一種多源多時相高分遙感影像快速勻色處理方法及其應(yīng)用

宋 鵬

(福建省測繪院,福建 福州 350000)

0 引言

近二十年來，作為現(xiàn)代測繪“3S”技術(shù)的代表之一，遙感技術(shù)取得了飛速的發(fā)展和進步。目前，我國已發(fā)射了多種遙感衛(wèi)星，形成高、中、低軌道相結(jié)合，大、中、小衛(wèi)星相協(xié)同，高、中、低分辨率相彌補的全球?qū)Φ赜^測體系，能夠準(zhǔn)確快速地獲取多種成像模態(tài)，多種空間、時間和光譜分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)。但是，相對于遙感數(shù)據(jù)的獲取速度，其快速智能處理和服務(wù)能力仍嚴(yán)重滯后，海量數(shù)據(jù)堆積與有限信息孤島并存的矛盾仍然十分突出[1]。在智能化測繪新時代，如何以更高的效率和更智能的手段獲得更精準(zhǔn)的處理結(jié)果，成為急需解決的問題。由于天氣條件、時相和傳感器存在差異等，導(dǎo)致獲取的遙感數(shù)據(jù)不能被直接應(yīng)用，這些影像需要經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、圖像勻色等后期處理才能被應(yīng)用到各大行業(yè)領(lǐng)域中。生成大范圍、時間有序、空間對齊、輻射一致的高質(zhì)量合成遙感影像產(chǎn)品是攝影測量遙感的重要任務(wù)之一。而大范圍的多源多時相高分遙感影像快速勻色技術(shù)就成為遙感影像處理的技術(shù)難點之一。

本文通過分析傳統(tǒng)遙感影像勻色方法存在的問題，提出一種根據(jù)低分辨率基準(zhǔn)色調(diào)影像的色彩，對大范圍、多源多時相遙感影像進行色彩均一化處理，使整體影像色彩基本保持一致的勻色方法，并以福建省1∶10000衛(wèi)星數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)制作為例，詳細介紹該勻色方法的處理過程。

1 傳統(tǒng)遙感影像勻色方法

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來越多，遙感的勻色處理技術(shù)也在遙感影像處理過程中發(fā)揮越來越大的作用。傳統(tǒng)的遙感影像勻色處理主要依靠人工利用圖像處理軟件進行勻色處理。由于色彩處理的主觀性較強，不同作業(yè)人員處理的結(jié)果也不一樣，涉及到大范圍的多源影像數(shù)據(jù)處理時，最終的處理效果不夠理想，而且在色彩處理過程中需要耗費大量的人力和時間。

近年來，國內(nèi)學(xué)者提出了許多遙感影像的勻色處理算法。其中，基于直方圖匹配的勻色處理方法和基于Wallis濾波器的勻色處理方法在遙感影像勻色處理中應(yīng)用廣泛?；谥狈綀D匹配的勻色處理方法是影像色彩一致性處理時經(jīng)常用到的方法，直方圖匹配是使待勻色的影像與勻色模板的直方圖分布接近，此方法主要針對影像整體的色彩調(diào)節(jié)，對亮度不一致的影像處理效果不佳?；赪allis濾波器的勻色處理方法是將待勻色影像的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差映射到勻色模板的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，使兩個影像的相同區(qū)域的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差基本相等?；赪allis濾波器的勻色處理方法通常應(yīng)用于單幅影像的勻色處理。

由于傳統(tǒng)的經(jīng)典勻色處理方法在當(dāng)前海量影像勻色處理中都有其無法避免的缺點，因此，我們急需研究一種針對海量多源衛(wèi)星遙感影像快速勻色處理的技術(shù)。

2 海量衛(wèi)星影像勻色處理方法

在衛(wèi)星正射影像生產(chǎn)過程中，所獲取的影像數(shù)據(jù)一般是不同時相、不同區(qū)域的，色調(diào)存在差異，需要進行勻光勻色處理使之色調(diào)盡量一致。在對不同的勻色方法進行對比實驗后，本文針對多源多時相高分遙感影像勻色處理提出了以下方案：基于小波變換[2]和Walls變換[3]的衛(wèi)星影像色彩平衡方法，對原始衛(wèi)星影像和基準(zhǔn)色調(diào)影像進行小波分解，獲得相應(yīng)的高、低頻信息，根據(jù)高、低頻信息將原始衛(wèi)星影像與基準(zhǔn)色調(diào)影像進行色彩匹配，最后進行小波重構(gòu)，獲得色彩均衡后的影像[4]。衛(wèi)星影像勻色處理流程如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星影像勻色處理流程

3 福建省1∶10000衛(wèi)星數(shù)字正射影像圖制作過程

根據(jù)本文提出的多源多時相高分遙感影像勻色處理方法，詳細介紹福建省的1∶10000衛(wèi)星數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)過程。

3.1 測區(qū)情況

福建省地處我國東南沿海，屬于經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，境內(nèi)地勢大致西北高東南低，沿海一帶主要為平地、丘陵，西部和北部主要以丘陵、山地為主，森林覆蓋率達66.8%。福建省屬于沿海地區(qū)，地貌種類較全，多種地貌特征及海域覆蓋的地域特點對于多源衛(wèi)星影像勻色處理分析有著重要的意義。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.2.1 原始衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次實驗所使用的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)主要為覆蓋福建省地區(qū)的“高景一號”衛(wèi)星遙感影像，部分?jǐn)?shù)據(jù)為“Wordview 2”和“Pléiades”衛(wèi)星遙感影像，現(xiàn)勢性為2020年和2021年，分辨率0.5m。具體數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 影像數(shù)據(jù)情況

3.2.2 基準(zhǔn)色調(diào)參考影像的選取

在勻色處理之前，需要選取覆蓋生產(chǎn)區(qū)域的低分辨率歷史影像作為基準(zhǔn)色調(diào)參考影像，即勻色模板。勻色模板的選取主要考慮三個因素：第一，影像色彩一致性較好，保證勻色后影像整體色彩一致；第二，影像無云霧覆蓋，包含的地物要盡量豐富；第三，影像分辨率較低，數(shù)據(jù)量小，一張模板影像能覆蓋整個生產(chǎn)區(qū)域，可以使用PhotoShop等圖像處理軟件對勻色模板進行整體色彩調(diào)整，使其達到較好的色彩效果[5]。

本次實驗選取的勻色模板是從Google地球上下載的20m分辨率影像數(shù)據(jù)，并使用PhotoShop對其色彩、曝光度、亮度、對比度等相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，使整個勻色模板色調(diào)盡量趨于一致。調(diào)整后的勻色模板如圖2所示。

圖2 勻色模板

3.3 原始衛(wèi)星影像正射校正

首先對待處理的原始衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行分析，選取質(zhì)量較好、時效性較新的數(shù)據(jù)，剔除云霧較多、質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)。結(jié)合生產(chǎn)區(qū)域現(xiàn)有的基礎(chǔ)測繪1∶10000正射影像和數(shù)字高程模型成果，基于影像密集匹配的技術(shù)提取遙感影像控制點，進行區(qū)域網(wǎng)平差并解算遙感影像外參數(shù)，然后配合數(shù)字高程模型成果對全色波段遙感影像進行正射校正；再以平差解算后的全色影像對多光譜波段遙感影像進行配準(zhǔn)和正射校正，生成高精度的全色影像和多光譜影像。

3.4 影像拉伸處理

通過對全色影像和多光譜影像的色階調(diào)整，對影像進行拉伸處理，改善影像的對比度，突出影像的細節(jié)信息。圖4(a)和圖4(b)是對原始全色影像圖3(a)和原始多光譜影像圖3(b)處理后的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過拉伸處理后原始影像的對比度和影像細節(jié)有了較好的改善，此過程能夠減少影像后期勻色處理的細節(jié)缺失。

(a)原始全色影像 (b)原始多光譜影像

(a)拉伸處理后全色影像 (b)拉伸處理后多光譜影像

3.5 全色影像勻光處理

由于傳感器鏡頭透鏡的因素，透鏡在不同位置的進光量會有明顯差異，造成同一景影像數(shù)據(jù)存在光照不均勻的現(xiàn)象[6]，還有部分影像有云霧等因素，導(dǎo)致影像在亮度、色彩等方面存在差異。在對全色影像進行勻色前，需要對其進行勻光處理，消除光照不均勻的現(xiàn)象，使每一景影像整體的亮度與反差分布均勻，減少影像后期處理過程中的曝光問題。

3.6 色彩均衡處理

根據(jù)小波變換和Walls變換的衛(wèi)星影像色彩平衡方法，將糾正后的全色影像和多光譜影像與基準(zhǔn)色調(diào)影像進行色彩匹配，最后進行小波重構(gòu)，生成色彩均衡后的全色影像和多光譜影像。圖5(a)和圖5(b)分別是經(jīng)過色彩均衡處理后的全色影像和多光譜影像。

(a)色彩均衡處理后全色影像 (b)色彩均衡處理后多光譜影像

3.7 影像融合

將色彩均衡處理后的全色影像和多光譜影像進行融合，生成色彩一致性較好的真彩色衛(wèi)星影像成果，如圖6所示。

圖6 融合處理后的影像成果

3.8 影像鑲嵌

將勻色處理后的單景正射影像導(dǎo)入影像鑲嵌處理軟件中進行自動生成鑲嵌線處理，再結(jié)合人工處理的方式對整個實驗測區(qū)的影像進行鑲嵌線編輯，最后進行鑲嵌處理，生成正射影像成果，如圖7所示。

圖7 福建省勻色后的影像成果

4 實驗結(jié)果分析

根據(jù)勻色處理流程對福建省影像進行勻色處理，然后進行鑲嵌拼接生成一張正射影像成果[7]，可以發(fā)現(xiàn)整個實驗測區(qū)內(nèi)影像的色調(diào)差異得到了明顯改善，色彩一致性較好，各景影像接邊處不存在明顯的色彩差異，特別是海域部分的接邊處色彩過渡平滑，較傳統(tǒng)的勻色方法有了較大的改善。

5 結(jié)束語

經(jīng)過研究和實驗，本文提出的根據(jù)小波變換和Walls變換的衛(wèi)星影像色彩勻色方法針對海量多源多時相高分衛(wèi)星遙感影像勻色處理有較好的效果。采用該方法對多源多時相遙感影像進行勻色處理，解決了海量遙感影像數(shù)據(jù)勻色處理效率低、效果差等技術(shù)難題，具有良好的應(yīng)用前景。