基于像素工廠的近水區(qū)域色彩校正模型探討

李瓊，吳克友，任楊，李甜

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 像素工廠簡介

近年來，隨著城市建設(shè)步伐的加快，測繪及計算機軟硬件技術(shù)的進步促使測繪裝備向高精度、集成化、強時效方向發(fā)展。法國空客公司研制的像素工廠(Pixel Factory，PF)是一套大型遙感影像生產(chǎn)處理系統(tǒng)，通常具有強大計算能力的若干個計算節(jié)點，輸入數(shù)碼影像或者衛(wèi)星影像，在少量人工干預(yù)下，經(jīng)過一系列自動化處理，輸出包括數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、正射影像(DOM)以及真正射影像(TDOM)等產(chǎn)品，并能生成一系列其他中間產(chǎn)品[1]。

像素工廠是基于專有算法的軟件，非常適用于處理數(shù)碼影像[2]，尤其適用于數(shù)據(jù)量TB級的ADS系列推掃式數(shù)碼影像。ADS80、ADS100推掃式相機由瑞士徠卡公司生產(chǎn)，是世界上先進的航攝系統(tǒng)[3]。城市正射影像，特別是大城市高層建筑非常多，利用框幅式相機(包含膠片相機和面陣CCD機)作業(yè)并不盡如人意。突出表現(xiàn)在高層建筑物受透視攝影關(guān)系，正射影像上有諸多的建筑物側(cè)面圖及攝影死角[5]。相對傳統(tǒng)的框幅式影像數(shù)據(jù)處理，基于像素工廠生產(chǎn)流程，全新的ADS系列推掃式傳感器在影像空三加密、DEM編輯、模型鑲嵌、正射影像勻色等技術(shù)環(huán)節(jié)有明顯優(yōu)勢，本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來源于ADS系列傳感器影像數(shù)據(jù)。

1.1 基于像素工廠的正射影像制作優(yōu)勢

基于像素工廠的正射影像制作優(yōu)勢主要包括三個方面：一是影像空三加密環(huán)節(jié)，ADS系列傳感器集成了高精度機載GPS/IMU系統(tǒng)，利用少量野外控制點即可完成空三加密工作，極大地減少了外業(yè)工作量；二是DEM過濾編輯環(huán)節(jié)采用協(xié)同共享方式作業(yè)，實現(xiàn)多人多任務(wù)同時作業(yè)，提高了DEM編輯效率；三是由于ADS采用推掃方式成像，像對數(shù)量減少了數(shù)十倍，提高了影像鑲嵌線編輯效率。

1.2 基于像素工廠的正射影像勻色模型

傳統(tǒng)的正射影像勻色模式主要分為兩種：一是空三加密結(jié)束后，選取色彩均衡的某一張單模型正射影像數(shù)據(jù)作為模板，借助支持勻光勻色算法的軟件對全測區(qū)所有影像勻光勻色，再進行下一步工序；二是借助Photoshop軟件設(shè)置色階、亮度、對比度等動作，對全測區(qū)所有影像直方圖修改到合理區(qū)間。兩種勻色方法對于單一數(shù)據(jù)處理效果比較好，但是對于水域面積大，湖泊池塘多等地物復(fù)雜區(qū)域適用性差，后期為了保證全測區(qū)顏色，尤其是水域顏色的過渡自然，無拼接痕跡，需要耗費大量時間和人工。

基于像素工廠的勻色模型主要依托像素工廠獨有的快視圖理念。在像素工廠中，全分辨率原始數(shù)據(jù)通過9×9重采樣可以獲取快視圖。由于快視圖較小，操作更快捷，因此在像素工廠里，對影像顏色的處理都是在快視圖上進行，最后把快視圖的輻射信息應(yīng)用到全分辨率影像上，實現(xiàn)整幅影像的色調(diào)調(diào)整[4]。按照這種“由粗到精”勻色模型可以大幅改善整個測區(qū)正射影像質(zhì)量。但是，某些測區(qū)水域面積大，數(shù)目較多并分散，而且涉及多個模型，為了保持水域整體勻光勻色一致性，會在Photoshop軟件對快試圖水域勻色修補處理。此種方式會造成全分辨率正射影像水域邊緣及近水建筑物顏色信息損失，色彩失真等問題。傳統(tǒng)修正模式是通過人工排查，從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出未勻色全分辨率數(shù)據(jù)，利用Photoshop軟件逐一修補，十分煩瑣。本文針對像素工廠近水區(qū)域顏色問題，建立了一套新的色彩校正模型解決方案。

2 樣例數(shù)據(jù)及分析

2.1 測區(qū)概述

測區(qū)位于武漢市都市發(fā)展區(qū)范圍(如圖1所示)，采用ADS100航攝儀拍攝，面積約 4 000 km2。測區(qū)內(nèi)長江、漢江交匯、水網(wǎng)交錯、房屋及各類建筑密集。既存在高樓林立的區(qū)域，如漢口解放大道一帶，武昌武珞路沿線，漢陽鐘家村片區(qū)。同時主城區(qū)內(nèi)遍布大小湖塘，武昌區(qū)有東湖、嚴(yán)西湖、南湖等大型湖泊，漢陽區(qū)后官湖、南太子湖等大面積水域。

圖1 武漢市都市發(fā)展區(qū)范圍圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

本次正射影像初始數(shù)據(jù)采用像素工廠的勻色模型完成，整體影像色調(diào)均勻，紋理清楚，層次豐富，無明顯失真[6]。但是對東湖、嚴(yán)西湖等大型水域近水區(qū)域放大后觀測到，在近水區(qū)域，明顯可見顏色失真、建筑物信息損失等情況，如圖2、圖3所示。

圖2 東湖岸邊近水區(qū)域顏色失真情況(箭頭表示失真區(qū)域)

3 解決方案

針對上述水域邊緣存在的問題，傳統(tǒng)做法為利用幾何糾正后未勻色16bit正射影像對勻色后8bit影像數(shù)據(jù)進行修補。由于武漢閉合水域面積大，水岸線極不規(guī)則，近水區(qū)域人工修補工作量很大，且容易遺漏，為了有效減少工作量，筆者提出一種新的勻色解決方案，關(guān)鍵技術(shù)及處理成果如下：

圖3 嚴(yán)西湖岸邊近水區(qū)域顏色失真情況(箭頭表示失真區(qū)域)

3.1 非近水區(qū)域勻色預(yù)處理

基于像素工廠勻色模型，首先對測區(qū)多航帶鑲嵌工程導(dǎo)出快視圖中非近水區(qū)域地物進行勻色，主要方法包括Photoshop軟件用色階工具去霾去霧，并對顏色偏色區(qū)域用曲線工具校正，得到非近水區(qū)域效果較好8bit快視數(shù)據(jù)。值得注意的是，此過程中盡量保留水域部分導(dǎo)出的原始顏色及鑲嵌線痕跡，不作任何處理。

3.2 像素工廠勻色算法混合匹配

像素工廠勻色模型，MosaicOrtho環(huán)節(jié)中Local Equlization有兩種勻色算法：New Equalization Algorithm和Old Equalization Algorithm(以下簡稱NEW算法和OLD算法)。通過與法國空客公司技術(shù)交流以及經(jīng)驗積累，筆者發(fā)現(xiàn)OLD算法在REFERENCE IMAGE顏色還原穩(wěn)定性、非近水地物信息保持及顏色過渡等多方面，均優(yōu)于NEW算法，3.1中快視圖也是用OLD算法獲取。鑒于此，通常受水域影響較小測區(qū)，均選擇OLD算法。NEW算法雖然在顏色還原方面不夠穩(wěn)定，但是在水域面積較大測區(qū)，對近水區(qū)域地物信息保持方面又有其優(yōu)勢。本項目為了兼顧非近水區(qū)域地物、近水區(qū)域地物及水體顏色，利用3.1中快視圖分別用NEW及OLD兩種算法輸出全分辨率數(shù)據(jù)。全分辨率數(shù)據(jù)量大于 500 G，遠(yuǎn)超過普通圖片查看軟件數(shù)據(jù)量限制，因此，一般借助于像素工廠內(nèi)置影像查看模塊xv3d。經(jīng)過對比分析，NEW算法近水區(qū)域地物顏色信息均無損失。

3.3 MOSAIC工程單數(shù)據(jù)化

將3.2中NEW算法解算的全分辨率數(shù)據(jù)使用像素工廠中SampleImage工具按照9×9模式再次重采樣成新的快視圖。在Photoshop軟件里對NEW算法快視圖進行近水區(qū)域及水體顏色處理，去除大面積反光、云霧及鑲嵌線痕跡，并適當(dāng)調(diào)整水域明暗和偏色情況，保證測區(qū)整體顏色自然。利用處理后快視圖成果建立單數(shù)據(jù)MOSAIC工程，并進行AutoMosaicCutline處理。像素工廠中，如果是多個模型進行AutoMosaicCutline操作，往往是為了獲取模型之間鑲嵌線。本文利用單數(shù)據(jù)做AutoMosaicCutline，即獲取單數(shù)據(jù)范圍線。將單數(shù)據(jù)范圍線通過再次建立ManageMosaicProject工程賦給3.2中NEW算法輸出全分辨率數(shù)據(jù)，并做MosaicOrtho得到最終成果，在Local Equlization選擇OLD算法。此時近水區(qū)域及水體已經(jīng)校正結(jié)束。

根據(jù)項目需求，判斷NEW算法全分辨率成果在非近水區(qū)域是否滿足項目規(guī)范要求。如果不滿足，可再次建立ManageMosaicProject工程，將NEW和OLD快視圖導(dǎo)入，通過明顯地物(某條路后者某片植被)編輯鑲嵌線，將NEW快視圖近水區(qū)域(含水域)與OLD快視圖非近水區(qū)域合并。并將工程鑲嵌線賦給全分辨率數(shù)據(jù)工程，在MosaicOrtho環(huán)節(jié)Local Equlization和Global Ajustment均選擇NO參數(shù)，輸出最終成果。

3.4 實驗成果

通過上述解決方案，2.2中所述近水區(qū)域顏色問題均已解決，實驗成果樣例如圖4、圖5所示：

圖4 東湖岸邊近水區(qū)域顏色校正后效果

圖5 嚴(yán)西湖岸邊近水區(qū)域顏色校正后效果

4 結(jié) 語

法國空客公司研制的像素工廠作為一種大型遙感處理系統(tǒng)，旨在通過遙感航測處理流程的高度集成化及自動化解決傳統(tǒng)正射影像生產(chǎn)存在的效率低下、軟件繁雜等問題。但是在生產(chǎn)實踐中，像素工廠在處理水域地形時，單一算法會使近水區(qū)域影像顏色信息過曝及失真。本文提出的技術(shù)方案可以有效解決相關(guān)問題，特別適用于水(海)岸線不規(guī)則、水域面積大且水體分布復(fù)雜地區(qū)的高分辨率正射影像勻色云光。