航空影象与地图的配准纠正

　　摘要针对现有航空影像纠正软件存在的问题,提出了一种无数字地面模型支持的基于“图像与图形叠加配准”的纠正新方法,并介绍了基于索引彩色模式的图像与图形快速叠加技术。对于影像纠正,在分析航空影像局部变形特点的基础上,提出了对局部变形进行纠正的经验公式。最后,又将初纠正与局部纠正结合在一起,开发了一个完整的图像纠正软件。同时还利用该软件对航空图像进行了纠正试验,纠正时共选择了13个控制点,纠正后的图像与地图叠加显示出整体匹配很好,存在的残差也都在2pixel之内。研究结果表明,该纠正方法是可行性的,可以用来纠正由各种因素造成的影像变形。
　　关键词航空影像；纠正；地图；叠加
　　
　　0引言
　　航空影像由于具有较大的比例尺,因此包含十分丰富的地面信息,但对这些地面信息进行分析、研究和利用时,必须首先纠正由于像片倾斜和地形起伏等引起的变形,即需进行影像纠正。在航空摄影测量进入“数字化”时代后,航空影像的纠正多采用数字微分纠正的方法[1]。虽然数字微分纠正具有较高的几何精度,但必须首先生成该影像范围的数字地面高程模型(DEM),因而在缺乏数字地面高程的情况下,航空影像的纠正将变得复杂和困难。
　　为了解决这一问题,有效的途径是利用地形图提供的地形信息。本文提出了一种将航空影像纠正至地形图的新方法,由于地图是建立在大地坐标系下的,因此纠正的航空影像也将是正射的。为了将航空影像准确地纠正至地形图上,本文使用了图形与图像叠加显示的技术,即通过将地形图一矩形区与影像进行匹配来选择控制点的方法,这一方法不仅加快了选择控制点的速度,更重要的是避免了人工量算的错误。在选择4个控制点后,即将第1次纠正后的影像与地图相叠加,以后则在叠加的图像中选择控制点,并进行迭代纠正,最后由操纵者根据叠加图像的吻合程度终止纠正过程。
　　
　　1影像与地图的配准
　　影像与地图的叠加配准是本文纠正试验方法的基础。航空影像的纠正首先要在影像和地形图上选择相应的控制点,然后通过建立数学模型来对影像进行纠正,而控制点的多少与精度将直接影响航空影像纠正的质量。目前,在没有数字地面高程的情况下,大多是采用手工方法在地图上选择控制点,其缺点是,由于未纠正影像与地图之间所存在的比例、旋转和地形差变形等差异,因而使得选点精度受到一定的影响,并且在没有明显的地形地物点处将无法选点或造成所选点精度不足,而本文则使用了数字影像与数字地图叠加显示技术,从而有效地克服了上述缺点,并大大提高了控制点的选点精度。
　　
　　1.1PC显示模式的设定
　　一般航空影像多为8bit灰度图像,且彩色图像也可分为多个8bit灰度图像表示,因此,本文仅讨论灰度图像的情况,而且8bit灰度图像在PC机上以256色显示为最好,因为在此模式下,既可真实地显示图像,又可实现图像的快速显示[2]。
　　在256色显示模式下,图形和图像的显示采用的均是索引彩色的方式。对于256个索引值中的每一个,都对应着一个彩色量,由于该彩色量由绿色亮度、蓝色亮度和红色亮度的总和来表示[3],因此只有绿色、蓝色和红色的亮度都相等时,才能显示出灰色。在256色显示模式下,因为绿色、蓝色和红色的亮度使用6bit索引值来表达,所以它们的亮度范围为0~63。由此可见,在PC机256色显示模式下,只能显示出64级灰度,因而灰度图像的显示只需6bit。
　　
　　1.2地图与图像的叠加显示
　　在将地图与图像进行叠加匹配时,由于只使用地图的空间位置信息,因此只需对地图进行二值化扫描输入,也就是说,数字地图只需1个信息位来表达。根据灰度图像显示只需6个信息位的特点,本文将8bit灰度图像进行如下变换(图1):
　　
　　图1图象灰度变换示意图
　　这一操作实际上是对灰度值以4为倍数求整。空出的第0位可将数字地图写入,这样不仅实现了地图和图像的叠加,又节省了存贮空间。对于以上的数据结构,设计以下的调色板技术来实现图像的单独显示或叠加显示,以便于正确地匹配选点。
　　
　　2航空影像的纠正
　　航空影像的纠正可分为初纠正和局部调整两个步骤,即首先在以上讨论的基础上,准确地选择4个控制点,再利用这4个点,对地图进行第一次纠正,即初纠正;然后将纠正后的地图叠加至航空影像上,在叠加的基础上和在图像漫游的支持下,就可以容易地发现残差点,并准确地调整至正确位置,同时算出残差值,以便再进行局部纠正,若仍有残差,则继续匹配选点,并纠正,直至满意为止。最后,根据以上记录的控制点,再对航空影像进行纠正。具体纠正流程如图2所示。
　　
　　图2航空影响纠正流程图
　　2.1初纠正
　　初纠正采用以下的方程式
　　
　　在经过地图和航空影像的叠加并选择了4个控制点后,即可解算出式(1)的系数,再利用式(1)将地图纠正至航空影像上,并进行整幅图像的叠加,然后通过对叠加的图像进行漫游观察来发现残差点。图3给出了初纠正后地图与影像叠加显示和准确匹配的结果。
　　
　　图3初纠正后地图与航空影象叠加和配准结果图象
　　
　　2.2局部纠正
　　由于拍摄航空影像时航高较低,因而由地形高低引入的投影差较大,如果没有相应的数字地面模型,将不能进行准确的影像纠正,再加上其他因素引入的不规则变形,更为航空影像的纠正增加了困难,可是局部纠正却能通过图形与图像叠加的方法,来发现由各种因素引入的变形,并改正至新的准确位置,但在局部调整的同时,必须保证原控制点处的位置不变,即保证局部纠正后的图像仍是连续的。为了解决这一问题,本文提出了如下的局部纠正思想,即当发现局部变形点,并通过叠加匹配得出其坐标变化值$X,$Y后,在对其周围的图像作纠正前,需首先计算出待纠正点至已知控制点和变形点的距离,若在3个最近距离中,包括变形点则进行纠正,否则不纠正。设待纠正点至变形点的距离为R0,而至另二个控制点的距离为R1和R2,则根据待纠正点与控制点和变形点距离有关的特点,通过大量的试验,总结出以下对待纠正点进行纠正的关系式:

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