一种GF‑4卫星序列图像自动相对配准方法技术

本发明专利技术针对高分四号卫星图像预处理应用，特别是云及云下阴影检测应用，提供一种序列图像自动相对配准技术。对同一地理区域的序列图像，利用图像四个角点的近似经纬度坐标确定图像间的大致相对位置关系，并根据定位误差确定图像分块自动匹配的检索范围，通过二级分块自动匹配，获得控制点数据并拟合出一个线性函数，序列图像之间通过不同的线性函数实现相对配准，不同于传统的卫星图像逐像素配准，需要经过系统几何校正与几何精纠正两步处理与多次图像插值与重采样。本方法处理流程简化且充分考虑网格化并行，可满足工程化快速处理海量数据的需求。

A GF 4 satellite image automatic registration method for relative sequence

The invention provides a sequence automatic relative registration technique for the application of the high number four satellite image preprocessing, especially for cloud and cloud shadow detection applications. The sequence of images in the same geographical area, by using the approximate geodetic coordinates to determine the image between roughly the relative position between the four corners of the image, and to determine the image block matching search range according to the automatic positioning error, automatic matching through two block, control point data and fitted a linear function sequence the image between the relative registration through different linear function, the satellite image is different from the traditional pixel registration and geometric correction need to go through two steps of processing and multiple image interpolation and resampling geometric correction system. This method simplifies the process and takes full advantage of grid parallel, which can meet the needs of rapid processing of large amounts of data.

【技术实现步骤摘要】
一种GF-4卫星序列图像自动相对配准方法
本专利技术涉及遥感图像几何处理技术，具体的说，涉及一种针对高分辨率静止卫星序列图像的自动相对配准技术。
技术介绍
遥感图像的几何预处理一直是遥感数据处理的主要课题之一。新的遥感卫星投入使用后，对新数据的预处理便是紧要的问题。遥感图像的预处理通常包含几何预处理与辐射预处理，其中的几何预处理由于每个卫星的成像设计与轨道的不同，需要针对具体的卫星图像开发专门的几何预处理流程。几何预处理通常包含系统几何校正与几何精纠正两步主要处理。系统几何校正通过卫星成像的严格几何模型，建立卫星图像像素点与对应的地面点之间的几何转换关系，并将卫星图像映射到某一地图投影下。经过系统几何校正的卫星图像具有统一的地图投影，可依据地图投影进行多幅图像的镶嵌，但同一区域多幅图像按照地图投影叠加后，由于系统几何校正的精度有限，通常无法达到逐像素的严格配准，并且卫星成像过程还会发生设备老化、器械抖动及姿态偏差等造成的各种非系统误差。要实现图像之间的逐像素配准，通常的方法是在系统几何校正的结果上进行几何精纠正。几何精纠正将匹配获得的控制点数据用于拟合各种数学纠正模型，再利用得到的数学模型纠正图像，达到修正图像内部的局部几何变形的目的，常用的数学纠正模型有多项式模型、样条函数模型及Delaunay三角网模型等。高分四号卫星(以下简称GF-4)是中国于2015年12月发射的一颗地球同步轨道卫星，搭载空间分辨率为50米的全色、多光谱相机和400米分辨率的中波红外相机，采用面阵凝视方式成像，成像间隔快至20秒，具备高时间、高空间分辨率的优势。自2016年2月3号国防科技工业局公布首批图像以来，GF-4已经获取了中国及周边区域大量数据，在检测森林火灾、洪涝灾害等方面发挥着重要作用。GF-4卫星图像的预处理同样包括几何与辐射两个部分，几何预处理包括系统成像模型的构建、控制点匹配与几何精纠正等，目标是实现同一地图投影下成像数据的逐像素配准。辐射处理包括辐射定标、云及云下阴影的检测等，目标是使得图像像素值能精确地描述地表辐射状况。GF-4卫星数据预处理技术研发在充分利用之前卫星数据处理成果的基础上，还要考虑GF-4卫星图像本身的特性，研发专门的处理算法。面临的关键问题主要有两个：一是高分辨率静止卫星图像内部几何变形的校正，该问题对于公里级低分辨率静止卫星图像并不突出，但对于50米的高分辨率静止卫星图像而言，对能否实现逐像素配准关系密切，因为更高分辨率下，图像内部的几何变形情况更加复杂；二是如何利用基于序列图像的处理技术提高GF-4图像预处理结果精度，GF-4卫星的面阵凝视成像方式，成像间隔快至20秒，短时间内可以获取同一地理区域下大量的图像，考虑到云的运动特性，利用序列图像对于提高云及云下阴影的检测精度非常必要。对于上述两个关键问题，如果能在不经过系统几何校正的基础上实现图像之间的快速配准，配准后的数据将会成为GF-4图像预处理过程中的关键中间数据产品，尤其是对于工程化生产云及云下阴影的检测数据产品而言，需要一个针对GF-4卫星图像的序列图像的自动、快速配准算法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对GF-4静止卫星图像预处理应用，提供一种自动的序列图像自动配准技术，特别是对于GF-4在凝视模式下对同一区域进行观测获取的序列图像的云及云下阴影检测数据产品的生产，提供序列图像逐像素配准数据准备。本技术基于成熟的SIFT的自动匹配算法，根据GF-4卫星图像的预处理需求与成像几何特性定制的自动、快速配准处理流程。本专利技术的基本思路为：GF-4静止卫星对同一地理区域获取的序列图像数据，在没有系统几何模型的情况下，仅利用卫星记录的图像中心点及四个角点的近似经纬度坐标确定图像的大致相对位置关系，然后根据图像定位误差范围确定图像分块自动匹配检索范围，从分块的图像区域中获得至少3组不同区域的控制点，利用这些控制点拟合出一个线性函数。对于同一地理区域，不同时间获取的n(n＞2)幅图像相邻两幅图像之间，都能得到一个线性函数，利用这n-1个线性函数，实现n幅图像之间逐像素的配准。需要注意的是，这里的序列图像配准并不对图像本身进行变换与重采样，配准的结果只有n-1组线性函数系数，在后续的GF-4图像云与云下阴影检测等预处理中利用该组系数实现n幅图像的逐像素配准。所述的n幅GF-4卫星序列图像，限定为50米空间分辨率的全色、多光谱图像，图像四个角点的经纬度差异不超过±0.3度，n幅图像可以是GF-4卫星凝视模式下获取的序列图像，也可以是不同天获取的，按照获取时间先后排列的序列图像。本专利技术的技术方案提供的GF-4卫星序列图像自动配准方法，其特征在于包括以下实施步骤：A数据预处理，生成不精确的云与阴影掩膜；B将序列图像中的所有图像都划分成4行4列，共16个网格区域，结合每个图像的掩膜数据与四个角点的近似地理坐标，对两幅图像的每个网格区域的数据进行基于二级网格划分的快速自动匹配，获取一组控制点数据；C对两幅图像的每个网格区域匹配获取的控制点数据中选取一个代表控制点；D如果序列中两幅图像的16个网格区域中获得了2个或者更多的代表控制点，利用这些代表控制点拟合出一个线性函数，线性函数的参数作为结果输出。上述实施步骤的特征在于：步骤A中所述数据预处理，指算法程序对输入的序列图像进行数据完整性检查、地理覆盖范围检查、按获取时间排序、以及程序运行的一些准备初始化处理。生成不精确的云与阴影掩膜通过标记过亮与过暗像素完成，掩膜排除的区域不参与后续的自动匹配，可提高算法的速度与鲁棒性。步骤B中所述的自动匹配，是在序列图像中的两幅图像之间，采用二级网格划分的策略，对于一组包含n幅图像的序列图像，第一级网格划分先将每幅图像划分为4行4列，共16个网格块，自动匹配过程在(n-1)×16个块中独立并行运算，每个一级网格块再进行二级网格划分，划分为20行20列，共400个网格，在两幅图像之间，遍历其中一个图像的二级网格，根据图像四个角点近似坐标，对应到另一幅图像对应的16个二级网格区域进行自动匹配，当有3个二级网格都成功匹配得到控制点后，停止该块二级网格遍历并输出所有控制点数据。通过二级网格划分后，自动匹配仅在一个128×128像素区域与512×512像素区域展开，运算量大幅减少，利用基于SIFT特征的自动匹配算法，结合RANSAC算法剔除误匹配点，可快速获得控制点数据。步骤C中所述代表控制点，是从通过对两幅图像的每个网格区域匹配获取的控制点数据对进行误差分析与数据拟合，利用线性最小二乘法，选取所有控制点中误差最小的点。步骤D中，如果获得了2个控制点，则严格求解出线性函数的两个参数，如果获得了多余2个的控制点，则采用线性最小二乘拟合获得线性函数的两个参数。若n个序列图像全部处理成功，则算法最终输出n-1组线性函数参数。将线性函数的参数作为最终输出结果，序列图像通过线性函数实现逐像素的相对配准，处理过程中不对图像本身进行插值与重采样。本专利技术与现有技术相比有如下特点：本专利技术提供了一种简单的GF-4序列图像自动配准解决方案，直接通过线性函数实现GF-4序列图像逐像素位置关系的配准，算法结构适合大数据量的快速并行处理，具有处理流程简单、无需人工交互、运算速度快的特点，而且在算法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GF‑4卫星序列图像自动相对配准方法，该方法针对高分四号卫星图像预处理应用，特别是云及云下阴影检测应用，其特征在于包括以下实施步骤：A数据预处理，生成不精确的云与阴影掩膜；B将序列图像中的所有图像都划分成4行4列，共16个网格区域，结合每个图像的掩膜数据与四个角点的近似地理坐标，对两幅图像的每个网格区域的数据进行基于二级网格划分的快速自动匹配，获取一组控制点数据；对两幅图像的每个网格区域匹配获取的控制点数据中选取一个代表控制点；C通过对两幅图像的每个网格区域匹配获取的控制点数据进行误差分析与数据拟合，利用线性最小二乘法，选取所有控制点中误差最小的点；D如果序列中两幅图像的16个网格区域中获得了2个或者更多的代表控制点，利用这些代表控制点拟合出一个线性函数，线性函数的参数作为结果输出。

【技术特征摘要】
1.一种GF-4卫星序列图像自动相对配准方法，该方法针对高分四号卫星图像预处理应用，特别是云及云下阴影检测应用，其特征在于包括以下实施步骤：A数据预处理，生成不精确的云与阴影掩膜；B将序列图像中的所有图像都划分成4行4列，共16个网格区域，结合每个图像的掩膜数据与四个角点的近似地理坐标，对两幅图像的每个网格区域的数据进行基于二级网格划分的快速自动匹配，获取一组控制点数据；对两幅图像的每个网格区域匹配获取的控制点数据中选取一个代表控制点；C通过对两幅图像的每个网格区域匹配获取的控制点数据进行误差分析与数据拟合，利用线性最小二乘法，选取所有控制点中误差最小的点；D如果序列中两幅图像的16个网格区域中获得了2个或者更多的代表控制点，利用这些代表控制点拟合出一个线性函数，线性函数的参数作为结果输出。2.根据权利要求1中所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡昌苗，唐娉，张正，李宏益，单小军，唐亮，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11