一種基于三角形定標法的巖芯高光譜數據幾何畸變校正方法與流程

(一)技術領域

本發明涉及一種利用圖像處理的方法進行巖芯高光譜數據幾何畸變校正方法，屬于高光譜數據處理方法與應用技術領域，適用于高光譜數據幾何畸變校正的理論方法和應用技術研究。

(二)

背景技術：

高光譜成像儀是一種新型的遙感載荷，其光譜具有緊密、連續的特點，可以同時記錄被測同一地物的光譜和空間信息特征，使本來在寬波段遙感中不可能探測的物質在高光譜遙感中能被探測到。巖芯是通過鉆井取心獲得的第一手資料，通過對巖芯的分析，可以確定地層的年代，研究地層的巖性、物性、電性和含油性以及判斷巖性的沉積環境及斷裂情況。鑒于巖芯數據的重要性以及防止由于自然風化、人為管理不當等原因造成巖芯損失，為了更好地對巖芯數據進行保存和研究，巖芯成像光譜儀應運而生。巖芯成像光譜儀在掃描數據的過程中，受其工作方式、光學系統組成、光照條件以及掃描平臺機械運動精度等內外因素的影響，原始的巖芯掃描圖像中存在幾何畸變，無法被用戶直接使用。幾何畸變成為巖芯高光譜數據應用的主要問題，通過對幾何畸變進行校正可以大大推動高光譜數據的應用，并不斷擴展巖芯高光譜數據的應用深度和廣度。

圖像分割與識別是數字圖像處理重要的組成部分。隨著計算機技術的不斷發展，圖像分割與識別逐漸得到重視，各種處理方法層出不窮。本發明基于儀器特性和成像條件的分析，提出基于幾何定標、平滑濾波、閾值化、膨脹和腐蝕、邊緣檢測以及霍夫直線檢測等圖像處理方法，實現圖像的幾何畸變校正。

(三)

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種基于三角形定標法的巖芯高光譜數據幾何畸變校正方法，此方法利用圖像分割和識別方法可以自動識別畸變區域，并提取畸變區域邊緣特征點，以特征點作為控制點，有效地解決了巖芯圖像數據中無固定控制點的問題，為幾何校正提供依據，進行幾何畸變校正。

本發明的技術解決方案是：針對巖芯成像光譜儀采集巖芯圖像數據中存在拉伸壓縮幾何畸變時，無法在不停變換的巖芯數據中選取固定的控制點，難以進行幾何校正的問題，提出了基于三角形定標法的幾何校正方法。該方法利用圖像識別與分割等圖像處理方法，提取定標三角形畸變區域邊緣特征點作為幾何畸變校正的控制點，達到幾何校正的目的。

本發明一種基于三角形定標法的巖芯高光譜數據幾何畸變校正方法，其步驟如下：

(1)巖芯高光譜數據的讀入；

(2)根據光譜特征，確定提取定標三角形的波段；

(3)由平滑線性空間濾波器對圖像進行濾波處理，采用閾值分割方法對定標三角形進行粗提取；

(4)由步驟(3)得到的結果進行膨脹和腐蝕處理，消除不規則的邊界點，得到互不連通的定標三角形和干擾區域；

(5)以定標三角形在巖芯數據中的面積為閾值，消除干擾區域，得到定標三角形；

(6)由canny邊緣檢測器對定標三角形進行邊緣檢測，提取定標三角形的輪廓信息；

(7)采用霍夫變換尋找定標三角形輪廓中的直線，以直線斜率和長度為閾值，提取發生畸變的定標三角形斜邊線段端點，以此為控制點進行幾何畸變校正。

其中，步驟(2)中所述的根據光譜特征，確定提取定標三角形的波段為巖芯數據光譜特征差異大、圖像對比度高的波段。

其中，步驟(3)中所述的“由平滑線性空間濾波器對圖像進行濾波處理，采用閾值分割方法對定標三角形進行粗提取”，其閾值分割方法操作如下：

f(x，y)為平滑后的巖芯圖像，g(x，y)為閾值分割后圖像，t為閾值。

其中，其步驟(4)中所述的“由步驟(3)得到的結果進行膨脹和腐蝕處理，消除不規則的邊界點，得到互不連通的定標三角形和干擾區域”，腐蝕操作為：

a為需進行腐蝕處理的集合，a^c是a的補集，是空集，b為腐蝕結構元素，腐蝕選擇不同大小的結構元素，去除集合不同大小的邊界以及有細小的連通的兩個集合；膨脹是腐蝕的對偶運算，即對集合的補集進行腐蝕運算得到膨脹結果。

其中，其步驟(5)中所述的“以定標三角形在巖芯數據中的面積s為閾值，消除干擾區域，得到定標三角形”，巖芯成像光譜儀焦距f和成像高度h已知，定標三角形實際面積大小為s0，依據成像等比關系，可以計算定標三角形在巖芯圖像中的面積s為閾值進一步提取定標三角形：

其中，步驟(6)中所述的“由canny邊緣檢測器對定標三角形進行邊緣檢測，提取定標三角形的輪廓信息”，利用canny算子以面積s為閾值，尋找定標三角形的輪廓信息，提取定標三角形的輪廓。

其中，步驟(7)中所述的“采用霍夫變換尋找定標三角形輪廓中的直線，以直線斜率和長度為閾值，提取發生畸變的定標三角形斜邊線段端點，以此為控制點進行幾何畸變校正”，通過一個直線的離散極坐標公式，可以表達出直線的離散點集合等式如下：

ρ＝xcosθ+ysinθ

ρ≥0，0≤θ＜π，其中ρ為l相對于原點的距離，θ為l與x軸的交角，(x，y)為像元坐標；直線l上不同點(x，y)在參數空間中被變換為一簇相交于p點的正弦曲線，若能確定參數空間中的p點(局部最大值)，即實現直線檢測；無畸變情況時定標三角形的斜邊斜率的絕對值|α|應為1，以此為閾值提取出三角形斜邊直線，再以斜邊長度l為閾值，提取出小于正常斜邊長度的直線，位于同一定標三角形斜邊上的兩條直線之間的區域就是幾何畸變區域，以畸變區域的邊緣特征點為控制點，進行幾何畸變校正。

本發明與現有技術相比的優點在于：克服了傳統遙感圖像幾何畸變校正中需要位置相對不變，確定的控制點的局限，利用圖像處理的相關方法自動識別畸變區域，提取畸變區域的邊緣特征點作為控制點，有效地解決了巖芯圖像數據無固定控制點的問題，為幾何校正提供依據。它具有以下的優點：(1)通過設立定標三角形解決了巖芯數據中無固定控制點的問題，為巖芯數據的幾何畸變校正提供依據；(2)通過圖像分割和識別方法，自動識別和提取畸變區域，減少人為干預，節省人力；(3)利用定標三角形面積，斜邊長度和斜率等先驗知識，實現定標三角形畸變區域邊緣特征點的提取，有效的提高了算法的可靠性。

(四)附圖說明

圖1為模擬巖芯數據圖像處理過程，其中：

圖1(a)為模擬巖芯圖像；

圖1(b)為平滑濾波灰度圖；

圖1(c)為二值化圖；

圖1(d)為腐蝕和膨脹結果圖；

圖1(e)為canny邊緣檢測結果圖；

圖1(f)為定標三角形輪廓提取結果圖；

圖1(g)為霍夫變換直線檢測結果圖；

圖1(h)為校正結果圖。

(五)具體實施方式

為了更好的說明本發明涉及的一種基于三角形定標法的巖芯高光譜數據幾何畸變校正方法，利用模擬巖芯數據進行幾何畸變校正。本發明一種基于三角形定標法的巖芯高光譜數據幾何畸變校正方法，具體實現步驟如下：

(1)巖芯數據的讀入：讀入模擬巖芯數據；如圖1(a)所示；

(2)根據光譜特征，確定提取定標三角形的波段：根據數據特點，確定第一波段為實驗波段；

(3)由平滑線性空間濾波器對圖像進行濾波處理，采用閾值分割方法對定標三角形進行粗提取：其閾值分割方法操作如下：

f(x，y)為平滑后的巖芯圖像，g(x，y)為閾值分割后圖像，t為閾值，圖像由較亮巖芯數據等組成的背景以及背景上的黑色定標三角形組成，以這樣的組成方式，定標三角形像素和背景像素所具有的灰度值組合成了兩種支配模式，從背景中提取物體的一種明顯方法是選擇一個將這些模式分開的閾值t，然后，f(x，y)＜t的任何點(x，y)稱為一個對象點；否則將該點成為背景點；如圖1(b)和圖1(c)所示；

(4)由步驟(3)得到的結果進行膨脹和腐蝕處理，消除不規則的邊界點，得到互不連通的定標三角形和干擾區域：腐蝕選擇不同大小的結構元素，就可以去除集合不同大小的邊界，如果兩個集合之間有細小的連通，通過腐蝕運算就可將兩個集合分開，用集合a和b表示腐蝕的定義為：

a為需進行腐蝕處理的集合，a^c是a的補集，是空集，b為腐蝕結構元素，膨脹是腐蝕的對偶運算，可定義為對集合的補集就行腐蝕運算；如圖1(d)所示，對定標三角形進行了分割；

(5)以定標三角形在巖芯數據中的面積為閾值，消除干擾區域，得到定標三角形：巖芯成像光譜儀焦距f和成像高度h已知，定標三角形實際面積大小為s0，依據成像等比關系，可以計算定標三角形在巖芯圖像中的面積s為閾值進一步提取定標三角形(如圖1(e)所示)：

(6)由canny邊緣檢測器對定標三角形進行邊緣檢測，提取定標三角形的輪廓信息：邊緣檢測是以找到亮度的一階導數在幅度上比指定閾值大的區域和找到亮度的二階導數有零交叉的地方兩個基本準則為標準，在圖像中尋找亮度快速變化的地方；按照上述兩個準則，選擇細節更清晰的canny邊緣檢測器進行巖芯圖像的邊緣檢測，并以面積s為閾值，尋找定標三角形的輪廓信息，提取定標三角形的輪廓；如圖1(f)所示；

(7)采用霍夫變換尋找定標三角形輪廓中的直線，以直線斜率和長度為閾值，提取發生畸變的定標三角形斜邊線段端點，以此為控制點進行幾何畸變校正：霍夫變換是一種在圖像中尋找直線、圓等簡單形狀的方法，利用霍夫變換在輪廓中尋找直線，一條直線在圖像中是一系列離散點的集合，通過一個直線的離散極坐標公式，可以表達出直線的離散點集合等式如下：

ρ＝xcosθ+ysinθ

ρ≥0，0≤θ＜π，其中ρ為l相對于原點的距離，θ為l與x軸的交角，(x，y)為像元坐標，無畸變情況時定標三角形的斜邊斜率的絕對值|α|應為1，以此為閾值提取出三角形斜邊直線。再以斜邊長度l為閾值，提取出小于正常斜邊長度的直線，位于同一定標三角形斜邊上的兩條直線之間的區域就是幾何畸變區域，以畸變區域的邊緣特征點為控制點，進行幾何畸變校正，如圖1(g)和圖1(h)所示。