一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置及方法与流程

本发明涉及一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置及方法，属于对地观测领域。

背景技术：
光谱分辨率与空间分辨率始终是一对矛盾，但人们对高空间分辨率遥感图像的需求永无止境。纯软件提升空间分辨率的方法是指不依赖硬件上的改进，通过某些算法对采集到的影像进行处理，以获得空间分辨率更高、质量更好的影像，但受算法限制，有局限性。纯硬件方法是指单纯依靠提升传感器硬件水平的方式来达到提高影像空间分辨率的目的。纯硬件方法提升分辨率主要有两种：增加传感器焦距和降低象元的尺寸，硬件制作难度大。近年有从改变采样模式上提高分辨率的方法，硬件制作相对简单。比如法国SPOT-5通过改变传感器CCD阵列的排列结构采用超模式成像或高模式成像。航空摄影系统ADS40的全色波段以及德国宇航中心的HSRS(HotSpotRecognitionSensors)也采用了和SPOT-5类似的设计。超模式或高模式成像硬件上限制严格，普通工艺难以实现，后续的空间校正方法也过于繁琐。

技术实现要素：
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置及方法，改变传统成像模式，采用斜模成像模式，仅改变高光谱高光谱线阵成像单元的成像角度，从而增加采样密度。高光谱线阵成像单元以倾斜的方式移动，图像的纵方向总长度减小(即幅宽减小)，采集的地物视场大小不变，等价于像元尺寸减小，则采样密度增大，从硬件成像模式上提升高光谱空间分辨率，满足对高空间分辨率提升的需求。本发明的技术方案：一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置，包括：支撑单元(1)、电动平移单元(2)、角度调节单元(3)、图像存储单元(4)、高光谱线阵成像单元(5)、供电转换单元(6)和上位机单元(7)；其中：所述支撑单元(1)，为整个装置的支撑平台，包括支架(11)和带有自锁机构的脚轮(12)；通过打开脚轮(12)使支撑单元(1)移动进行被测目标的更换；支架(11)用来固定电动平移台(2)、图像存储单元(4)及供电转换单元(6)；所述电动平移单元(2)，将旋转运动转换成平移运动，负责高光谱线阵成像单元(5)的平移成像，包括运动控制器(21)、交流伺服电机(22)、伺服驱动器(25)、滚珠丝杠(27)及相应联轴器(24)、基座及轨道(26)、运动滑块(23)；所述的角度调节单元(3)，负责高光谱线阵成像单元(5)的平移成像时，高光谱线阵成像单元(5)线扫描平面与电动平移单元(2)平移平面的角度调节(可调范围0°-90°)；角度调节单元(3)与电动平移单元(2)刚性连接；根据斜模成像的要求，手动调节角度调节单元(3)的刻度盘，形成不同夹角；所述图像存储单元(4)，为可以同时接收6路高光谱图像的无压缩存储器，通过CAMLink接口与高光谱线阵成像单元(5)的高光谱相机(52)相连，通过ESata接口与上位机单元(7)相连；所述的高光谱线阵成像单元(5)能够同时获得视场内840个谱段的图像，包括直角连接件(51)、高光谱像机(52)和镜头(53)，高光谱线阵成像单元(5)与角度调节单元(3)通过直角连接件(51)连接；所述供电单元(6)是给整个一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置用电模块供电，包括AC、DC/DC模块；供电单元(6)通过不同接口给图像存储单元(4)、高光谱线阵成像单元(5)、电动平移台(2)、上位机单元(7)供电；所述上位机单元(7)控制整个装置的运行，它分别通过计算机接口与电动平移单元(2)、图像存储单元(4)通信；对图像采集单元(5)中高光谱像机(52)的参数设置、电动平移台单元(2)相关参数的设置，从而实现图像数据的获取、分析与存储，并提供图像显示功能；对图像存储单元(4)和高光谱线阵成像单元的控制，得到的被测目标斜模高光谱图像。所述支撑单元(1)中的支架(11)由铝型材搭建而成，通过螺栓与电动平移台(2)的基座(26)连接；自锁脚轮(12)与支架(11)连接，自锁结构可保证测量时装置的稳定性。所述的电动平移单元(2)包括运动控制器(21)、交流伺服电机(22)、伺服驱动器(25)、滚珠丝杠(27)及相应联轴器(24)、基座及轨道(26)、运动滑块(23)；其中滚珠丝杆(27)固定在基座及轨道(26)内，通过相应的联轴器(24)与交流伺服电机(22)连接，滚珠丝杠(27)为P级滚珠丝杠，行程2000mm，工作外径25mm；运动控制器(21)为松下AFPX-C14RD可编程控制器；伺服驱动器(25)型号为HS0040A-P22S；交流伺服电机型号为110MB040A-001000；运动控制器输出高速脉冲给伺服驱动器(25)，伺服驱动器(25)直接驱动交流伺服电机(22)的运行，进而带动滚珠丝杠(27)转动，使得滑块(23)及装配在滑块(23)上的高光谱线阵成像单元(5)及角度调节单元(3)发生平移，实现高光谱像机的斜模成像；所述角度调节单元(3)通过底面与运动滑块(23)刚性连接，根据斜模成像的要求，手动调节角度调节单元(3)的刻度盘，形成不同夹角。所述图像存储单元(4)是一种并行的6路图像存储系统，存储器的大小2048G，有6个CAMLink接口，一个授时接口，一个ESata接口，存储的图像可以通过ESATA导出。所述高光谱像机直角连接件(51)由硬铝加工而成，整体形状为丁字形，在呈长方形的平面上有四个有螺纹孔，用来安装高光谱线阵成像单元(5)，另一个直角边通过螺栓的与角度调节单元(3)固定一起。所述高光谱图像相机(52)光谱范围400-1000nm，光谱分辨率2-3nm，探测原件CCD，像元数1392X1040，接口CAMLink；镜头(53)为OLE22，焦距22.5；光谱范围：400-1000nm，线阵CCD长度最大12.8mm；探元尺寸；无畸变；镜头孔径F/2.4；最小对焦距离30cm。所述供电单元(6)输入电压220V，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A。所述上位机单元(7)中的上位机为至少具有两个串口、一个ESata接口，系统内存大于2GB，支持WindowsXP操作系统的笔记本电脑。一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验方法，实现过程如下：(1)首先将所述装置放在室外开阔的地方，放置时将位于地面的支撑单元(1)调平，保证角度调节单元(3)处于零的位置，此时高光谱线阵成像单元(5)与电动平移单元(2)移动方向垂直，给整个所述装置供电，对电动平移单元(2)和高光谱线阵成像单元(5)进行初始化；(2)对高光谱线阵成像单元(5)进行初始化，直至调节图像清晰为止，调节办法：通过硬件调节高光谱相机(52)的方式调节图像，使图像最清晰，如果这种方式图像清晰不能满足要求，则在保证前面调整结果的基础上，打开调整高光谱相机(52)的图像，作进一步的调整，直至图像清晰为止，对镜头(53)进行固定，以保证调整后镜头(53)的焦距和光圈不变；(3)打开电动平移单元(2)，通过对被测目标距离高光谱线阵成像单元(5)的像敏面的距离进行估计，对电动平移单元(5)进行初始化，在初始化过程中直至调节图像清晰为止；(4)根据测试要求，调节手动角度单元(3)到相应的角度，可调范围0°-90°，采集被测目标的斜模成像图像，观察采集图像的质量是否满足要求，如图像模糊，需重新对电动平移单元(2)的速度和加速度参数进行调节，直至获取被测目标。本发明与现有技术相比的优点在于：本发明改变了传统的采样模式，通过调节高光谱成像线阵与电动平移单元移动方向的夹角，即通过调整成像线阵与推扫方向的夹角，形成一种斜采样模式，从硬件设计上保证空间分辨率提升。附图说明图1为本发明一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置的系统结构图；其中，图1中附图标记含义为1-支撑单元、2-电动平移单元、3-角度调节单元、4-图像存储单元、5-高光谱线阵成像单元、6-供电转换单元和7-上位机单元。图2为本发明斜模成像模式的示意图；其中，高光谱线阵成像单元线扫描平面与电动平移单元平移平面成一定角度(角度范围0°-90°)；图3为本发明一种斜模高光谱成像地面试验装置获取的高光谱原始图像。此时，高光谱线阵成像单元线扫描平面与电动平移单元平移平面成27°角；图4为本发明一种斜模高光谱成像地面试验装置获取27°角斜模高光谱图像经空间几何校正结果；图5为本发明一种斜模高光谱成像地面试验装置获取的高光谱原始图像。此时，高光谱线阵成像单元线扫描平面与电动平移单元平移平面成一定45°角；图6为本发明一种斜模高光谱成像地面试验装置获取45°角斜模高光谱图像经空间几何校正结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。如图1所示一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置，该装置包括：支撑单元1、电动平移单元2、角度调节单元3、图像存储单元4、高光谱线阵成像单元5、供电转换单元6和上位机单元7；其中：支撑单元1是整个装置的支撑平台，由用来固定的电动平移台2、图像存储单元4及供电转换单元6的支架11和带有自锁机构的脚轮12组成。支架11由铝型材搭建，通过螺栓与电动平移台的基座26连接；自锁脚轮12与支架连接，利用这种结构测量时方便移动，自锁结构可保证测量时装置的稳定性。电动平移单元2将旋转运动转换成平移运动，负责高光谱线阵成像单元5的平移成像。由运动控制器21、交流伺服电机22、伺服驱动器25、滚珠丝杠27及相应联轴器24、基座及轨道26、运动滑块23组成；其中滚珠丝杆27固定在基座及轨道26内，通过相应的联轴器24与交流伺服电机22连接；运动控制器21为可编程逻辑控制器PLC，输出高速脉冲给伺服驱动器25，伺服驱动器25直接驱动交流伺服电机22的运行，进而带动滚珠丝杠27转动，使得滑块23及装配在滑块23上的高光谱线阵成像单元5及角度调节单元3发生平移，实现高光谱像机的斜模成像；角度调节单元3负责高光谱线阵成像单元5的平移成像时，被测目标垂直于地面的视场的改变。角度调节单元3与运动滑块23刚性连接，根据斜模成像的要求，手动调节角度调节单元3。角度调节单元3台面尺寸直径100，绝对定位精度0.005度，角度范围100度。图像存储单元4通过CAMLink接口与高光谱线阵成像单元5的高光谱相机52相连，图象存储单元4通过ESata接口与上位机单元7相连。通过上位机单元7对图像存储单元4和高光谱线阵成像单元5的控制，得到被测目标的斜模高光谱图像。存储器的大小2048G，存储的图象可以通过ESata接口导出。高光谱线阵成像单元5的高光谱像机52的直角连接件51由硬铝加工而成，整体形状为丁字形，呈长方形的平面与高光谱线阵成像单元5安装到一起，另一直角边与角度调节单元3固定。高光谱线阵成像单元5，光谱范围400-1000nm，光谱分辨率2-3nm，探测原件CCD，像元数1392X1040，接口CAMLink。高光谱前置镜头为OLE22，焦距22.5；光谱范围：400-1000nm，线阵CCD长度最大12.8mm；探元尺寸；无畸变；镜头孔径F/2.4；最小对焦距离30cm。可同时获得视场内800谱段的图像。供电单元6是给整个一种超分重建的斜模高光谱成像地面试验装置用电模块供电，包括AC、DC/DC模块，供电单元输入电压220v，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A；将供电单元不同接口分别接入到图像存储单元的高光谱线阵成像单元、电动平移台、上位机单元。上位机单元7控制整个装置的运行，它分别通过计算机接口与上述电动平移单元2、图像存储单元4通信，实现高光谱线阵成像单元5高光谱相机52的参数设置、电动平移单元2的相关参数的设置，从而实现图像数据的获取、分析与存储，并提供图像显示功能。上位机单元软件实现过程如下：(1)首先将所述装置放在室外开阔的地方，放置时将地面支撑单元调平，保证角度调节单元处于零的位置，这时相机光轴平行于地面，利用脚轮12自锁机构锁紧，防止支撑单元1移动。给整个所述装置供电，对电动平移单元2和高光谱线阵成像单元5进行初始化；(2)打开MAstar软件，对高光谱线阵成像单元5进行初始化，直至调节图像清晰为止。调节办法：首先调节镜头53的焦距及光圈，看图像的质量是否满足要求，如不能满足要求，则配合高光谱线阵成像单元5的高光谱相机52的参数调节和镜头的焦距及光圈调节。(3)调节完成后，打开电动平移台软件，通过对被测目标距离高光谱线阵成像单元5像敏面的距离的估计，根据估计的结果高光谱线阵成像单元5的高光谱相机52的帧频，对电动平移单元2进行初始化。(4)根据测试要求，调节手动角度单元到相应的角度，采集被测目标的斜模图像。如图2所示，图1中的5-高光谱线阵成像单元线扫描平面与图1中的2-电动平移单元平移平面成一定角度θ(角度范围0°-90°)。成像时高光谱线阵成像单元随电动平移单元推扫，形成一幅推扫图像。此时，图像的幅宽＝Lsinθ(L为高光谱线阵成像单元探元CCD的长度)，小于常规成像模式图像的幅宽L，获取的地物范围不变，等价于像元尺寸减小。增大了采样密度，从提高图像空间分辨率。如图3所示，成像时，高光谱线阵成像单元与推扫方向成27°角，图像幅宽＝Lsin27°。如图4所示，对图3进行空间几何校正后的图像。如图5所示，成像时，高光谱线阵成像单元与推扫方向成45°角，图像幅宽＝Lsin45°。如图4所示，对图5进行空间几何校正后的图像。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。