Question

图像恢复处理

Answer 1

图像恢复处理的目的是为进一步作增强或分类处理提供高质量的可供使用的图像数据,故也称预处理。有关地面接收站在向用户提供CCT磁带之前一般都作了例行(粗制)的恢复处理。遥感地质应用人员为了获得满足专业要求的处理效果和精度,有时还需要做以下几种恢复处理,使之成为“精制”的CCT数据:

(一)大气校正

粗制CCT产品一般只对由遥感器本身引起的系统(辐射)误差作了校正,尚保留着主要由大气散射效应带来的辐射失真。校正处理时通常仅考虑瑞利散射的影响,以MSS为例,它在4、5波段较大,6波段次之,7波段最小(图4-12),故在实际处理中最简单的办法是先从MSS₇上找出0值像元(阴影),然后将其它各波段的数值减去各自对应于MSS₇0值像元的亮度值数即可。但一般是分波段统计地物目标的亮度,分别与MSS₇作二维对比图(图4-13(a));或者将各波段的直方图与MSS₇直方图对比(图4-13(b)),相对于MSS7出现的偏移值a可视为大气散射的影响。经验表明,MSS₄的订正值在9-13,MSS₅为5-9,而MSS₆为1-5,MSS₇为0-3。

图4-12 大气散射对MSS各波段的影响

图4-13 MSS数字图像上确定大气校正值a的方法

大气校正会增加图像的对比度,消除雾霾感(短波波段尤甚),在做比值增强、彩色合成等处理时,事先做这种校正更为必要。

(二)几何校正

系指消除遥感图像在其形成过程中产生的各种几何位置失真(畸变)的图像处理过程。在粗制CCT产品中通常已对由遥感器本身和地球自转造成的系统几何畸变作了例行校正处理(习称粗纠正),因此,遥感地质人员需要做的,主要是对CCT中残存的非系统(随机)畸变的纠正(习称精纠正)。

数字图像几何精纠正的实质是逐像元地将其图像坐标按一定的精度要求变换到地形图的地理坐标系中,然后再按恰当的抽样方法对像元重新作亮度赋值。进行图像与地形图的坐标变换,首先要选定一批在二者中都容易识别的同名点作控制。以控制点所提供的两组坐标数据,采用回归方法就可以建立两个坐标系之间的转换函数,确定转换系数矩阵。目前最常用的是二元N阶多项式,一般表达式为:

遥感地质学

其中,v、u是遥感图像中的像元坐标,x、y是配准到地形图后输出新图像中的像元坐标,N为阶数,N值越大,说明几何歪曲越复杂。a和b为转换系数,其值由选用的控制点坐标通过回归方法确定,一般用最小二乘法通过地面控制点数据进行曲面拟合求得。

输出新图像的像元尺寸不一定与原图像一致,故处理时应预先提供原图像坐标原点(左上角)的经纬度,以及新像元的尺寸。新像元的亮度值通过重采样获得,常用的方法有最近邻点法、双向线性内插法、三次褶积法等。其中,最近邻点法计算简单,但误差较大;三次褶积精度高,但运算量大;双向线性内插法居中,具体可视工作要求选定。

几何精纠正直接以地形图(地理坐标)为参照,综合校正所有因素造成的几何畸变,能显著改善数字图像的几何精度,不仅对后续的解译制图和几何量算是非常必要的,而且它也是不同图像的配准和多元信息复合的基础。因此,提高纠正处理本身的精度就显得很重要了。关键是选准几何控制点,要尽量挑选那些位置确准、与周围差异显著、且范围窄小的影像,最好是孤立的像元。如河流的干、支流交汇点、拐流点、独立的小水体、特征明显的地形点、坡折点等等。由于水在近红外反射极低,数字图像上亮度几乎为零,易于确定,所以应多利用近红外波段的图像(MSS₇、TM₄、TM₅、TM₇等)来选控制点。控制点的数目要适中、在图像上分布要均匀,位置精度一般应小于0.5个像元。

此外,诸如TM之类粗制数字磁带,本身几何精度尚较高,如已能满足研究的精度要求,也可以采用整体旋转坐标轴,使图像方位指向正北的办法作几何校正。

(三)数字镶嵌和数字放大

数字镶嵌是指将相邻且互有重叠的两幅或数幅CCT数据,拼接生成一个在几何形态上和色调分布上协调一致,统一为一个整体的新图像(数据)文件的处理过程。通常涉及两项关键技术:一是相邻图像的几何配准,一般通过先在两幅图像的重叠区选取同名点像元作几何控制点,然后以其中一幅为准,对另一幅作类似于上述几何精纠正来实现;另一是相邻图像之间的色调和反差调整,一般采取先对两幅图像的重叠区作均值、方差或直方图匹配,而后根据求出的匹配系数,以一幅为准,调整另一幅图像的反差,使二者色调均衡。经依次几何配准和反差调整后,裁去重叠区其中一幅的重复像元,并对各接边作适当平滑调整,按统一的数据文件形式输出,即成。

数字镶嵌可以较好地克服常规卫片镶嵌图往往呈现为色调不一的棋格块状,以致严重干扰判读解译的缺陷,对于宏观地质分析(油气盆地、区域构造带)或研究区跨越不同图像是非常必要的。为了取得满意的镶嵌效果,相邻图幅的CCT数据,时相应尽可能接近;允许镶嵌多少图幅,很大程度上取决于主机的容量和图像种类(数据量),有时为了制作大范围的数字镶嵌图,可能要采取间隔采样或信息压缩技术来减少数据量。

彩色图版④是塔里木地区57幅TM的数字镶嵌图像,已看不出是多幅图像镶嵌而成。

数字放大实际是数字图像的采样点内插加密,即逐行逐列地在原图像的相邻像元中间等量插入新像元,并按一定的插值原理(最常用的是双线性内插法)对其作亮度赋值。通过插值,该图像的采样点密度成倍增加。如图4-14所示,行、列各内插一个像元,使原为4个像元(黑点)的图像变成了4×4=16个像元的新图像。此时,由于新图像对应于地面的大小并未改变,只是像元密度增加了一倍,于是像元的地面分辨力提高了一倍(原来一个像元被分成④个),从而起到了图像“放大”的作用。

数字放大主要用于制作大比例尺的卫星像片。如TM图像经数字放大处理后制成1:5万(常规一般为1:10万)的卫片仍有较高的影像清晰度。但需强调的是,其作用仅仅是改善像质,实际上并未增加信息。

以上从遥感地质应用的角度介绍了几种图像恢复处理。最后,还需说明一点,在作这些处理之前,要事先检查得到的CCT磁带数据是否有扫描线脱落等坏带现象,如有,则需先作去条带处理(一般也是通过上、下行线性插值等方法进行)。不然,将影响后续处理结果。

图4-14 数字放大示意图