一种Landsat与SPOT卫星影像自动配准方法与流程

本发明涉及一种卫星影像间的自动配准方法，特别是关于一种landsat中分辨率与spot高分辨率卫星影像自动配准方法。

背景技术：

图像配准是在不同时相、不同传感器或不同视角的同一景物的两幅或多副图像进行匹配和几何校准的过程。随着图像传感器技术的发展，多传感器图像配准是遥感图像处理的重要研究内容，也是图像融合、长时间序列变化检测以及镶嵌等过程中必不可少的预处理步骤。

现有遥感图像配准方法可以划分为四类：基于区域的配准、基于特征的配准、基于混合模型的配准以及基于物理模型的配准。其中，基于特征的配准是目前使用最多的遥感图像配准方法，它将整个图像的分析转化为对图像特征的分析，降低了计算量，较适合大场景的图像配准。其中，较为典型的是lowe于1999年提出了尺度不变特征变换(scaleinvariantfeaturetransform,sift)，baya于2008年提出了surf(speededuprobustfeatures)局部算子，得到了广泛应用。但是这些方法实现的基础是多源影像中具有同类型特征，landsat5/7/8多光谱影像分辨率为30m，spot6多光谱分辨率为6m，与landsat多光谱图像间分辨率相差5倍，spot5全色分辨率为5m，与landsat多光谱图像间的分辨率相差6倍，特征的差异性极大，有可能会把一些特征相似性较小但却是正确的匹配点对剔除掉，造成上述方法配准失效，在此类领域还没有将分辨率差异性较大(5-6倍)的landsat中分辨率和spot高分辨率卫星影像配准的自动配准方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够增大匹配阈值获得更多图像特征的landsat与spot卫星影像自动配准方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种landsat与spot卫星影像自动配准方法，包括以下内容：

获得spot卫星影像以及landsat卫星影像，分别对获得的卫星影像进行预处理；

采用sift算法对两幅卫星影像分别进行处理，获得初始匹配集合；

对初始匹配集合完成空间一致性约束筛选；

对一次筛选后的匹配结果进行二次筛选；

采用误差剔除后正确的匹配点计算spot卫星影像和landsat卫星影像之间的几何模型相似变换系数，实现landsat与spot卫星影像的配准。

进一步地，对获得的卫星影像进行预处理具体过程为：

1)分别对spot卫星影像和landsat卫星影像建立高斯图像差分金字塔dog，通过不同尺度的高斯核函数连续滤波和下采样，形成高斯金字塔图像，并对相邻尺度的高斯图像相减得到dog多尺度空间；

2)对dog多尺度空间每个点与相邻位置点和上下相邻尺度点逐个进行比较，得到局部极值点并定义为关键点；

3)将关键点邻域内各点梯度方向的直方图中最大值所对应的方向作为关键点的主方向，采用特征向量描述关键点。

进一步地，采用sift算法对两幅卫星影像分别进行处理，获得初始匹配集合，具体过程为：

采用sift算法对两幅卫星影像分别进行处理，分别生成sift关键点特征向量，采用关键点特征向量的欧式距离，作为两幅图像中关键点的相似性判定度量，具体为：计算两个关键点向量间的欧式距离，两幅影像上存在多个关键点，对于spot影像中的某个关键点，在landsat影像所有得到的关键点中找出与该关键点的欧氏距离最近的前两个欧氏距离，即最小距离d_min和次最小距离d_scn，计算两者比值r＝d_min/d_scn，并将那些r值小于设定比例阈值的关键点作为初始匹配点。

进一步地，预定比例阈值取值范围为[0.6,0.8]。

进一步地，对初始匹配集合完成空间一致性约束筛选的具体过程为：

3.1)在初始匹配集合中选择种子点，根据landsat卫星影像与spot卫星影像上的欧式距离选择欧式距离最近的一对特征点作为种子点(fa^m,fa^h)；

3.2)基于设定的空间约束条件判断landsat卫星影像上特征点fb^m与spot卫星图像上特征点fb^h是否为一对正确特征匹配；

3.3)从初始匹配集合中，根据空间约束条件对所有匹配点对进行筛选，对符合条件的匹配点对予以保留，不符合的去除，获得一次筛选后的匹配结果。

进一步地，空间约束规则包括角度约束和距离约束，具体为：

角度约束：角度定义为图像上两个特征点连线与水平线的夹角，θ(fa^m,fb^m)表示landsat卫星影像上，特征点fa^m与特征点fb^m连线与水平线的夹角，同理，θ(fa^h,fb^h)表示spot卫星影像上，特征点fa^h与特征点fb^h连线与水平线的夹角，角度约束表示了θ(fa^m,fb^m)与θ(fa^h,fb^h)差值在一个预设的差距tθ范围内，如公式(1)所示,

|θ(fa^m,fb^m)-θ(fa^h,fb^h)|＜tθ(1)

距离约束：landsat卫星影像上表示从特征点fa^m到特征点fb^m的距离，同理，spot卫星影像上特征点fa^h到特征点fb^h间的距离表示为它们之间的关系表示特征点间的距离差值约束在预设的值tλ内，即满足公式(2)，其中，psh和psm分别表示landsat与spot卫星影像的空间分辨率：

进一步地，对一次筛选后的匹配结果进行二次筛选采用ransac算法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提出landsat卫星影像与spot卫星影像自动配准的新方法，采用一种“宽进严出”的策略，在图像配准的时候通过“宽进”，即增大匹配阈值获得更多图像特征，包括了差异性较大的特征集合；在特征匹配时，通过“严出”即空间约束关系实现影像间的精确配准，因此实现了空间分辨率差距较大的landsat与spot卫星影像的高精度匹配，从而实现空间分辨率差距较大(5-6倍)的卫星图像几何校正。

2、本发明对landsat和spot卫星图像进行预处理，然后提取sift点特征，并根据空间约束关系，计算待配准landsat图像在参考spot卫星图像坐标系中的位置，从而实现landsat卫星影像的几何校正，能够将landsat卫星影像配准至参考spot影像投影坐标系下，并将误差计算到一个像素以内。

综上，本发明可以广泛应用于卫星影像间的自动配准方法。

附图说明

图1是本发明的卫星影像自动配准方法流程图；

图2是本发明的landsat与spot卫星图像匹配点对空间约束规则示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

spot和landsat卫星影像简介：spot系列卫星是法国空间研究中心(cnes)研制的一种地球观测卫星系统，至今已发射spot卫星1-7号，其中1,2,3已退役，其它正常运行。

landsat系列卫星是美国国家航空航天局(nasa)的陆地卫星计划，从1972年7月23日以来，已发射8颗，其中1-4号已经相继失效，landsat5与2013年退役，第6颗发射失败，landsat7和landsat8正常运行。

spot卫星影像和landsat卫星影像即通过spot4-7以及landsat5/7卫星对地观测生成的遥感图像。

如图1所示，本发明提供的landsat与spot卫星影像自动配准方法，包括以下内容：

1、获得spot卫星影像以及landsat卫星影像，分别对获得的卫星影像进行预处理，具体为：

对landsat卫星影像和spot卫星影像进行直方图拉伸、低通滤波去噪处理，并对处理后的图像分别提取sift关键点，其中，sift方法为现有技术，采用sift特征提取算子提取sift关键点，上述过程为：

(1)分别对spot卫星影像和landsat卫星影像建立高斯图像差分金字塔dog(differenceofgaussians)。通过不同尺度的高斯核函数连续滤波和下采样，形成高斯金字塔图像，并对相邻尺度的高斯图像相减得到dog多尺度空间。

(2)关键点检测

对dog尺度空间每个点与相邻位置点和上下相邻尺度点逐个进行比较，得到局部极值点定义为关键点。

(3)关键点描述

首先将关键点邻域内各点梯度方向的直方图中最大值所对应的方向作为关键点的主方向，并采用一个128维特征向量描述关键点。

2、采用sift算法对两幅卫星影像分别进行处理，获得初始匹配集合，具体为：

采用sift算法对两幅卫星影像分别进行处理，分别生成sift关键点特征向量，采用关键点特征向量的欧式距离，作为两幅图像中关键点的相似性判定度量，具体为：计算两个关键点向量间的欧式距离，两幅影像上存在多个关键点，对于spot影像中的某个关键点，在landsat影像所有得到的关键点中找出与该关键点的欧氏距离最近的前两个欧氏距离，即最小距离d_min和次最小距离d_scn，计算两者比值r＝d_min/d_scn，并将那些r值小于设定比例阈值的关键点作为初始匹配点。降低比例阈值，sift匹配点数目会减少，一般情况下，预定比例阈值取值范围为[0.6,0.8]，在本发明中，由于spot影像和landsat影像的空间分辨率相差较大(5-6倍)，通常的阈值范围无法获得足够的匹配点，例如：取两幅影像中欧式距离最近的前两个关键点，在这两个关键点中，如果最近的距离除以次近的距离小于某个比例阈值，则接受这一对匹配点；为了匹配足够多的点，将该比例阈值可以增大取值为0.9，完成所有关键点的匹配从而获得初始匹配集合。

其中，欧氏距离公式为：

其中，d表示欧氏距离，n表示特征向量的维数，x表示spot图像上的某个关键点特征向量，y表示待配准landsat图像上的某个关键点特征向量，x(i)表示向量x的第i个坐标值，y(i)表示向量y的第i个坐标值。

3、对初始匹配集合完成空间一致性约束筛选

3.1)在初始匹配集合中选择种子点，根据landsat卫星影像与spot卫星影像上的欧式距离选择欧式距离最近的一对特征点作为种子点，即根据spot影像和landsat影像上所有关键特征点两两之间计算欧式距离，取值距离最小所对应的一对关键特征点作为种子点(fa^m,fa^h)，通常认为这两个点为一对正确匹配，具体操作时可以根据关键点间的欧式距离大小排序的结果选择多个(例如10个)种子点，可以根据实际需要进行选择，针对每个种子点都进行下述筛选过程，并将多个种子点筛选的匹配集合求交集，这个结果可以作为最终的匹配结果集合。

3.2)如图2所示，基于选定的某一种子点对(fa^m,fa^h)，根据空间约束规则判断landsat卫星影像上特征点fb^m与spot卫星影像上特征点fb^h是否为一对正确特征匹配。

空间约束规则1：角度约束。

角度定义为图像上两个特征点连线与水平线的夹角，如图2所示，θ(fa^m,fb^m)表示landsat卫星影像上，特征点fa^m与特征点fb^m连线与水平线的夹角。同理，θ(fa^h,fb^h)表示spot卫星影像上，特征点fa^h与特征点fb^h连线与水平线的夹角。角度约束表示了θ(fa^m,fb^m)与θ(fa^h,fb^h)差值在一个较小的差距tθ范围内，根据需要确定即可，如公式(1)所示,

|θ(fa^m,fb^m)-θ(fa^h,fb^h)|＜tθ(1)

空间约束规则2：距离约束。

landsat卫星影像上表示从特征点fa^m到特征点fb^m的距离。同理，spot卫星影像上特征点fa^h到特征点fb^h间的距离表示为它们之间的关系表示特征点间的距离差值约束在一个较小的值tλ内，根据需要确定即可，即满足公式(2)，其中psh和psm分别表示landsat与spot卫星影像的空间分辨率：

3.3)从初始匹配集合中，根据空间约束条件1和2的要求对所有匹配点对进行筛选，对符合条件的匹配点对予以保留，不符合的去除，获得一次筛选后的匹配结果。

4、对一次筛选后的匹配结果进行二次筛选

一次筛选后的匹配中仍可能会存在错误的匹配点，需要进行二次筛选，这里采用相似变换模型公式(3)的ransac算法进行粗差的剔除。

其中，为关键点的卫星影像坐标，为其在地面正射影像中的坐标，a、b、c、d为相似变换系数。

5、采用误差剔除后正确的匹配点计算spot卫星影像和landsat卫星影像之间的几何模型相似变换系数(即最优模型参数)，实现了landsat与spot卫星影像的高精度配准。

在遥感影像处理领域，图像配准是实现影像融合、变化检测、三维重建、影像拼接等应用的一个关键步骤。由于影像获取的条件和方式不同，使得获取的影像之间所包含的信息存在一定的差异。通过影像融合、变化检测等技术对这些差异信息进行分析和对比之后，可以实现不同影像信息之间的优势互补和综合利用，从而获得关于实际地物更加全面的信息。而在分析和比较多幅影像时，需要首先把这些影像变换到同一坐标系之下进行对齐，使得影像中的同名地物点保持重合，这就需要对这些影像进行配准处理。本发明中分辨率landsat与高分辨率spot卫星影像自动配准方法的益处为：

(1)spot与landsat属于不同的卫星传感器。通过综合利用不同传感器的数据获取更加全面的场景描述，配准结果主要应用范围：融合影像以获取更多的特征信息，例如融合多光谱影像获取更高光谱分辨率、融合全色影像获取更高空间分辨率等。本发明的主要特点就在于这两种传感器的空间分辨率相差较大(5-6倍)，一般传统的sift匹配在匹配的过程中容易失败，本发明则更容易得到较多的正确匹配点完整配准过程；

(2)不同时相的spot与landsat影像配准。对不同时间点获取的同一地区的影像进行配准，主要目的在于从不同时间拍摄的影像中找出该拍摄地区的变化情况，主要应用范围：土地监测、变化区域对比分析等。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。