基于光譜增強的遙感影像地面特征資料庫建立

杜 輝 王雪嬌

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142； 2.中國地質大學,北京 100083)

現有遙感影像底圖生產工藝存在如下問題：①《遙感影像平面圖制作規范》(GB/T 15968—2008)(以下簡稱《規范》)對于影像質量和顏色的規定十分概略,實際生產過程中很難保持底圖成果的一致性；②找不到一套行之有效的影像圖色彩質量評定方法；③在遙感影像制圖過程中,處理不同源的影像數據時沒有相關先驗知識作為指導,工作中存在較大盲目性；④由于遙感信息的不確定性和多解性,造成影像鑲嵌非常復雜；⑤底圖生產過分依賴個人經驗,生產規模不容易擴大。本文研究的資料庫建立了一套遙感影像地面特征集,同時考慮了不同影像鑲嵌的問題,該資料庫已經應用于實際生產并且在很大程度上解決了實際問題。

1 現狀調查

《規范》對于影像質量和顏色的規定十分概略,實際生產過程中制圖人員對于影像色彩的把握非常主觀,不同作圖人員的產品不能保證色調的基本一致,有時同一作圖人員在不同時期完成的成果也很難保持風格的一致性；另外，對于質檢人員,往往找不到一套行之有效的影像圖色彩質量評定方法。因此，影像底圖處理生產流程不能納入正軌。

在影像制圖過程中,底圖處理往往是整個工序的“瓶頸”。這是因為在生產過程中,處理不同源的影像數據時沒有相關先驗知識作為指導,工作中存在較大盲目性；另外,由于遙感信息的不確定性和多解性,造成各種衛星數據間的鑲嵌非常復雜,因此影像底圖生產周期相對較長。

遙感影像底圖生產過分依賴個人經驗。生產項目中的影像增強(后期處理)大部分采用PhotoShop軟件,遙感影像處理往往由少部分色彩感較好的人員完成,這些人的經驗不能轉化為更通用的工序或方法,不利于生產效率的提高。如果建立一個基于光譜增強的遙感影像地面特征資料庫將從根上解決以上問題。本文將探討這種資料庫的設計和建庫過程。

2 模塊設計

為了很好的解決以上問題,本文研究的資料庫參照了地質地貌學對地表類型的劃分,結合遙感數字圖像處理的基礎理論對地面特征進行了適當的分類。資料庫各功能模塊設計如下。

地面特征劃分及數據整理：搜集歷年影像圖制作采用的典型原始數據,對所搜集資料進行必要的加工、整理并且進行分類存儲。基本類型劃分按照如圖1所示框架進行。

圖1 資料庫地面特征分類框架

資料庫地面特征在進行大類劃分后還應該進行子類的劃分,子類的劃分參照地質地貌學和工程地質學結合遙感影像自身特點進行。具體子類劃分及代碼如表1所示。

表1 地面特征詳細分類及代碼

表1中水系大類,按傳感器劃分子類時考慮ALOS與SPOT對于水系的表達差異很小,因此模擬真彩色影像用“SHLJ”(水系-河流-假彩色)表示；另外，對于真彩色影像(QuickBird、RCD、ADS80、UCX、DMC等)在水體的表達方面也近乎相同,所以未對其進一步分類,用“SHLZ” (水系-河流-真彩色)表示,居民地分類依此類推。

遙感影像地面特征資料庫(以下簡稱“SETD”)基礎數據分析：根據數據源自身特點,采用合適的波段(例如TM數據采用7、4、3波段,ALOS多光譜數據采用3、4、1波段,SPOT多光譜數據采用4、1、2波段來模擬真彩色)分析總結指定特征的影像數據,在PS軟件中以最少的操作步驟達到最佳效果并且考慮不同類型衛星數據間的鑲嵌,編寫相關說明文檔。

資料庫組織模式及存儲：采用文件管理的方式。數據存儲類型主要有影像數據部分、說明文檔部分、各類代碼表。影像數據部分主要是各類典型地面特征文件光譜增強后的數據,以JPG、PSD兩種格式存儲,說明文檔使用TXT格式存儲,各類代碼表采用Excel表格格式，如圖2所示。

圖2 資料庫存儲數據分類

數據共享：在服務器端存儲共享數據,允許瀏覽、預覽、下載等操作。

資料庫檢索工具(以下簡稱SETD-CS)：開發簡單易用的目錄檢索系統。實現資料庫影像數據按地面特征查詢,按地理區域查詢,按數據類型查詢。模塊設計如圖3所示。

圖3 資料庫檢索工具框架設計

功能模塊設計如圖4所示。

圖4 SETD-CS功能模塊設計

3 資料庫主要研制過程

紅、綠、藍三基色是相互獨立的,任何一種基色都不能用其他兩種顏色合成。白色光通過棱鏡后被分解成多種顏色逐漸過渡的色譜,顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,這就是可見光譜。其中,人眼對紅、綠、藍最為敏感,而大多數的顏色又可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產生。而PhotoShop軟件進行色彩調節時可以按不同通道進行調色。以上理論就為PhotoShop軟件能夠進行影像底色處理提供了可能。

研究搜集歷年國內外項目涉及的各種傳感器數據,在PhotoShop軟件中進行光譜增強,并且顧及不同數據間的鑲嵌,色調盡量保持一致。但對于季節完全不同的數據(研究使用地表植被的覆蓋程度來區分)鑲嵌后仍需要后期處理。

3.1 假彩色影像的地面特征搜集整理與分析

按生產項目逐個進行數據檢索,得到相關類型數據,例如TM數據的處理過程如下：

在已經完成的項目中檢索TM數據,在結果中篩選典型數據,按分類表(見表1)中各種地面特征進分類提取(截取圖內相關地面特征的影像信息)。為提高資料庫典型數據的可用性,盡量同一數據類型選用兩個以上地理區域的影像數據,且選擇的地域跨度盡量大。例如：有植被的高山TM數據提取了山西、云南、湖南等省份的數據。

對影像文件的命名采用“地面特征-地理區域”的方式,例如：“LPYT-AH”代表“裸露平原TM數據—安徽地區”。對于某些出現編碼重復的地區，如“LPYT-SX”代表的“山西”或者“陜西”產生混淆,采用地理區域的第一個簡拼標注聲調的方法解決：“LPYT-S1X”代表“山西”、“LPYT-S3X”代表“陜西”。如圖5所示。

數據分析是根據數據自身特點結合PSD文件對光譜增強步驟進行分析,總結達到最佳效果的便捷方法。如圖6所示。

圖5 文件命名方式

圖6 同名說明文檔內容

以ALOS數據為例：原始影像的紅波段表現得過于強烈,整體感觀偏洋紅色,因此在圖像增強初期采用“曲線”、“可選顏色”來抑制紅、藍波段、增益綠波段和黃色(如圖7所示)。

圖7 ALOS數據分析

3.2 真彩色影像的地面特征搜集整理與分析

真彩色影像應用于大比例尺影像圖制作(包括分幅DOM制作)項目、高清晰三維虛擬現實項目,這一類項目具有生產周期長、數據量大、數據質量要求高等特點。對于真彩色影像進行光譜增強的主要任務是調整影像亮度、對比度、以及輕微的偏色等問題。這一類數據的基本分類整理、分析過程同上。但是在光譜增強的具體操作上面應該注意的是：“可選顏色”或者“色相飽和度”的使用應當慎重,如使用不當則容易損失色彩細節(如圖8)。一般遵循“先大范圍,后小范圍”的方法,先采用“色階”、“曲線”工具對整體亮度、色調進行調節(因為對原始影像進行某一波段的“色階”、“曲線”操作能夠快速、有效的改變亮度和色調,所以在此階段就應該確認影像的主色調；而在操作后期,影像信息以中性色為主,適宜進行細微調節),再使用“可選顏色”進行細微調節,只有極個別情況(例如大型工業廠房屋頂的顏色損失,就適宜從初期著手進行有效的強調)才需要在初期使用“可選顏色”來對個別失真的地面特征進行校正。

圖8 真彩色數據分析

3.3 SETD-CS界面簡介

SETD-CS是用VB開發的目錄檢索工具,能夠實現按地面特征、地理區域、傳感器類型進行數據檢索,檢索主目錄樹如圖9所示。

圖9 SETD-CS程序開發與運行界面

點擊某一子類后即可瀏覽某一子類的全部影像、預覽某一具體地面特征(如圖10所示)。

點擊某一張影像時自動跳轉至“預覽”頁面,可預覽相應的較大尺寸的圖像,并且在該界面下顯示該幅影像的簡要說明文檔,提供該影像和說明文檔的下載鏈接,此時如再一次點擊左側目錄樹的某一子類時自動跳轉回瀏覽頁面。

圖10 子類及地面特征瀏覽

4 資料庫的應用

SETD應用于項目過程中,首先應根據目標區域特征選取相應的SETD數據文件,即首先判斷目標影像是否有植被覆蓋,地貌怎樣，是高山還是平原等。大多數時同一任務區域內涉及兩種或兩種以上的地面特征,同一地面特征的模板就不能很好的解決問題,這時應該綜合運用兩種或者更多的地面特征模板。資料庫影像數據一般有兩種調用方式：

一種是分區域調節,即將目標區域劃分為不同的區塊采用相應的模板來調節,這種方法應該注意接邊處使用恰當的羽化使影像過渡自然、平順。

另一種是綜合采用多個模板的調節層,既打開多個模板、同時參照文檔說明,綜合取舍多個操作步驟,使目標影像最終達到理想效果。

SETD、SETD-CS已經成功應用于哈薩克斯坦阿斯塔納至阿拉木圖高速鐵路項目(線路長度約1 010 km)1∶50萬、1∶10萬遙感影像圖制作；應用于蒙西至華中鐵路煤運通道項目(線路長度約1 896 km)1∶50萬遙感影像圖制作項目；應用于張家口至唐山鐵路三維虛擬踏勘項目DOM制作。

5 結論

在遙感影像底圖生產過程中,SETD可以提供一套較為完善的數據模板和影像光譜增強解決方案,同時考慮了不同影像鑲嵌的問題,使得不同時相、不同傳感器的影像色調較為一致,保持了底圖成果的一致性,也縮短了底圖生產周期；SETD也為質檢人員找到了一套實用的影像圖色彩質量評定方法；SETD的應用使得底圖生產過分依賴個人經驗的現狀有所改善,使項目作業面更有利于展開。如果該資料庫在行業內能夠得到廣泛應用并且最終行成行業標準,將在更大程度上完善遙感影像制圖工藝流程。

[1]杜輝，等.使用PHOTOSHOP進行衛星影像光譜增強的方法和優勢.[HJ].鐵道勘察,2008(4)

[2](美)John R.Jensen.遙感數字影像處理導論[M].北京：機械工業出版社,2007

[3]周成虎，等.遙感影像地學理解與分析[M].北京：科學出版社,1999

[4]張有良.最新工程地質手冊[M].北京：中國知識出版社,2006

[5]GB/T 15968—2008 遙感影像平面圖制作規范[S]