多時相遙感圖像配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上Harbin Institute of Technology多時相遙感圖像配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 遙感信息處理導(dǎo)論 院 系： 電子與信息工程學(xué)院 姓 名： 學(xué) 號： 授課教師： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶τ谕ㄟ^遙感平臺獲取的遙感數(shù)字影像，由于掃描過程中受地球曲率、地球自轉(zhuǎn)、平臺姿態(tài)、掃描方式等因素的影響，所獲取的圖像往往會產(chǎn)生不同程度的幾何誤差，這些誤差如若不經(jīng)處理，對圖像的后續(xù)應(yīng)用如分類、目標(biāo)檢測等會產(chǎn)生很大影響。本實(shí)驗(yàn)的目的就是利用多項(xiàng)式映射和重采樣等方法對兩幅不同時間采集的遙感圖像進(jìn)行幾何校正處理，從而方便從配準(zhǔn)圖像中找到不同時相內(nèi)發(fā)生變化的地物目標(biāo)信息。2

2、. 實(shí)驗(yàn)原理圖像的配準(zhǔn)過程主要可以分為三個過程：控制點(diǎn)對選?。ㄗ詣踊蚴謩樱?、坐標(biāo)映射函數(shù)擬合、映射后像素重采樣。1) 控制點(diǎn)對選取對于圖像匹配過程，首先要通過控制點(diǎn)對建立兩幅圖像間的坐標(biāo)聯(lián)系?？刂泣c(diǎn)的選取有可分為自動和手動兩種方式。對于自動選取，可以采用SIFT等算法實(shí)現(xiàn)；對于手動選取，需要實(shí)驗(yàn)人員通過目測觀察的方法找到不同時相的遙感圖像中的相同目標(biāo)，這些控制點(diǎn)可以是建筑物的頂點(diǎn)、道路等的交叉點(diǎn)等或其他較容易分辨的位置。選出控制點(diǎn)后將這些點(diǎn)的坐標(biāo)信息記錄下來，值得注意的是所選控制點(diǎn)的數(shù)量、分布情況以及精度會直接影響配準(zhǔn)結(jié)果的精度和質(zhì)量。2) 圖像幾何校正圖像的配準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上就是通過圖像的幾何校正，

3、將產(chǎn)生幾何失真的圖像轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字圖像。采用的方法就是通過一定的映射函數(shù)將原圖像的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)圖像中的坐標(biāo) 其中表示原圖像中的像素坐標(biāo)值，表示參考圖像中的像素坐標(biāo)值。映射函數(shù)的選擇可以有多種形式，一般較為簡單常用的是多項(xiàng)式函數(shù)，以二次多項(xiàng)式函數(shù)為例，映射函數(shù)的具體形式為其中，分別表示二次多項(xiàng)式橫縱坐標(biāo)映射函數(shù)中對應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)，通過選定控制點(diǎn)，可以將這些系數(shù)項(xiàng)求解出來。假設(shè)在兩幅圖像中總共選擇了n對控制點(diǎn)，根據(jù)n對控制點(diǎn)的坐標(biāo)可以得到如下兩個方程組，如果另，那么上述兩個方程組的向量和矩陣形式便可以寫作對于二次多項(xiàng)式來講，每個方程組都有6個未知數(shù)，所以至少需要6對控制點(diǎn)才可以求解出各次項(xiàng)的系

4、數(shù)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，為了使得到的模型更加準(zhǔn)確，一般會選擇多于6對的控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求解出最小二乘意義下最優(yōu)系數(shù)和。此處的誤差根據(jù)映射后的待配準(zhǔn)像素坐標(biāo)和參考像素坐標(biāo)間差的絕對值求平均來計(jì)算，橫縱坐標(biāo)的誤差計(jì)算公式分別為其中，表示向量或矩陣中所有元素的絕對值之和。在計(jì)算出多項(xiàng)式系數(shù)后便得到了圖像的幾何校正多項(xiàng)式模型，根據(jù)待配準(zhǔn)圖像中每一像素的坐標(biāo)值便可以計(jì)算出其在參考圖像中的位置。3) 圖像重采樣/柵格化經(jīng)過二次多項(xiàng)式映射后的各像素坐標(biāo)并不能保證在參考圖像的坐標(biāo)系中處于整數(shù)點(diǎn)位置，它們在二維平面中的分布可能是散亂的無規(guī)律點(diǎn)，所以需要經(jīng)過一個重采樣/柵格化過程，根據(jù)這些無規(guī)律分布點(diǎn)的像素值將其對應(yīng)的

5、整數(shù)點(diǎn)位置的像素值計(jì)算出來。一般常用的方法有最近鄰插值、雙線性插值、三次卷積插值。其原理示意圖如下所示：圖1(a) 最近鄰插值圖1(b) 雙線性插值圖1(c) 三次多項(xiàng)式插值3. 實(shí)驗(yàn)步驟本次遙感圖像配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是在MATLAB平臺下實(shí)現(xiàn)的，大致步驟如下：1) 圖像數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和控制點(diǎn)選擇首先將兩幅不同時間獲取的遙感影像數(shù)據(jù)600X900_.jpg和600X900_.jpg導(dǎo)入到MATLAB的工作區(qū)中，可以看到兩幅圖像分別存儲在矩陣變量x600X900_和x600X900_中。然后用cpslect函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的手動選取，命令為cpslect(x600X900_,x600X900_);其中前者為待配

6、準(zhǔn)圖像，后者為參考圖像。在控制點(diǎn)選擇窗口中，通過目測觀察，尋找兩幅圖像中較為明顯的相同的地物目標(biāo)，并將其貼上相同的標(biāo)簽號碼，本實(shí)驗(yàn)共選取了27對控制點(diǎn)，并使其在圖像范圍內(nèi)分布較為均勻。下圖2即為控制點(diǎn)選擇結(jié)果。圖2 控制點(diǎn)對選擇結(jié)果圖在完成控制點(diǎn)對的選擇后，在控制點(diǎn)選擇窗口中選擇fileExport Points to Workspace命令，將選取的控制點(diǎn)對信息保存，然后在MATLAB的工作區(qū)中就會出現(xiàn)兩個變量，其中，movingPoints中存儲的是待配準(zhǔn)圖像中的控制點(diǎn)坐標(biāo)，fixedPoints中存儲的是參考圖像中的控制點(diǎn)坐標(biāo)。2) 幾何校正模型參數(shù)計(jì)算及坐標(biāo)映射以選擇二次多項(xiàng)式校正模型

7、為例，根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算出待配準(zhǔn)控制點(diǎn)信息矩陣A，然后結(jié)合參考控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出二次多項(xiàng)式系數(shù)的最小二乘解、，從而確定坐標(biāo)映射函數(shù)的具體形式。下面兩個表格分別給出了一次和二次多項(xiàng)式映射函數(shù)的系數(shù)。對于待配準(zhǔn)圖像中的每一像素坐標(biāo)，通過多項(xiàng)式映射函數(shù)計(jì)算出其對應(yīng)的參考圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，表1 一次多項(xiàng)式映射系數(shù)i01241.59690.99989.00e-0410.56134.22e-040.9987表2 二次多項(xiàng)式映射系數(shù)i01234541.35741.00000.0024-1.79e-064.82e-07-1.46e-0611.0188-3.17e-040.99543.32e-06-4.32

8、e-072.05e-063) 圖像重采樣/柵格化通過多項(xiàng)式映射后的像素坐標(biāo)大多情況下不是整數(shù)，需要通過重采樣過程得到映射后的柵格點(diǎn)像素值。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用griddata函數(shù)實(shí)現(xiàn)的重采樣/柵格化功能，采用的是雙線性插值的方法，得到的結(jié)果如下圖圖3 映射結(jié)果經(jīng)重采樣得到的柵格圖像4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析下表為采用一次和二次多項(xiàng)式映射后的平均坐標(biāo)誤差。表3 映射坐標(biāo)誤差多項(xiàng)式次數(shù)一次二次0.28690.26990.41320.3899下圖是以二次多項(xiàng)式函數(shù)為映射函數(shù)采用雙線性插值的方法的配準(zhǔn)效果圖參考圖像待配準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)后圖像配準(zhǔn)效果圖4 二次多項(xiàng)式映射配準(zhǔn)結(jié)果圖由表1和表2可以看出，橫坐標(biāo)方向的幾何畸變主要是由由固定偏移量和坐標(biāo)引起的，坐標(biāo)的影響比較小；縱坐標(biāo)方向的幾何畸變主要是由由固定偏移量和坐標(biāo)引起的，坐標(biāo)的影響比較小。對比表1和表2，并結(jié)合表3的坐標(biāo)映射誤