渐进式多特征异源高分辨率卫星影像密集匹配方法研究

戴激光

辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院,辽宁阜新 123000

渐进式多特征异源高分辨率卫星影像密集匹配方法研究

戴激光

辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院,辽宁阜新 123000

异源高分辨率卫星影像匹配是高分辨率卫星影像处理的技术关键,也是实现三维重建、信息提取、变化监测等应用研究工作的技术基础。研究表明在地面覆盖相同的情况下,随着空间分辨率的提高,卫星影像数据量急剧增加,并由此产生了几何噪声增大、阴影变化影响、局部形变加剧、纹理相似性降低等异源高分辨率影像特有的问题。传统同(异)源遥感影像匹配方法多数着眼于低、中分辨率遥感影像,难以有效完成异源高分辨率卫星影像的密集匹配任务,进而极大地阻碍了高分辨率卫星影像的深化处理与应用。围绕这一技术难题,以异源高分辨率卫星影像为研究对象,提出一种渐进式多特征匹配方法,具体研究内容及创新之处如下:

(1)渐进式多特征匹配的基本概念及方法阐述。渐进式指的是对原影像通过多次匹配,逐步变换几何约束获取密集匹配点;多特征是指综合利用多种特征信息进行影像的匹配,而渐进式多特征匹配则是两者的有机结合。实施步骤:首先,构建异源高分辨率影像近似核线模型,将其作为几何约束条件进行同名直线的提取;其次,基于同名直线和近似核线对特征点进行几何约束,同时利用特征点描述子信息获取初始匹配点;再次,利用初始同名点建立局部几何约束模型,对剩余特征点进行约束匹配;最后,利用同名点构建更加精细的局部几何约束模型,对同名直线进行精匹配并构建虚拟特征点集,通过对特征描述使之转化为三角形区域影像,采用基于区域的几何约束和测度方法对虚拟特征点进行匹配,从而获取同名点。

(2)建立了针对特征点、线几何约束的异源高辨率卫星影像核线模型。依据高分辨率卫星影像双曲线核线可通过短直线拟合的理论,论文基于RFM正反解模型和核线投影轨迹法,通过设定不同高度地面高程间隔提取虚拟物方点的方式,构建了异源高分辨率卫星影像近似核线模型。针对RFM反解模型难以获取问题,论文利用影像提供的正解模型参数,通过建立像方点和虚拟物方点的迭代几何映射,实现了RFM反解模型的构建,通过实验表明该模型在像方精度可以达到0．01像素。

(3)提出了直线提取和渐进式匹配的方法。在直线提取过程中,首先依据影像边缘点和噪声点的局部梯度特点,提出一种结合梯度方向的改进双边滤波算法;其次利用Canny算法与模糊分类理论提取影像边缘;最后针对Hough变换提取直线计算量大的问题,提出分区域的Hough变换算法。在渐进式直线匹配中,初次匹配是以异源影像核线、直线梯度为约束条件,采用影像粗匹配模型求取待匹配直线对间的垂直距离和重叠长度,以此来获取约束特征点匹配范围的同名直线;第二次匹配是以核线为约束条件,利用局部几何约束模型参数提取精确同名直线,从而有效构建了虚拟特征点对,提高影像匹配的精度。

(4)构建了基于同名点的局部几何约束模型。首先利用已获取初始匹配点构建Delaunay三角网;其次以三角网重心坐标为中心点,通过逐层扩散的方式来获取影像所有像素点的局部几何约束模型。根据局部连续性约束理论,三角网内的像素点几何变形特性受到所在三角形三个顶点影响,可利用三个顶点构建其局部几何约束模型参数。而对于三角网以外的影像像素点,依据Voronoi剖分理论,以点扩散的方式逐层分析其八邻域像素点局部几何约束模型特点,以此来获取其模型参数。

(5)虚拟特征点集的构建、描述与匹配。利用精确同名直线交点构建虚拟特征点对来提高同名点的数量,实现多特征结合下的影像匹配。但受到高分辨率卫星影像几何噪声大的影响,部分边缘点提取精度下降,导致直线拟合真实边缘精度受到影响,因而虚拟特征点对难以构成真实匹配点对。为解决上述问题,提出利用同名直线旋转、平移后的交点形成新虚拟特征点,以此构建虚拟特征点集。在对虚拟特征点描述过程中,由于单一点特征无法描述其纹理特征,因此依据影像像对空间分辨率比率,基于虚拟特征点和同名直线提取等腰三角形影像作为虚拟特征点的描述子,将点特征匹配转换为基于区域的影像匹配问题;在匹配中以三角形顶点、夹角为几何约束条件,最大互信息方法为测度提取新匹配点。

(6)以复杂地形区域的多幅异源高分辨率卫星影像像对(覆盖范围包括地形起伏较大的山区与城区影像)为研究对象,对论文所提出的渐进式多特征匹配理论进行了试验分析。结果表明,该方法提取的同名点数量是SIFT方法10倍以上,影像匹配误差低于1个像素,实现了异源影像的密集匹配目标,验证了渐进式多特征匹配方法的有效性和稳定性,但不足之处在于计算量较大,复杂程度高,这将是今后进一步深入研究的方向。

Study on Progressive Multi-feature Dense Matching Techniques for Multisource High Resolution Satellite Image

DAI Jiguang
School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China

I Jiguang(1978—),male,

his doctorate from school of geomatics,Liaoning Technical University in June 2013,majors in high resolution satellite image processing．

P237

D

1001-1595(2014)04-0438-01

2013-10-22

戴激光(1978—),男,2013年6月获辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感专业博士学位(指导教师:宋伟东教授),研究方向为高分辨率卫星影像处理。

DAI Jiguang．Study on Progressive Multi-feature Dense Matching Techniques for Multi-source High Resolution Satellite Image [J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(4):438．(戴激光．渐进式多特征异源高分辨率卫星影像密集匹配方法研究[J]．测绘学报,2014,43(4):438．)

10．13485/j．cnki．11-2089．2014．0065

国家自然基金(40771159;41271374;41271435)

E-mail:daijg03＠163．com