基于光线追踪校正的高光谱图像-点云立体配准方法技术

基于光线追踪校正的高光谱图像

【技术实现步骤摘要】
基于光线追踪校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法


[0001]本专利技术属于高光谱图像与激光雷达数据立体配准
，具体涉及一种基于光线追踪
(Ray Tracing)
校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法
。

技术介绍

[0002]高光谱成像能够获取观测场景
/
目标二维和光谱信息，得到图谱合一的遥感图像
。
激光雷达是一种利用激光束扫描目标物体并接收反射回来的激光信号来快速获取观测场景
/
目标空间三维信息的技术，具有高精度和免受天气影响等优势
。
为发挥高光谱成像和激光雷达各自的优势，高光谱图像与激光雷达数据的联合处理具有重要的研究意义，可生成观测场景
/
目标的光谱信息和空间三维信息，具有广泛的应用前景
。
[0003]由于高光谱传感器与激光雷达探测原理不同，在信息联合处理之前需要进行配准
。
现有高光谱图像与激光雷达数据配准主要针对星载
/
高空机载平台的二维配准，针对低空机载平台的立体配准相对较少
。
低空机载高光谱
‑
激光雷达能够获取更高空间分辨率的空间三维信息和光谱信息，在三维重建
、
数字孪生等领域有重要意义
。
然而现有的研究中，针对低空无人机平台的高光谱
‑
激光雷达数据立体配准研究仍不充分，直接采用主流的图像配准方法难以克服低空视角误差，导致立体维度信息损失；而主流的立体配准方法仍以手动的标定
‑
映射过程为主，需借助人工且无法用于实时的数据配准
。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决低空机载平台的高光谱图像与激光雷达点云立体配准存在因低空视角误差导致立体维度信息损失大的问题
。
[0005]基于光线追踪校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法，包括以下步骤：
[0006]S1、
对激光雷达点云进行分层，包括以下步骤：
[0007]S1.1、
计算在扫描高光谱单帧时无人机的空间位置与飞行方向向量：
[0008]设轨迹数据
{P
m
,T
m
,POS
m
}
，其中
m
＝
1,2,...,M
，
M
表示高光谱图像帧数；
P
m
＝
(E
m
,N
m
,H
m
)
表示
UTM
坐标系中
E,N,H
轴的坐标；
T
m
为时间戳；为飞行的方向角，
ω
m
,
κ
m
,
分别为俯仰角
、
航向角与偏航角；
[0009]通过以下公式计算帧扫描时刻的方向向量：
[0010][0011]其中，
v
E
,v
N
,v
H
表示
UTM
坐标下
E,N,H
轴单位方向向量；
[0012]S1.2、
单个高光谱扫描帧对应的空间层
Z
m
表示为前后分层平面
Π
m
、
Π
m+1
中间夹层空间，基于分层平面
Π
i
确定单个高光谱扫描帧对应的空间层
Z
m
；
[0013]分层平面
Π
i
由平面法向量
d
i
与该平面上的固定点
P
i
确定，其中
i
＝
1,2,
…
,M,M+1
；
[0014]S2、
在分层的结果上，生成基于光线追踪点云偏移投影的数字表面模型，建立与原始点云的对应关系；生成基于光线追踪点云偏移投影的数字表面模型的过程包括如下步
骤：
[0015]S2.1、
根据步骤1的点云分层结果，根据高光谱图像某帧对应的点云层内任一点
p
n
＝
(E
n
,N
n
,H
n
)
得到对应的偏移点根据以下公式计算：
[0016][0017]其中，
κ
'
为航迹角，表示与正北方向
v
N
所成的锐角；
H
pj
为高光谱成像平面高度；
P
m
＝
(E
m
,N
m
,H
m
)
为扫描该帧时刻无人机的空间位置坐标；
[0018]遍历所有在分层内的点云，对这些点云进行偏移变换，同时保留其高度
H
n
不变，生成偏移点云；
[0019]S2.2、
建立行列数为
R
×
C
的栅格，
R
×
C
应大于高光谱图像分辨率；将偏移点云根据坐标栅格参数，以正射投影建立每个点与栅格的对应关系：其中，表示激光雷达点在数字表面模型中对应栅格的坐标；
(r,c)
表示激光雷达数字表面模型中某一栅格的横
、
纵坐标；
[0020]单个栅格的取值为格内所有点高度值中的最高值，记为栅格的灰度；遍历所有栅格后，将灰度线性映射至
[0,1]内，进而得到数字表面模型；
[0021]S3、
根据相位一致性原理，对数字表面模型与高光谱图像进行边缘提取；
[0022]S4、
通过图像配准方法，对数字表面模型与高光谱图像进行配准，生成高光谱点云
。
[0023]进一步地，
S1.2
中分层平面
Π
i
上的平面法向量
d
i
通过如下方式确定：
[0024]分层平面
Π2至
Π
M
对应的平面法向量为前后时刻飞行方向向量
d
m
的平均向量；
[0025]首末平面
Π1和
Π
M+1
的法向量取为首末时刻的飞行方向向量
d1和
d
M
。
[0026]进一步地，
S1.2
中分层平面
Π
i
上的固定点
P
i
通过如下方式确定：
[0027]分层平面
Π2至
Π
M
上的固定点为前后时刻飞行坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于光线追踪校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
对激光雷达点云进行分层，包括以下步骤：
S1.1、
计算在扫描高光谱单帧时无人机的空间位置与飞行方向向量：设轨迹数据
{P
m
,T
m
,POS
m
}
，其中
m
＝
1,2,...,M
，
M
表示高光谱图像帧数；
P
m
＝
(E
m
,N
m
,H
m
)
表示
UTM
坐标系中
E,N,H
轴的坐标；
T
m
为时间戳；为飞行的方向角，分别为俯仰角
、
航向角与偏航角；通过以下公式计算帧扫描时刻的方向向量：其中，
v
E
,v
N
,v
H
表示
UTM
坐标下
E,N,H
轴单位方向向量；
S1.2、
单个高光谱扫描帧对应的空间层
Z
m
表示为前后分层平面
Π
m
、
Π
m+1
中间夹层空间，基于分层平面
Π
i
确定单个高光谱扫描帧对应的空间层
Z
m
；分层平面
Π
i
由平面法向量
d
i
与该平面上的固定点
P
i
确定，其中
i
＝
1,2,
…
,M,M+1
；
S2、
在分层的结果上，生成基于光线追踪点云偏移投影的数字表面模型，建立与原始点云的对应关系；生成基于光线追踪点云偏移投影的数字表面模型的过程包括如下步骤：
S2.1、
根据步骤1的点云分层结果，根据高光谱图像某帧对应的点云层内任一点
p
n
＝
(E
n
,N
n
,H
n
)
得到对应的偏移点根据以下公式计算：其中，
κ
'
为航迹角，表示与正北方向
v
N
所成的锐角；
H
pj
为高光谱成像平面高度；
P
m
＝
(E
m
,N
m
,H
m
)
为扫描该帧时刻无人机的空间位置坐标；遍历所有在分层内的点云，对这些点云进行偏移变换，同时保留其高度
H
n
不变，生成偏移点云；
S2.2、
建立行列数为
R
×
C
的栅格，
R
×
C
应大于高光谱图像分辨率；将偏移点云根据坐标栅格参数，以正射投影建立每个点与栅格的对应关系：其中，表示激光雷达点在数字表面模型中对应栅格的坐标；
(r,c)
表示激光雷达数字表面模型中某一栅格的横
、
纵坐标；单个栅格的取值为格内所有点高度值中的最高值，记为栅格的灰度；遍历所有栅格后，将灰度线性映射至
[0,1]
内，进而得到数字表面模型；
S3、
根据相位一致性原理，对数字表面模型与高光谱图像进行边缘提取；
S4、
通过图像配准方法，对数字表面模型与高光谱图像进行配准，生成高光谱点云
。2.
根据权利要求1所述的基于光线追踪校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法，其特征在于，
S1.2
中分层平面
Π
i
上的平面法向量
d
i
通过如下方式确定：分层平面
Π2至
Π
M
对应的平面法向量为前后时刻飞行方向向量
d
m
的平均向量；首末平面
Π1和
Π
M+1
的法向量取为首末时刻的飞行方向向量
d1和
d
M
。
3.
根据权利要求2所述的基于光线追踪校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法，其特征在于，
S1.2
中分层平面
Π
i
上的固定点
P
i
通过如下方式确定：分层平面
Π2至
Π
M
上的固定点为前后时刻飞行坐标
P
m
的中点；首平面
Π1的平面固定点由
Π2、
Π3的固定点反向延长取等长点确定；末平面
Π
M+1
的面固定点由
Π
M
‑1、
Π
M
的固定点反向延长取等长点确定
。4.
根据权利要求3所述的基于光线追踪校正的高光谱图像
‑
点云立体配准方法，其特征在于，
S1.2
所述分层平面
Π
i
由平面法向量
d
i
与该平面上的固定点
P
i
确定过程包括以下步骤：根据确定的平面法向量
d
i
，利用平面法向量
d
i
＝
A
i
·
v
E
+B
i
·
v
N
+C
i
·
v
H
得到系数
A
i
、B
i
、C
i
；基于固定点为
P
i
＝
(E
i
,N
i
,H
i
)
，
(E
i
,N
i
,H
i
)UTM
坐标系中
E,N,H
轴的坐标，平面
Π
i
如下：
Π
i
:
π
i
＝
A
i
·
e+B
i
·
n+C
i
·
h
‑
(E
i
+N
i
+H
i
)
＝0其中，
π
i
＝
A
i
·
e+B
i
·
n+C
i
·
h
‑
(E
i
+N
i
+H
i
)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷延锋，戴逸尘，李贤，王晨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：