應(yīng)用“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模擬真彩色技術(shù)

孫家波，楊建宇，張 超，鄖文聚，朱德海

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083;2.國(guó)土資源部土地整治中心，北京 100035)

0 引言

“資源一號(hào)”02C衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱02C星)是根據(jù)國(guó)土資源主體業(yè)務(wù)需求而定制的第一顆國(guó)產(chǎn)高空間分辨率業(yè)務(wù)衛(wèi)星，已于2011年12月22日發(fā)射升空，搭載有1臺(tái)5 m/10 m分辨率的P/MS全色多光譜相機(jī)和2臺(tái)2.36 m高分辨率的HR相機(jī)。目前，該數(shù)據(jù)已經(jīng)開始應(yīng)用于我國(guó)土地利用變更調(diào)查監(jiān)測(cè)與核查項(xiàng)目中[1－3]。內(nèi)業(yè)主要以其作為目視解譯和數(shù)據(jù)采集的背景數(shù)據(jù);外業(yè)主要以其作為實(shí)地調(diào)查的底圖。02C星多光譜數(shù)據(jù)的波段組成與SPOT系列數(shù)據(jù)類似，均缺少藍(lán)光波段，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往只能進(jìn)行近紅外、紅、綠波段的假彩色合成顯示。然而，在已完成的第二次全國(guó)土地調(diào)查工作中，規(guī)定了底圖的生產(chǎn)為模擬真彩色，每年進(jìn)行的土地動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)圖斑的人工獲取也是以真彩色的數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)作為底圖。因此，通過模擬真彩色處理使影像地物色彩近于自然色，有利于02C星數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用以及非遙感專業(yè)人員對(duì)地物的快速判讀和準(zhǔn)確提取。

傳統(tǒng)模擬真彩色的方法主要是利用線性或者非線性的波段運(yùn)算模型重新構(gòu)建藍(lán)光波段，以得到紅、綠、藍(lán)的真彩色圖像;這些模型種類繁多，且主要針對(duì)SPOT系列數(shù)據(jù)和彩紅外攝影數(shù)據(jù)，是否適合于02C星數(shù)據(jù)還有待研究。本文在歸納已有的模擬真彩色處理方法的基礎(chǔ)上，選用適合的線性波段運(yùn)算模型合成了02C星數(shù)據(jù)的模擬真彩色圖像，并基于歸一化植被指數(shù)(normlized difference vegetation index，NDVI)的限制實(shí)現(xiàn)了植被區(qū)域顯示效果的進(jìn)一步增強(qiáng)。

1 模擬真彩色技術(shù)研究綜述

閆相輝等[4]指出，真彩色模擬的必要條件首先是具有紅、綠、藍(lán)波段的圖像;而 SPOT，IRS－1C，02C星，以及彩紅外攝影數(shù)據(jù)均缺少藍(lán)光波段，不能直接進(jìn)行真彩色合成顯示。傳統(tǒng)的模擬真彩色方法是利用已有的波段計(jì)算出新的藍(lán)光波段，然后再進(jìn)行合成。計(jì)算方法主要有如下3種:

1)基于光譜坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法。該方法由蔡宏宜、Chen[5－6]提出。其實(shí)現(xiàn)過程是:首先，在 2 個(gè)不同的空間坐標(biāo)系中尋找對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，再根據(jù)控制點(diǎn)求解出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)的參數(shù);然后進(jìn)行2個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也就是將(NIR，R，G)模式轉(zhuǎn)換為(R，G，B)模式。

2)基于非線性的波段重構(gòu)方法。該方法結(jié)合波譜分析建立遙感數(shù)據(jù)波段之間的非線性映射關(guān)系，構(gòu)建藍(lán)光波段。朱長(zhǎng)明等[7－8]依據(jù)地物波譜特征，采用光譜角匹配模型計(jì)算得到像素點(diǎn)在藍(lán)光波段的反射率，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性逼近機(jī)制的真彩色模擬方法，基于TM/ETM+訓(xùn)練樣本獲取參數(shù)，并將其應(yīng)用于SPOT5數(shù)據(jù)，構(gòu)建出藍(lán)光波段;黃志勇[9]利用倒轉(zhuǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合TM圖像的NIR，R，G與B之間的關(guān)系，并把這種非線性的關(guān)系引入到SPOT圖像擬合出藍(lán)光波段;Xu等[10]提出了基于光譜相似度模型構(gòu)建藍(lán)光波段的方法。

3)基于線性運(yùn)算模型的方法。該方法利用遙感數(shù)據(jù)波段之間的相關(guān)性建立線性關(guān)系模型，并基于此模型合成所需的波段圖像。Knudsen[11－12]針對(duì)彩紅外航片的真彩色顯示提出了PNC(pseudo natural clour)模型，和增強(qiáng)的PNC算法;萬(wàn)冉冉[13]通過對(duì)SPOT5波段及地物反射波譜特征分析，提出了一種新的藍(lán)光波段合成以及綠光波段和紅光波段調(diào)整方法;曹建君等[14]在進(jìn)行SPOT5真彩色圖像合成時(shí)，利用了綠、紅、近紅外和全色波段，使影像的色彩和清晰度均得到了改進(jìn);楊薇玉等[15]針對(duì)土地利用調(diào)查中SPOT5數(shù)據(jù)的彩色合成、色相調(diào)整、融合等進(jìn)行了相關(guān)研究;蔡麗娜[16－17]針對(duì) ETM+圖像的近自然色模擬，采用了多種彩色合成方案進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

上述模擬真彩色方法具有的特點(diǎn):①非線性模型的建立較為復(fù)雜，而且往往需要完整性較好的波譜數(shù)據(jù)庫(kù)的支持;②線性模型建立較為簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中(如土地利用調(diào)查[15]、退耕精確監(jiān)測(cè)[14]、森林資源監(jiān)測(cè)[18]及西部測(cè)圖[19]等)，一般采用簡(jiǎn)單的線性模型。但線性模型是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即使針?duì)SPOT 5圖像，不同類型研究中用到的模型也不是固定的。

2 針對(duì)02C星圖像的模擬真彩色

結(jié)合已有的針對(duì)SPOT系列數(shù)據(jù)和彩紅外攝影數(shù)據(jù)的模擬真彩色研究，本文歸納出9種線性的波段運(yùn)算模型;分別利用02C星多光譜和全色波段數(shù)據(jù)，構(gòu)建藍(lán)光波段;結(jié)合圖像真彩色顯示效果，選擇最適合于02C星數(shù)據(jù)的模型得到真彩色圖像;基于綠光波段和近紅外波段加權(quán)方法增強(qiáng)植被信息。具體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 02C星圖像模擬真彩色技術(shù)流程Fig.1 Technique flow chart of simulating true color for 02C satellite

2.1 真彩色變換

將02C數(shù)據(jù)的全色圖像表示為P;多光譜圖像的綠、紅、近紅外波段分別表示為G，R和NIR;真彩色圖像的紅、綠、藍(lán)波段分別表示為R′，G′和B′，則9種運(yùn)算模型如表1所示。

表1 9種線性波段運(yùn)算模型Tab.1 9 linear band calculation models

續(xù)表

2.2 真彩色增強(qiáng)

利用上述變換得到的真彩色圖像，植被區(qū)的顯示效果并不理想，集中體現(xiàn)在植被色調(diào)偏暗，層次感不強(qiáng)。因此，通過真彩色增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)一步改善圖像顯示效果。常用的方法是綠光波段與近紅外波段加權(quán)[20]，即將在植被區(qū)反射率較高且與植被類型密切相關(guān)的近紅外波段信息引入到綠光波段中，即

式中:G′為新的綠光波段;G為原綠光波段;NIR為近紅外波段;b為權(quán)重(0≤b≤1)。

相關(guān)研究表明，如果對(duì)整幅圖像進(jìn)行綠波段與近紅外波段加權(quán)操作，在增強(qiáng)植被區(qū)顯示效果的同時(shí)，會(huì)使居民地、水體及道路等影像的色調(diào)發(fā)生變異，因此應(yīng)該將真彩色增強(qiáng)的操作對(duì)象固定在植被區(qū)[21]。NDVI是提取植被信息最為常用的一種植被指數(shù)，計(jì)算式為

式中:NIR為近紅外波段像元值;R為紅波段像元值。如果NDVI＞0，表示有植被覆蓋，且NDVI隨著植被覆蓋度的增大而變大;NDVI＜0，表示有對(duì)可見光高反射的地物，如云、水、雪等;NDVI=0，表示裸地、巖石等。因此，這里將NDVI＞0作為進(jìn)行真彩色增強(qiáng)的前提條件，從而只針對(duì)植被區(qū)引入近紅外波段信息。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為2012年2月的02C星數(shù)據(jù)，包括2.36 m分辨率的全色圖像(高分波段)和10 m分辨率的多光譜圖像。波段組成為綠、紅和近紅外;覆蓋區(qū)域?yàn)楸本┦衅焦葏^(qū)，區(qū)內(nèi)地物類型包括農(nóng)田、城鎮(zhèn)、道路、水體及林地等。

首先以全色圖像作為參考對(duì)多光譜圖像進(jìn)行配準(zhǔn);然后將多光譜圖像重采樣為2.36 m，并與全色圖像配準(zhǔn);分別裁剪相同范圍的區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，區(qū)域大小為3 387像元×3 387像元。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的假彩色顯示效果如圖2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 真彩色變換結(jié)果分析

基于9種線性波段運(yùn)算模型得到的真彩色變換結(jié)果如圖3所示。

圖3－1 多光譜重建的整體效果Fig.3－1 Overall effects of multispectral reconstruction

圖2 02C星近紅外(R)紅(G)綠(B)波段假彩色合成圖像Fig.2 02C satellite near infrared(R)red(G)green(B)composite image

圖3－2 多光譜重建的整體效果Fig.3－2 Overall effects of multispectral reconstruction

從圖3可以看出，采用模型三、四、五、六和九變換后的圖像整體色調(diào)與自然色差距較大;采用模型一、二、七和八變換的圖像整體色調(diào)接近于自然色，其局部圖像的顯示效果及其比較分別如圖4和表2所示。

圖4 多光譜重建后的局部圖像顯示效果Fig.4 Local effects of multispectral reconstruction

表2 多光譜重建局部顯示效果比較Tab.2 Local effect comparison of multispectral reconstruction

從圖4和表2可以看出，采用模型一得到的水體色調(diào)異常;采用模型七和模型八得到植被顯示效果較好，但水體色調(diào)異常，而且采用模型七得到的建筑物色調(diào)也異常。因此，綜合分析認(rèn)為，采用模型二得到的效果最好。

3.2.2 真彩色增強(qiáng)結(jié)果分析

基于模型二的結(jié)果圖像，通過綠波段和近紅外波段加權(quán)，對(duì)圖像進(jìn)行真彩色增強(qiáng)。這里采用2種方式:①第一種是對(duì)整幅圖像進(jìn)行波段加權(quán)操作;②通過NDVI限制只對(duì)植被覆蓋區(qū)域進(jìn)行波段加權(quán)操作，即結(jié)合式(1)，設(shè)置綠波段的權(quán)重分別為1.0，0.8，0.8(有 NDVI限制)，0.6(有 NDVI限制)。處理效果如圖5和圖6所示。重為0.2時(shí)(圖6(a))，采用NDVI限制只對(duì)植被覆蓋區(qū)域進(jìn)行真彩色增強(qiáng)，植被色調(diào)得到改善的同時(shí)水體和裸地的色調(diào)均保持不變，與自然色相符。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，近紅外波段的權(quán)重越大，植被越綠，植被與其他地類的對(duì)比越明顯。但需要說明的是，在進(jìn)行真彩色增強(qiáng)時(shí)，

圖5 針對(duì)整幅圖像的真彩色增強(qiáng)結(jié)果Fig.5 Results of natural color enhancement for whole image

圖6 針對(duì)植被覆蓋區(qū)域的真彩色增強(qiáng)結(jié)果Fig.6 Results of natural color enhancement for vegetation covered area

從圖5可以看出，向綠波段中融入近紅外波段信息，會(huì)使植被色調(diào)更真實(shí)、更有層次感，但是同時(shí)裸地和水體的色調(diào)也發(fā)生了變化，前者變青，后者變紫，與實(shí)際色調(diào)不符。

從圖6可以看出，當(dāng)權(quán)重為0.8，即近紅外波段權(quán)還要結(jié)合圖像具體的時(shí)相信息，比如令權(quán)重為0.6，(圖6(b))雖然植被視覺效果較好，但由于圖像時(shí)相為2月份，因此植被不應(yīng)該呈現(xiàn)該強(qiáng)度的綠色，因此認(rèn)為權(quán)重為0.8更符合實(shí)際。

4 結(jié)論

本文針對(duì)“資源一號(hào)”02C星數(shù)據(jù)，建立了“真彩色變換－真彩色增強(qiáng)”的模擬真彩色處理流程。從已有的9種線性波段運(yùn)算模型中選擇出了適合于02C星圖像的模型(加權(quán)法模型);真彩色增強(qiáng)采用NDVI限制植被區(qū)的方法進(jìn)行綠波段與近紅外波段的加權(quán)，在進(jìn)一步優(yōu)化植被顯示效果的同時(shí)避免了其他地類色調(diào)的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將本文提出的模擬真彩色技術(shù)流程應(yīng)用于02C星數(shù)據(jù)，能夠得到視覺效果較好的模擬真彩色圖像。但該方法尚存在如下需要討論之處:

1)真彩色變換實(shí)驗(yàn)選擇出的線性波段運(yùn)算模型并不一定適合于所有的02C星數(shù)據(jù)，更不一定適合于SPOT5和IRS－1C等缺失藍(lán)光波段的圖像。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要結(jié)合圖像包含的具體地物類型進(jìn)行選擇，例如模型八在沒有水體的情況下，其變換效果優(yōu)于模型二。

2)彩色增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)對(duì)植被區(qū)的限制條件是NDVI＞0，但是實(shí)際上有些圖像中的非植被區(qū)，如建筑物、裸地等，其NDVI＞0也是可能的，因此NDVI的設(shè)置需要建立在對(duì)不同地類的NDVI值準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上。

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