基于光譜增強(qiáng)的遙感影像地面特征資料庫建立

杜 輝 王雪嬌

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142； 2.中國地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

現(xiàn)有遙感影像底圖生產(chǎn)工藝存在如下問題：①《遙感影像平面圖制作規(guī)范》(GB/T 15968—2008)(以下簡稱《規(guī)范》)對于影像質(zhì)量和顏色的規(guī)定十分概略,實際生產(chǎn)過程中很難保持底圖成果的一致性；②找不到一套行之有效的影像圖色彩質(zhì)量評定方法；③在遙感影像制圖過程中,處理不同源的影像數(shù)據(jù)時沒有相關(guān)先驗知識作為指導(dǎo),工作中存在較大盲目性；④由于遙感信息的不確定性和多解性,造成影像鑲嵌非常復(fù)雜；⑤底圖生產(chǎn)過分依賴個人經(jīng)驗,生產(chǎn)規(guī)模不容易擴(kuò)大。本文研究的資料庫建立了一套遙感影像地面特征集,同時考慮了不同影像鑲嵌的問題,該資料庫已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)并且在很大程度上解決了實際問題。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

《規(guī)范》對于影像質(zhì)量和顏色的規(guī)定十分概略,實際生產(chǎn)過程中制圖人員對于影像色彩的把握非常主觀,不同作圖人員的產(chǎn)品不能保證色調(diào)的基本一致,有時同一作圖人員在不同時期完成的成果也很難保持風(fēng)格的一致性；另外，對于質(zhì)檢人員,往往找不到一套行之有效的影像圖色彩質(zhì)量評定方法。因此，影像底圖處理生產(chǎn)流程不能納入正軌。

在影像制圖過程中,底圖處理往往是整個工序的“瓶頸”。這是因為在生產(chǎn)過程中,處理不同源的影像數(shù)據(jù)時沒有相關(guān)先驗知識作為指導(dǎo),工作中存在較大盲目性；另外,由于遙感信息的不確定性和多解性,造成各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的鑲嵌非常復(fù)雜,因此影像底圖生產(chǎn)周期相對較長。

遙感影像底圖生產(chǎn)過分依賴個人經(jīng)驗。生產(chǎn)項目中的影像增強(qiáng)(后期處理)大部分采用PhotoShop軟件,遙感影像處理往往由少部分色彩感較好的人員完成,這些人的經(jīng)驗不能轉(zhuǎn)化為更通用的工序或方法,不利于生產(chǎn)效率的提高。如果建立一個基于光譜增強(qiáng)的遙感影像地面特征資料庫將從根上解決以上問題。本文將探討這種資料庫的設(shè)計和建庫過程。

2 模塊設(shè)計

為了很好的解決以上問題,本文研究的資料庫參照了地質(zhì)地貌學(xué)對地表類型的劃分,結(jié)合遙感數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論對地面特征進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆诸?。資料庫各功能模塊設(shè)計如下。

地面特征劃分及數(shù)據(jù)整理：搜集歷年影像圖制作采用的典型原始數(shù)據(jù),對所搜集資料進(jìn)行必要的加工、整理并且進(jìn)行分類存儲?；绢愋蛣澐职凑杖鐖D1所示框架進(jìn)行。

圖1 資料庫地面特征分類框架

資料庫地面特征在進(jìn)行大類劃分后還應(yīng)該進(jìn)行子類的劃分,子類的劃分參照地質(zhì)地貌學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)結(jié)合遙感影像自身特點(diǎn)進(jìn)行。具體子類劃分及代碼如表1所示。

表1 地面特征詳細(xì)分類及代碼

表1中水系大類,按傳感器劃分子類時考慮ALOS與SPOT對于水系的表達(dá)差異很小,因此模擬真彩色影像用“SHLJ”(水系-河流-假彩色)表示；另外，對于真彩色影像(QuickBird、RCD、ADS80、UCX、DMC等)在水體的表達(dá)方面也近乎相同,所以未對其進(jìn)一步分類,用“SHLZ” (水系-河流-真彩色)表示,居民地分類依此類推。

遙感影像地面特征資料庫(以下簡稱“SETD”)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析：根據(jù)數(shù)據(jù)源自身特點(diǎn),采用合適的波段(例如TM數(shù)據(jù)采用7、4、3波段,ALOS多光譜數(shù)據(jù)采用3、4、1波段,SPOT多光譜數(shù)據(jù)采用4、1、2波段來模擬真彩色)分析總結(jié)指定特征的影像數(shù)據(jù),在PS軟件中以最少的操作步驟達(dá)到最佳效果并且考慮不同類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的鑲嵌,編寫相關(guān)說明文檔。

資料庫組織模式及存儲：采用文件管理的方式。數(shù)據(jù)存儲類型主要有影像數(shù)據(jù)部分、說明文檔部分、各類代碼表。影像數(shù)據(jù)部分主要是各類典型地面特征文件光譜增強(qiáng)后的數(shù)據(jù),以JPG、PSD兩種格式存儲,說明文檔使用TXT格式存儲,各類代碼表采用Excel表格格式，如圖2所示。

圖2 資料庫存儲數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)共享：在服務(wù)器端存儲共享數(shù)據(jù),允許瀏覽、預(yù)覽、下載等操作。

資料庫檢索工具(以下簡稱SETD-CS)：開發(fā)簡單易用的目錄檢索系統(tǒng)。實現(xiàn)資料庫影像數(shù)據(jù)按地面特征查詢,按地理區(qū)域查詢,按數(shù)據(jù)類型查詢。模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 資料庫檢索工具框架設(shè)計

功能模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 SETD-CS功能模塊設(shè)計

3 資料庫主要研制過程

紅、綠、藍(lán)三基色是相互獨(dú)立的,任何一種基色都不能用其他兩種顏色合成。白色光通過棱鏡后被分解成多種顏色逐漸過渡的色譜,顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫,這就是可見光譜。其中,人眼對紅、綠、藍(lán)最為敏感,而大多數(shù)的顏色又可以通過紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。而PhotoShop軟件進(jìn)行色彩調(diào)節(jié)時可以按不同通道進(jìn)行調(diào)色。以上理論就為PhotoShop軟件能夠進(jìn)行影像底色處理提供了可能。

研究搜集歷年國內(nèi)外項目涉及的各種傳感器數(shù)據(jù),在PhotoShop軟件中進(jìn)行光譜增強(qiáng),并且顧及不同數(shù)據(jù)間的鑲嵌,色調(diào)盡量保持一致。但對于季節(jié)完全不同的數(shù)據(jù)(研究使用地表植被的覆蓋程度來區(qū)分)鑲嵌后仍需要后期處理。

3.1 假彩色影像的地面特征搜集整理與分析

按生產(chǎn)項目逐個進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索,得到相關(guān)類型數(shù)據(jù),例如TM數(shù)據(jù)的處理過程如下：

在已經(jīng)完成的項目中檢索TM數(shù)據(jù),在結(jié)果中篩選典型數(shù)據(jù),按分類表(見表1)中各種地面特征進(jìn)分類提取(截取圖內(nèi)相關(guān)地面特征的影像信息)。為提高資料庫典型數(shù)據(jù)的可用性,盡量同一數(shù)據(jù)類型選用兩個以上地理區(qū)域的影像數(shù)據(jù),且選擇的地域跨度盡量大。例如：有植被的高山TM數(shù)據(jù)提取了山西、云南、湖南等省份的數(shù)據(jù)。

對影像文件的命名采用“地面特征-地理區(qū)域”的方式,例如：“LPYT-AH”代表“裸露平原TM數(shù)據(jù)—安徽地區(qū)”。對于某些出現(xiàn)編碼重復(fù)的地區(qū)，如“LPYT-SX”代表的“山西”或者“陜西”產(chǎn)生混淆,采用地理區(qū)域的第一個簡拼標(biāo)注聲調(diào)的方法解決：“LPYT-S1X”代表“山西”、“LPYT-S3X”代表“陜西”。如圖5所示。

數(shù)據(jù)分析是根據(jù)數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)結(jié)合PSD文件對光譜增強(qiáng)步驟進(jìn)行分析,總結(jié)達(dá)到最佳效果的便捷方法。如圖6所示。

圖5 文件命名方式

圖6 同名說明文檔內(nèi)容

以ALOS數(shù)據(jù)為例：原始影像的紅波段表現(xiàn)得過于強(qiáng)烈,整體感觀偏洋紅色,因此在圖像增強(qiáng)初期采用“曲線”、“可選顏色”來抑制紅、藍(lán)波段、增益綠波段和黃色(如圖7所示)。

圖7 ALOS數(shù)據(jù)分析

3.2 真彩色影像的地面特征搜集整理與分析

真彩色影像應(yīng)用于大比例尺影像圖制作(包括分幅DOM制作)項目、高清晰三維虛擬現(xiàn)實項目,這一類項目具有生產(chǎn)周期長、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。對于真彩色影像進(jìn)行光譜增強(qiáng)的主要任務(wù)是調(diào)整影像亮度、對比度、以及輕微的偏色等問題。這一類數(shù)據(jù)的基本分類整理、分析過程同上。但是在光譜增強(qiáng)的具體操作上面應(yīng)該注意的是：“可選顏色”或者“色相飽和度”的使用應(yīng)當(dāng)慎重,如使用不當(dāng)則容易損失色彩細(xì)節(jié)(如圖8)。一般遵循“先大范圍,后小范圍”的方法,先采用“色階”、“曲線”工具對整體亮度、色調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)(因為對原始影像進(jìn)行某一波段的“色階”、“曲線”操作能夠快速、有效的改變亮度和色調(diào),所以在此階段就應(yīng)該確認(rèn)影像的主色調(diào)；而在操作后期,影像信息以中性色為主,適宜進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)),再使用“可選顏色”進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié),只有極個別情況(例如大型工業(yè)廠房屋頂?shù)念伾珦p失,就適宜從初期著手進(jìn)行有效的強(qiáng)調(diào))才需要在初期使用“可選顏色”來對個別失真的地面特征進(jìn)行校正。

圖8 真彩色數(shù)據(jù)分析

3.3 SETD-CS界面簡介

SETD-CS是用VB開發(fā)的目錄檢索工具,能夠?qū)崿F(xiàn)按地面特征、地理區(qū)域、傳感器類型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索,檢索主目錄樹如圖9所示。

圖9 SETD-CS程序開發(fā)與運(yùn)行界面

點(diǎn)擊某一子類后即可瀏覽某一子類的全部影像、預(yù)覽某一具體地面特征(如圖10所示)。

點(diǎn)擊某一張影像時自動跳轉(zhuǎn)至“預(yù)覽”頁面,可預(yù)覽相應(yīng)的較大尺寸的圖像,并且在該界面下顯示該幅影像的簡要說明文檔,提供該影像和說明文檔的下載鏈接,此時如再一次點(diǎn)擊左側(cè)目錄樹的某一子類時自動跳轉(zhuǎn)回瀏覽頁面。

圖10 子類及地面特征瀏覽

4 資料庫的應(yīng)用

SETD應(yīng)用于項目過程中,首先應(yīng)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域特征選取相應(yīng)的SETD數(shù)據(jù)文件,即首先判斷目標(biāo)影像是否有植被覆蓋,地貌怎樣，是高山還是平原等。大多數(shù)時同一任務(wù)區(qū)域內(nèi)涉及兩種或兩種以上的地面特征,同一地面特征的模板就不能很好的解決問題,這時應(yīng)該綜合運(yùn)用兩種或者更多的地面特征模板。資料庫影像數(shù)據(jù)一般有兩種調(diào)用方式：

一種是分區(qū)域調(diào)節(jié),即將目標(biāo)區(qū)域劃分為不同的區(qū)塊采用相應(yīng)的模板來調(diào)節(jié),這種方法應(yīng)該注意接邊處使用恰當(dāng)?shù)挠鸹褂跋襁^渡自然、平順。

另一種是綜合采用多個模板的調(diào)節(jié)層,既打開多個模板、同時參照文檔說明,綜合取舍多個操作步驟,使目標(biāo)影像最終達(dá)到理想效果。

SETD、SETD-CS已經(jīng)成功應(yīng)用于哈薩克斯坦阿斯塔納至阿拉木圖高速鐵路項目(線路長度約1 010 km)1∶50萬、1∶10萬遙感影像圖制作；應(yīng)用于蒙西至華中鐵路煤運(yùn)通道項目(線路長度約1 896 km)1∶50萬遙感影像圖制作項目；應(yīng)用于張家口至唐山鐵路三維虛擬踏勘項目DOM制作。

5 結(jié)論

在遙感影像底圖生產(chǎn)過程中,SETD可以提供一套較為完善的數(shù)據(jù)模板和影像光譜增強(qiáng)解決方案,同時考慮了不同影像鑲嵌的問題,使得不同時相、不同傳感器的影像色調(diào)較為一致,保持了底圖成果的一致性,也縮短了底圖生產(chǎn)周期；SETD也為質(zhì)檢人員找到了一套實用的影像圖色彩質(zhì)量評定方法；SETD的應(yīng)用使得底圖生產(chǎn)過分依賴個人經(jīng)驗的現(xiàn)狀有所改善,使項目作業(yè)面更有利于展開。如果該資料庫在行業(yè)內(nèi)能夠得到廣泛應(yīng)用并且最終行成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),將在更大程度上完善遙感影像制圖工藝流程。

[1]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.[HJ].鐵道勘察,2008(4)

[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]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

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

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