一种自动提取控制点的光谱影像校正方法与流程

本发明涉及光谱影像领域几何，具体涉及一种自动提取控制点的光谱影像校正方法。

背景技术：

成像光谱仪是一种“图谱合一”的光谱仪器，一次扫描可获得物体的图像和光谱信息，目前已被广泛应用于农作物生长监测、果品检测、森林灾害等方面的研究。尽管众多学者在成像光谱仪应用方面取得了很大成就，但将其应用于单株立木的测树因子(树高、树冠、胸径)提取、光谱特征分析等方面的研究还未见报道。

在使用成像光谱仪对实际单株立木进行拍摄的过程中，为了将整株立木拍摄完整，会适当调整拍摄物距及镜头的拍摄角度，因此，所获取的影像会发生几何畸变，这对测树因子的提取有重要影响，如果对光谱成像仪扫描获取的影像不经过影像校正，则会对实际结果造成很大的误差。

众多学者对影像畸变校正的方法有过诸多研究，其主要有多项式模型、有理函数模型、基于参考影像进行配准法、共线方程法、投影变换法等。这均需要明确的地面控制点、参考影像等才能完成对影像的校正，但通过成像光谱仪拍摄获得的影像，既不存在明确的控制点，也不存在明确的参考影像。如何通过拍摄物距及镜头拍摄角度，快速获取影像控制点对其进行畸变校正是本研究所需要解决的问题。因此，本发明是一种基于拍摄物距、镜头拍摄角度两个因子，自动获取控制点的光谱影像校正方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种自动提取控制点的光谱影像校正方法，其可以在无法获取控制点情况下，解决对拍摄仰角造成的梯形畸变进行校正的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种自动提取控制点的光谱影像校正方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

s1：不同物距、无拍摄角度与有拍摄角度的光谱影像获取；

s2：不同物距下的实际成像大小与物距的关系；

s3：镜头到影像中心点、上边线及下边线中点距离的计算；

s4：影像上边线及下边线中点至影像中心点实际高度的计算；

s5：影像上边线、下边线、水平中轴线实际成像长度的计算；

s6：s4与s5计算的实际高度、长度转换为像素数；

s7：控制点对的获取及影像的校正。

进一步的方案为：

步骤s2的具体操作为：根据拍摄物距，建立拍摄物距、实际成像大小之间的线性关系：

fun(di,dfactleni)，dfactleni＝di*0.5164-0.7303，r²＝1

式中，fun()为拍摄物距与实际成像大小之间的线性关系，di为拍摄物距，dfactleni为通过影像中心点的水平线实际长度。

步骤s3的具体操作为：

s31：选取有镜头拍摄角度的质量较好的影像；

s32：根据拍摄物距、镜头拍摄角度计算镜头到影像中心点、上边线及下边线中点距离，公式分别如下：

qo'＝qo/cosα＝d/cosα

qb'＝qo/cos(α+13°)＝d/cos(α+13°)

当α>13°，qa'＝qo/cos(α-13°)＝d/cos(α-13°)

当α<13°，qa'＝qo/cos(13°-α)＝d/cos(13°-α)

式中，qo'为镜头到影像中心点的距离，qb'为镜头到影像上边线中点的距离，qa'为镜头到影像下边线中点的距离，d为拍摄物距，α为镜头拍摄角度。

步骤s4中：影像上边线及下边线中点至影像中心点实际高度的计算公式如下：

b'o'＝b'o–oo'＝qo*tan(α+13°)–qo*tanα＝d*tan(α+13°)–d*tanα

当α>13°，则a'o'＝oo'–a'o＝qo*tanα–qo*tan(α-13°)＝d*tanα–d*tan(α-13°)

当α<13°，则a'o'＝oo'–a'o＝qo*tanα–qo*tan(13°-α)＝d*tanα–d*tan(13°-α)

式中，b'o'为影像上边线中点至影像中心点的实际高度，a'o'为影像下边线中点至影像中心点的实际高度，d为拍摄物距，α为镜头拍摄角度。

步骤s5具体操作为：

根据步骤s2建立的物距与实际成像大小的关系fun(di,dfactleni)，分别计算影像的上边线、下边线、水平中轴线的实际长度，公式如下：

dmidfactx＝qo'*0.5164–0.7303＝d/cosα*0.5164–0.7303

dupfactx＝qb'*0.5164–0.7303＝d/cos(α+13°)*0.5164–0.7303

当α>13°，ddownfactx＝qa'*0.5164–0.7303＝d/cos(α-13°)*0.5164–0.7303

当α<13°，ddownfactx＝qa'*0.5164–0.7303＝d/cos(13°-α)*0.5164–0.7303

式中，dmidfactx为影像水平中轴线的实际长度，dupfactx为影像上边线的实际长度，ddownfactx为影像下边线的实际长度，d为拍摄物距，α为镜头拍摄角度。

步骤s6中：以影像水平中轴线实际成像长度及对应的影像像素数为参照，将步骤s4、s5中计算的影像上下边线中点至影像中心点的高度、影像上下边线的实际成像长度转换为像素数，公式如下：

duppixely＝b'o'*dimg/dmidfactx+dimg/2＝[d*tan(α+13°)–d*tanα]*dimg/dmidfactx+dimg/2

ddownpixely＝a'o'*dimg/dmidfactx–dimg/2＝[d*tanα–d*tan(α-13°)]*dimg/dmidfactx–dimg/2；或ddownpixely＝[d*tanα–d*tan(13°-α)]*dimg/dmidfactx–dimg/2

duppixelx＝dupfactx*dimg/dmidfactx

ddownpixelx＝ddownfactx*dimg/dmidfactx

式中，duppixely为影像上边线中点至影像中心点的高度所对应的像素数，ddownpixely为影像下边线中点至影像中心点的高度所对应的像素数，duppixelx为影像上边线的实际成像长度所对应的像素数，ddownpixelx为影像下边线的实际成像长度所对应的像素数。

步骤s7的具体操作为：根据步骤s6转换获得的像素数，自动获取影像四个角点、四个边线中点及影像中心点所对应的9组校正像素坐标；然后，根据获取的控制点对利用多项式模型对畸变影像进行校正。

上述技术方案中在没有实际控制点坐标的情况下，利用拍摄物距、镜头拍摄角度，计算获取了影像中9组控制点坐标，最后利用多项式来进行影像校正，实现快速便捷的对畸变影像进行恢复。

附图说明

图1为本发明的影像校正方法流程图；

图2为实施例中存在镜头拍摄角度(α≥13°或α＜13°)的成像示意图；

图3为实施例中提取的控制点分布示意图；

图4为实施例中拍摄的畸变影像(左图)及校正后的影像(右图)。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明提供一种基于拍摄物距、镜头拍摄角度两个因子，自动获取控制点的光谱影像校正方法，以解决在无法获取控制点情况下，如何对拍摄仰角造成的梯形畸变进行校正的问题。实施方式参见附图1，其具体如下：

步骤s1：不同物距、无拍摄角度与有拍摄角度的光谱影像获取；

制作1mm×1mm大小的方格靶纸，以a1纸张打印，平整粘贴于板墙上；

安装成像光谱仪，使成像光谱仪与地面保持水平；

将全站测距仪捆绑在成像光谱仪上，以用于测量拍摄物距d和镜头拍摄角度α；

将成像光谱仪的镜头保持与地面平行，以不同物距对校正靶纸进行拍摄扫描，得到不同物距下拍摄的影像；

对方格靶纸进行拍摄扫描，保持水平拍摄，以不同物距di进行拍摄扫描，得到不同光谱影像t1、t2、t3……tn；

以不同物距di、不同镜头拍摄角度αi进行拍摄扫描，得到不同光谱影像t11、t22、t33……tnn；

步骤s2：不同物距下的实际成像大小与物距的关系；

在arcgis中分别加载影像t1、t2、t3……tn，定位到中心点(本发明所用成像光谱仪的成像区域为正方形区域)，即o(0.5*dimg，0.5*dimg)；

作一条贯穿中心点o的水平线l，并量取不同光谱影像水平线li的实际长度dfactleni；

利用excel构建不同光谱影像的dfactleni与di的散点图，并进行线性趋势拟合，得到拍摄距离与实际成像大小的函数关系式:

fun(di,dfactleni)，dfactleni＝di*0.5164-0.7303，r²＝1；

步骤s3：镜头到影像中心点、上边线及下边线中点距离的计算；

本实施例中选取一幅有拍摄角度的质量较好的影像tnn，附图2为存在拍摄角度情况下的成像示意图。

当不存在拍摄角度时，ab即为成像区域，其中∠aqo＝∠bqo＝13°，拍摄物距qo＝d，qo、qa、qb分别为镜头到影像中心点、下边线及上边线中心点的距离；

当存在拍摄角度时，镜头拍摄角度∠oqo'＝α，∠a'qo'＝∠b'qo'＝13°，实际成像区域则为a'b'，因此：

镜头到影像中心点的距离qo'、镜头到影像上边线中点的距离qb'、镜头到影像下边线中点的距离qa'，计算公式分别如下：

qo'＝qo/cosα＝d/cosα；

qb'＝qo/cos(α+13°)＝d/cos(α+13°)；

当α>13°，qa'＝qo/cos(α-13°)＝d/cos(α-13°)；

当α<13°，qa'＝qo/cos(13°-α)＝d/cos(13°-α)；

步骤s4：影像上边线及下边线中点至影像中心点实际高度的计算；

(1)影像上边线中点至影像中心点的实际高度为：

b'o'＝b'o–oo'＝qo*tan(α+13°)–qo*tanα＝d*tan(α+13°)–d*tanα；

(2)影像下边线中点至影像中心点的实际高度为：

当α>13°，则a'o'＝oo'–a'o＝qo*tanα–qo*tan(α-13°)＝d*tanα–d*tan(α-13°)；

当α<13°，则a'o'＝oo'–a'o＝qo*tanα–qo*tan(13°-α)＝d*tanα–d*tan(13°-α)；

步骤s5：影像上边线、下边线、水平中轴线实际成像长度的计算；

根据步骤s2建立的物距与实际成像大小的关系fun(di,dfactleni)，分别计算影像的上边线、下边线、水平中轴线的实际长度，则有：

(1)影像水平中轴线的实际长度：

dmidfactx＝qo'*0.5164–0.7303＝d/cosα*0.5164–0.7303；

(2)影像上边线的实际长度：

dupfactx＝qb'*0.5164–0.7303＝d/cos(α+13°)*0.5164–0.7303；

(3)影像下边线的实际长度：

当α>13°，ddownfactx＝qa'*0.5164–0.7303＝d/cos(α-13°)*0.5164–0.7303；

当α<13°，ddownfactx＝qa'*0.5164–0.7303＝d/cos(13°-α)*0.5164–0.7303；

步骤s6：将步骤s4与步骤s5计算的实际高度、长度转换为像素数；

通过镜头光心点的水平方向直线不发生畸变，因此，以影像水平中轴线实际成像长度及对应的影像像素数为参照，将步骤s4\s5计算的影像上下边线中点至影像中心点的高度、影像上下边线的实际成像长度转换为像素数；

(1)影像上、下边线中点至影像中心点的高度转换为像素数，分别为：

duppixely＝b'o'*dimg/dmidfactx+dimg/2＝[d*tan(α+13°)–d*tanα]*dimg/dmidfactx+dimg/2；

ddownpixely＝a'o'*dimg/dmidfactx–dimg/2＝[d*tanα–d*tan(α-13°)]*dimg/dmidfactx–dimg/2；或ddownpixely＝[d*tanα–d*tan(13°-α)]*dimg/dmidfactx–dimg/2；

(2)影像上、下边线的实际成像长度转换为像素数，分别为：

duppixelx＝dupfactx*dimg/dmidfactx；

ddownpixelx＝ddownfactx*dimg/dmidfactx；

步骤s7：控制点对的获取及影像的校正；

根据由于拍摄角度产生的梯形畸变(附图4左图)，根据步骤s6转换的像素数，计算影像四个角点、四个边线中点及影像中心点所对应的校正像素坐标，详细控制点分布示意图见附图3。获取的9组控制点对见表1；

表1控制点对

表1中，pxmax、pxmin分别为原始影像x方向的最大、最小像素数；pymax、pymin分别为原始影像y方向的最大、最小像素数。

根据获取的9个校正像素坐标，利用多项式模型来校正影像，校正后影像见附图4右图。

本发明在没有实际控制点坐标的情况下，利用拍摄物距、镜头拍摄角度，计算获取了影像中9组控制点坐标，最后利用多项式来进行影像校正，快速便捷的对畸变影像进行了恢复，产生了显著有益的效果。

本发明未能详尽描述的设备、机构、组件和操作方法，本领域普通技术人员均可选用本领域常用的具有相同功能的设备、机构、组件和操作方法进行使用和实施。或者依据生活常识选用的相同设备、机构、组件和操作方法进行使用和实施。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。