無人機(jī)載框幅式高光譜影像的波段配準(zhǔn)研究.pdf

1、隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，使得人們對(duì)地探測(cè)的精度需求越來越高，而高光譜技術(shù)具有圖譜合一等特點(diǎn)，使其迅速成為定量遙感的研究熱點(diǎn)之一。高光譜圖像不僅可以準(zhǔn)確的反映地物自身特有的光譜特征還可以反映地物之間的光譜差異，將地物的空間分布與光譜反射特性有機(jī)的結(jié)合起來，突破以往的單方面研究現(xiàn)狀，因此，其在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用與研究，其中在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了長足進(jìn)展，其在農(nóng)作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)，病蟲害預(yù)防治，產(chǎn)量估測(cè)等方面的研究已經(jīng)十分深入。因此，對(duì)高光

2、譜技術(shù)的研究開展具有非常重要的意義。
　　目前，高光譜圖像的獲取涵蓋了衛(wèi)星，航空，地面多層次，多角度，多源化的數(shù)據(jù)采集方式，其中，由于衛(wèi)星平臺(tái)飛行高度與技術(shù)限制等條件的制約，使高光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量無論是在空間分辨率還是光譜分辨率上都不能滿足人們對(duì)于定量化研究的需求。而無人機(jī)平臺(tái)的出現(xiàn)可以有效的彌補(bǔ)衛(wèi)星平臺(tái)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量不理想的這一缺陷，為農(nóng)業(yè)遙感定量化研究，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)提供有力的數(shù)據(jù)保障及技術(shù)支持。對(duì)于無人機(jī)平臺(tái)而言，受到平

3、臺(tái)穩(wěn)定差，荷載量有限的因素的制約，使得傳統(tǒng)的推掃式光譜成像儀無法適用，而框幅式高光譜儀可以有效的克服沒有地理參考的數(shù)據(jù)處理工作，因此在無人機(jī)高光譜遙感領(lǐng)域有廣泛的發(fā)展前景?？蚍匠上駜x采集回來的原始數(shù)據(jù)同一景不同波段圖像是在飛行過程中獲取的，因此，波段圖像間存在較大的位移與姿態(tài)差異，這會(huì)使得原始圖像無法直接投入使用，在數(shù)據(jù)投入使用前要進(jìn)行波段配準(zhǔn)工作來消除這種圖像間空間位置上的差異，而目前傳統(tǒng)配準(zhǔn)方法由于應(yīng)對(duì)圖像間灰度非線性變化還存在一

4、定的局限性，因此波段配準(zhǔn)的研究十分必要。
　　本文旨在研究框幅式高光譜數(shù)據(jù)的波段配準(zhǔn)方法。首先回顧了關(guān)于圖像配準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)框幅式光譜成像儀的成像原理及圖像特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，同時(shí)給出了基于特征點(diǎn)配準(zhǔn)一般過程的原理基礎(chǔ)。本文主要從兩個(gè)方面出發(fā)，對(duì)波段圖像間灰度差異與位移差異的影響進(jìn)行深入分析，分別從匹配策略與優(yōu)化匹配方法兩種角度有效的實(shí)現(xiàn)了波段圖像間的配準(zhǔn)工作，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)針對(duì)紋理豐富的一般場(chǎng)景下的匹配策略

5、展開研究，根據(jù)光譜成像儀的采集原理，設(shè)計(jì)了三種匹配方式，通過兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別針對(duì)配準(zhǔn)的基準(zhǔn)的選擇與匹配順序進(jìn)行了研究。研究表明變換基準(zhǔn)的方式穩(wěn)定性好更適用于波段配準(zhǔn)問題;同時(shí)，由于非波段順序獲取的原始數(shù)據(jù)，使得配準(zhǔn)結(jié)果在引入拍攝順序后精度更高，配準(zhǔn)精度的RMSE可由0.415個(gè)像元提升到0.399個(gè)像元。
　　(2)針對(duì)紋理單一的農(nóng)田場(chǎng)景下的匹配方法展開研究，提出了MI_STD算法改進(jìn)匹配效果，此算法解決了基于SURF算法配準(zhǔn)因

6、圖像間灰度對(duì)比度不同造成的配準(zhǔn)不準(zhǔn)確問題。MI_STD算法主要改進(jìn)了同名點(diǎn)的提取質(zhì)量，引入互信息算法到特征點(diǎn)局部匹配中，利用互信息匹配可以應(yīng)對(duì)灰度非線性變化的優(yōu)勢(shì)完成同名點(diǎn)的提取，同時(shí)，引入相位相關(guān)算法約束圖像的搜索空間提高效率。此改進(jìn)算法同時(shí)考慮了圖像的灰度信息與空間信息，使得配準(zhǔn)算法在波段配準(zhǔn)問題上同時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性與亞像元級(jí)的匹配精度。因此，本文提出的算法可以有效的解決波段配準(zhǔn)問題，消除傳統(tǒng)方法局部變形的情況，精度均值在0.8個(gè)