基于無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的融合與發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜青濤 劉恒泉 戴希貝

（北京道達(dá)天際科技有限公司，北京100089）

1 概述

本文介紹了圖像配準(zhǔn)和切片等算法和技術(shù)，并根據(jù)這些和技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的融合與發(fā)布系統(tǒng)。系統(tǒng)的大致工作流程如下：用戶根據(jù)紅外影像數(shù)據(jù)的注釋信息下載或選取基準(zhǔn)底圖，然后將基準(zhǔn)底圖和待配準(zhǔn)圖像加載到系統(tǒng)預(yù)覽界面并選取特征點(diǎn)對(duì)，系統(tǒng)通過特征點(diǎn)匹配算法對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，進(jìn)而賦予影像數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)信息。配準(zhǔn)完成后，系統(tǒng)將用戶校驗(yàn)合格的圖像進(jìn)行投影和坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn)化處理，即轉(zhuǎn)換為WGS84 坐標(biāo)系。經(jīng)過影像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，系統(tǒng)獲取預(yù)設(shè)的或自定義的切片參數(shù)設(shè)置并根據(jù)切片規(guī)則進(jìn)行切片，最后將切片輸出的文件入庫并發(fā)布到切片服務(wù)供前端調(diào)取使用，至此，基于無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的融合與發(fā)布流程結(jié)束。[1]

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 特征點(diǎn)匹配

所謂圖像配準(zhǔn)就是利用一些特定的算法和參數(shù)找到兩幅影像數(shù)據(jù)圖像的像素間的空間映射關(guān)系。而地理影像配準(zhǔn)就是在尋找空間映射關(guān)系的過程中賦予被配準(zhǔn)圖像以地理信息。本文所述系統(tǒng)利用的主要技術(shù)是基于Harris-Affine(H-A)的特征配準(zhǔn)算法，即互補(bǔ)不變特征匹配的配準(zhǔn)算法。

目前圖配準(zhǔn)主要使用的方法基于特征點(diǎn)匹配，（轉(zhuǎn)下頁）其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，操作簡單，基于特征點(diǎn)匹配的方法有四個(gè)主要步驟：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，輸入特征點(diǎn)對(duì)，圖像特征匹配，圖像投影變換。

簡單的說，我們選擇兩個(gè)影像數(shù)據(jù)圖像中的匹配特征點(diǎn)，將待配準(zhǔn)圖像與基準(zhǔn)底圖中的等價(jià)匹配特征點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后變換影像數(shù)據(jù)使兩個(gè)圖像對(duì)齊。匹配點(diǎn)表示一對(duì)基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像中對(duì)應(yīng)的清晰的元素點(diǎn)。每組匹配點(diǎn)由三到若干對(duì)特征點(diǎn)組成，具體數(shù)量依算法而定。算法需要將兩個(gè)圖像中對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)或“匹配”。

在匹配至少三對(duì)特征點(diǎn)之后，算法應(yīng)用局部不變特征，先求取準(zhǔn)底圖影像數(shù)據(jù)和待配準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)間的仿射變換參數(shù)，然后通過仿射變換參數(shù)將基準(zhǔn)底圖影像數(shù)據(jù)和待配準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算配準(zhǔn)，最后，空間中相同平面的兩個(gè)影像數(shù)據(jù)通過單應(yīng)性變換進(jìn)行關(guān)聯(lián)并賦予地理信息。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明:該算法能夠快速高精度實(shí)現(xiàn)大失配圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)。[2]

2.2 切片規(guī)則和切片步驟

為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)成果的可移植性，系統(tǒng)遵循基于墨卡托投影的切片規(guī)則進(jìn)行切片。切片規(guī)則所依賴的為墨卡托投影是一種“等角正切圓柱投影”，其地圖投影結(jié)果是平面上的正方形，本文選擇Web 墨卡托投影是考慮到這種地圖投影方式在互聯(lián)網(wǎng)地圖的應(yīng)用比較廣泛。基于墨卡托投影的切片主要分以下兩個(gè)步驟：

第一步，計(jì)算地圖空間可視范圍切片索引。

影像數(shù)據(jù)在地圖空間可視范圍的切片索引包括影像數(shù)據(jù)起始點(diǎn)、末尾點(diǎn)和中間區(qū)域的切片索引，切片Url 索引包括起始點(diǎn)、末尾點(diǎn)和中間區(qū)域的切片Url 索引，對(duì)于特定縮放級(jí)別，切片像素大小的影像數(shù)據(jù)的切片索引計(jì)算公式如下：

由上述公式循環(huán)遍歷i 和j 計(jì)算出切片的索引，進(jìn)一步計(jì)算出各個(gè)切片的Url。

第二步，計(jì)算切片放在地圖空間上的位置。

經(jīng)過上一步，組成影像數(shù)據(jù)視圖的所有切片的Url 都已計(jì)算得到，接下來是計(jì)算每個(gè)切片在地圖空間上的位置，計(jì)算公式如下：

上述公式(1)和公式(2)中：i 為地圖范圍和地圖空間可視范圍角點(diǎn)編號(hào)，j 為待切片數(shù)據(jù)的縮放級(jí)別，M為地圖范圍，V 為地圖空間可視范圍，R 為影像數(shù)據(jù)分辨率，h 為切片的大?。ㄏ袼氐膶挾群透叨认袼?cái)?shù)）。Rj 為在j 級(jí)別下的分辨率，Sij 為地圖空間可視范圍在j 級(jí)別視圖的i 方向的索引，Tij 為以Sij 為索引的切片在地圖空間上的位置。特殊的，上述切片的起始和末尾分別表示切片的左下角和右上角點(diǎn)。[3]

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述影像配準(zhǔn)和切片技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的融合與發(fā)布系統(tǒng)：

作為全球最重要的生產(chǎn)資料展覽會(huì)主辦方之一，漢諾威展覽公司在德國和世界各地舉辦著豐富多彩的展覽活動(dòng)，目前公司已躋身德國五大展覽公司之列，公司旗下?lián)碛卸鄠€(gè)全球領(lǐng)先的品牌系列展會(huì)，與木業(yè)有關(guān)的展會(huì)有：DOMOTEX漢諾威國際地面鋪裝展覽會(huì)(地毯和其他地面鋪裝)、HANNOVER MESSE漢諾威工業(yè)博覽會(huì)(工業(yè)技術(shù))、LIGNA漢諾威國際林業(yè)木工展覽會(huì)(木工、木材加工、林業(yè)技術(shù))。漢諾威展覽公司也會(huì)定期舉辦一系列第三方籌辦的國際知名盛會(huì)，此新聞發(fā)布會(huì)同期在廣州東方賓館召開了2018漢諾威林業(yè)木工大會(huì)——LIGNA.Conference 2018。

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型和功能類設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)影像數(shù)據(jù)類型支持多來源數(shù)據(jù)，并支持不同分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，類型主要包括紅外影像數(shù)據(jù)、CCD 可見光數(shù)據(jù)，SAR 數(shù)據(jù)和高光譜數(shù)據(jù)等。

為了無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的融合與發(fā)布功能的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能類包括影像數(shù)據(jù)參數(shù)提取，影像數(shù)據(jù)基準(zhǔn)地圖獲取，影像數(shù)據(jù)基準(zhǔn)底圖預(yù)覽，影像數(shù)據(jù)基準(zhǔn)底圖保存，讀取影像數(shù)據(jù)基準(zhǔn)底圖展示，讀取影像數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)展示，選擇三對(duì)特征點(diǎn)分別保存，計(jì)算配準(zhǔn)，預(yù)覽校驗(yàn)影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)地圖，判斷影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像投影，轉(zhuǎn)換影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像為WGS84 投影，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像入庫，加載影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像切片參數(shù)設(shè)置，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像切片，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像生成縮略圖，預(yù)覽影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像縮略圖，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像縮略圖入庫，預(yù)覽影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像切片，影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像切片入庫，打包影像數(shù)據(jù)上傳。

3.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

基于無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的融合與發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)序如下：

第一步，使用者根據(jù)影像數(shù)據(jù)文件參數(shù)附件提取影像數(shù)據(jù)注釋信息,系統(tǒng)提供兩種注釋信息校驗(yàn)，包括注釋信息的手動(dòng)、自動(dòng)化提取。。

第二步，獲取基準(zhǔn)地圖，將第一步提取的影像數(shù)據(jù)注釋信息填寫到基準(zhǔn)地圖下載參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)通過計(jì)算裁剪基準(zhǔn)底圖并加載。

第三步，選擇加載待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)并校驗(yàn)所選的兩幅圖像要有相同的部分，否則配準(zhǔn)沒有意義。

第四步，選擇配準(zhǔn)算法。本文提供的配準(zhǔn)策略包括兩種，分別是Harris-Affine 算法和Homography 匹配算法。對(duì)不同特征的圖像，選擇其適合的配準(zhǔn)算法，這對(duì)配準(zhǔn)結(jié)果的好壞至關(guān)重要，不同的特征點(diǎn)配準(zhǔn)策略所需的特征點(diǎn)數(shù)量不同，一般來講，特征點(diǎn)數(shù)量越多，圖像配準(zhǔn)越準(zhǔn)確。

第六步，做好前期準(zhǔn)備工作之后，開始計(jì)算配準(zhǔn)，由于兩種配準(zhǔn)策略所需的特征點(diǎn)數(shù)量不同，其具體算法實(shí)現(xiàn)過程不同，所以各個(gè)算法所需時(shí)間頁不同。

第七步，系統(tǒng)加載顯示配準(zhǔn)后的結(jié)果供查驗(yàn)，查驗(yàn)內(nèi)容除配準(zhǔn)圖像外還包括匹配定位完成的tif 數(shù)據(jù)和其他帶坐標(biāo)的柵格數(shù)據(jù)的名稱，四至范圍，像元大小，投影坐標(biāo)系等。系統(tǒng)后臺(tái)判斷影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像投影，如果投影不匹配，轉(zhuǎn)換影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像為WGS84 投影，轉(zhuǎn)換完成后影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像入庫，為數(shù)據(jù)三維展示提供支撐。影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程中圖像示例如下圖所示：

圖1 基準(zhǔn)圖像特征點(diǎn)

圖2 待配準(zhǔn)圖像特征點(diǎn)

第八步，在切片準(zhǔn)備階段加載預(yù)覽已配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，校驗(yàn)合格后開始自動(dòng)設(shè)置切片參數(shù)，系統(tǒng)也支持包括切片層級(jí)，切片空間范圍，切片像素大小，切片的格式等切片參數(shù)的手動(dòng)設(shè)置。

第九步，系統(tǒng)記錄影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)圖像的切片參數(shù)設(shè)置并開始切片，切片完成后將切片數(shù)據(jù)信息入庫并發(fā)布到切片服務(wù)。

第十步，Web 端依據(jù)切片Url 引用規(guī)則調(diào)用切片服務(wù)并加載已融合數(shù)據(jù)圖層，疊加展示底圖和配準(zhǔn)和切片的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)支持通過調(diào)整覆蓋的切片加載透明度來查看最新的影像數(shù)據(jù)與底圖的對(duì)比變化。已配準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)切片過程中圖像示例如下圖所示：

圖3 基準(zhǔn)底圖和配準(zhǔn)圖像疊加展示

圖4 切片數(shù)據(jù)展示

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)界面

本文的系統(tǒng)基于設(shè)計(jì)功能需求并結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)流程進(jìn)行軟件界面設(shè)計(jì)，使最終的系統(tǒng)界面效果能夠切合業(yè)務(wù)邏輯，并滿足用戶的易操作需求，圖形界面元素包括基準(zhǔn)底圖下載設(shè)置窗口，基準(zhǔn)底圖加載窗口，待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載窗口，配準(zhǔn)策略選擇選擇框，特征點(diǎn)坐標(biāo)微調(diào)工具窗口，保存特征點(diǎn)對(duì)功能按鈕，加載結(jié)果按鈕和預(yù)覽結(jié)果加載窗口。具體如圖5 所示：

圖5 切片和發(fā)布系統(tǒng)界面

4.2 系統(tǒng)操作

首先，點(diǎn)擊下載基準(zhǔn)底圖按鈕，輸入基準(zhǔn)底圖下載參數(shù)，然后點(diǎn)擊加載待處理數(shù)據(jù)按鈕并從彈出列表中選擇原始圖像。點(diǎn)擊匹配算法選擇要使用的特征點(diǎn)匹配算法。接著，手動(dòng)選擇若干對(duì)特征點(diǎn)并分別保存，保存特征點(diǎn)之前用戶可以通過特征點(diǎn)坐標(biāo)微調(diào)工具對(duì)特征點(diǎn)位置進(jìn)行精確調(diào)整。最后，點(diǎn)擊預(yù)覽結(jié)果，系統(tǒng)計(jì)算匹配并預(yù)覽結(jié)果在界面的右方預(yù)覽結(jié)果窗口。

切片階段，選擇要切片的數(shù)據(jù)點(diǎn)擊切片上傳，系統(tǒng)根據(jù)默認(rèn)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行切片，切片后數(shù)據(jù)包自動(dòng)保存入庫并生成切片Url 索引，完成無姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)到帶姿態(tài)參數(shù)影像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇不同的配準(zhǔn)策略，這使系統(tǒng)變得更加靈活，可擴(kuò)展性更強(qiáng)，算法的效率也大大提高。

5 結(jié)論

融入圖像配準(zhǔn)技術(shù)和切片處理的數(shù)據(jù)規(guī)范化處理系統(tǒng)在諸多行業(yè)具有重大的實(shí)踐意義。本文在研究影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)算法和切片規(guī)則的基礎(chǔ)上，根據(jù)影像數(shù)據(jù)類型多源的特點(diǎn)，完成了基于影像配準(zhǔn)和切片技術(shù)的影像數(shù)據(jù)規(guī)范化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)首先將圖像配準(zhǔn)算法應(yīng)用并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)配準(zhǔn)處理分系統(tǒng)來負(fù)責(zé)圖像特征提取、特征匹配等功能，然后按照切片設(shè)計(jì)開發(fā)了影像數(shù)據(jù)切片和發(fā)布功能，最后將兩者有機(jī)結(jié)合，開發(fā)了影像數(shù)據(jù)規(guī)范化處理系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的使用流程。