KingMap RS平台中影像配准和镶嵌技术研究

摘  要：KingMap RS平台是一款具有中国自主知识产权的软件平台，专门用于制作遥感影像地图。影像配准和影像镶嵌是遥感影像地图制作中的核心技术。影像配准分为影像特征提取、影像特征匹配、变换模型选取及求取参数、统一坐标系等步骤;影像镶嵌包括拼接线的确定、影像色彩处理、重叠区亮度确定等环节。随着KingMap地理信息系统的3D建模、编辑和分析能力的快速提升，遥感与GIS一体化的价值将会更加凸显。

关键词：KingMap;遥感;影像配准;影像镶嵌

中图分类号：TP311;TP751     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）06-0112-03

Research on Image Registration and Mosaic Technology in KingMap RS Platform

WANG Xiangchun

（Xiamen Kingtop Information Technology Co.，Ltd.，Xiamen  361008，China）

Abstract：KingMap RS platform is a software platform with Chinas independent intellectual property rights，which is specially used for making remote sensing image maps. Image registration and image mosaic are the core technologies in the remote sensing image map making. Image registration is divided into image feature extraction，image feature matching，transformation model selection and parameters getting，unified coordinate and other steps;image mosaic includes the determination of splicing line，image color processing，overlapping area brightness determination and so on. With the rapid improvement of 3D modeling，editing and analysis ability of KingMap geographic information system，the value of integration of remote sensing and GIS will be more prominent.

Keywords：KingMap;remote sensing;image registration;image mosaic

0  引  言

GIS平臺软件是地理信息产业的技术核心，是技术创新和产业发展的制高点，是数字城市、智慧城市和众多电子政务建设的重要基础性软件，也是国家地理信息安全的保障。基于GIS平台融合多种技术，是建设智慧城市的有效途径也是未来趋势。所以只有走差异化发展道路，拥有自己的GIS开发平台，才能保持竞争优势。KingMap地理信息系统开发平台是精图公司研发的具有中国自主知识产权的GIS软件平台，其中的KingMap RS版专门用作制作遥感影像地图。

在遥感影像地图制作涉及的多项技术中，影像配准技术和影像镶嵌技术是核心关键技术。不同遥感影像数据获取载体（遥感卫星、航空飞机等）、不同时间段、不同视角获取的同一目标物的影像，依据一些相似性度量对坐标系进行统一，在像素层上获得最佳匹配的过程，就是影像配准[1]。将相同或不同摄影条件下获取的两幅或多幅遥感影像，拼接成完整的全新的影像图的技术过程，就是影像镶嵌。

1  影像配准

影像的配准分为四个步骤，依次为影像特征提取、影像特征匹配、变换模型选取及求取参数、统一坐标系。

1.1  影像特征提取

影像的特征主要分为点、线、面三类，其中点特征是最采常用的影像特征，目标物的边缘点、线交叉点、角点等都属于点特征。目标物的轮廓线、河流道路的边缘线等具有明显的线性特征，均属于影像特征中的线特征。线特征的提取步骤包含两个环节，第一个是粗略提取出影像中具备明显线段信息的各类边缘线、轮廓线等;第二个环节是通过设定限制条件，筛选出满足条件的线段，作为最终提取的线特征。影像中明显的区域性信息可以作为面特征，在实际的应用中可以将不规则区域的重心或者圆形区域的圆心作为面特征来利用[2]。

影像特征提取的前提是找到对影像变化参数稳定并可进行描述的特征。影像的变化参数包括光照条件、视角变化、仿射变换、尺度缩放、旋转等，在影像变化因素下能够保持不变性的特征，属于稳定性良好的特征[3]。KingMap RS平台在处理两幅差异性较大的影像的匹配时，通过自动化特征提取技术，在目标物运动、遮挡、噪声等因素影响下依然具备良好的特征匹配性。

1.2  特征匹配

特征匹配的首要工作是找到两幅遥感影像中的共轭参数，建立对应关系。假设两幅影像A和B中，分别有m和n个特征点，其中有k对点是影像A和B中均有的特点，那么用数学语言找出k对点的过程，就是特征匹配[4]。

特征匹配在提取出对旋转、缩放、亮度无关的特征向量后进行，采用向量间的欧几里得距离作为相似性度量。再使用SIFT算法进行特征匹配，在不同的尺度空间锁定特征点及其方向。其实质可表述如图1所示。

1.3  选取变换模型及求取参数

待配准影像与参考影像之间通常存在几何畸变，对于不同的几何畸变情况可以拟合两幅影像之间的变化差异，再选用最佳的数学模型。目前常用的变换模型有仿射变换和多项式变换，其他的还有投射变换、投影变换等多种模型[5]。

仿射变换模型具备良好的数学特性，是一种刚性变换。仿射变换共涉及四项参数，分别是尺度因子s、旋转角q、x方向的平移量tx、y方向的平移量ty。

将影像A中的点（xA，yA）映射为影像B中的点（xB，yB）的数学式为：

多项式变换是影像间存在非线变形时最常用的变换模型，如遥感影像中存在由緩和的地形起伏引起的变形，就可以采用多项式变换模型校正，将影像A中的点（xA，yA）映射为映像B中的点（xB，yB），数学式为：

两幅影像之间存在的最佳变换参数，通常采用求取最小均方误差法的方式来获取。

1.4  统一坐标系

在计算出两幅影像之间的最佳变换参数后，将输入影像做相应的参数变换，使输入影像与参考影像处于同一坐标系下。输入影像在坐标变换后所得的点坐标不是整像素数时，还需要进行差值处理。经常采用的方法有双线性插值法、最邻近域法和双三次卷积法。

经过校正的输入影像，与参考影像一起用作后续的目标变化检测、影像融合和影像镶嵌。

2  影像镶嵌

为了减轻后续的色调调整工作，在镶嵌时尽量选择成像条件和成像时间接近的遥感影像。首先对影像进行预处理，通常使用几何校正、辐射校正、去条带和斑点等方式。在定好标准影像像幅和镶嵌顺序后，确定好拼接线[6]。

2.1  拼接线的确定

若多个待镶嵌影像边缘区域交错形成重叠区，则在重叠区内找出一条线（通常是曲线），线两侧的亮度变化达到最不显著时，就认为找到了待镶嵌影像的拼接线。

假设影像A和B的重叠区的宽度为L，取长度为d的一维窗口，让窗口在一行内逐点滑动，计算出两幅影像在窗口内各个对应像元点的亮度值绝对差的和，最小的即为拼接线在这一行的位置，其计算公式为：

式中gA（i，j0+j）和gB（i，j0+j）为影像A和B在重叠区（i，j0+j）处的亮度值，i为窗口所在的行数，j0为窗口在左端点，满足上述条件的点就是拼接点，将多个拼接点连接起来就构成了拼接线。图2中两条直线之间的区域为重叠区，重叠区中的曲线即为拼接线，镶嵌后的效果如图3所示。

2.2  影像色彩处理

原始遥感影像的色彩无法满足人们的要求，改善遥感影像的色彩的方式有彩色合成、密度分割、HIS变换、改进算法AuReH、保持形状彩色等。影像处理后的效果如图4所示。

彩色合成主要有真彩色合成和假彩色合成两类。真彩色合成是指处理后的地物颜色，接近于实际地物颜色。假彩色合成是指将目标地物的颜色，通过增强彩色技术，处理成与真实地物颜色不同的影像，凸显影像中的目标地物。

图4  影像色彩处理后的示意图

密度分割指的是为了区分不同的灰度等级，通过建立不同的灰度区间，每个灰度区间采用单色显示，形成一张类似等高线的地图。

HIS变换指的是为了更好地保留高分辨影像中的纹理特征细节以及多光谱影像中的彩色关系，用另一影像替代HIS三个分量中的强度分量，实现HIS变换。

改进算法AuReH指的是，保持彩色影像中的形状信息，利用矢量影像的水平集信息，将输入的彩色影像转换为灰度影像，并将灰度影像作为亮度分量，最后通过局部直方图均衡算法进行增强[7]。

2.3  重叠区亮度确定

不同遥感影像的获取设备和获取时间等存在差异，尤其当存在季度跨度时，影像间的亮度差异问题尤为严重，所以有必要进行重叠区的亮度镶嵌。亮度镶嵌前后的影像效果如图5和图6所示。

假设影像E和影像H的亮度值分别为gE（i，j）和gH（i，j），亮度调整后重叠区亮度值为g（i，j）。假设重叠区的行数为L，影像E的重叠部分为第K行到第K+L-1行，影像H的重叠部分为第1到第L行。

此时重叠区亮度值的计算要以列（对于左右镶嵌的情况则要以行为单位）为单位进行，常用的计算方法有三种，假设需要确定第j列的亮度值，则：

把两幅影像对应像元的平均值作为重叠区像元点的亮度值，即：

把两幅待镶嵌影像中亮度值最大的亮度值，作为重叠区像元点的亮度值，即：

取两幅影像对应像元亮度值的线性加权和，即：

3  结  论

本文研究了KingMap RS平台中遥感影像配准和镶嵌技术的内在原理及方法，经过对遥感影像进行地理编码后，KingMap RS平台已经实现了全自动的遥感影像配准和影像镶嵌，遥感影像处理速率等已提升至国际前列水平。基于KingMap RS平台开展的地形分析、专题制图等功能，已经在地名地址、国土规划、城市管理、安全监测等多个领域获得广泛应用。

随着计算机技术的不断创新和遥感影像处理方式的发展，传统的光学处理遥感影像的方式，已经逐渐被数字处理方式替代。数字处理方式以其可以与地理信息系统无缝集成的优势，准确获取到所需的遥感信息。另外，综合BDS等定位技术，形成3S技术的综合应用。未来，随着以GIS为核心的3S技术集成能力的不断加强，以及真三维表示和分析能力的快速提升，KingMap RS平台在遥感影像处理领域的价值将会更加凸显。

参考文献：

[1] 李豫玲.无地理坐标高分辨率遥感影像镶嵌方法的研究 [D].北京：中国科学院研究生院（遥感应用研究所），2005.

[2] 陈炼.无人机影像色彩一致性处理 [D].宜昌：三峡大学，2015.

[3] 刘世盟.基于随机森林算法的冬小麦空间分布自动解译技术研究 [D].廊坊：北华航天工业学院，2019.

[4] 克兢.灰度和彩色图像对比度增强的PDE方法研究 [D].西安：西北大学，2008.

[5] 尹聪颖.多源卫星遥感影像配准技术研究 [D].秦皇岛：燕山大学，2009.

[6] 荚德平.基于GIS的常州市绿地系统规划布局的研究 [D].南京：南京林业大学，2009.

[7] 杨宗之.基于LUCC的生态系统服务价值与经济发展协调性研究 [D].南昌：江西财经大学，2019.

作者简介：王向春（1987—），男，汉族，山东滨州人，中级工程师，硕士研究生，研究方向：从事测绘、GIS和信息化技术研究工作。