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(yīng)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(jìn)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(biāo)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(yīng)用中的地理精度要求。
研究目的：
根據(jù)單應(yīng)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(dǎo)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(yīng)地面響應(yīng)，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(yīng)一個譜段，一條線對應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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?。哼b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(yīng)矩陣計算和單應(yīng)映射：以北東地坐標(biāo)系為地理坐標(biāo)系，依據(jù)公式計算得到單應(yīng)矩陣Ｈ。主要代碼命令如下:
H=M_inv#MATRIX_POWER（C, -1）#M；計算單應(yīng)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(yīng)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(biāo)即光譜儀成像中心的ＧＰＳ 二維坐標(biāo)，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(rèn)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(yīng)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(jìn)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(dǎo)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(biāo)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(jìn)行幾何校正，將兩種方法得到的校正影像進(jìn)行比較。兩種校正方法均采用ＵＴＭ 投影，以WGS-84為基準(zhǔn)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(biāo)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(yīng)坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)均方根誤差大于ｘ方向坐標(biāo)均方根誤差，即像點坐標(biāo)的經(jīng)度值準(zhǔn)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(yīng)用來說，本方法取得的校正效果已滿足需求。如果需要進(jìn)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(jìn)行圖像配準(zhǔn)實現(xiàn)幾何精校正。
結(jié)語
本文根據(jù)推掃成像和單應(yīng)映射原理，結(jié)合GPS/INS組合導(dǎo)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(yīng)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