基于成像系统建模提高遥感图像分辨率方法研究

摘要

随着全球信息化进程的飞速发展，军事和商业应用对高分辨率、高质量遥感图像的需求越来越迫切。但是由于探测器固有物理特性的限制，利用减小探测器像元尺寸、增加相机焦距等传统手段在提高空间分辨率方面取得新的突破越来越困难，成本越来越高。研究基于图像处理的方法以提高遥感图像的分辨率就成为一种有效可行的思路，具有重要的理论意义和应用价值。本文以基于成像建模理论的遥感图像分辨率提高方法为主线，针对遥感图像尤其是斜采样模式等亚像元技术中的分辨率分析、图像复原、超分辨率重建等方法进行研究，主要工作和研究成果如下:
　　 (1)研究了光学遥感器的成像系统模型，建立了包括大气、卫星平台、光学系统、探测器、传感电路的成像模型，对造成遥感图像分辨率降低的因素进行了分析和讨论;从采样定理的角度分析了亚像元技术超分辨率重建的适用条件及能够提高分辨率的上限;指出利用亚像元采样技术提高遥感器的分辨率，可以充分利用光学系统的成像潜能，但是在不改变探测器像元尺寸和光学系统相对孔径的情况下，亚像元技术只能突破采样分辨率的极限，无限逼近系统光学衍射分辨率而不能超越这个极限。
　　 (2)针对调制传递函数过零点问题，提出了一种单幅遥感图像频域校正超分辨率重建方法。由于卫星平台运动等因素的影响，调制传递函数在截止频率内存在大量过零点，这些过零点附近的噪声在图像复原过程中会被进一步放大甚至造成虚假的边缘和纹理。为了降低过零点对图像复原的不良影响，提出了一种频域校正方法，引入了遥感器有效载荷成像参数作为先验知识，将维纳滤波的结果作为全变分复原的初始值，通过对频域信息的校正，获得了更好的遥感图像超分辨率重建效果。
　　 (3)混叠是影响采样式光学遥感器图像质量的重要因素之一。在分析了推扫式采样成像系统中的混叠形成原因的基础上，研究了基于模糊、混叠、噪声三元组的有效分辨率模型，通过对亚像元采样系统的有效分辨率进行定量计算和分析，指出了较为有效的采样;研究了单线阵斜采样模式和超模式斜采样模式中线阵倾斜角度及飞行方向采样间距对有效分辨率和成像质量的影响，得出了有效分辨率意义上的最佳成像参数。
　　 (4)针对遥感图像中的混叠问题，提出了一种基于MAP-MRF的最佳倒易晶胞复原方法。通过对光学遥感图像存在模糊、混叠、噪声等三元退化因素成因的深入分析，建立了单线阵斜采样技术的最佳倒易晶胞模型，最大限度的获取斜采样模式下的图像有效信息。在MAP-MRF图像复原框架下，通过耦合有效分辨率最佳倒易晶胞，进一步减少了模糊、混叠、噪声对图像质量的影响，充分利用了由于混叠而错位的高频信息，获得了较好的复原效果;基于Majorization-Minimization的数值解法降低了计算复杂度，提高了运算速度和效率。
　　 (5)针对超模式斜采样模式下的遥感图像重建问题，提出了一种新的超分辨率重建框架。由于超模式斜采样成像方式采用倾斜一定角度的两排CCD线阵，在传统超分辨率重建框架的基础上融合了纠偏策略。首先用Forstner算子提取图像特征点，采用基于粗细结合的匹配策略对图像序列进行刚性配准;然后在加入线阵倾斜角度的变换模型基础上，通过基于B样条的多帧图像插值方法得到高分辨率的初始图像;最后通过耦合最佳倒易晶胞的复原方法，建立了完整的超模式斜采样成像方式下的配准、插值、重建框架，有效地提高了超模式斜采样下的遥感图像的空间分辨率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 提高遥感图像分辨率的方法

1．2．1 常规方法

1．2．2 图像复原方法

1．2．3 超分辨率重建

1．2．4 亚像元技术

1．3 课题来源

1．4 本文研究工作和内容安排

1．5 本文工作的创新点

2 光学遥感器成像系统模型

2．1 引言

2．2 成像过程模型

2．3 采样过程模型

2．3．1 函数及性质

2．3．2 傅里叶分析基础

2．3．3 采样过程分析

2．4 影响空间分辨率的因素分析

2．4．1 光学衍射分辨率

2．4．2 探测器分辨率

2．4．3 调制传递函数

2．4．4 系统噪声

2．5 亚像元技术

2．5．1 交错采样

2．5．2 线阵斜采样

2．5．3 微扫描技术

2．5．4 亚像元技术超分辨重建上限研究

2．6 本章小结

3 单幅遥感图像频域校正超分辨率重建方法

3．1 引言

3．2 全变分模型

3．3 单幅遥感图像频域校正超分辨率重建算法

3．3．1 MTF过零点分析

3．3．2 频域校正算法

3．4 实验结果与分析

3．5 本章小结

4 亚像元技术的混叠分析及分辨率计算

4．1 引言

4．2 遥感成像系统中的混叠建模

4．2．1 香农采样定理

4．2．2 任意规则网格上的采样

4．3 对偶网格分析

4．3．1 常规模式对偶网格分析

4．3．2 亚像元采样对偶网格分析

4．3．3 斜采样技术对偶网格分析

4．4 亚像元技术分辨率研究

4．4．1 标称分辨率

4．4．2 有效分辨率

4．5 实验结果与分析

4．6 本章小结

5 基于最佳倒易晶胞的遥感图像MAP复原方法

5．1 引言

5．2 基于贝叶斯理论的图像复原方法

5．3 基于最佳倒易晶胞的遥感图像MAP复原方法

5．3．1 先验概率模型

5．3．2 有效分辨率最佳倒易晶胞

5．3．3 数值解法

5．4 实验结果与分析

5．4．1 常规模式下的实验

5．4．2 单线阵斜采样模式下的实验

5．5 本章小结

6 超模式斜采样遥感图像超分辨率重建框架

6．1 引言

6．2 超模式斜采样遥感图像退化模型

6．3 超模式斜采样遥感图像超分辨率重建框架

6．3．1 基于Forstner算子的配准方法

6．3．2 基于B样条的多帧插值方法

6．3．3 基于最佳倒易晶胞的复原方法

6．4 实验结果与分析

6．4．1 配准精度

6．4．2 重建结果

6．5 本章小结

7 结束语

7．1 本文内容总结

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表和录用的论文情况

攻读博士学位期间在审理中的论文情况

攻读博士学位期间参加的科学研究情况