嫦娥一號衛星2C級數據條帶噪聲去除

曹霸++++楊小梅+++岳彩榮

摘 要：干涉成像光譜儀（Imaging Interferometer ，IIM）是嫦娥衛星的有效載荷之一，IIM數據對于月表成分的反演有重要的意義。通過主觀目視我們可以發現IIM獲取的影像數據存在少量的條帶噪聲，文章利用改進的插值法和sigma濾波對影像數據的第1、13、32波段進行處理，結果表明，改進的插值法較好的保留了圖像的細節部分，同時去噪效果比較好，但是在第13波段還殘存一些條帶噪聲。sigma濾波在去噪的效果上不好，第1和第32波段噪聲沒有去除，但是它對于13波段的去噪效果與改進的插值法比較而言，結果較好。

關鍵詞：嫦娥一號衛星；IIM條帶噪聲；改進的插值法；sigma濾波

引言

探測月表物質類型以及元素的含量與分布對研究月球資源開發利用具有重要意義[1]。嫦娥一號衛星上搭載的干涉光譜成像儀（Imaging Interferometer ，IIM）可用于月表元素（如Fe，Ti）和礦物（如輝石）的反演[2]。但是IIM中有的波段數據具有明顯的條帶噪聲，這些條帶噪聲對于元素和礦物的反演有嚴重的影響。

目前，許多學者對如何消除遙感影像中的條帶噪聲進行了研究和探討，主要的條帶噪聲去除方法有：直方圖匹配法、矩匹配法、空間-頻率域濾波法、插值法等。Horn[3]和Kautsky[4]等用直方圖匹配法對遙感影像數據進行去除條帶噪聲處理，但是這種方法有很大的局限性，對于復雜地表不適用，同時這種方法不能用于幾何糾正后的圖像。矩匹配方法[5]假設每個傳感器所探測的地物具有相同均衡的輻射分布，所記錄數據的變化也與輻射校正的增益與偏移成線性關系，通過調整每個傳感器的均值方差到某一參考值來達到去條帶的目的，但是這種方法往往去除條帶不徹底。支晶晶[6]和韓玲[7]等對矩匹配方法進行了改正，在高光譜上取得了較好的應用。空間-頻率域濾波法[8]是設置高通或低通濾波器將某一頻率的信號去除，這種方法的關鍵是選擇合適的濾波器，但是這種方法在去除條帶噪聲的同時也能去除圖像的某些細節，使整個圖像平滑，降低圖像質量。插值法是一種有效的去除遙感影像條帶噪聲的方法，不僅能有效的去除遙感影像的條帶噪聲，還保留了圖像原有的大部分信息。蔣耿明[9]和楊金紅[10]等利用插值法對MODIS數據進行了去條帶噪聲處理，取得了較好的效果。

文章以IIM 2C級數據為實驗數據，利用改進的插值法和sigma濾波法對數據進行處理，并對實驗結果進行了分析。

1 IIM及數據

1.1 IIM

IIM是CE-1上搭載的有效載荷之一，它是一種“圖譜和一”光學傳感器，能夠獲得空間的二維平面圖像和一維連續光譜圖，是國內外首次將干涉成像光譜技術用于深空探測[11]。

1.2 數據

IIM獲取的數據包括6級產品，即：0A級、0B級、1級、2A級、2B級和2C級。文章采用的IIM 2C級數據是經過暗電流去除和相對定標修正，并經過輻射校正、光度校正和反射率變換。通過主觀目視可以發現2C級數據第1～13、31、32譜段具有明顯的條帶噪聲，文章選取第1、13和32譜段三個譜段的數據進行實驗，在三個波段中分別選擇了亮度值比較高和亮度值比較低的兩部分進行去噪處理，實驗數據如圖1所示。

2 去噪算法

條帶噪聲去除方法有：直方圖匹配法、矩匹配法、空間-頻率域濾波法、插值法等，根據它們的優缺點，文章選擇了插值法和sigma濾波方法對嫦娥衛星2C級數據進行處理，并對插值法的不足進行了改進，下面將重點介紹這兩種方法以及改進的插值法。

2.1 插值法

插值法的基本思路是定位條帶噪聲所在的行列，然后用上下兩行數據插值結果代替條帶噪聲。插值法的關鍵是要能夠準確而有效的定位條帶噪聲[9]。對于IIM 2C級數據我們通過主觀目視可以發現，其條帶噪聲有明顯的規律，那么我們就可以統計每列可能的噪聲數來判斷條帶噪聲所在列。定位方法如下：對于像素點（i，j），值為Gi，j，如果該屬性值相對于左右兩個像素值的屬性的平均值增加的百分比超過閾值T，那么我們就認為該點為“噪聲像素”，即：

對于噪聲數據我們用左右兩列數據的平均值來代替。然而這種算法會產生對圖像細節的誤判，如果都去除的話會影響到圖像的細節紋理信息，圖像趨于平滑。文章提出了改進的插值方法[12]。

2.2 改進的插值方法

改進的插值算法，是利用中心點與之相鄰的上下兩行的6個像元進行比較，計算中心點像元值與相鄰像元值的比值，設定一個閾值，統計超過這個閾值的像元數，如果像元數超過了一定的數量，我們則判定這個中心點為噪聲點，并對這個像元值進行插值。假設中心點為（i，j），像素值為Gi，j，上一個像素值為Gi-1，j。這兩個點的比值為：

2.3 sigma濾波

Sigma濾波器建立在如下假設基礎上：窗口內的像素灰度值與其中心像素的灰度值比較接近，我們知道，對于一維高斯分布，采樣點落在2？滓區間的概率是93.5%[13]。假設乘法噪聲服從高斯分布，在窗口濾波過程中，只選取窗口內像素灰度值落在2？滓范圍內的點，將它們的平均值作為中心像素灰度值得估計，而其他變化顯著地像素則被視作邊緣或者噪聲而不做濾波處理，采用Sigma濾波器濾波后的灰度值Z'（i，j）可由下式得出：

式中（i，j）表示當前濾波點的圖像坐標值，單位為整像素值；z（i，j）是濾波前灰度值；z'（i，j）為濾波后灰度值；濾波窗口的寬度為2m+1、高度為2n+1；？滓1∈[0，0.5]，通常根據圖像品質和研究人員的經驗選取合適值。根據實驗，文章選取的濾波窗口大小為5，實驗結果如圖3所示。

3 結果分析

文章選取了IIM 2C級數據的三個波段，即1、13、32波段進行去條帶處理，從實驗結果我們可以看出：endprint

（1）改進的插值法對于第1、32波段高亮度和低亮度區域噪聲的去除效果較好。

（2） 改進的插值法對于第13波段低亮度區域的噪聲去除效果不太理想，對于高亮度的部分區域噪聲的去除有一定的效果。

（3） Sigma濾波方法對于第1、32波段高亮度和低亮度區域噪聲的去除效果不理想。

（4） Sigma濾波方法對于第13波段高亮度區域和低亮度區域噪聲去除效果效果較好，但是在一定程度上平滑了圖像，圖像的細節部分有損失。

從實驗結果來看，改進的插值法可以適用于第1、32波段數據的去除噪聲，不適用于13波段，這是因為第1、32波段的條帶噪聲相對于整個圖像背景它們之間的亮度值差異很大，而對于13波段條帶噪聲相對于整個圖像背景它們之間的亮度值差異不大，這就造成了第13波段條帶噪聲和圖像背景很難分離，從而導致了13波段條帶噪聲去除不理想。sigma濾波方法可以適用于第13波段，但是對于第1、32波段效果不是太明顯，不適用于第1、32波段。

4 結束語

文章通過對嫦娥衛星2C級數據第1、13、32波段數據的處理，驗證了改進的插值法和sigma濾波方法的適用性，利用改進的插值法和sigma濾波方法在一定程度上去除了噪聲。然而對于改進的插值法和sigma濾波方法都有一定的適用范圍，這就使得在進行海量數據處理時，過程比較復雜，下一步研究的重點是通過改進算法提高去條帶噪聲的效果，同時盡量的保留圖像的細節信息，提高圖像的質量；同時實現對海量數據進行批處理，提高數據處理效率。

參考文獻

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[2]Liu Bin，Ling Zongcheng，LiuJianzhong，Zhang Guangliang.Image quality assessment for Chang'E-1 IIM 2C data.Chin.J.Space Sci，2012，，32（3）：440-448

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[4]Kautsky J， Nichols N K， Jupp D L B. Smoothed Histogram Modification for Image Processing[J]. Comput Vis &Image Process. 1984， 26： 271～291.

[5]Weinteb M P，Xie R，Lienesch J H，et al..Destriping COES images by matching empirical empirical distribution functions.Remote Sensing of Environment，1989，29：185-195.

[6]支晶晶.高光譜圖像條帶噪聲去除方法研究與應用[D].鄭州：河南大學，2010.

[7]韓玲，董連鳳，張敏，等.基于改進的矩匹配方法高光譜影像條帶噪聲濾波技術[J].光學學報，2009，29（12）：3333-3338.

[8]Wegener M.Destriping multiple sensor imagery by improved histogram matching.Int.J.Remote Sensing，1999，11（5）：859-875.

[9]蔣耿明，牛錚.MODIS影像條帶噪聲去除方法研究[J].遙感技術與應用，2003，18（6）：393-398.

[10]楊金紅，顧松山，程明虎.插值法在去除MODIS遙感影像條帶噪聲中的應用[J].氣象科學，2007，27（6）：604-609.

[11]陳超，秦其明，張寧，等.CE-1干涉成像光譜儀數據光度校正與反射率計算[J].光譜學與光譜分析，2011，31（7）：1985-1990.

[12]李湘眷，楊建峰，薛彬.改進的插值法用于干涉成像光譜儀影像條帶噪聲去除[J].光子學報，2010，39（1）：164-168.

[13]苑云，李壯，朱憲偉.基于Sigma方法的SAR圖像斑點噪聲濾波器[J].航天返回與遙感，2011，32（4）：37-44.

作者簡介：曹霸，碩士研究生，主要研究方向：林業3S技術。endprint

（1）改進的插值法對于第1、32波段高亮度和低亮度區域噪聲的去除效果較好。

（2） 改進的插值法對于第13波段低亮度區域的噪聲去除效果不太理想，對于高亮度的部分區域噪聲的去除有一定的效果。

（3） Sigma濾波方法對于第1、32波段高亮度和低亮度區域噪聲的去除效果不理想。

（4） Sigma濾波方法對于第13波段高亮度區域和低亮度區域噪聲去除效果效果較好，但是在一定程度上平滑了圖像，圖像的細節部分有損失。

從實驗結果來看，改進的插值法可以適用于第1、32波段數據的去除噪聲，不適用于13波段，這是因為第1、32波段的條帶噪聲相對于整個圖像背景它們之間的亮度值差異很大，而對于13波段條帶噪聲相對于整個圖像背景它們之間的亮度值差異不大，這就造成了第13波段條帶噪聲和圖像背景很難分離，從而導致了13波段條帶噪聲去除不理想。sigma濾波方法可以適用于第13波段，但是對于第1、32波段效果不是太明顯，不適用于第1、32波段。

4 結束語

文章通過對嫦娥衛星2C級數據第1、13、32波段數據的處理，驗證了改進的插值法和sigma濾波方法的適用性，利用改進的插值法和sigma濾波方法在一定程度上去除了噪聲。然而對于改進的插值法和sigma濾波方法都有一定的適用范圍，這就使得在進行海量數據處理時，過程比較復雜，下一步研究的重點是通過改進算法提高去條帶噪聲的效果，同時盡量的保留圖像的細節信息，提高圖像的質量；同時實現對海量數據進行批處理，提高數據處理效率。

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[13]苑云，李壯，朱憲偉.基于Sigma方法的SAR圖像斑點噪聲濾波器[J].航天返回與遙感，2011，32（4）：37-44.

作者簡介：曹霸，碩士研究生，主要研究方向：林業3S技術。endprint

（1）改進的插值法對于第1、32波段高亮度和低亮度區域噪聲的去除效果較好。

（2） 改進的插值法對于第13波段低亮度區域的噪聲去除效果不太理想，對于高亮度的部分區域噪聲的去除有一定的效果。

（3） Sigma濾波方法對于第1、32波段高亮度和低亮度區域噪聲的去除效果不理想。

（4） Sigma濾波方法對于第13波段高亮度區域和低亮度區域噪聲去除效果效果較好，但是在一定程度上平滑了圖像，圖像的細節部分有損失。

從實驗結果來看，改進的插值法可以適用于第1、32波段數據的去除噪聲，不適用于13波段，這是因為第1、32波段的條帶噪聲相對于整個圖像背景它們之間的亮度值差異很大，而對于13波段條帶噪聲相對于整個圖像背景它們之間的亮度值差異不大，這就造成了第13波段條帶噪聲和圖像背景很難分離，從而導致了13波段條帶噪聲去除不理想。sigma濾波方法可以適用于第13波段，但是對于第1、32波段效果不是太明顯，不適用于第1、32波段。

4 結束語

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作者簡介：曹霸，碩士研究生，主要研究方向：林業3S技術。endprint