數(shù)碼航空影像數(shù)據(jù)融合算法研究

摘 要:DMC相機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的數(shù)字航攝像機(jī)，本文基于筆者多年從事數(shù)碼航攝數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以DMC數(shù)碼航空影像數(shù)據(jù)融合算法為研究對象，論文首先分析了DMC數(shù)字相機(jī)獲取影像的特點(diǎn)和缺陷，進(jìn)而分析了影像的原理和算法的設(shè)計(jì)，最后給出了具體的案例，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:影像融合 特征提取

中圖分類號:P2 \t\t\t文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0022-02

1 DMC數(shù)字相機(jī)的原理

DMC相機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的數(shù)字航攝像機(jī)，它是由德國蔡司(ZEISS)公司和美國Intergraph公司共同研制，綜合了ZEISS公司世界上頂級的光學(xué)技術(shù)和Intergraph公司在數(shù)字?jǐn)z影測量軟件領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，它的誕生，是數(shù)字?jǐn)z影測量領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。

該相機(jī)由八個CCD傳感器構(gòu)成，中間四個面陣(幅面為7K×4K)組合鏡頭構(gòu)成一個13.5K×8K的大面陣，獲得全色影像;四個多光譜鏡頭角面陣(幅面為3K×2K)構(gòu)成RGB彩色四個波段影像，以進(jìn)行彩色合成;多光譜彩色合成影像的地面覆蓋范圍與全色影像覆蓋范圍相同。三個數(shù)據(jù)記錄儀，每個具有280GB磁盤空間(共840GB)。該系統(tǒng)鏡頭的個數(shù)是可變化的。DMC的最大優(yōu)點(diǎn)是具有中心投影的幾何特性，與現(xiàn)有的數(shù)字圖像工作平臺及軟件完全適應(yīng)。其次是該相機(jī)采用了像移補(bǔ)償裝置FMC，所獲取的資料具有真實(shí)性和可靠性。DMC數(shù)字相機(jī)同時采集真彩色、彩紅外和灰度數(shù)據(jù)，通過高速數(shù)據(jù)傳輸通道傳到硬盤中，原始數(shù)據(jù)為高壓縮比的TIFF格式。

2 DMC數(shù)字相機(jī)所獲取影像的特點(diǎn)

2.1 多源性

一次拍攝，可同時獲得全色數(shù)據(jù)、真彩色數(shù)據(jù)、RGB多光譜彩紅外數(shù)據(jù)，使得一次拍攝的效率和數(shù)據(jù)獲取的效率大大提高，而且全色和多光譜數(shù)據(jù)的覆蓋范圍相同，三種數(shù)據(jù)可以滿足不同的需要。

2.2 精度的提高

與傳統(tǒng)的膠片相機(jī)相比，省掉了好幾個中間環(huán)節(jié)，如膠片的沖洗、掃描，這樣減少了不少可能產(chǎn)生誤差的機(jī)會。

2.3 更多的信息量的獲得

從全色及多光譜的數(shù)據(jù)上我們可以獲得比原來傳統(tǒng)相機(jī)更多的信息，從而獲得更多的用途。

2.4 快速低成本獲取

相對于傳統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)獲取來說，數(shù)據(jù)獲取的周期可以縮短1/3，由于同時獲得三種數(shù)據(jù)，避免了中間環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)獲取的成本降低了40%。

2.5 獲得的影像精度高

DMC相機(jī)獲取的影像像元大小為12μ，攝影比例尺1∶6000的情況下，相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的所攝1∶3500影像，用21μ掃描的精度;

3 影像融合技術(shù)介紹

影像融合技術(shù)，是將不同傳感器的影像信息加以綜合，以獲得信息更加豐富的、高質(zhì)量的影像，同時消除多傳感器信息之間的冗余和矛盾，降低其不確定性，減小模糊度，改善影像解譯性能，達(dá)到對目標(biāo)的完整、全面、一致的表達(dá)，從而提高影像信息的使用效率。影像融合的應(yīng)用是多方面的，可以用來進(jìn)行彩色增強(qiáng)、特征增強(qiáng)、空間分辨率的改善等等。

利用高分辨率的全色影像與低分辨率的多光譜影像的融合是影像融合技術(shù)的典型應(yīng)用。一般的遙感影像融合采用基于信息特征的算法，這里不做詳述。

3.1 融合原理

由于真彩色圖像和彩紅外數(shù)據(jù)的成像波譜范圍不同，地物在不同波譜的范圍具有不同反射率，所以同一地物在不同的波段所成得影像具有不同的特征。根據(jù)這一原理我們提出了新的融合方法，就是利用多波段數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取計(jì)算，然后利用提取所得的特征數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性的特征增強(qiáng)處理，從而彌補(bǔ)原始真彩色圖像的色彩及信息失真。由于DMC數(shù)字影像的特點(diǎn)，需要進(jìn)行如下的操作。

3.1.1 影像曝光度調(diào)整

由于航攝時受大氣和日照的影響，每次拍攝的航片很容易出現(xiàn)曝光不足和曝光過度的現(xiàn)象，為了使圖像達(dá)到較為理想的效果，必須進(jìn)行曝光度調(diào)整。對于每張航片，灰階范圍為0～4095(12bit)，利用直方圖統(tǒng)計(jì)我們可以看出曝光不足的圖像和曝光過度的圖像灰階范圍分布比較集中。

3.1.2 對每幅影像中四塊CCD所成的影像差異進(jìn)行輻射校正

由于CCD器件的不一致引起的灰度不一致，我們可以通過多張航片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，利用統(tǒng)計(jì)的灰度的差值模擬出CCD的系統(tǒng)誤差，從而進(jìn)行補(bǔ)償處理。首先選取同一航帶均勻分布地物的航片n(3

3.1.3 對灰度漸變的處理

由于相機(jī)鏡頭中心和邊緣透光量的差別，航片影像通常會出現(xiàn)中心和邊緣亮度漸變的現(xiàn)象，也就是所謂的大餅現(xiàn)象。為了消除由于亮度漸變帶來的影響，我們設(shè)計(jì)了漸進(jìn)統(tǒng)計(jì)和漸進(jìn)補(bǔ)償?shù)乃惴ā＜僭O(shè)鏡頭中心對應(yīng)的坐標(biāo)是x0，y0，影像漸變的半徑是r，我們以x0，y0為中心，進(jìn)行漸進(jìn)統(tǒng)計(jì)得出不同半徑范圍內(nèi)的圖像的均值g，△gi，i+1=gi-gi+1;(1

3.1.4 不同航帶之間的灰度平衡

由于航拍時間和大氣條件的影響，不同航帶之間的影像灰度差異較明顯，所以必須對不同航帶之間進(jìn)行灰度平衡。由于每條航帶的影像數(shù)量較多，不同航帶的統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作量較大。不同航帶的灰度平衡可以采用直方圖匹配的方法進(jìn)行。

3.1.5 特征提取算子的設(shè)計(jì)

經(jīng)過了上述步驟處理得的影像基本上具有了較好的曝光度和較為理想的直方圖。在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)了不同地物的特征提取算子。由于真彩色圖像中植被信息失真，我們選用了紅外波段中的植被信息，對真彩色圖像中的植被信息進(jìn)行增強(qiáng)，設(shè)計(jì)了如下提取算法，對每個波段中的每個像素進(jìn)行閾值比較，假設(shè)同一位置的像素在四個波段(紅綠藍(lán)紅外)的灰度分別為g1，g2，g3，g4，利用波譜特征可知，當(dāng)滿足條件g1a4時即可認(rèn)為該點(diǎn)是植被，其中a1，a2，a3，a4為自定義的閾值，不同的影像條件可以選擇不同的值。這樣就可以提取出植被信息ggreen，然后利用ggreen 對真彩色影像進(jìn)行增強(qiáng)。

3.2 影像處理流程圖(如圖1)

4 成功案例

天津市測繪院分別于2005年1月和2006年1月進(jìn)行了兩次DMC航空攝影，其中2005年1月攝影比例尺為1∶12000，2006年1月攝影比例尺為1∶20000。2005年、2006年我院利用這兩批資料進(jìn)行了1∶2000數(shù)字正射影像圖的生產(chǎn)，生產(chǎn)的成果色調(diào)一致、精度滿足要求，美中不足的是由于是真彩色影像，因而，影像中植被的色彩效果不佳，影響了整個影像的色彩。

2007年1月，根據(jù)客戶要求，需要對影像進(jìn)行融合和勻色處理，從而使整個天津的數(shù)字正射影像圖獲得較為理想的效果:色調(diào)一致，植被信息突出。為了達(dá)到這樣的效果，需要作以下幾項(xiàng)工作。

(1)影像曝光度調(diào)整。

(2)對每幅影像中四塊CCD所成的影像差異進(jìn)行輻射校正。

(3)對灰度漸變的處理。

(4)不同航帶之間的灰度平衡。

(5)利用特征算子進(jìn)行影像的融合。

經(jīng)過一次試驗(yàn)，得到的結(jié)果是大部分影像效果較好，植被信息突出，各種地物色彩分明，飽和，增強(qiáng)了可判讀性和目視效果。兩幅圖的比較如圖2、圖3所示。

同時，一部分經(jīng)過補(bǔ)飛的數(shù)據(jù)，和相鄰航帶之間出現(xiàn)色差和亮度差異，需要重新進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)的主要過程是進(jìn)行整體色調(diào)和亮度的調(diào)整。

以上過程可以利用VC++進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，平均每張?jiān)加跋竦奶幚磉^程需要7.5分鐘左右。

經(jīng)過融合的影像再進(jìn)行糾正、拼接、出圖，利用常規(guī)正射影像拼接的流程進(jìn)行，取得了意想不到的良好效果，得到了用戶的接收和好評。

5 有待解決的問題

在融合、勻色的過程中，也存在以下問題，有待以后解決。

(1)部分補(bǔ)飛的影像，出現(xiàn)航帶之間的色差過于大，而灰度平衡的幅度有限，如果幅度太大，必然影響效果。所以，有待日后尋找更加合適的灰度平衡方法。

(2)有部分影像的高亮部分會出現(xiàn)彩色斑，這大概是由于鏡頭的輻射方面的原因產(chǎn)生的，有待進(jìn)一步的分析和消除。

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