淺談遙感圖像輻射校正與增強技術(shù)

摘要大多數(shù)的遙感圖像存在視覺對比度低、分辨率低的缺點，因而在對遙感圖像分析之前，通常都需要對圖像進(jìn)行處理。遙感圖像的輻射校正與增強技術(shù)研究，是做好遙感應(yīng)用工作的基礎(chǔ)。本文較為詳細(xì)地介紹了遙感圖像校正的主要內(nèi)容及增強技術(shù)的主要方法，并對遙感圖像輻射校正與增強技術(shù)面臨的問題與發(fā)展做了簡要分析。

關(guān)鍵詞遙感圖像輻射校正輻射增強發(fā)展趨勢

中圖分類號:P23文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

近年來，隨著航天技術(shù)、計算機技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)和地理信息技術(shù)的發(fā)展，攝影測量與遙感已成為地球空間信息科學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)，遙感圖像在人類生活的諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而，在遙感成像時，由于各種因素的影響，遙感圖像會存在一定的輻射量失真現(xiàn)象，這些失真影響了圖像的質(zhì)量和應(yīng)用，必須對其做消除或減弱處理，遙感圖像輻射校正與增強技術(shù)就是針對遙感圖像這一缺陷而發(fā)展起來的。

1 遙感圖像輻射校正解析

在圖像遙感中，由于系統(tǒng)誤差、大氣、太陽輻射等的存在，電磁輻射在太陽—地球表面—傳感器之間傳輸?shù)倪^程中受到各種各樣的影響，使得遙感器所接受的目標(biāo)反射輻射能量被衰減，不能準(zhǔn)確地反映表面真實的輻射特性。

所謂輻射校正，主要是糾正由于傳感器制造、傳感器芯片熱噪聲、成像天氣條件、地物所處的地形和太陽的照射條件等因素造成的輻射度量誤差，盡可能消除因傳感器自身條件、薄霧等大氣條件、太陽位置和角度條件及某些不可避免的噪聲而引起的傳感器得到的測量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量之間的差異，盡可能恢復(fù)圖像的本來面目，為遙感圖像的識別、分類、解譯等后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。輻射校正的主要內(nèi)容包括:系統(tǒng)輻射校正、大氣輻射校正、太陽輻射校正和其他輻射校正。

1.1 系統(tǒng)輻射校正

傳感器得到的測量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的，這些數(shù)據(jù)的畸變可能是因傳感器的靈敏度特性引起的誤差。對于這樣的誤差，我們利用現(xiàn)有的TM圖像進(jìn)行輻射校正是無法修正遙感衛(wèi)星傳感器參數(shù)的，應(yīng)由生產(chǎn)單位根據(jù)傳感器參數(shù)進(jìn)行校正。①

1.2 大氣輻射校正

太陽輻射習(xí)慣稱作太陽光，太陽光通過地球大氣照射到地面，經(jīng)過地面物體反射再經(jīng)過大氣到達(dá)航空或航天遙感平臺，被安裝在平臺上的傳感器接收。這時傳感器探測到的地表輻射強度與太陽輻射到地球大氣上空時的輻射強度相比，已有了很大的變化，這種變化主要受到大氣成分的影響。而傳感器在接受地物輻射信息的同時也接受了散射所造成的非地物輻射能，從而使得遙感圖像對比度下降，導(dǎo)致圖像猶如蒙上一層薄紗，極大地影響遙感信息的提取和參數(shù)反演的精度，因此進(jìn)行輻射校正是必要的。②

大氣輻射校正有三種方法:野外波譜測試回歸分析法、輻射傳遞方程計算法和波段對比法。野外波譜測試回歸分析法是通過將野外實地波譜測試獲得的無大氣影響的輻射值與衛(wèi)星傳感器同步觀測結(jié)果進(jìn)行分析計算，確定校正量。輻射傳遞方程計算法需要測量大氣參數(shù)，按理論公式求得大氣干擾輻射量。波段對比法是在特殊條件下利用某些不受大氣影響或影響很小的波段來矯正其他波段。前兩種方法我們很難實現(xiàn)，因為方法一代價太高，目前很少采用;方法二中要獲取成像時當(dāng)?shù)卮髿獾臍馊苣z和水蒸氣濃度數(shù)據(jù)是很困難的。方法三需要利用紅外波段(IRMSS)的數(shù)據(jù)作為參考，然后采用回歸分析法或直方圖法來進(jìn)行校正。③應(yīng)注意的是當(dāng)衛(wèi)星影像沒有陡峭的地形所造成的陰影時，這種方法就不適用了。

1.3 太陽輻射校正

太陽位置(即太陽高度角和方位角)如果不同，地面物體入射照度就發(fā)生變化，反射率即隨之改變。為了盡量減少太陽高度角和方位角引起的輻射誤差，常采用公式法和波段比值法對圖像的誤差值進(jìn)行輻射校正。太陽光線垂直入射到水平地表和有一定傾角的坡面上所產(chǎn)生的輻射亮度是不同的，由于地形起伏的變化，在遙感圖像上會造成同類地物灰度不一致的現(xiàn)象，需要利用地表法線適量與太陽入射矢量兩者的夾角來校正。

1.4 其他輻射校正

其他輻射校正主要有條紋誤差和斑點誤差校正。條紋誤差主要是由檢測器引起的;斑點誤差主要由噪聲或磁帶的誤碼率等原因造成，具有分散和孤立的特點。檢測所采用的方法一般是閥值法，其檢測標(biāo)準(zhǔn)可以是均值或方差，剔除方法則是鄰值代替或鄰域均值代替。④

2 遙感圖像輻射增強方法

遙感技術(shù)的應(yīng)用是人類視覺在波譜范圍上的擴展和從物體表面向內(nèi)部的延伸。人眼雖可看到很多東西，可區(qū)分約三千多種色彩，但那只是波長為0.38-0.8m的可見光部分。對于黑白圖像，人眼能區(qū)分的灰度級只有二三十個，而在非可見光波段，需要將原始圖像的灰度值轉(zhuǎn)換到0-255灰度區(qū)間才有利于人眼觀察。但是如果以256個灰度級來描述一幅黑白遙感圖像，獲得的原始圖像的灰度值很難均勻分布在0-255之間，而是常常集中在某一段灰度范圍之內(nèi)，圖像的反差小，對比度差，不利于人眼的分辨，對遙感圖像進(jìn)行增強處理能有效解決這個問題。⑤

所謂輻射增強，是一種以圖像的灰度直方圖作為分析處理的基礎(chǔ)，通過直接改變圖像中像元的亮度值來改變圖像的對比度，從而改善圖像質(zhì)量的圖像處理方法。輻射增強的方法有:

2.1 線性反差拉伸

線性反差拉伸是一種改善圖像可視反差的簡單方法。在絕大多數(shù)原始數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)文件值通常集中在一個低于顯示設(shè)備顯示能力的范圍內(nèi)。我們可以利用每個波段的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來確定數(shù)據(jù)值的拉伸范圍，并指定距離均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差值用于反差拉伸。如果數(shù)據(jù)有一個正常的分配，那么這個拉伸范圍大約涵蓋數(shù)據(jù)的95%。因數(shù)據(jù)文件值的最小和最大值通常不能夠代表絕大多數(shù)數(shù)據(jù)，因此常用均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別代替兩者。

線性反差拉伸通常分為線性變換和分段線性變換兩種(如圖1、2)。前者是按比例擴大原始灰度級的范圍，以充分利用顯示設(shè)備的動態(tài)范圍，使變換后圖像的直方圖的兩端達(dá)到飽和。而在實際工作中，后者能夠更好地調(diào)節(jié)圖像的對比度。⑥

2.2 非線性變換

非線性輻射增強可以用于逐漸地增加或減少一段范圍內(nèi)的反差，不用有相同大小的斜率(坡度)。通常，非線性增強在拉大一段區(qū)域內(nèi)的反差的同時減少了其他區(qū)域的反差。非線性變換常用指數(shù)變化和對數(shù)變換來達(dá)到增強的目的。

2.3 直方圖均衡化

直方圖均衡化是一種簡單有效的圖像增強技術(shù)，其輻射增強思想是將原圖像增強后的直方圖呈近似均勻狀分布，即不同的灰度級在圖像中的概率密度應(yīng)近似相等(如圖3、4)。⑦該方法的意義有以下幾種解釋方式:(1)充分均勻地利用所有灰度級;(2)通過實例說明直方圖平坦的圖像的灰度動態(tài)范圍及對比度更大，可分辨的細(xì)節(jié)更豐富，視覺效果更好;(3)把直方圖平坦化可以“歸一化”圖像，減弱照明的影響，從而作為特征提取和圖像匹配之前的預(yù)處理;(4)平坦分布對應(yīng)的熵最大，意味著圖像的信息最多;(5)直方圖平坦化之后再對灰度級均勻量化可以使出現(xiàn)頻繁的灰度值被量化得較精確，出現(xiàn)不頻繁的灰度值被量化得較粗糙，從而在量化等級數(shù)一定的情況下使平均誤差更小。⑧

2.4 直方圖的匹配

直方圖的匹配，即直方圖的規(guī)定化，是指使一幅圖像的直方圖變成規(guī)定形狀的直方圖而對圖像進(jìn)行變換的增強方法。其用處是:(1)匹配不同天掃描的相同或鄰近景，這些圖像由于太陽高度角或大氣效應(yīng)的原因略有不同;(2)分辨率融合，指通過融合高分辨率全色圖像的一個波段來提高低分辨率多波段圖像的過程。⑨為了使直方圖匹配獲得較好結(jié)果，輸入的兩個全色圖像應(yīng)該具有相似的特點，直方圖曲線的總體形狀也應(yīng)當(dāng)相似。即使匹配的景不是同一個地區(qū)，土地覆蓋的相對分布也應(yīng)當(dāng)相同，如果一幅圖像有云而另一幅沒有，就應(yīng)當(dāng)用一些算法將云消除。

3 校正與增強技術(shù)的發(fā)展

近年來，我國相繼發(fā)射了CBERS-1和CBERS-2以及“遙感衛(wèi)星-1號”遙感資源衛(wèi)星，衛(wèi)星傳感器采集到的圖像有可見光波段的、紅外波段的、微波的，甚至還有雷達(dá)的。⑩這些圖像在用戶應(yīng)用之前，都需要經(jīng)過輻射校正與增強處理。當(dāng)前，遙感圖像輻射校正與增強處理技術(shù)面臨三大問題:

首先，圖像輻射校正的疑難問題多且復(fù)雜。如散焦和運動模糊圖像對圖像的損傷較大，給圖像復(fù)原造成了很大困難，特別是集散焦、運動、高噪聲、低清晰度于一身的復(fù)合型模糊圖像，其復(fù)原的難度使研究人員望而卻步。

其次，對于直方圖均衡這個重要的輻射增強技術(shù)來說，它對直方圖為單峰分布或很弱的雙峰分布的圖像有很好的增強效果，而對直方圖為明顯的雙峰分布的圖像的增強效果并不好。直方圖均衡方法不適于對既存在高亮度區(qū)域又存在非常暗的區(qū)域的圖像的增強。因此，對于遙感圖像的增強而言，我們需要進(jìn)一步研究其他的方法來提高輻射增強的效果。

第三，隨著數(shù)據(jù)的快速大量增加，圖像的輻射校正速度要求高速化。

上述三點問題，給圖像處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，遙感圖像輻射校正與增強在未來的發(fā)展中還很多理論和方法有待深入研究。例如，如何在6S大氣模擬模型基礎(chǔ)上，借助于同步氣象數(shù)據(jù)，研究TM可見光、近紅外波段遙感影像的大氣輻射校正，更為有效地降低大氣對電磁波傳輸過程中的影響和作用;如何引入多尺度的Retinex算法以解決傳統(tǒng)的四種輻射增強方法的局限性;如何加快研發(fā)精度更高的理想模型實現(xiàn)對遙感圖像的有效增強處理等等。

今天，各級政府部門和各類用戶需要的是更加準(zhǔn)確更加清晰的數(shù)據(jù)及圖像，因此，遙感圖像的輻射校正與增強作為圖像處理的一種重要方法，必須跟上時代的步伐，加快研究進(jìn)度，更好地為社會提供服務(wù)。