Affine & Scale-Invariant Heterogeneous Pyramid Features for Automatic Matching of High Resolution Pushbroom Imagery from Chang'e 2 Satellite

The automatic feature extracting and matching for large amount of linear pushbroom imagery with higher and higher resolution is urgent and challenging in three dimensional reconstructions, remote sensing and mapping. Affine & scale-invariant heterogeneous pyramid feature is proposed in this paper, along with the new scale-invariant analysis method, the detecting of the key points, the affine & scale-invariant descriptor, the steering method of the matching, and the quasi-dense matching algorithm based on the extensive epipolar geometry. The automatic matching is devised for the linear pushbroom imagery. The whole process is executed on lunar images of the highest resolution of ~7 m/pixel(or ~1 m/pixel in the lower orbits) from the Chinese Chang’e 2 satellite, it runs robustly at present, and resulting in large amounts of well-distributed-correspondences with accuracy of 0.3 pixels and excellent reliability, which gives great support for the further exploration both on the Moon and the Earth.

基于MEMS激光雷达的车辆目标识别算法

针对传统线阵激光雷达对地面目标识别准确率低的问题,设计一种基于MEMS激光雷达推扫成像点云识别算法。引入直通滤波和栅格分割算法缩减原始点云数据,有效提高算法的运算速度。结合MEMS激光雷达点云有序化处理方法,提出基于数学形态学的点云聚类算法,将去除地面后的点云分割为相互独立的点云簇。在此基础上使用自适应阈值的分布直方图去噪算法,去除点云簇周围的离群噪点。设计多特征复合判据,直接处理聚类去噪后的三维激光点云,实现对目标的准确识别。分析典型实验条件下的数据处理结果,识别准确率达到了94.9%,表明该方法具有良好的泛化能力和准确性。

“句芒”号卫星超光谱探测仪设计与系统验证

随着双碳目标的提出,碳监测定量化遥感技术的发展需求日益迫切,对日光诱导叶绿素荧光定量化的遥感监测可以作为植被实际光合作用效果和碳循环效能评价的重要手段。介绍了“句芒”号卫星的有效载荷之一超光谱探测仪的性能指标、设计方案、系统组成、验证结果及在轨运行情况。超光谱探测仪是面向太阳诱导植被荧光探测的精密光学仪器,系统采用了推扫成像和光栅色散分光的技术方案,经过测试验证,光谱分辨率优于0.3 nm,地面像元分辨率达到1.5 km,典型输入辐亮度条件下系统信噪比优于500,各项指标均满足和优于探测任务需求,具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性的探测能力,其良好的表现将在植被监测和碳循环应用等方面发挥重要的作用。

利用航空成像光谱数据研究土壤供氮量及变量施肥对冬小麦长势影响

以推扫式成像光谱仪PHI(PushbroomHyperspectralImager)获取的冬小麦拔节期、灌浆初期及乳熟期的航空影像数据为基础,提取反映冬小麦长势的光谱特征值,结合地面调查数据,分析了研究区冬小麦的长势情况;对不同时相光谱特征值与土壤基础供氮量、土壤总供氮量以及变量施肥量进行统计分析,分析结果显示:土壤基础供氮量、土壤总供氮量的空间分布差异对冬小麦长势有明显的影响,其中,土壤基础供氮量是影响冬小麦长势的重要因素,它对冬小麦的长势影响贯穿冬小麦的整个生育期;此外,该文还通过变量施肥前后作物光谱信息的变化,建立了冬小麦拔节期与灌浆初期光谱特征值的变化量与变量施肥量之间的联系,对变量施肥的效果进行了初步的评价;研究结果表明:变量施肥能够改善冬小麦长势状况;通过变量施肥,土壤基础供氮量的空间分布差异对作物长势的影响能够得到一定的控制。

卫星线阵立体影像的倾斜仿射变换核线模型

核线约束是构建摄影测量立体模型的重要条件。由于卫星线阵影像的多中心投影特性,难以建立其严格的核线模型。文章从上下视差最小的同名核线特征出发,在仿射变换模型基础上引入核线倾角变化参数,提出一种新的倾斜仿射变换核线模型。通过“无误差”的虚拟同名点仿真试验表明,文章提出的模型受影像范围及地表高差影响较小,在影像区块6000像元×6000像元、地表高差1000m情况下,对于不同形式卫星立体影像的模型误差均小于1个像元。进一步使用实际匹配同名点平差,实验表明:对于SPOT-5、“资源三号”和“高分七号”等卫星影像,文章模型误差相对于匹配观测误差可忽略,实际核线精度在整景影像范围内优于0.8像元,所生成核线影像能够满足后续密集匹配要求。新模型的精确性和普适性相比现有同类模型显著提升,可实际应用于卫星摄影测量处理。

利用航空成像光谱数据进行冬小麦产量预测

以国产成像光谱仪PHI(PushbroomHyperspectralImager)所获遥感影像数据为基础,根据田间冬小麦单产遥感研究试验数据建立了研究区不同时相冬小麦单产预测模型,实现了利用航空高光谱遥感数据对研究区小麦产量的整体预测;对试验区土壤氮素水平与不同时相冬小麦预测产量以及试验区实测产量进行了初步分析,分析结果显示:土壤氮素分布的差异性对小麦的产量有明显影响。

一种多视点全景图像自动生成的新方法

提出了一种多视点全景图像自动生成的新方法。该方法基于Pushbroom模型和透视投影模型,并采用稳定性修正处理,能有效避免摄像机帧速高低、移动平台速度变化、路面起伏以及平台抖动等因素造成的影响,生成平直光滑的多视点全景图像。实验表明,该方法对源素材(侧视视频或图片等)的采集设备以及采集环境要求较低,数据易于采集,便于多视点全景图像的广泛应用。

利用多时相的高光谱航空图像监测冬小麦条锈病

冬小麦发生锈病 ,叶绿素被大量破坏 ,水分蒸滕量大大增加 ,叶片细胞大小、形态、叶片结构发生了改变 ,从而改变了叶片和冠层的光学特性 ,使得遥感探测与评价成为可能。利用多时相的高光谱航空飞行图像数据 ,了解、分析和发现条锈病病害对作物光谱的影响及其光谱特征 ;设计了病害光谱指数 ,成功地监测了冬小麦条锈病病害程度与范围。对比 3个生育期的条锈病与正常生长冬小麦的PHI图像光谱及光谱特征 ,发现 :5 6 0— 6 70nm黄边、红谷波段 ,条锈病病害冬小麦的冠层反射率高于正常生长的冬小麦光谱反射率 ;近红外波段 ,条锈病病害的冠层反射率低于正常生长的冬小麦光谱反射率 ;

ADS40推扫式数字航摄仪试验研究

ADS40是当今最先进的摄影测量系统之一,它采用推扫式三线阵获取影像,可以提供多种类型的数字影像数据。由于配备IMU/DGPS系统,在一定的基站范围内可以在无控制或少量控制点的情况下进行空三平差,极大地减轻了摄影测量外业控制工作量,缩短了生产周期,提高了作业效率。本文就ADS40的原理、数据处理流程,以及ADS40和常规摄影测量的区别,在精度等方面作了阐述和分析,并就其在我国摄影测量领域内的应用进行了展望。

扫描成像光谱仪和地物光谱仪在单叶尺度上的对比研究

【目的】对图谱合一的冬小麦叶片高光谱数据进行分析,验证扫描成像光谱仪(PIS)在近地使用的可行性。【方法】利用扫描成像光谱仪和地物光谱仪(ASD)获取冬小麦关键生育期的叶片光谱信息,比较两仪器在450—850nm获得的光谱曲线;选取15种植被指数,对两仪器获得的光谱值进行植被指数运算,并将结果与叶片叶绿素含量进行相关分析。【结果】在冬小麦的不同生育期,扫描成像光谱仪和地物光谱仪获得叶片的反射率曲线趋势一致,在对应的波段均表现出相应的波峰、波谷、高反射区等特征,但扫描成像光谱仪获得的反射率值都高于地物光谱仪。对比两仪器15种植被指数和叶绿素含量之间的相关系数得出,扫描成像光谱仪获得的相关系数普遍高于地物光谱仪。【结论】扫描成像光谱仪和地物光谱仪获取的数据有相同的曲线特征,说明扫描成像光谱仪获得的数据是可靠的;植被指数与叶绿素含量的相关系数比较结果表明,扫描成像光谱仪获得的图谱合一的数据在近地遥感研究中有很大的优势。

基于PHI影像敏感波段组合的冬小麦条锈病遥感监测研究

利用ASD地面非成像光谱仪对不同严重度的冬小麦条锈病的冠层光谱反射率进行测定,同时调查病情指数。通过对地面实测的46组病情指数与相应的光谱反射率进行相关性分析,筛选出了小麦条锈病在350～1 500 nm的敏感波段。结合多时相的高光谱航空飞行遥感图像数据的特点和规律,最终选择红波段的620～718 nm与近红外波段的770～805 nm为条锈病在PHI影像上的敏感波段。并利用620～718 nm和770～805 nm的平均光谱反射率与相应的病情指数建立了多元线性回归模型:DI=19.241 R_1—2.207 R_2+12.274,验证结果表明,该模型的历史拟合度很好。并利用此模型最终在PHI影像上成功的实现了对冬小麦条锈病发生程度与发生范围的监测。

采用卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统设计

利用FPGA实现面阵CMOS传感器数字域TDI功能,可避免模拟域TDI的复杂电路设计、完善CMOS传感器成像方式、并可改进TDI CCD缺陷,具有重大的研究和应用价值。首先分析了同步快门方式和卷帘快门方式实现TDI的差异,然后根据TDI工作原理,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域TDI算法,并利用设计的CMOS成像系统进行了成像实验。实验结果表明:卷帘数字域TDI算法正确,不仅可以实现等效于积分时间增加或入射照度增强M倍功能的M级积分,而且可明显改善成像质量,将信噪比为18.37 dB的未积分图像通过10级积分提高至32.65 dB。所提出的卷帘数字域TDI技术使得CMOS相机具备了时间延迟积分功能,改善了成像质量,并改进了TDICCD难以调焦和级数不可连续调整的缺陷。

基于最佳扫描行快速搜索策略的线阵推扫式影像微分纠正算法

线阵推扫式影像的几何纠正是当前海量遥感影像数据处理的难点与性能瓶颈。基于严密几何模型对线阵影像进行微分纠正是生成各级影像产品的基础,其核心是地面点的反投影,即确定地面点对应的最佳扫描行。传统的最佳扫描行搜索算法基于像方的共线方程迭代计算,效率低,实用化程度不高。本文基于严密几何模型提出一种适用于大数据量线阵影像微分纠正的最佳扫描行快速搜索策略,利用扫描行投影面进行物方几何约束,通过判断物方点到扫描行投影面的距离定位最佳扫描行。由于线阵列CCD像元并非严格按照一条直线排列,笔者讨论了CCD线阵的分段处理以及分段投影面的确定方法。利用机载ADS40、火星快车HRSC线阵影像进行试验。结果表明,本文方法仅需少量几次物方空间解析几何迭代计算即可精确定位最佳扫描行,计算效率相比基于像方的搜索方法提高了8倍以上,线阵影像微分纠正速度提升了6倍以上。

基于扫描成像的作物近地高光谱获取与特征分析

为了验证自主研制的扫描成像光谱仪(PIS)在近地应用的可行性,该文以小麦、玉米为研究对象,利用PIS近地获取作物冠层和叶片的高光谱图像,在对田间和室内获得的成像数据进行对比分析的同时,探讨了成像光谱采集过程中的影响因素。此外,将PIS获取的成像高光谱与地物光谱仪(ASD)测定的高光谱进行比对研究。结果表明:PIS能准确收集作物的光谱信息,且采集的高光谱数据与ASD具有很好的一致性;PIS在田间采集作物光谱信息时,受氧气吸收的影响,在760nm处有明显的干扰吸收;PIS除了能反映作物不同叶位叶片、不同器官光谱的差异,还可依据影像提取杂草、土壤对作物冠层光谱的影响程度。上述初步结果为进一步应用PIS进行农作物长势诊断提供了参考。

线阵推扫式影像外定向的一种新算法

线阵推扫式影像外方位元素间的强相关性,导致法方程病态,外方位元素的最小二乘估计值误差较大。本文提出采用岭 压缩组合估计解决线阵列推扫式影像的外定向问题。该算法是综合岭估计和压缩估计的一种新有偏算法,它通过对最小二乘估计值的不同分量进行不同比例的压缩使估计值最优。文中采用10m分辨率的SPOT1全色影像和2.5m分辨率的SPOT5全色影像进行实验,并与商业遥感软件Erdas的实验结果进行比较。研究结果表明该算法能有效地克服线阵推扫式影像外方位元素间的相关性,定位精度较高,定向点精度在1个像素内,检查点精度在1.5个像素内,达到Erdas软件的定位精度。

缺少控制点的卫星遥感对地目标定位

从单线阵推扫式传感器的成像机理出发 ,利用 6个卫星轨道开普勒参数和 3个传感器姿态角建立了推扫式卫星遥感影像坐标与其地面点在地心坐标系下的坐标关系式 ,即构像方程。按照所建立的构像方程 ,对某地区一景SPOT 5影像进行对地目标定位 ,获得了实地上 83 .3 92m的平面精度 ;利用单个地面控制点对卫星轨道开普勒参数和传感器姿态实施调整后 ,目标定位精度提高到 1 4.2 1 7m。试验证实 ,所建立的构像方程是正确的 。

一种基于物方几何约束的线阵推扫式影像坐标反投影计算的快速算法

根据物点坐标计算其对应的像点坐标即坐标反投影计算,是线阵推扫式影像处理的基础。由于线阵推扫式影像多中心成像的特点,必须通过迭代计算物点在成像时刻对应的扫描行,然后再精确计算物点对应的像点坐标,因此,坐标反投影计算的效率直接影响线阵推扫式影像的处理效率。本文提出一种基于物方几何约束的线阵推扫式影像坐标反投影计算的快速算法。该算法采用了一种高效的基于物方投影几何约束的最佳扫描线搜索策略,基于线阵推扫式影像特有的摄影几何约束,将传统的基于CCD探元焦平面坐标约束的像方迭代搜索过程,转化为基于各扫描行中心投影面约束关系的物方简单几何计算的搜索过程,从而有效地避免了传统像方搜索策略中基于严密传感器数学模型的繁琐计算,有效减少了最佳扫描线搜索的计算量。通过对机载和星载推扫式影像数据的实验,验证了该算法的可行性、精确性和高效性。

基于光谱知识库的TM影像冬小麦条锈病监测研究

基于高光谱信息的冬小麦条锈病严重度反演模型通常不能直接应用在宽波段卫星影像上,而拥有高光谱波段信息的航空遥感影像又因数据尺度小、成本高难以应用于大规模监测。文章提出一种通过构建冬小麦条锈病光谱知识库,利用TM影像实现病情识别和监测的方法。该方法以包含各种不同病情严重度的试验田的三幅小麦关键生育期PHI航空遥感影像为媒介,利用病情指数DI的经验反演模型和基于波谱响应函数的TM波段模拟,建立DI和TM波段模拟反射率间的光谱知识库。在此基础上,通过马氏距离法和光谱角度填图(SAM)法将待检象元的光谱信息与光谱知识库进行匹配分析从而实现对病情识别和监测。监测的精度利用模拟TM象元进行评价,识别的效果利用TM影像象元进行检验。结果表明,该方法在一定生育期范围内具有较佳的监测精度和识别效果。其中,使用模拟TM象元在小麦灌浆期精度最佳,评价的R2达到0.93,乳熟期次之,拔节期最差,基本不能用于监测。使用TM影像象元在灌浆期和乳熟期可较好地识别染病象元,在拔节期无法有效识别染病象元。匹配方法马氏距离法略优于光谱角度匹配法。

岭-压缩组合估计在线阵推扫式影像外定向中的应用

针对线阵推扫式影像外定向中存在的法方程病态问题,提出了采用岭压缩组合估计进行解算,能提高定向精度,并分析了该算法的优点和应用方法。实验证明,该算法性能优异,精度很高。

基于多时相航空高光谱遥感影像的冬小麦长势空间变异研究

精准农业技术是基于农田信息在空间和时间上存在的差异而实施的变量管理技术,本研究以2001年～2002年度在国家精准农业研究示范基地开展的冬小麦变量施肥对比试验为基础,获取冬小麦拔节期、灌浆初期及乳熟期的推扫式成像光谱仪(pushbroom hyperspectral imager,PHI)航空高光谱影像数据,提取反映冬小麦长势光谱参数,进行变量施肥处理区与常规处理区冬小麦长势空间变异的对比。研究发现,变量区与对照区光谱反射率分散度最大的区域主要集中在红边及近红外反射平台的附近,其中,乳熟期冬小麦光谱分散度最大,其次为拔节期和灌浆期。通过对比不同时相冬小麦长势信息,发现拔节期变量区作物长势空间变异程度要高于对照区,经过变量施肥处理后,灌浆期和乳熟期变量施肥区冬小麦长势空间变异程度低于对照区;对冬小麦产量的分析发现,变量区产量的总体空间变异小于对照区,但变量区总体产量略低于对照区。研究表明,利用遥感影像数据,可以及时获取作物长势的空间变异情况,为农业管理的生产、决策及时提供信息。