一种高光谱斜模成像复原与定标系统及方法与流程

本发明涉及一种高光谱斜模成像复原与定标系统及方法，属于遥感与测绘领域，适用于任何高光谱斜模成像装置获取的高光谱图像复原与定标。

背景技术：

提升高光谱图像分辨率永远都是人们追求的目标。斜模成像从成像机理上提高成像空间分辨率，获取的图像需要后续经过去混叠去噪去模糊等复原处理。虽然有少数人在研究斜模成像的复原方法，但没有从原理上系统分析最佳斜模成像角度，斜模复原方法停留在单波段图像处理上，没有拓展到高光谱图像。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：根据多因素，确定斜模成像过程中的最佳成像角度；将现有的斜模复原方法拓展到斜模多光谱乃至高光谱图像上；通过定标，确保复原后图像的光谱一致性。

本发明采用的技术方案：一种高光谱斜模成像复原与定标方法，包括以下步骤：

步骤(1)：综合混叠、空间有效分辨、幅宽以及斜模成像中正方形采样的理论，确定斜模高光谱的最佳成像角度；

步骤(2)：根据步骤(1)得到的最佳成像角度，应用基于p值的高光谱自适应波段选择(psmbs)方法对斜模高光谱图像进行降维，从斜模高光谱图像中选取10～20个波段，得到降维后的斜模高光谱图像；

步骤(3)：根据步骤(2)得到的降维后的斜模高光谱图像，结合倒易晶胞与调制传递函数(mtf)的方法对降维后的斜模高光谱图像复原，得到复原后斜模高光谱图像；

步骤(4)：根据步骤(3)得到的复原后斜模高光谱图像，通过构建复原后的斜模高光谱图像和原始图像之间的关系得到各波段的定标方程，对复原后的斜模高光谱图像相对辐射定标，最终得到复原定标后的斜模图像。

所述步骤(1)中最佳成像角度的选取步骤如下：

步骤(11)：模拟计算不同成像角度下的混叠、空间有效分辨、幅宽等因素的变化曲线；

步骤(12)：计算斜模成像为正方形采样时的成像角度；

步骤(13)：通过实验数据验证步骤(11)中的变化曲线，并最终确定混叠小于预定阈值、空间有效分辨率、幅宽适宜的成像角度区间；

步骤(14)：结合步骤(12)和步骤(13)的结果，确定多个候选最佳成像角度；

步骤(15)：根据步骤(14)确定的多个候选最佳成像角度，通过复原后的评价指标对比和分析，最终确定斜模的最佳成像角度。

所述步骤(3)中的基于倒易晶胞和mtf的斜模高光谱图像复原包括：

步骤(31)：通过psmbs方法从斜模高光谱数据中选取10～20个满足预定条件的波段；

步骤(32)：从步骤(31)中选取的波段中截取刃边信息，并计算各波段的mtf函数；

步骤(33)：应用倒易晶胞去混叠算子复原选取的各波段图像；

步骤(34)：应用步骤(32)中计算的mtf函数去复原对应波段已去混叠的图像，最终得到去混叠去模糊的斜模高光谱图像。

所述步骤(4)中的复原后斜模图像的定标包括：

步骤(41)：通过在复原后斜模图像和常规采样原始图像之间选取36对同名点，每个同名点截取20×20像素的区域，并计算其像元均值；

步骤(42)：通过步骤(41)计算的像元均值构建复原后斜模图像和常规采样原始图像之间的关系，通过最小二乘法计算各波段的定标方程；

步骤(43)：通过计算的定标方程对复原后的斜模图像定标，得到复原定标后的斜模图像。

本发明还提出一种高光谱斜模成像复原与定标系统，包括：

最佳成像角度确定模块：综合混叠、空间有效分辨、幅宽以及斜模成像中正方形采样的理论，确定斜模高光谱的最佳成像角度；

波段选择模块：根据最佳成像角度确定模块得到的最佳成像角度，应用基于p值的高光谱自适应波段选择(psmbs)方法对斜模高光谱图像进行降维，从斜模高光谱图像中选取10～20个波段，得到降维后的斜模高光谱图像；

复原模块：根据波段选择模块得到的降维后的斜模高光谱图像，结合倒易晶胞与调制传递函数(mtf)的方法对降维后的斜模高光谱图像复原，得到复原后斜模高光谱图像；

定标模块：根据复原模块得到的复原后斜模高光谱图像，通过构建复原后的斜模高光谱图像和原始图像之间的关系得到各波段的定标方程，对复原后的斜模高光谱图像相对辐射定标，最终得到复原定标后的斜模图像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在最佳成像角度确定方面，传统方法仅针对斜模成像的特殊角度研究，而忽视了成像角度与斜模成像质量息息相关这一因素，本发明综合混叠、空间有效分辨率、幅宽以及成像过程中的正方形采样网格等多因素，确定了斜模高光谱图像的最佳成像角度。在该成像角度下，斜模图像中的混叠较少，图像质量较高，幅宽较大，并确保了成像过程中为正方形网格采样，避免了后期的插值步骤及其所带来的二次噪声和混叠。

(2)在多光谱图像复原方面，传统的方法大多停留在单波段上，并未将复原方法拓展到多波段的斜模图像复原上，本发明成功地将现有的结合倒易晶胞和mtf的复原方法用在了多谱段的斜模图像上；

(3)在光谱定标方面，传统方法尚未对斜模多光谱图像复原及其复原后的光谱保真性问题进行研究，本发明考虑了复原后斜模图像的光谱保真性问题，提出了定标的方法确保复原后的光谱图像不失真。

附图说明

图1为本发明高光谱斜模成像复原与定标系统及方法实现流程图。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供的斜模高光谱图像复原和定标的方法，如图1所示，包括的主要步骤如下：

步骤一：综合多因素确定斜模高光谱的最佳成像角度

本发明先从确定斜模成像的最佳成像角度开始，主要考虑的是斜模图像中的混叠、幅宽、空间有效分辨率以及成像过程中的正方形采样网格。

斜模图像中的混叠aunalias可以表示为：

aunalias＝{ξ:a(ξ)<θalias}(1)

式中，a(ξ)是图像中的相对混叠，ξ为影像倒易晶胞的频谱，θalias是设定的相对混叠阈值。幅宽w可以表示为：

w＝l*sinθθ∈[0,90](2)

式中，l表示ccd线阵的长度，θ表示斜模成像角度，采样网格γ的有效分辨率reff表示为：

式中，d^*是频谱支撑域，h为调制传递函数，n为图像中的噪声，f为网格的傅里叶变换，g为原始图像的频谱，galias为图像中混叠的频谱，为图像噪声的频谱，ω表示权重函数。空间有效分辨率reff可以表示为：

在斜模成像过程中严格控制推扫速度和成像角度才能使成像过程中为正方形采样网格进行采样，其中推扫速度v需满足：

v＝m·fr·cosθ(5)

式中，m为成像像元所对应地物的实际尺寸，fr为高光谱相机的采样频率，成像角度需满足：

式中，n为正整数。

步骤二：从斜模高光谱数据中选取独立性强、信息丰富度高的波段

本发明采用了现有的p值统计量建模独立性的高光谱图像波段选择方法选取了15个独立性强、信息丰富度高的波段，并从斜模高光谱原图中导出相应波段并生成降维后的斜模高光谱图像。

步骤三：结合倒易晶胞与mtf的方法斜模高光谱图像复原

首先，截取各波段的刃边信息，并计算各波段的mtf函数；

然后，将降维后的斜模高光谱图像转换至频率域中，应用倒易晶胞去混算子进行去混叠运算。其中，最佳倒易晶胞horc可以表示为：

horc＝{ξ:a(ξ)<0.2andb(ξ)<5}(7)

式中，a(ξ)为相对混叠项和b(ξ)为相对噪声项，此时，倒易晶胞去混叠算子可以表示为：

式中，是去混叠后的图像频谱，为原始图像的频谱。

最后，应用mtf函数在频率域复原去混叠后的斜模图像，mtf复原方法可以表示为：

式中，f(u,v)为复原后的图像频谱，φ(u,v)为相位。

步骤四：对复原后的斜模图像定标

首先，通过在复原后斜模图像和常规采样原始图像之间选取36对同名点，每个同名点截取20×20像素的区域，并计算其像元均值；

然后，构建两者之间的关系，应用最小二乘法求解等到各波段的定标方程，求解得到对应波段的定标方程，如本次实验从斜模高光谱图像中选取的15个波段的定标方程为：

y1＝-0.25584+0.75767x1(10-1)

y2＝1.9269+0.91789x2(10-2)

y3＝0.15723+0.90915x3(10-3)

y4＝1.073+0.93879x4(10-4)

y5＝-0.24385+0.87358x5(10-5)

y6＝0.6829+0.70212x6(10-6)

y7＝0.018362+0.74569x7(10-7)

y8＝-0.18125+0.59578x8(10-8)

y9＝-0.16065+0.7613x9(10-9)

y10＝0.24421+0.81312x10(10-10)

y11＝-0.030349+0.8467x11(10-11)

y12＝0.93717+0.83754x12(10-12)

y13＝0.01875+0.8799x13(10-13)

y14＝1.1365+0.8428x14(10-14)

y15＝0.044534+0.8627x15(10-15)

式中，y表示定标后的波段，x表示待定标的波段。最后，应用上述所计算得到的各波段方程，对相应的波段进行定标，最终得到复原定标后的斜模图像。

上面所述的仅是体现本发明一种斜模高光谱图像复原和定标方法的实施例。本发明并不限于上述实施例。本发明的说明书是用于进行说明，不限制权利要求的范围。对于本领域的技术人员，很显然可以有很多的替换、改进和变化。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。