一種基于光譜增強(qiáng)的遙感影像地面特征表達(dá)評(píng)價(jià)方法

杜 輝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300142)

利用TM、SPOT、ALOS、QuikBird、ADS40等遙感數(shù)據(jù)制作真彩色(模擬真彩色)影像圖時(shí),當(dāng)源數(shù)據(jù)不同或者同一種源數(shù)據(jù)而時(shí)相不同時(shí),其地面特征表達(dá)千差萬別。另外,不同的操作員對(duì)于地面特征(不同顏色信息)的感知能力也不盡相同,即使同一個(gè)人在不同時(shí)間對(duì)同一幅影像的認(rèn)識(shí)也會(huì)不同；因而海量數(shù)據(jù)光譜增強(qiáng)的工作量巨大,另外,經(jīng)過不同操作員解譯的遙感影像很難進(jìn)行鑲嵌,底圖成果也差強(qiáng)人意。能否找到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的評(píng)定方法,使得不同影像數(shù)據(jù)對(duì)同一地面特征的表達(dá)盡可能統(tǒng)一,這將改善影像底圖生產(chǎn)周期過長(zhǎng)的現(xiàn)狀。本文提出一種評(píng)價(jià)方法,并且探討該方法的制定和實(shí)施過程。

1 遙感影像底圖生產(chǎn)的現(xiàn)狀

1.1 遙感影像信息的不確定性和多解性

遙感信息是地球表層系統(tǒng)的二維綜合反映。地球表層系統(tǒng)是有機(jī)聯(lián)系地理對(duì)象的集合,是具有復(fù)雜的物質(zhì)、能量與信息流動(dòng)和多層結(jié)構(gòu)的開放復(fù)雜系統(tǒng)。因而地表信息是多維的、無限的,同時(shí)又由于遙感信息傳遞過程中的局限性以及遙感信息之間的復(fù)雜相關(guān)性,造成了遙感信息的不確定性和多解性特征。

這種不確定性和多解性決定了遙感影像制圖過程中的不確定性和多解性。在生產(chǎn)實(shí)踐中,不同的項(xiàng)目往往采用不同的數(shù)據(jù)源,同一項(xiàng)目中也往往使用多種影像數(shù)據(jù)(包括模擬真彩色和真彩色影像)。在此過程中，除了要依據(jù)作業(yè)規(guī)范要求精度的剛性規(guī)定來定制影像采購計(jì)劃,還要對(duì)同一區(qū)域的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別,采取最優(yōu)的組合方式來達(dá)到最佳成圖效果。

對(duì)于不同源數(shù)據(jù)的真彩色影像制圖,數(shù)據(jù)的RGB輸出時(shí)往往采用特定的波段,由于獲取影像的傳感器不同,其光譜特性差異明顯；即使同一種數(shù)據(jù)，由于時(shí)相不同,其地面特征也相去甚遠(yuǎn),這就造成后序影像鑲嵌工作量巨大。利用遙感影像鑲嵌軟件進(jìn)行勻光處理雖然能在短時(shí)間內(nèi)完成海量數(shù)據(jù)的鑲嵌,但其對(duì)于影像的灰度值進(jìn)行了重采樣,使得個(gè)別地面信息的損失較為嚴(yán)重。因此，要保證得到盡量真實(shí)可靠的地面信息,一般采用先在PhotoShop中單幅光譜增強(qiáng)再鑲嵌的方法[5]。影像鑲嵌前要對(duì)不同源數(shù)據(jù)地面特征表達(dá)的差異有所了解。

不同傳感器數(shù)據(jù)地面特征表達(dá)總結(jié)如表1(數(shù)據(jù)需要RGB輸出的,輸出時(shí)均未進(jìn)行灰度拉伸)。

表1給出了一些影像數(shù)據(jù)的基本特征,圖1、圖2統(tǒng)計(jì)了兩幅相同分辨率的多光譜影像在地面特征表達(dá)方面的差異。

表1 不同傳感器數(shù)據(jù)地面特征表達(dá)差異

圖1 SPOT10 m多光譜數(shù)據(jù)

圖2 ALOS10 m多光譜數(shù)據(jù)

圖1、圖2是同一地區(qū)兩幅空間分辨率相同的SPOT5多光譜影像和ALOS多光譜影像。從中不難發(fā)現(xiàn)A處的體育場(chǎng)在SPOT影像中邊緣信息更加豐富,B處地表和C處的建筑物在SPOT影像中紋理更加豐富。

1.2 分辨率融合之后的影像數(shù)據(jù)光譜增強(qiáng)情況更加復(fù)雜

進(jìn)行分辨率融合操作之前應(yīng)該確定多光譜數(shù)據(jù)采用的RGB波段(當(dāng)然也可以采用多波段例如采用SPOT或ALOS的全部波段),同時(shí),參與融合的全色數(shù)據(jù)應(yīng)保證灰度均一,避免采用圖幅被大面積霧霾覆蓋的源數(shù)據(jù)。即便注意了如上方面問題,融合后影像的光譜增強(qiáng)仍然周期較長(zhǎng)。這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過程中,經(jīng)過不同操作員光譜增強(qiáng)后的地面特征表達(dá)相差較遠(yuǎn),造成后續(xù)鑲嵌工續(xù)繁鎖,成圖效果也受到影響。

1.3 遙感影像地面特征表達(dá)缺乏標(biāo)準(zhǔn)

《遙感影像平面圖制作規(guī)范》GB/T 15968—2008中對(duì)于影像質(zhì)量和顏色的規(guī)定不甚明確。在實(shí)際生產(chǎn)過程中沒有任何相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)作為指導(dǎo),工作中存在較大盲目性。造成的直接后果，就是生產(chǎn)出的影像底圖無法統(tǒng)一。

如果以長(zhǎng)期影像底圖生產(chǎn)為依托,建立一個(gè)遙感影像數(shù)據(jù)的地面特征數(shù)據(jù)集,并對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行合理的更新，以期在大多數(shù)影像底圖生產(chǎn)過程中有所依據(jù),這將對(duì)緩解底圖生產(chǎn)周期過長(zhǎng)具有積極的作用。

2 建立遙感影像底圖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的難點(diǎn)

2.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在很強(qiáng)的主觀性

對(duì)于一幅遙感影像圖，不同人的感觀評(píng)價(jià)可能是截然不同的,其關(guān)注的角度也千差萬別。即使同一個(gè)人，在不同時(shí)期，對(duì)于同一幅影像的認(rèn)識(shí)也會(huì)不同。如果采用武斷的方式簡(jiǎn)單草率的建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),得不到更多人的認(rèn)可,則標(biāo)準(zhǔn)的意義無法體現(xiàn)。

2.2 用戶的滿意程度是另一個(gè)重要因素

遙感影像底圖生產(chǎn)始終無法回避的一個(gè)因素就是用戶的意見。非遙感專業(yè)的用戶對(duì)于影像底圖的要求當(dāng)然是多方面的,他們對(duì)一幅影像圖的認(rèn)識(shí)完全取決于個(gè)人的意愿,而對(duì)于圖面內(nèi)真實(shí)的影像信息并不給予過多關(guān)注。因此地面特征表達(dá)數(shù)據(jù)集建立過程中對(duì)不同層面的需求分析要充分。

2.3 遙感影像地面特征數(shù)據(jù)集的建立是非常必要的

遙感影像底圖生產(chǎn)無操作標(biāo)準(zhǔn)可循,造成影像圖生產(chǎn)過程中對(duì)于底圖的要求反反復(fù)復(fù),浪費(fèi)了大量的人力和物力,因此找到一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一和穩(wěn)定的評(píng)價(jià)方法是完全必要的。

這一評(píng)價(jià)方法的核心就是建立遙感影像地面特征數(shù)據(jù)集。這個(gè)數(shù)據(jù)集的建立絕非少數(shù)人在短時(shí)間內(nèi)能夠完成,它需要一些長(zhǎng)期從事影像增強(qiáng)的人提出一些方案,在實(shí)踐中不斷篩選,這些方案還需要在生產(chǎn)中不斷優(yōu)化。本文即將提到的一種評(píng)價(jià)方法只是對(duì)于該構(gòu)想的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

3 一種基于光譜增強(qiáng)的遙感影像地面特征表達(dá)評(píng)價(jià)方法

3.1 影像光譜增強(qiáng)的總體原則

按模擬真彩色輸出的遙感影像圖有時(shí)會(huì)存在不同程度的“偏色”,這種偏色會(huì)因影像時(shí)相不同而表現(xiàn)不同,一般夏季獲取的影像植被相對(duì)較多,大多數(shù)傳感器對(duì)地面反射的綠色信號(hào)都能進(jìn)行高效率的獲取,因此影像的地面特征解譯也相對(duì)容易；而對(duì)于稀少植被地區(qū)的影像,其地面信息主要是裸露的土壤和巖石,其光譜特性在影像上反映得不夠典型,因此光譜增強(qiáng)較復(fù)雜。無論是哪種影像的光譜增強(qiáng)都應(yīng)遵循一定的原則。

遙感影像光譜增強(qiáng)也應(yīng)遵循測(cè)繪學(xué)先定性后定量,先整體后局部的總體原則。在具體項(xiàng)目作業(yè)過程中,應(yīng)該首先了解原始影像的基本信息(例如原始影像獲取時(shí)間、以及影像涵蓋區(qū)域的基本地貌特征),再進(jìn)行進(jìn)一步目視解譯。例如這一幅內(nèi)陸沖積平原地區(qū)的夏季多植被影像,或者這是一幅沿海階地冬季植被稀少影像。

3.2 基于光譜增強(qiáng)的認(rèn)知模型

遙感信息的認(rèn)知過程主要是通過主觀的視覺觀察和邏輯判斷過程，去獲得客觀區(qū)域內(nèi)地學(xué)對(duì)象所蘊(yùn)含的地學(xué)信息的過程,這一認(rèn)知過程的源頭則是視覺認(rèn)知。視覺認(rèn)知內(nèi)在的過程是一個(gè)復(fù)雜的生理過程,但它的外部過程則可以模擬。

“遙感影像地學(xué)視覺認(rèn)知的研究通?？梢苑譃榈蛯右曈X認(rèn)知與高層視覺認(rèn)知的研究。其中低層視覺認(rèn)知,主要通過執(zhí)行對(duì)圖像的一些預(yù)處理的功能,如邊緣檢測(cè)、目標(biāo)檢測(cè)、紋理分析、形狀分析、立體造型分析、色彩分析等,其目的是消除與檢測(cè)目標(biāo)無關(guān)的信息,突出觀察對(duì)象”[1]。其實(shí)對(duì)影像的光譜增強(qiáng)即是對(duì)目標(biāo)區(qū)域的低層視覺認(rèn)知過程,即通過消除影像內(nèi)部噪聲,同時(shí)使各種地面信息(紋理、形態(tài)、色彩等)得到突顯。如果把這種認(rèn)知模型在實(shí)際生產(chǎn)中標(biāo)準(zhǔn)化,即以一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)影像的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行光譜增強(qiáng)。

3.3 遙感影像制圖過程描述

遙感影像制圖過程實(shí)際上是地學(xué)知識(shí)、地理信息與其他專業(yè)信息(如鐵路、公路線路設(shè)計(jì),環(huán)境評(píng)價(jià)信息,工程地質(zhì)災(zāi)害信息,土地利用現(xiàn)狀信息等)集成的過程,其中地學(xué)知識(shí)與地理信息的多元融合實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)專家系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 遙感影像成圖過程描述

建立遙感影像地面特征數(shù)據(jù)庫的意義在于,它使長(zhǎng)期無視覺參照的影像光譜增強(qiáng)技術(shù)變得有所依據(jù)。同時(shí),這個(gè)遙感影像地面特征數(shù)據(jù)庫也將規(guī)范現(xiàn)有的遙感影像成圖標(biāo)準(zhǔn),使相關(guān)技術(shù)向著有序的方向發(fā)展。

4 遙感影像地面特征數(shù)據(jù)庫的建立

4.1 地面特征分類的框架

遙感影像的認(rèn)知首先是視覺上的認(rèn)知,而不同的地表對(duì)象表現(xiàn)出的地面特征是千差萬別的。因此要完成對(duì)地面特征的認(rèn)知就必須對(duì)各種地貌進(jìn)行按紋理、形態(tài)、色彩的分類。

按照先整體后局部的原則,首先依地貌大類把地面特征分成裸露地表、有植被地表、居民地、水系共四大類。每大類再詳細(xì)劃分子類。分類表樣例見表2。表2數(shù)據(jù)來自于不同項(xiàng)目,各典型地面特征是從歷年影像成果數(shù)據(jù)中遴選而出,能夠代表典型地區(qū)的地表特征。

4.2 子類的進(jìn)一步分類

上表中某一子類的影像數(shù)據(jù)只能代表某一典型地區(qū)的地面特征,而不同地區(qū)地表特征總是存在差異。例如裸露地表大類中的平原,松嫩平原與中原地區(qū)地面特征就存在差異,有植被地表大類的地面特征也因地表植被的不同而存在差異。因此還需要對(duì)子類進(jìn)行進(jìn)一步分類,分類可參照工程地質(zhì)學(xué)對(duì)地貌的分類再結(jié)合土壤和巖石進(jìn)行詳細(xì)分類。

參照《最新工程地質(zhì)手冊(cè)》，將部分子類詳細(xì)分類(見表3)。

表2不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾類典型地面特征

表3 子類以下的詳細(xì)分類

遙感影像地面特征不明顯或者地面特征不典型的地貌分類未納入表3。另外，不同類的土壤、巖石也在遙感影像上表現(xiàn)出不同的地面特征。因此有必要考慮土壤和巖石的分類情況。

土壤可依照“具有一定分布區(qū)域或工程意義上具有特殊成分、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征”這一分類原則,劃分為“濕陷性土、紅黏土、軟土(包括淤泥和淤泥質(zhì)土)、混合土、填土、多年凍土、膨脹土、鹽漬土、污染土”；巖石分類可按成因劃分為：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖,

在進(jìn)行低分辨率影像制作過程中,一般只考慮到地貌分類,例如平原地區(qū)只區(qū)分沖積平原、河口三角洲、山前平原、湖泊平原等。進(jìn)行高分辨率影像圖制作時(shí)除了要了解該地區(qū)的地貌特征以外，還需要了解該區(qū)域內(nèi)土壤和巖石的大體類型,再對(duì)相應(yīng)地面特征進(jìn)行合理解譯。

4.3 建立遙感影像地面特征數(shù)據(jù)庫

對(duì)細(xì)分類后地貌的遙感影像地面特征進(jìn)行分類整理,再按照一定規(guī)范建立遙感影像地面特征數(shù)據(jù)庫。由于這個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是綜合和地學(xué)知識(shí)和地理信息的系統(tǒng),它的建立是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程,不可能是一兩個(gè)人在短時(shí)間內(nèi)能夠完成的,它需要從業(yè)者在大量生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)各種地貌的典型地面特征,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷更新和完善,以期達(dá)到形成標(biāo)準(zhǔn)的目的。

5 結(jié)論

在遙感影像成圖過程中,光譜增強(qiáng)是非常重要的步驟。從遙感影像底圖(真彩色或者模擬真彩色)生產(chǎn)現(xiàn)狀來看,存在一定的盲目性,如果尋求一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定和統(tǒng)一的底圖評(píng)價(jià)方法,對(duì)縮短底圖生產(chǎn)周期將大有裨益。本文探討的遙感影像底圖評(píng)價(jià)方法的核心在于建立一個(gè)遙感影像地面特征表達(dá)的數(shù)據(jù)庫,使影像底圖生產(chǎn)過程變得有所依據(jù)。關(guān)于遙感影像地面特征數(shù)據(jù)庫的實(shí)施將在后續(xù)論著中進(jìn)一步探討。

[1] 周成虎，等.遙感影像地學(xué)理解與分析[M].北京：科學(xué)出版社,1999

[2] (美)John R.Jensen.遙感數(shù)字影像處理導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007

[3] 張有良.最新工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國知識(shí)出版社,2006

[4] GB/T 15968—2008 遙感影像平面圖制作規(guī)范[S]

[5] 杜 輝，等.使用PHOTOSHOP進(jìn)行衛(wèi)星影像光譜增強(qiáng)的方法和優(yōu)勢(shì)[J].鐵道勘察,2008(4)