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自然资源遥感  2022, Vol. 34 Issue (1): 76-84    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021051
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耦合分水岭与形态学的特殊纹理影像配准算法
臧丽日1(), 杨树文1,2,3(), 申顺发1, 薛庆1, 秦肖伟1
1.兰州交通大学测绘与地理信息学院,兰州 730070
2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心,兰州 730070
3.甘肃省地理国情监测工程实验室,兰州 730070
A registration algorithm of images with special textures coupling a watershed with mathematical morphology
ZANG Liri1(), YANG Shuwen1,2,3(), SHEN Shunfa1, XUE Qing1, QIN Xiaowei1
1. Faculty of Geomatics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
2. National-Local Joint Engineering Research Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China
3. Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring, Lanzhou 730070, China
全文: PDF(6821 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

针对现有算法在合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)影像与光学影像配准时存在的效率和精度较低的问题,提出一种耦合标记控制分水岭与数学形态学的特殊纹理影像逐步求精的自动配准算法。首先,利用改进的标记控制分水岭算法分别提取影像中的水体特征,并进行二值化和数学形态学处理,以准确地提取水体区域; 其次,提取水体质心用于图像间的粗配准,提升后续算法搜索效率; 最后,基于优化算法搜索得到相似性测度最大时的最优变换参数,以此对待配准SAR影像进行空间变换,完成SAR影像与光学影像的精配准。实验结果表明,该算法耦合了图像分割与配准,在减少计算量的同时确保配准精度,有效地解决了灰度和分辨率差异大的SAR影像与光学高分辨率影像自动配准的难题。

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臧丽日
杨树文
申顺发
薛庆
秦肖伟
关键词 SAR影像配准标记控制分水岭数学形态学特殊纹理    
Abstract

Existing registration algorithms suffer low efficiency and accuracy in the registration of synthetic aperture Radar (SAR) and optical images. This study proposed a stepwise refinement-based automatic registration algorithm of images with special textures by coupling marker-controlled watershed segmentation and mathematical morphology. Firstly, the improved marker-controlled watershed algorithm was used to extract the features of water bodies from images, and then binarization and mathematical morphology were applied to accurately extract the water regions. Secondly, the centroids of water bodies were extracted for rough registration between images to improve the search efficiency of the subsequent algorithm. Finally, using the optimization algorithm, the optimal transformation parameters when the similarity measure was maximized were obtained and were used to carry out the spatial transformation of SAR images for image registration. In this manner, the precise registration of SAR and optical images was completed. The experimental results show that the algorithm proposed in this study that couples image segmentation with registration reduced calculation amount while ensuring the registration accuracy. Meanwhile, this algorithm effectively solved the difficulty in the automatic registration of SAR and optical high-resolution images that have large differences in gray levels and spatial resolution.

Key wordsSAR    image registration    mark-controled watershed    mathematical morphology    special texture
收稿日期: 2021-02-23      出版日期: 2022-03-14
ZTFLH:  TP79  
基金资助:国家重点研发计划(地球观测与导航)项目“星空地遥感立体监测技术”编号(2017YFB0504201);国家自然科学基金项目“基于高分辨率卫星影像的彩钢板建筑与城市空间结构演变关系研究”编号(41761082);兰州交通大学优秀平台项目共同资助编号(201806)
通讯作者: 杨树文
作者简介: 臧丽日(1996-),女,硕士研究生,主要从事遥感影像处理方面的研究。Email: 1525484225@qq.com
引用本文:   
臧丽日, 杨树文, 申顺发, 薛庆, 秦肖伟. 耦合分水岭与形态学的特殊纹理影像配准算法[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(1): 76-84.
ZANG Liri, YANG Shuwen, SHEN Shunfa, XUE Qing, QIN Xiaowei. A registration algorithm of images with special textures coupling a watershed with mathematical morphology. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(1): 76-84.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021051      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2022/V34/I1/76
Fig.1  分水岭算法分割结果
Fig.2  形态学重建滤波器
Fig.3  改进的标记控制分水岭算法流程
Fig.4  形态学处理流程
Fig.5  整体算法流程
Fig.6  实验所用影像数据
实验 影像类型 数据来源 空间分
辨率/m
影像大小
/像素
成像时间
第一
光学影像 GF-2 PAN 0.8 2 000×
2 000
20200411
SAR影像 GF-3 UFS 3 500×500 20200603
第二
光学影像 Google Earth 4.7 1 024×
1 024
20160425
SAR影像 Sentinel-1A IW 13.9 300×300 20160328
Tab.1  实验数据详细说明
序号 原始影像 Otsu算法 K-means法 区域生长法 本文算法
1
2
3
4
  Segmentation results of comparative experiments

数据源
Otsu算法 K-means法 区域生长法 本文算法
时间/s 准确率/% 时间/s 准确率/% 时间/s 准确率/% 时间/s 准确率/%
GF-2 0.46 54.02 1.52 40.84 30.27 90.04 8.94 98.28
GF-3 0.35 19.17 0.67 18.20 6.52 96.78 2.22 97.55
Tab.3  4种分割结果精度评价

数据源
Otsu算法 K-means法 区域生长法 本文算法
时间/s 准确率/% 时间/s 准确率/% 时间/s 准确率/% 时间/s 准确率/%
Google Earth 0.38 91.37 0.98 85.60 13.23 94.96 3.38 96.10
Sentinel-1A 0.32 84.09 0.55 86.64 5.06 94.35 1.90 96.68
平均值 0.38 62.16 0.93 57.82 13.77 94.03 4.11 97.15
  
Fig.7  第一组影像SAR-SIFT配准实验
Fig.8  第二组影像异源影像配准实验
Fig.9  实验结果主观对比
实验 配准算法 RMSE/像素 运行时间/s
第一组 SAR-SIFT算法 264.41
KAZE-HOG 算法 689.03
梯度互信息法 1.25 22.37
本文算法 0.96 21.62
第二组 SAR-SIFT算法 18.54
KAZE-HOG算法 28.38
梯度互信息法 4.29 10.65
本文算法 0.84 9.17
Tab.4  配准方法定量比较
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