相位相关法辅助的重复纹理区低空影像匹配-武汉大学遥感信息工程学院
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
２ ３ ２ 何海清１， 张永军 黄声享 江西 南昌 ， １ 东华理工大学测绘工程学院 ， ３ ３ ０ ０ １ ３ 湖北 武汉 ， ２ 武汉大学测绘学院 ， ４ ３ ０ ０ ７ ９ 湖北 武汉 ， ４ ３ ０ ０ ７ ９ ３ 武汉大学遥感信息工程学院 ，
摘 要： 针对重复纹理区低空影像匹配中存在的多义性易 造 成 同 名 点 过 少 或 匹 配 失 败 等 问 题 ， 利用相位相关 预测同名点在平移 、 旋转和尺度上的遍历范围 ， 并以尺 法计算了像对中两影像傅立叶变换复共轭的互功率谱 ， 然后通过相关系数法和核线约束匹配同名点。 度遍历范围自适应估计 Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ ａ ｌ ａ ｃ ｅ尺度空间和 检 测 角 点 ， －Ｌ ｐ 实验验证了该方法对于重复纹理区低空影像匹配的可靠性和实用性 ， 可获得数量足够且分布均匀的同名点 。 关键词 ： 低空影像 ； 重复纹理 ； 相位相关 ； Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ ａ ｌ ａ ｃ ｅ算法 －Ｌ ｐ 中图法分类号 ： Ｐ ２ ３ ７． ３ 文献标志码 ： Ａ
第３ ９卷 第１ ０期 ２ ０ １ ４年１ ０月
武 汉 大 学 学 报 · 信 息 科 学 版 Ｇ ｅ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
处理领域得到了深入的研究 。 在低空影像点匹配 前， 利用相位相关法估计同名点的遍历范围 。 低空影像与传统的航空和卫星影像有着明显 地 面 起 伏、 地 物 遮 挡、 视差不连续等在低 的差 异 ， 空影像中的表现 更 为 突 出 ， 空中不同视点垂直摄 影得到的低空影像像对重叠区域的内容也不尽相 同， 相位相关峰值不再是一孤立的较大值 ， 而是一 束较大值 ， 如何界 定 同 名 点 的 遍 历 范 围 对 于 点 匹 配的准确性和效率至关重要 。 图 １ 为某低空影像 相位相关极大值 的 水 平 剖 面 线 ， 邻域具有明显带 相位相 关 值 δ 脉 冲 函 数 的 单 一 极 大 值 宽 。 可见 ， 可能无法代表所有像素的位移关系 。
１ 初始匹配
影像匹配是利用特定算法识别具有重叠区域
图 １ 相位相关峰值剖面图 Ｆ ｉ ． １ Ｐ ｅ ａ ｋ Ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ １ ０ ２ ５ － － ） ； 项目来源 ： 国家科技支撑计划资助项目 （ 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室基金资助 项 目 （ ２ ０ １ １ Ｂ ＡＨ １ ２ Ｂ ０ ５ Ｐ Ｆ ２ ０ １ １ － ） ； ） 。 国家自然科学基金资助项目 （ １ １ ４ １ ２ ０ ６ ０ ７ ８， ４ １ ２ ０ ４ ０ ０ ３ ： 第一作者 ： 何海清 ， 博士 ， 讲师 。 现从事摄影测量与遥感及大地测量数据处理等方面的研究 。Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｈ ｉ ｎ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｙ ｑ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９Ｎ ｏ ． １ ０ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ ４
： ／ ． ｗ ｈ ｕ ｉ ｓ ２ ０ １ ２ ０ ５ ７ １ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ ３ ２ ０ ３ ｊ ｇ
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ １ ８ ８ ６ ０ ２ ０ １ ４ １ ０ １ ２ ０ ４ ０ ４ － － －
相位相关法辅助的重复纹理区低空影像匹配
飞艇等作为搭载平台的低空摄影 以无人机 、 测量技术飞速发展 ， 并被广泛应用于资源调查 、 城 市规 划 、 灾害监测等领域， 其 中， 影像匹配是低空 影像处理的关键技术之一
［ ］ １ ２ －
的一幅或多幅影像同名点的过程 。 基于相位相关
］ ３ ５ － ， 的平移 、 旋转与 尺 度 不 变 性 图 像 配 准 ［ 在影像
９ 卷第 １ ０期 第３
何海清等 ： 相位相关法辅助的重复纹理区低空影像匹配
１ ２ ０ ５
借鉴容差的思想 ， 利用平移 、 旋转与尺度相位 相关两个过程来 逆 向 估 计 同 名 点 的 遍 历 范 围 ， 以 相位相关峰值为中心和固定步长增加半径逐步确 定搜索范围 ， 如 图 ２ 所 示 。 影 像 相 位 相 关 值δ 脉 表示值越 冲极大值邻域的 平 面 灰 度 图 颜 色 越 深 ， 大， 当圆环中覆盖的 相 位 相 关 值 满 足 式 （ 时， 则 １） 终止扩大范围 ， 确定平移量 Ｔｘ 、 Ｔｙ 以及当 前 容 差 ， 半径ｔ Ｔｘ ∈ ［ ｔ ｔ ｔ ｔ Ｔｙ ∈ ｒ 的遍历范围（ ｘ－ ｒ， ｘ＋ ｒ］ ） 。 尺度变化 Ｓ 与旋转角θ 也采用 ｔ ｔ ｔ ｔ ｒ， ｒ］ ｙ－ ｙ＋ ［ 类似方法确定容差半径分别为ｓ 角度 θ ｒ、 ｒ 的尺度 、 ， ， 的 遍 历 范 围 （ Ｓ ∈ ［ ｓ － ｓ ＋ ｓ ｒｓ ｒ］ θ ∈ ） 。 θ θ θ θ ０－ ｒ， ０＋ ｒ］ ［ ｓ ｔ ｄ ｔ ｄ ｔ ｄ ｎ ≤ｓ ｎ １ ≤ … ≤ｓ １ ，ｍ ｎ －ｍ ｎ １ ＜ε ｍ － － （ ） １ 式中 ， 趋向收 １～ｎ 环 相 位 相 关 值 的 标 准 差 （ ｓ ｔ ｄ） 敛， 且 ｎ 环的均值 ｍｎ 比ｎ－１ 环的均值 ｍｎ－１ 小 。
。 迄今为止 ， 国内外
学者对低空影像 匹 配 进 行 了 大 量 的 研 究 ， 最具代 旋 转、 平 移、 光照不变性的 表性的 是 利 用 尺 度 、 。然 Ｓ Ｉ Ｆ Ｔ 算法进行低空遥感影像全自动匹配 ， ， 而 相比传统的航空与卫星摄影 低空摄影平台的
［ ］ １ ２ －
飞行高度较低 ， 飞行平台不稳定 ， 影像间的旋偏角 和尺度差异较大 ， 且影像覆盖面积小 ， 有些区域的 周期性纹理或缺少丰富纹理 ， 给 影像具有重复性 、 影像全自动化匹配带来了巨大挑战 。 本文针对重复纹理区低空影像匹配中存在的 借 多义性易造成同 名 点 过 少 或 匹 配 失 败 等 问 题 ， 助快速傅立叶变换 （ ｆ ａ ｓ ｔ Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ， Ｆ Ｆ Ｔ） 相位相关法预测 同 名 点 的 遍 历 范 围 ， 利用相关系 数法进行相似性 测 度 ， 结合核线约束剔除误匹配 点 。 实验表明 ， 该方法可提高重复纹理区低空影 像匹配的成功率 ， 获得数量足够且分布均匀的同 名点 。
摘 要： 针对重复纹理区低空影像匹配中存在的多义性易 造 成 同 名 点 过 少 或 匹 配 失 败 等 问 题 ， 利用相位相关 预测同名点在平移 、 旋转和尺度上的遍历范围 ， 并以尺 法计算了像对中两影像傅立叶变换复共轭的互功率谱 ， 然后通过相关系数法和核线约束匹配同名点。 度遍历范围自适应估计 Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ ａ ｌ ａ ｃ ｅ尺度空间和 检 测 角 点 ， －Ｌ ｐ 实验验证了该方法对于重复纹理区低空影像匹配的可靠性和实用性 ， 可获得数量足够且分布均匀的同名点 。 关键词 ： 低空影像 ； 重复纹理 ； 相位相关 ； Ｈ ａ ｒ ｒ ｉ ｓ ａ ｌ ａ ｃ ｅ算法 －Ｌ ｐ 中图法分类号 ： Ｐ ２ ３ ７． ３ 文献标志码 ： Ａ
第３ ９卷 第１ ０期 ２ ０ １ ４年１ ０月
武 汉 大 学 学 报 · 信 息 科 学 版 Ｇ ｅ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
处理领域得到了深入的研究 。 在低空影像点匹配 前， 利用相位相关法估计同名点的遍历范围 。 低空影像与传统的航空和卫星影像有着明显 地 面 起 伏、 地 物 遮 挡、 视差不连续等在低 的差 异 ， 空影像中的表现 更 为 突 出 ， 空中不同视点垂直摄 影得到的低空影像像对重叠区域的内容也不尽相 同， 相位相关峰值不再是一孤立的较大值 ， 而是一 束较大值 ， 如何界 定 同 名 点 的 遍 历 范 围 对 于 点 匹 配的准确性和效率至关重要 。 图 １ 为某低空影像 相位相关极大值 的 水 平 剖 面 线 ， 邻域具有明显带 相位相 关 值 δ 脉 冲 函 数 的 单 一 极 大 值 宽 。 可见 ， 可能无法代表所有像素的位移关系 。
１ 初始匹配
影像匹配是利用特定算法识别具有重叠区域
图 １ 相位相关峰值剖面图 Ｆ ｉ ． １ Ｐ ｅ ａ ｋ Ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｆ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ １ ０ ２ ５ － － ） ； 项目来源 ： 国家科技支撑计划资助项目 （ 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室基金资助 项 目 （ ２ ０ １ １ Ｂ ＡＨ １ ２ Ｂ ０ ５ Ｐ Ｆ ２ ０ １ １ － ） ； ） 。 国家自然科学基金资助项目 （ １ １ ４ １ ２ ０ ６ ０ ７ ８， ４ １ ２ ０ ４ ０ ０ ３ ： 第一作者 ： 何海清 ， 博士 ， 讲师 。 现从事摄影测量与遥感及大地测量数据处理等方面的研究 。Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｈ ｉ ｎ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｙ ｑ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９Ｎ ｏ ． １ ０ Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ ４
： ／ ． ｗ ｈ ｕ ｉ ｓ ２ ０ １ ２ ０ ５ ７ １ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ ３ ２ ０ ３ ｊ ｇ
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ １ ８ ８ ６ ０ ２ ０ １ ４ １ ０ １ ２ ０ ４ ０ ４ － － －
相位相关法辅助的重复纹理区低空影像匹配
飞艇等作为搭载平台的低空摄影 以无人机 、 测量技术飞速发展 ， 并被广泛应用于资源调查 、 城 市规 划 、 灾害监测等领域， 其 中， 影像匹配是低空 影像处理的关键技术之一
［ ］ １ ２ －
的一幅或多幅影像同名点的过程 。 基于相位相关
］ ３ ５ － ， 的平移 、 旋转与 尺 度 不 变 性 图 像 配 准 ［ 在影像
９ 卷第 １ ０期 第３
何海清等 ： 相位相关法辅助的重复纹理区低空影像匹配
１ ２ ０ ５
借鉴容差的思想 ， 利用平移 、 旋转与尺度相位 相关两个过程来 逆 向 估 计 同 名 点 的 遍 历 范 围 ， 以 相位相关峰值为中心和固定步长增加半径逐步确 定搜索范围 ， 如 图 ２ 所 示 。 影 像 相 位 相 关 值δ 脉 表示值越 冲极大值邻域的 平 面 灰 度 图 颜 色 越 深 ， 大， 当圆环中覆盖的 相 位 相 关 值 满 足 式 （ 时， 则 １） 终止扩大范围 ， 确定平移量 Ｔｘ 、 Ｔｙ 以及当 前 容 差 ， 半径ｔ Ｔｘ ∈ ［ ｔ ｔ ｔ ｔ Ｔｙ ∈ ｒ 的遍历范围（ ｘ－ ｒ， ｘ＋ ｒ］ ） 。 尺度变化 Ｓ 与旋转角θ 也采用 ｔ ｔ ｔ ｔ ｒ， ｒ］ ｙ－ ｙ＋ ［ 类似方法确定容差半径分别为ｓ 角度 θ ｒ、 ｒ 的尺度 、 ， ， 的 遍 历 范 围 （ Ｓ ∈ ［ ｓ － ｓ ＋ ｓ ｒｓ ｒ］ θ ∈ ） 。 θ θ θ θ ０－ ｒ， ０＋ ｒ］ ［ ｓ ｔ ｄ ｔ ｄ ｔ ｄ ｎ ≤ｓ ｎ １ ≤ … ≤ｓ １ ，ｍ ｎ －ｍ ｎ １ ＜ε ｍ － － （ ） １ 式中 ， 趋向收 １～ｎ 环 相 位 相 关 值 的 标 准 差 （ ｓ ｔ ｄ） 敛， 且 ｎ 环的均值 ｍｎ 比ｎ－１ 环的均值 ｍｎ－１ 小 。
。 迄今为止 ， 国内外
学者对低空影像 匹 配 进 行 了 大 量 的 研 究 ， 最具代 旋 转、 平 移、 光照不变性的 表性的 是 利 用 尺 度 、 。然 Ｓ Ｉ Ｆ Ｔ 算法进行低空遥感影像全自动匹配 ， ， 而 相比传统的航空与卫星摄影 低空摄影平台的
［ ］ １ ２ －
飞行高度较低 ， 飞行平台不稳定 ， 影像间的旋偏角 和尺度差异较大 ， 且影像覆盖面积小 ， 有些区域的 周期性纹理或缺少丰富纹理 ， 给 影像具有重复性 、 影像全自动化匹配带来了巨大挑战 。 本文针对重复纹理区低空影像匹配中存在的 借 多义性易造成同 名 点 过 少 或 匹 配 失 败 等 问 题 ， 助快速傅立叶变换 （ ｆ ａ ｓ ｔ Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ， Ｆ Ｆ Ｔ） 相位相关法预测 同 名 点 的 遍 历 范 围 ， 利用相关系 数法进行相似性 测 度 ， 结合核线约束剔除误匹配 点 。 实验表明 ， 该方法可提高重复纹理区低空影 像匹配的成功率 ， 获得数量足够且分布均匀的同 名点 。