分视场滤光片型多光谱相机在利用拼接和配准生成多光谱图像时, 受云、水等特殊地物的影响, 利用现有方法生成的结果图像上容易出现条带噪声和错配现象。提出了一种三维信息约束下的尺度不变特征转换(SIFT)图像配准和地物光谱特性约束下的多光谱图像预处理算法, 该算法利用三维信息约束的SIFT算子提高配准精度, 同时在地物光谱特性约束下选取有效的辐射校正点提高图像拼接时各条带图像灰度的校正精度。实验结果表明, 利用该方法对分视场多光谱相机数据进行预处理时, 即使图像上存在云、水等特殊区域的地物, 结果图像仍能保持高精度配准且无条带噪声。

轻小型、 低成本无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)机载光谱成像仪的快速发展为水质监测、 精准农业提供了新的手段。 ZK-VNIR-FPG480机载高光谱成像仪是国产仪器, 拥有自主产权, 影像共有270个波段, 光谱范围为400～1 000 nm, 光谱分辨率为3 nm, 空间分辨率为0.9 m@1 km, 成像方式为运动推扫成像, 该成像仪的特点是影像之间不存在航向重叠, 只存在旁向重叠。 它在提供高光谱、 高空间分辨率影像的同时也存在着一系列问题: ①无人机的狭窄视场限制了每条航带的地面覆盖范围, 需要进行航带拼接; ②其自带的POS系统定位精度低; ③为提高作业效率, 航带间的重叠率较低, 一般设置在30%左右, 为影像拼接增加了困难; ④因飞行时受风力、 光照以及仪器自身等影响使得每条航带间存在亮度差异, 拼接时会出现拼接缝现象。 针对上述问题提出一种基于曲面样条函数和相位相关的无人机高光谱影像拼接方法, 旨在将无人机拍摄的单条高光谱航带拼接成一幅完整的带有地理坐标的全景图, 并实现影像几何和光谱上的匹配。 该方法包括以下几个步骤: 首先, 以正射影像为基准采用曲面样条函数法对高光谱航带进行地理配准, 赋予每条航带真实的地理坐标; 然后采用局部方差法计算各波段信噪比, 取分值最高的波段作为最优波段; 再利用该最优波段采用基于2幂子图像的相位相关算法来纠正航带间已经存在的地理空间映射关系, 消除航带间存在的错位; 最后选用加权平均融合法对相邻航带进行融合, 消除航带拼接时因光照、 仪器自身等影响所产生的拼接线问题, 最终得到带有绝对地理坐标的高光谱全景图。 实验使用ZK-VNIR-FPG480机载高光谱成像仪获取大理某地区的高光谱数据进行拼接, 结果表明, 该拼接方法得到的全景图拼接处没有错位现象, 几何位置准确。 选取4种典型地物拼接前后的光谱曲线, 其曲线走向基本一致, 计算拼接影像与拼接前左右影像的光谱角余弦均值为0.965 2, 光谱相关系数均值为0.863 2, 光谱信息散度均值为0.424 0, 欧式距离均值为0.494 1, 四种光谱曲线相似性测度指标客观上显示了曲线的高度相似性, 表明拼接前后同名点的光谱匹配度高, 适用于无人机高光谱数据的拼接。 该方法不仅提高了拼接影像的地理坐标精度, 还在消除拼接缝的基础上最大限度的保证了光谱的保真性, 并通过引入2幂子图像解决了影像在重叠度低的情况下配准算法失效的问题。 但拼接前相邻航带同名点间存在光谱差异, 且高光谱数据量大, 拼接耗时多, 如何利用重叠区域的像素修正系统误差, 统一拼接图像的度量空间以提升光谱精度和稳定性并提高拼接速度仍是今后需要解决的问题。

为了提高多光谱图像匹配的速度和精度, 提出一种改进的随机抽样一致性(RANSAC)算法。针对传统RANSAC算法迭代次数多、运行效率低、单应性矩阵模型精度低等问题, 在采用SIFT 算法完成初始特征匹配的基础上, 从合理减少样本集中元素个数以提高局内点在样本中所占的比例以及采用预检验快速舍弃不合理的初始参数模型等方面对RANSAC算法进行改进, 从而极大地减少了算法的迭代次数, 提高了算法的运行效率和估计精度。实验结果表明, 所提改进算法不仅提高了图像匹配的精度, 而且在处理相同数据的前提下, 其所用时间不足传统RANSAC算法的60%, 有效减少了算法的运行时间, 提高了算法效率。

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求, 克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、 成本高的不足, 提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。 将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前, 利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制, 使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型, 采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。 量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、 能量利用率高、 体积小、 光谱范围宽和成本低等优势。 分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响, 以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。 分析得出谱段间隔越低, 光谱分辨率越高; 重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低; 适当的提高谱段间隔, 可以提高重建的准确性。 将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比, 可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好, 验证了该技术的可行性。 量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径, 在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱, 该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响, 进行了干涉图切趾处理, 但这会降低复原光谱的光谱分辨率。为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度, 文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法。该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵, 对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱。利用多种物质的光谱进行仿真实验, 测试两种光谱复原方法的光谱复原精度, 结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1%~3%, 而傅里叶变换法的复原误差在3%~7%的范围内。因此, 和傅里叶变换光谱复原方法相比, 基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高。

线性渐变滤光片(LVF)被广泛应用于各种小型快速分光测试设备中.分光特性进行研究,给出了其分光特性的高斯函数表达式,分析了各个参数与线性渐变滤光片中心透过率、谱线宽度和线性渐变系数等特性的关系.将光谱成像仪标定的单色仪法引入线性渐变滤光片的分光特性检测中,讨论了检测系统的敏感性,并给出了相应的误差容限公式.分析表明单色仪出射狭缝相对光轴平移量,以及滤光片倾斜角度对检测精度影响最大,实际测量中可通过光路和系统机构的调整达到精度要求.构建检测系统完成了对成品线性渐变滤光片分光特性的检测,结果表明对中心透过率的测量均方根误差小于0.05%,验证了方法的精确性,普适性,检测结果可为线性渐变滤光片相关系统的设计和标定提供参数指导.

为达到高光谱图像数据RX异常检测处理的高速、 实时、 海量存储等要求, 本文提出了一种基于 CPCI Express 标准总线架构的多DSP高光谱图像并行处理系统的解决方案。 系统采用4片DSP共享数据总线和存储器的紧耦合与Link口互联相结合的硬件拓扑架构。 在该硬件平台上, 针对光谱RX异常检测算法以及光谱图像三维数据的特点, 分配各DSP并行处理任务, 提出了一种利用图像空间分块计算并求整个图像的均值矩阵与协方差矩阵的4DSP并行处理技术。 结果表明, 在保证同等探测效果的条件下, 采用本文的RX异常检测算法4DSP并行处理技术, 可以达到单DSP处理4倍的时间效率, 解决了DSP内存容量对大数据量图像处理的限制, 并较好的完成了光谱数据的实时处理要求。

分析了大面阵滤光片型多光谱相机所用机械快门曝光时间波动对其光谱图像获取及处理造成的影响。 通过对现有机械快门结构及驱动方法的研究, 分析了造成该类机械快门稳定性差的原因, 并提出了一种先进的机械传动方式和电路驱动方法。 通过室内试验数据计算, 该方案将两次曝光间的最大变化率从15.05%降低到0.96%, 极大提高了曝光时间稳定性; 通过外场推扫成像试验及数据处理, 证明快门改进后多光谱相机所得彩色影像更接近真实目标, 且无明显色彩突变。 这对实际应用中多光谱相机数据处理结果的判读和目标识别具有重要意义。

大孔径静态干涉成像光谱技术在航天遥感应用中， 由于探测器横纹误差影响， 使获得的干涉数据无法反演光谱数据， 需要对横纹误差进行修正。 通过对干涉成像机理的分析， 给出探测器横纹误差影响下的干涉成像模型， 提出横纹误差影响下干涉数据修正方法。 最后利用仪器获取的数据， 对提出的修正方法进行验证， 由处理结果可以看出， 本文所提的修正方法可以很好的修正横纹误差对光谱的影响， 提高反演光谱的精度。