摘要：
針對推掃式成像光譜儀獲取的狹帶影像需要經(jīng)過幾何校正才能拼接形成空間二維影像的問題，提出了基于ENVI二次開發(fā)的高光譜推掃圖像拼接技術(shù)。基于單應映射建立光譜儀傾斜狀態(tài)下與正射狀態(tài)下圖像上的二維點之間的關(guān)系，校正由姿態(tài)變化引起的圖像畸變，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)修正因飛行速度變化引起的狹帶重疊將校正后的狹帶影像拼接起來。在ENVI二次開發(fā)平臺上進行技術(shù)集成，實現(xiàn)了Resonon推掃高光譜狹帶影像的自動校正拼接。對河北保定郊區(qū)高光譜影像的校正拼接實驗證明，該方法與光譜儀自帶拼接軟件校正結(jié)果接近經(jīng)緯度坐標差均在1m以內(nèi)，均方根誤差約為0.7389，能夠滿足一般高光譜遙感應用中的地理精度要求。
研究目的：
根據(jù)單應映射原理，建立光譜儀傾斜和正射狀態(tài)下像點的映射關(guān)系，利用GPS/INS組合導航數(shù)據(jù)校正狹帶影像中的畸變，拼接成一幅完整的影像，并在ENVI二次開發(fā)平臺上實現(xiàn)推掃狹帶影像的自動校正和拼接。
推掃成像畸變原因：
推掃式成像是利用飛行平臺的向前運動，借助于與飛行方向垂直的掃描線記錄而構(gòu)成二維圖像。推掃型成像光譜儀通常采用一個垂直于運動方向的面陣CCD來感應地面響應，在飛行平臺向前運動中完成二維空間掃描，平行于平臺運動方向，通過光柵和棱鏡分光完成光譜維掃描，因此，CCD上一個點對應一個譜段，一條線對應一個譜面。CCD探測器每次成像是空間一條線上的光譜信息。為了獲得空間二維圖像，再通過機械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。
推掃成像時，CCD探測器所記錄的高光譜圖像數(shù)據(jù)是沿著飛行方向的條幅，由于搭載光譜儀的飛行平臺在飛行過程中，不能一直保證理想的姿態(tài)正射獲取影像，速度和姿態(tài)的不穩(wěn)定導致飛行平臺的位置、航偏角、俯仰角和橫滾角不斷隨機變化，引起光譜儀拍攝時外方位元素也不斷隨機變化。因此，CCD曝光時每條掃描線對應的光譜儀外方位元素不一致引起了圖像的幾何畸變：
1. 飛行平臺姿態(tài)不穩(wěn)定造成地面掃描行之間相互交錯，圖像扭曲變形，影響后期地物目標的解析和判別。
2. 飛行平臺速度不穩(wěn)定易造成掃描行之間的行間距忽大忽小，出現(xiàn)重疊或間隙，為了獲得地面的完整影像，通常推掃成像需保證一定的采樣率。因此，在圖像拼接時就需要借助ＧＰＳ位置信息對重疊的掃描行進行幾何糾正和圖像融合處理。
IDL實現(xiàn)
IDL是美國ITT VIS公司推出的第四代交互式、跨平臺、面向矩陣處理的編程語言，具有快速的數(shù)據(jù)分析、圖像處理和強大的可視化功能。采用IDL語言調(diào)用ENVI平臺中的圖像處理函數(shù)，可以很方便地進行二次開發(fā)，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的快速分析和可視化。
推掃圖像的自動拼接主要包括如下３個基本步驟：
(１)影像和GPS/INS數(shù)據(jù)讀取：遙感影像數(shù)據(jù)包含圖像本身和頭文件，ENVI二次開發(fā)提供了函數(shù)讀取遙感影像及其屬性。如ENVI_OPEN_FILE、ENVI_FILE_QUERY、ENVI_GET_ SLICE等。GPS/INS數(shù)據(jù)存儲于文本文件中，按照文本文件讀取方式即可獲得狹帶影像獲取時光譜儀的姿態(tài)和位置信息。
(２)單應矩陣計算和單應映射：以北東地坐標系為地理坐標系，依據(jù)公式計算得到單應矩陣Ｈ。主要代碼命令如下:
H=M_inv#MATRIX_POWER（C, -1）#M；計算單應矩陣.
所以，對于狹帶影像上的每一個二維點 ( xｂ，yｂ ) ，都可以獲得校正后的對應點 (xｎ，yｎ ) ，點 ( xｎ，yｎ ) 的灰度值即為點 ( xｂ，yｂ ) 的灰度值。
(３)圖像拼接：校正后的每條狹帶圖像中心點的二維地理坐標即光譜儀成像中心的ＧＰＳ 二維坐標，根據(jù)光譜儀的成像地面分辨率，選定影像投影方式，可以為每條狹帶設(shè)置地理信息。主要代碼命令如下:
map_info=ENVI_MAP_INFO_CREATE( /geographic, mc=mc, ps=ps ); 為狹帶添加地理信息。
拼接后的影像被認為是光譜儀理想姿態(tài)下獲取的正射影像，具有與GPS獲取的一致的位置信息，拼接影像點的高光譜曲線與原始掃描行對應點的一致，能夠真實地反映地面的空間特征和光譜特征。
實驗結(jié)果與分析：
本文選擇河北省保定市郊區(qū)的高光譜影像進行校正拼接實驗，影像由搭載于無人機的PikaL 高光譜成像儀拍攝獲取，PikaL高光譜成像儀由美國Resonon公司設(shè)計生產(chǎn)，光譜范圍為400-1000nm，光譜分辨率為2.1 nm，CCD掃描行寬度為900像素。飛行過程中同時搭載慣導系統(tǒng)實時獲取光譜儀的姿態(tài)位置信息。高光譜儀將推掃獲取的原始狹帶影像先簡單拼接起來，存儲于固態(tài)硬盤中，此時的地理信息并未經(jīng)過糾正，圖像存在幾何畸變，圖ａ所示為原始圖像的假彩色圖像，狹帶經(jīng)過幾何校正和拼接后才能正確顯示地面目標的特征，如圖ｂ所示。
為了能夠定量檢驗該幾何校正方法的效果，同時采用Pika L高光譜成像儀自帶的軟件對原始影像進行幾何校正，將兩種方法得到的校正影像進行比較。兩種校正方法均采用ＵＴＭ 投影，以WGS-84為基準面。首先在軟件校正影像中隨機選取10個均勻分布的明顯地物點，讀取其坐標值，作為采樣點用于評定校正精度，然后從本文方法校正后影像中讀取其相應坐標值，經(jīng)過對10個采樣點殘差的計算得到如表１所示的精度檢驗結(jié)果。
表１：北向距離均方根誤差為0.6327ｍ，東向距離均方根誤差為0.3817ｍ，
總均方根誤差為0.7389ｍ
由表１可以看出，采樣點在ｘ和ｙ方向上的坐標偏移均不超過１ｍ，兩種方法得到的校正圖像地理信息較為接近；ｙ方向坐標均方根誤差大于ｘ方向坐標均方根誤差，即像點坐標的經(jīng)度值準確性高于緯度值。對于某些地理精度要求不高的航空高光譜遙感應用來說，本方法取得的校正效果已滿足需求。如果需要進一步提高精度，可以通過增加地面控制點或與高精度地圖進行圖像配準實現(xiàn)幾何精校正。
結(jié)語
本文根據(jù)推掃成像和單應映射原理，結(jié)合GPS/INS組合導航系統(tǒng)實時獲取光譜儀姿態(tài)角度和位置信息。在ENVI二次開發(fā)平臺上，采用IDL語言實現(xiàn)了高光譜儀推掃狹帶影像的自動校正和拼接。驗證實驗表明，本方法與自帶軟件校正拼接效果接近，均方根誤差基本滿足一般的高光譜遙感應用。雖然本文方法能夠取得較為理想的校正拼接效果，但是單掃描行的校正過程耗時較長，無法實時獲取校正影像，下一步將就提高校正拼接效率展開更加深入的研究。另外，拼接過程中不同成像條件下的勻色處理同樣是后續(xù)需要研究的內(nèi)容。
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基于ENVI二次開發(fā)的高光譜圖像拼接與幾何校正評估