航測影像融合原理及處理流程研究

摘 要：DMC相機是目前世界上最先進的數(shù)字航攝像機，本文以DMC數(shù)碼航空影像數(shù)據(jù)融合算法為研究對象，分析了DMC數(shù)字相機獲取影像的特點和缺陷，探討了影像的原理和算法的設(shè)計，最后給出了具體的案例，全文是筆者長期工作實踐基礎(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：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0042-02

1 DMC數(shù)字相機的原理

DMC相機是目前世界上最先進的數(shù)字航攝像機，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)。其次是該相機采用了像移補償裝置FMC，所獲取的資料具有真實性和可靠性。DMC數(shù)字相機同時采集真彩色、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)字相機所獲取影像的特點

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

2.6 航攝自動化程度高，避免了很多問題

所有的航線設(shè)計在地面設(shè)計好后輸入計算機，飛機在航攝時從航線的進入、啟拍點、每張相片的定位到關(guān)閉點都由計算機控制，而且每張相片拍攝完成當(dāng)時就能在計算機上看到拍攝的成果，如有漏洞或航線彎曲超限等馬上就能發(fā)現(xiàn)。

3 DMC數(shù)字相機所獲取影像的缺陷

DMC相機在存在諸多優(yōu)點的同時，也存在一些缺陷。從生產(chǎn)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)了以下缺陷。

（1）四個高分辨率7K×4K的全色相機鏡頭拼接獲得一幅全色波段的影像，會因地面的反光造成曝光的參數(shù)不一致，同一幅影像出現(xiàn)四個不同的亮度塊。（2）12BIT影像具有豐富的光譜信息，但是，目前，很多數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不支持12BIT數(shù)據(jù)，只能轉(zhuǎn)換成8BIT數(shù)據(jù)處理，而在轉(zhuǎn)換過程中，會產(chǎn)生光譜信息的損失，這樣也就損失了12BIT數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。（3）高空攝影取得的真彩色影像中植物部分色差，在可見光波段，由葉綠素的吸收支配，反射率非常低，吸收率很高，所以葉片對人眼呈現(xiàn)深綠色，影像的色彩顯得不夠飽和，沒有生機。近紅外波段對植物的反射波譜特性最強，通過植物葉片的反射與透射，呈現(xiàn)隨著葉片的層數(shù)增加，反射率越來越高。

4 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，可以用來進行彩色增強、特征增強、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。

利用彩紅外影像與一般真彩色影像進行融合，達(dá)到增強植被信息的目的，也是影像融合技術(shù)的一項應(yīng)用。對于DMC數(shù)字影像來說，由于其獲得的影像數(shù)據(jù)包括12BIT高分辨率真彩色影像、高分辨率彩紅外影像和低分辨率彩紅外影像、黑白數(shù)據(jù)等類型的成果數(shù)據(jù)。其中，黑白數(shù)據(jù)可以直接用于測圖、真彩色數(shù)據(jù)用于制作正射影像圖和大幅面掛圖，彩紅外數(shù)據(jù)應(yīng)用于遙感解譯。將真彩色影像與彩紅外波段的影像數(shù)據(jù)進行融合，將會減少因感光特性的影響帶來色彩的失真。由于DMC影像獲取的特殊性，采用DMC影像的彩紅外數(shù)據(jù)和真彩色數(shù)據(jù)進行融合具有一定的優(yōu)勢：不需要對影像進行配準(zhǔn)，只需進行植被信息的提取，進而融合到真彩色影像上去。

4.1 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)進行特征提取計算，然后利用提取所得的特征數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進行選擇性的特征增強處理，從而彌補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，需要進行如下的操作。

4.1.1 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（示意圖見圖1，2，3）。

這樣圖像的信息量比較小，通過對直方圖進行均衡化處理。

公式 ：

（1）

其中，n是圖像中像素的總和，nk是灰度級為rk的像素個數(shù)，L為圖像中可能的灰度級總數(shù)。式（1）中變換函數(shù)的離散形式為：

（2）

因此。已處理的圖像（即輸出圖像）由通過式（2），將輸入圖像中灰度級為h的各像素映射到輸出圖像中灰度級為rk的對應(yīng)像素上得到。經(jīng)過處理的航片曝光度適中，信息量增加，目視效果較好。

4.1.2 對每幅影像中四塊CCD所成的影像差異進行輻射校正

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行統(tǒng)計計算，利用統(tǒng)計的灰度的差值模擬出CCD的系統(tǒng)誤差，從而進行補償處理。首先選取同一航帶均勻分布地物的航片n（3

4.1.3對灰度漸變的處理

由于相機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)計了漸進統(tǒng)計和漸進補償?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，進行漸進統(tǒng)計得出不同半徑范圍內(nèi)的圖像的均值g，△gi，i+1=gi-gi+1；（1

4.1.4 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)計計算工作量較大。不同航帶的灰度平衡可以采用直方圖匹配的方法進行。

4.1.5 特征提取算子的設(shè)計

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行增強，設(shè)計了如下提取算法，對每個波段中的每個像素進行閾值比較，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對真彩色影像進行增強。

4.2 影像處理流程圖（圖4）

5 成功案例

我單位分別于2009年1月和2010年1月進行了兩次DMC航空攝影，其中2009年1月攝影比例尺為1∶12000，2010年1月攝影比例尺為1∶20000。2009年、2010年我院利用這兩批資料進行了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。

2011年1月，根據(jù)客戶要求，需要對影像進行融合和勻色處理，從而使整個數(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）利用特征算子進行影像的融合。

經(jīng)過一次試驗，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，增強了可判讀性和目視效果。以下是兩幅圖的比較。

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

以上過程可以利用VC++進行編程實現(xiàn)，平均每張原始影像的處理過程需要7.5分鐘左右。

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

6 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，有待進一步的分析和消除。

參考文獻(xiàn)

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