國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像云檢測(cè)

劉燕，張力，王慶棟，王春青，韓曉霞

(1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100036；3.青海省基礎(chǔ)測(cè)繪院，西寧 810001；4.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，蘭州 730070；5.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，遙感作為探索世界的重要手段，為人類的生存、繁榮和可持續(xù)發(fā)展提供服務(wù)。遙感數(shù)據(jù)作為地物目標(biāo)識(shí)別和分類的主要數(shù)據(jù)源，其處理趨向于計(jì)算機(jī)自動(dòng)化、智能化[1]。云作為正常的自然現(xiàn)象，覆蓋了地球表面百分之六十以上的區(qū)域，在獲取的遙感影像中存在大量區(qū)域被云覆蓋的現(xiàn)象，導(dǎo)致部分成像信息丟失[2]，嚴(yán)重影響地物的識(shí)別和分類、影像匹配和鑲嵌等后期處理，也對(duì)影像的配準(zhǔn)、融合等處理造成不便。因此，云的自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)是遙感影像數(shù)據(jù)處理中十分重要的過(guò)程。

云在遙感影像具有特殊的光譜特性，根據(jù)這種特性進(jìn)行光譜測(cè)試，制定出最優(yōu)閾值，從而檢測(cè)云區(qū)域，如在Landsat數(shù)據(jù)中廣泛使用的Fmask算法[3]和基于云的波譜特性，尤其在紅外波段的特性對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢測(cè)等方法[4]。這些方法需要影像具有較多波段，對(duì)于單波段或紅綠藍(lán)三波段的影像并不適用。故研究者提出基于較少波段(四個(gè)波段以下)的遙感影像云檢測(cè)方法，這些方法可分為物理方法、基于紋理和空間特性的方法及模式識(shí)別三種方法[5]。物理方法是對(duì)遙感影像的灰度值進(jìn)行灰度均值、方差等的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，結(jié)合動(dòng)態(tài)閾值、自適應(yīng)閾值等方法檢測(cè)云區(qū)域[6-8]，如周雪珺等[9]將遙感影像切分成小塊子圖，統(tǒng)計(jì)子圖的灰度均值和方差，根據(jù)閾值將云進(jìn)行分類，快速地進(jìn)行云檢測(cè)；陳振煒等[10]將影像分成小塊，根據(jù)影像的二階矩值和一階差分退化率的閾值將影像分為有云影像和無(wú)云影像。這種方法可以快速地進(jìn)行云檢測(cè)，但單純依賴于遙感影像的灰度特征，對(duì)于具有復(fù)雜地物的遙感影像有可能會(huì)檢測(cè)失誤?；谶b感影像紋理和空間特性的方法是通過(guò)圖像灰度共生矩陣、LBP等算法揭示云的紋理特征，并結(jié)合閾值算法得到云檢測(cè)結(jié)果[11]，如黃宇[12]提出一種改進(jìn)的 Itti 顯著性模型，并研究云層和下墊面樣本的各類紋理特征，利用較少波段信息快速有效地實(shí)現(xiàn)遙感影像云檢測(cè)；董志鵬等[13]提出一種基于對(duì)象光譜與紋理的高分辨率遙感影像云檢測(cè)方法，通過(guò)均衡化影像直方圖、簡(jiǎn)單線性迭代聚類算法、紋理均值及角二階矩等方法獲得良好的影像云檢測(cè)結(jié)果，由于云的種類較復(fù)雜，因此難以準(zhǔn)確地區(qū)分與云紋理相近的地物。模式識(shí)別中的支持向量機(jī)、監(jiān)督分類、深度學(xué)習(xí)等方法可以獲得較好的云檢測(cè)結(jié)果[14-15]，如赫英明等[16]提出了基于支持向量機(jī)的遙感影像分類方法，分析了云檢測(cè)過(guò)程中的特征提取和選擇，建立了基于支持向量機(jī)的遙感影像分類模型，可將云與陸地、水體、積雪準(zhǔn)確地區(qū)分；高軍等[17]以全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行云檢測(cè)，利用其自動(dòng)提取深層隱含特征等特性保留特征信息，最后結(jié)合全連接條件隨機(jī)場(chǎng)模型進(jìn)行云系邊緣優(yōu)化獲得效果好的云檢測(cè)結(jié)果。但這種方法需要大量的云檢測(cè)樣本且受限于對(duì)訓(xùn)練樣本的依賴，對(duì)于與樣本反差較大的遙感影像效果不太理想。

基于上述原因，本文通過(guò)分析遙感影像中云區(qū)域光譜和紋理特征，提出一種快速、普適性強(qiáng)的多源高分辨率遙感影像云檢測(cè)方法。綜合多項(xiàng)式閾值法和大津法的優(yōu)勢(shì)，提出了一種聯(lián)合閾值分割算法，不僅能夠檢測(cè)多云影像，而且解決了少云影像無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題，從而提高云檢測(cè)的正確率。同時(shí)根據(jù)類云地物邊緣梯度值變化大而云邊緣區(qū)域變化平滑的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了類云地物的去除。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 影像云判別

影像直方圖可以表示數(shù)字圖像中亮度分布，標(biāo)繪出圖像中每個(gè)亮度值的像素?cái)?shù)。將彩色影像轉(zhuǎn)為灰度影像，并做直方圖統(tǒng)計(jì)，為了更直觀地顯示，將縱坐標(biāo)(像素?cái)?shù)量)歸一化到0～255。從圖1中可以看出，當(dāng)影像中含有云區(qū)域時(shí)，直方圖大致呈“大U”形，且分布主要集中在橫坐標(biāo)[200，255]區(qū)間內(nèi)，縱坐標(biāo)不為零。從圖2中可以看出，當(dāng)影像不含云時(shí)，

圖1 有云遙感影像和直方圖

圖2 無(wú)云遙感影像和直方圖

直方圖分布主要聚集在橫坐標(biāo)[200，255]區(qū)間內(nèi)，縱坐標(biāo)為零。由此，本文根據(jù)直方圖橫坐標(biāo)在大于直方圖閾值(TH=230)時(shí)，縱坐標(biāo)是否有值，將影像區(qū)分為有云影像和無(wú)云影像。

1.2 梯度增強(qiáng)

如圖3所示，遙感影像云區(qū)域邊緣像素值較中心區(qū)域小，但與非云區(qū)域的像素值相差較大，因此為了提高云范圍檢測(cè)準(zhǔn)確率，對(duì)影像進(jìn)行梯度增強(qiáng)，增強(qiáng)云邊緣區(qū)域強(qiáng)度。將灰度影像和梯度影像按照0.7和0.3的權(quán)重進(jìn)行疊加并拉伸到0～255，得到梯度增強(qiáng)影像，如圖3所示，梯度增強(qiáng)后的影像云過(guò)渡區(qū)域和云層較薄區(qū)域得到明顯增強(qiáng)。

圖3 梯度增強(qiáng)對(duì)比圖

1.3 聯(lián)合閾值分割

大津法又稱為最大類間方差法，是經(jīng)典的閾值分割算法，經(jīng)常用于遙感影像中云、陰影和水體等提取，它是基于某一閾值將圖像直方圖的灰度像素分為兩類，計(jì)算兩類的類間方差，通過(guò)不斷迭代，使得類間方差達(dá)到極小值，從而得到閾值。類間方差法對(duì)噪聲和目標(biāo)大小十分敏感。當(dāng)目標(biāo)與背景的大小比例懸殊，比如云量較少，或者同時(shí)有水體和陰影等多種地物的遙感影像時(shí)，閾值難以確定，如圖4(b)和圖5(b)所示，大津法閾值分割將部分地物誤檢測(cè)為云。

多項(xiàng)式擬合直方圖閾值分割法是用五次多項(xiàng)式對(duì)直方圖曲線通過(guò)最小二乘的計(jì)算方法進(jìn)行曲線擬合，倒序排列求擬合曲線的第一個(gè)最小值作為閾值，進(jìn)行影像分割。這種方法對(duì)于檢測(cè)云量較少的遙感影像效果較好。對(duì)于有大量水域的影像，大津法檢測(cè)效果較差，將大部分陸地誤檢測(cè)為云區(qū)域，而多項(xiàng)式閾值分割方法可以較準(zhǔn)確地分割出云區(qū)域，如圖5(c)所示。但是多項(xiàng)式閾值分割對(duì)于云過(guò)渡區(qū)域檢測(cè)效果不理想，如圖6(c)所示，多項(xiàng)式閾值分割法只能檢測(cè)出云的主體區(qū)域，無(wú)法檢測(cè)云邊緣過(guò)渡區(qū)和云量較薄區(qū)域，相反，如圖6(b)所示的大津法能夠?qū)σ陨锨闆r進(jìn)行檢測(cè)。因此，當(dāng)云區(qū)域較大時(shí)，大津法檢測(cè)效果要優(yōu)于多項(xiàng)式閾值分割法，當(dāng)云區(qū)域較小時(shí)，大津法效果要劣于多項(xiàng)式閾值分割法。

圖4 少云影像閾值分割

圖5 有水域影像分割

圖6 多云圖像閾值分割

統(tǒng)計(jì)原始影像中云區(qū)域的平均灰度值，并生成云樣本平均灰度離散圖(圖7)，發(fā)現(xiàn)99%的云區(qū)域平均灰度值都大于閾值(TA2=150)，根據(jù)這個(gè)特性可驗(yàn)證聯(lián)合分割閾值云檢測(cè)結(jié)果的正確性。85%云區(qū)域的平均灰度值大于閾值(TA1=180)，故用TA1驗(yàn)證Otsu閾值分割的正確性。本文首先選用大津法閾值分割，通過(guò)計(jì)算原始影像中閾值分割云結(jié)果區(qū)域的灰度均值，作為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果是否正確的條件。如果檢測(cè)出來(lái)的云區(qū)域灰度均值小于TA1，表明大津法閾值分割錯(cuò)誤，重新選用多項(xiàng)式擬合直方圖閾值分割。最終，如果云區(qū)域灰度均值小于TA2，則進(jìn)一步進(jìn)行分塊迭代云檢測(cè)。

圖7 云樣本平均灰度值散點(diǎn)圖

1.4 波段光強(qiáng)差誤檢測(cè)區(qū)域去除

云作為一種特殊的自然形態(tài)，具有較強(qiáng)的反射率，在遙感影像上為白色，對(duì)于具有三波段以上的影像，在紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段上的強(qiáng)度差異較小，根據(jù)樣本計(jì)算得出云區(qū)域的像素色彩強(qiáng)度差值都小于閾值(TRGB=25)，即(|紅-藍(lán)|<25)且(|紅-綠|<25)且(|綠-藍(lán)|<25))。根據(jù)這個(gè)特性，可進(jìn)一步將云和類云地物區(qū)分，如圖8所示。

圖8 根據(jù)紅綠藍(lán)波段色彩差值去除類云地物

1.5 邊緣梯度類云地物去除

遙感影像云檢測(cè)中云與類云地物(包括白色的建筑物、巖石、冰、雪等)的區(qū)分一直是一個(gè)技術(shù)難題。云由于種類不同，具有不同的形態(tài)和灰度特征，類云地物也由于氣候、地形的復(fù)雜具有不同的特征。如圖9(a)所示，云區(qū)域從中心到邊界呈現(xiàn)慢慢過(guò)渡，從厚變薄，顏色從白色過(guò)渡到地面顏色；如圖9(b)所示，邊界清晰的白色類云地物邊界顏色過(guò)渡較快，在五個(gè)像素內(nèi)就從白色過(guò)渡為地面顏色。因此，根據(jù)上述特征，針對(duì)其中邊界清晰的冰雪和建筑物可以制定算法區(qū)分云和類云地物。

圖9 云與類云地物影像

像素值變化的快慢，即圖像邊緣梯度可作為判斷準(zhǔn)則。如圖10所示，分別為云區(qū)域和類云地物從中心到邊緣像素值的變化圖。可以看出，邊界清晰的白色地物灰度值變化劇烈，故梯度值大；而云邊界變化緩慢，故梯度值較小。

圖10 過(guò)渡區(qū)域灰度值變化圖

圖11 單獨(dú)云塊過(guò)渡區(qū)梯度均值統(tǒng)計(jì)

根據(jù)云與類云地物過(guò)渡區(qū)域，計(jì)算過(guò)渡區(qū)域原始影像的梯度值，同時(shí)統(tǒng)計(jì)出每個(gè)單獨(dú)云塊和類云塊，即單獨(dú)連通域邊緣的梯度均值。如圖11(a)所示，橫坐標(biāo)為單獨(dú)過(guò)渡區(qū)域的樣本號(hào)，豎坐標(biāo)為單獨(dú)過(guò)渡區(qū)域的梯度均值，從圖中可以看出梯度均值分為上下兩大類，并且中間有明顯的間隔，故推斷出云過(guò)渡區(qū)域的梯度均值為下部分，類云地物過(guò)渡區(qū)域的梯度均值為上部分。對(duì)梯度均值的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖11(b)所示，畫出梯度均值數(shù)量的曲線圖，曲線有兩個(gè)波峰，梯度均值小的波峰為云區(qū)域，梯度均值大的波峰為類云區(qū)域，兩個(gè)波峰之間的波谷最低點(diǎn)即為區(qū)分云和類云地物的閾值TG。

2 算法描述

根據(jù)上述分析，本文提出了一種針對(duì)多類型的國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像云檢測(cè)算法，主要分為四個(gè)部分：影像云判別、大津法和多項(xiàng)式擬合直方圖聯(lián)合云分割、波段光強(qiáng)差誤檢測(cè)區(qū)域去除和邊緣梯度類云地物去除，如圖12所示。

圖12 算法流程圖

具體步驟如下所示。

第一步影像預(yù)處理。首先，將影像降位到8 bit并四倍降采樣，以減少數(shù)據(jù)量；其次，對(duì)影像進(jìn)行中值濾波去除噪聲，生成彩色影像A；然后，將影像A轉(zhuǎn)化為灰度影像，并計(jì)算灰度影像的梯度影像；最后，將灰度影像和梯度影像按照0.7和0.3的權(quán)重相加，得到梯度增強(qiáng)后的影像B并生成直方圖。如果當(dāng)直方圖橫坐標(biāo)大于TH時(shí)，縱坐標(biāo)不為零，表明影像存在像素值大于TH的區(qū)域，則該影像為有云影像，否則為無(wú)云影像。

第二步大津法和多項(xiàng)式擬合直方圖聯(lián)合閾值分割。利用大津法對(duì)影像B進(jìn)行閾值分割，得到初步云檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于單波段影像，此步驟跳過(guò)，對(duì)于三波段以上影像，計(jì)算彩色影像A紅、綠、藍(lán)波段之間像素值之差，如果云檢測(cè)區(qū)域內(nèi)像素值之差都大于TRGB，則判斷為非云區(qū)域并將其去除。通過(guò)計(jì)算云區(qū)域部分影像B的灰度均值來(lái)判斷云檢測(cè)結(jié)果是否正確，如果灰度均值大于TA1，則保留云初步檢測(cè)結(jié)果；如果灰度均值小于TA1，則表明大津法不適合該影像云檢測(cè)，則對(duì)影像B進(jìn)行多項(xiàng)式閾值分割并根據(jù)閾值TRGB去除非云區(qū)域，剩下區(qū)域作為云初步檢測(cè)結(jié)果。

第三步判斷云檢測(cè)的正確性。計(jì)算云初步檢測(cè)區(qū)域內(nèi)影像B的灰度均值，若灰度均值

第四步類云地物去除。對(duì)云檢測(cè)得到的二值圖像進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，并與腐蝕前的二值圖像進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到云過(guò)渡區(qū)域。計(jì)算影像B中每塊云過(guò)渡區(qū)域的梯度均值，如果梯度均值>TG，則表明該區(qū)域?yàn)轭愒频匚?，并將該區(qū)域去除；如果梯度均值≤TG，則該區(qū)域?yàn)樵茀^(qū)域。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本文選用高分一號(hào)、高分二號(hào)、資源三號(hào)和天繪一號(hào)高分辨率影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表1所示，所選擇的影像涉及多種地表類型，包括平坦的裸地、大型水域、雪及山區(qū)等，具有不同的紋理特征，包括少云影像和多云影像，因此有很大的光照差異和場(chǎng)景變化。選取經(jīng)典的大津法閾值算法[18]、文獻(xiàn)[10]的樹狀結(jié)構(gòu)云檢測(cè)算法，以及人工經(jīng)驗(yàn)閾值提取結(jié)果和本文算法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖13所示，對(duì)于GF-1-1少云影像，大津法無(wú)法有效檢測(cè)云區(qū)域，樹狀結(jié)構(gòu)算法將部分地物檢測(cè)為云區(qū)域，本文算法正確地檢測(cè)到了云區(qū)域，但是云區(qū)域不夠完整。對(duì)于具有大面積水域的影像，如GF-1-2，大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法將大量陸地區(qū)域誤檢測(cè)為云區(qū)域，而本文算法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)云區(qū)域，并且和人工提取結(jié)果相似。對(duì)于具有類云地物(如雪、白色建筑物等，并且地物邊界清晰)的影像，如GF-1-3，大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法都將類云地物誤檢測(cè)為云區(qū)域，而且樹狀結(jié)構(gòu)法漏檢測(cè)大量的云區(qū)域，而本文算法不僅能有效地去除類云地物，而且云檢測(cè)效果較為理想。對(duì)于多云影像，如GF-1-4，大津法和本文算法準(zhǔn)確地檢測(cè)出云區(qū)域，而樹狀結(jié)構(gòu)法將部分地物誤檢測(cè)為云區(qū)域。對(duì)于具有單波段影像，如ZY-3，樹狀結(jié)構(gòu)法將部分地物誤檢測(cè)為云區(qū)域，本文算法和大津法能準(zhǔn)確地檢測(cè)出云區(qū)域。對(duì)于具有高亮度建筑物的影像，如TH-1，大津法將高亮建筑物誤檢測(cè)為云區(qū)域，樹狀結(jié)構(gòu)法檢測(cè)的云區(qū)域比實(shí)際云區(qū)域小，本文算法雖然將少部分建筑物誤檢測(cè)為云，但總體效果要優(yōu)于大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

為了客觀地分析云檢測(cè)結(jié)果，本文選用目視判別與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式驗(yàn)證云檢測(cè)結(jié)果的有效性[19]，包括正確率(accuracy rate，AR)、總體正確率(overall accuracy，OA)、漏檢率(miss rate，MR)和錯(cuò)誤率(false rate，F(xiàn)R)來(lái)定量分析檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算如式(1)至式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：MFN代表云區(qū)域被誤檢測(cè)為非云區(qū)域的像素?cái)?shù)；MFP代表非云區(qū)域被誤檢測(cè)為云區(qū)域的像素?cái)?shù)；MTP代表檢測(cè)正確的像素?cái)?shù)。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文將大津算法、樹狀結(jié)構(gòu)算法和本文算法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示，發(fā)現(xiàn)：對(duì)于少云影像，具有特殊地形(有多面積水域、類云地物)的影像，本文算法的正確率、總體正確率都高于大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法，漏檢率也低于大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法；對(duì)于云量較多，并且無(wú)類云地物的影像，本文算法的正確率和總體正確率與大津法相差不大，高于樹狀結(jié)構(gòu)法；對(duì)于具有高亮建筑物的有云影像，本文算法的正確率和總體正確率高于大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法，漏檢率和錯(cuò)誤率低于大津法和樹狀結(jié)構(gòu)法，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖13 云檢測(cè)算法視覺(jué)對(duì)比

表2 云檢測(cè)結(jié)果精度評(píng)價(jià)表 %

上述實(shí)驗(yàn)表明，本文云檢測(cè)算法適用性強(qiáng)，能夠適用于多種類型的高分辨率遙感影像，云檢測(cè)正確率高，誤檢率低，能夠去除多種類云地物，對(duì)于復(fù)雜地物的有云影像具有較好的云檢測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在詳細(xì)分析了多云影像和少云影像的光譜特征以及云與類云地物邊緣梯度差異的基礎(chǔ)上，提出了一種多源高分辨率遙感影像云檢測(cè)算法。該算法根據(jù)影像中云區(qū)域的光譜特性并聯(lián)合大津閾值分割法和多項(xiàng)式擬合閾值分割法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)云進(jìn)行初步檢測(cè)，然后利用云和類云過(guò)渡區(qū)域紋理特征差異去除類云地物，并根據(jù)光譜之間的差異特征對(duì)云區(qū)域進(jìn)一步檢查，提高云檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本算法有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多源影像云檢測(cè)，不僅適用于具有紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段的影像，而且適用于單波段影像，具有較強(qiáng)的普適性。

2)該算法不僅能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)多云影像，而且對(duì)于少云影像也具有理想的檢測(cè)效果。

3)該算法能夠去除邊緣清晰的類云地物。

4)算法復(fù)雜度小，耗時(shí)短，可實(shí)時(shí)對(duì)影像進(jìn)行云檢測(cè)，并且有較高正確率和較低的誤檢率。

然而，本文提出的算法依然存在一定的缺陷，需要在今后的工作中繼續(xù)改進(jìn)。一方面，對(duì)于較薄云層會(huì)出現(xiàn)漏檢；另一方面，無(wú)法去除過(guò)渡區(qū)不是很明顯的類云地物。因此，后期會(huì)詳細(xì)分析類云地物和云區(qū)域的特征差異，繼續(xù)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。