论文推荐|李奇峻：资源三号多光谱影像谱段间相对内参关系标定及高精度配准

    针对资源三号多光谱相机，提出利用同时获取的各谱段影像间高精度提取的同名像点建立多光谱相机各谱段对应分片CCD之间的位置模型，求解它们的相对内参关系参数，并应用此模型实现了谱段间影像的高精度谱段配准。试验结果表明该方法能够实现资源三号卫星多光谱影像优于0.3像素精度的谱段间自动配准。

     资源三号卫星(ZY-3)是我国第一颗民用高精度立体测绘卫星，发射于2012年1月9日。在卫星上安装了一台能获取5.8 m分辨率影像的多光谱相机，相机焦平面内排列着共视场成像的红(B3)、绿(B2)、蓝(B1)和近红外(B4)4个谱段^[-]。每个谱段的CCD由3片小CCD拼成，每片有3072个探元，谱段间CCD沿轨道方向有一定的间隔^[]。虽然相机制造方在安置CCD阵列时考虑了谱段间配准需求的严密几何关系^[]，实际上影像的谱段配准精度不能满足应用要求，这是因为存在镜头光学畸变、卫星颤振和安装误差。在多光谱影像处理上，国外学者在在轨检校时先补偿了多光谱相机的镜头畸变，然后应用检校后的内方位元素进行影像配准，使RapidEye、ALOS和SPOT等卫星的影像配准精度得到了提高，达到0.2像素^[-]；文献^[]利用虚拟CCD成像的方法实现了多光谱影像的高精度谱段配准，但需要先对相机进行在轨检校；文献^[]在资源三号多光谱影像自动配准时采用类似于相对定向的方式来恢复各波段影像间精确的相对几何成像关系，该方法在理论上具有严密性，且配准结果与影像质量无关；文献^[]对SPOT全色影像和TM多光谱影像配准时采用了多级影像概率松弛整体匹配技术；文献^[]使用基于梯度幅度最大值的方法进行多传感器影像配准；文献^[]在对于角度和尺度偏差较大的SPOT5和TM影像进行配准时采用了一种基于虚拟匹配窗口的SIFT算法；文献^[]提出了基于特征约束与光流场方法的遥感图像配准。

本文从多光谱相机谱段间相对内参关系出发，利用同时获取的各谱段影像间高精度提取的同名像点建立了多光谱相机各谱段对应分片CCD之间的位置模型，求解出它们的相对内参关系参数，并应用此模型实现了谱段间影像的高精度谱段配准。利用资源三号多光谱影像进行试验，试验结果表明该方法能使资源三号多光谱谱段间影像的配准精度达到亚像素级。

主点偏移

瞬时影像坐标系

线阵CCD旋转误差

线阵CCD的弯曲

     为了验证本文方法的可行性，采用2012-01-11大连地区和2012-02-18安平地区的资源三号多光谱影像0级影像进行试验，以及星上下传的辅助数据：姿态、轨道、成像时间和成像参数等数据的记录文件。本文使用的高程数据为Aster G-DEM。

     利用安平地区的多光谱影像中谱段B1的分片影像和谱段B2的分片影像进行对应分片CCD之间的相对内参关系参数求解，以谱段B1影像为基准影像。相对内参关系模型有5个未知数，至少需要3对同名像点才能解算出相对内参关系参数，为了满足多余观测和提高可靠性，设定SIFT特征点算子的阈值，利用SIFT算子在谱段B1的分片影像上提取5000~10 000个高精度特征点，先运用同名像点空间几何模型计算出特征点在谱段B2的分片影像上的同名像点的概略坐标，然后以单点最小二乘匹配获得精确的同名像点，得到同名像点精确坐标，获得同名像点对。选取同名像点对中分布均匀的1000对同名像点，利用最小二乘法则进行相对内参关系参数解算，得到对应分片CCD的相对内参关系参数。

    本文从多光谱相机谱段间相对内参关系出发，利用同时获取的各谱段影像间的高精度提取的同名像点对建立了多光谱相机各谱段对应分片CCD之间的位置模型，求解出对应分片CCD间的相对内参关系参数，恢复了谱段间的相对内参关系即建立了谱段间同名像点对的约束关系，可以运用该模型进行谱段间影像的高精度自动配准，在理论上具有严密性，可操作性强。最后求解出精确的谱段间相对内参关系参数并进行影像配准，统计了相对内参关系模型和影像配准的精度。试验结果表明，该方法能够实现资源三号卫星多光谱影像谱段间高精度自动配准(优于0.3像素)，同时该方法对与资源三号卫星多光谱影像相似的卫星多光谱影像具有通用性，下一步将研究该方法在这类卫星多光谱影像间自动配准中的应用。

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李奇峻¹, 范大昭¹, 雷蓉¹, 纪松¹, 张文朝²     

1. 信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450052 ;
2. 61287部队，四川 成都 610000

收稿日期：2015-07-08； 修回日期：2016-04-12

基金项目：国家自然科学基金(41401534)；地理信息工程国家重点实验室开放基金(SKLGIE2013-M-3-1)；测绘地理信息公益性行业科研专项经费(201412007)；信息工程大学地理空间信息学院硕士学位论文创新与创优基金(XS201510)

第一作者简介： 李奇峻(1991-)，男，硕士生，研究方向为数字摄影测量。

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通信作者： 范大昭

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