幅圖像的每個網格區域匹配獲取的控制點數據中選取一個代表控制點；C通過對兩幅圖像的每個網格區域匹配獲取的控制點數據進行誤差分析與數據擬合，利用線性最小二乘法，選取所有控制點中誤差最小的點；D如果序列中兩幅圖像的16個網格區域中獲得了2個或者更多的代表控制點，利用這些代表控制點擬合出一個線性函數，線性函數的參數作為結果輸出。

【技術特征摘要】
1.一種GF-4衛星序列圖像自動相對配準方法，該方法針對高分四號衛星圖像預處理應用，特別是云及云下陰影檢測應用，其特征在于包括以下實施步驟：A數據預處理，生成不精確的云與陰影掩膜；B將序列圖像中的所有圖像都劃分成4行4列，共16個網格區域，結合每個圖像的掩膜數據與四個角點的近似地理坐標，對兩幅圖像的每個網格區域的數據進行基于二級網格劃分的快速自動匹配，獲取一組控制點數據；對兩幅圖像的每個網格區域匹配獲取的控制點數據中選取一個代表控制點；C通過對兩幅圖像的每個網格區域匹配獲取的控制點數據進行誤差分析與數據擬合，利用線性最小二乘法，選取所有控制點中誤差最小的點；D如果序列中兩幅圖像的16個網格區域中獲得了2個或者更多的代表控制點，利用這些代表控制點擬合出一個線性函數，線性函數的參數作為結果輸出。2.根據權利要求1中所述的方法，其特...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡昌苗，唐娉，張正，李宏益，單小軍，唐亮，
申請(專利權)人：中國科學院遙感與數字地球研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11