一種衛星遙感影像物理勻色方法與流程

2023-06-09 17:54:21

本發明涉及航天遙感衛星領域，尤指一種衛星遙感影像物理勻色方法。

背景技術：

為了保證衛星傳感器既能獲取高空間解析度衛星影像，同時能夠具備寬覆蓋對地觀測能力，人們經常採用多相機拼接的方法實現該目的。例如，gf-1衛星搭載的寬幅蓋wfv傳感器採用4臺相機拼接成像技術，如圖1所示，實現了高解析度與大視場相結合的研製總目標，其能夠獲取空間解析度為16m，幅寬優於800km的衛星影像。然而，由於各相機相關參數(相機觀測角度、相機光譜響應函數等)有所不同，導致不同相機獲取的衛星影像重疊區域出現了較為明顯的輻射不一致性問題，即存在色差現象。因此若要使同一傳感器不同相機獲取的影像進行拼接處理後不存在色差問題，需要對其結果進行影像勻色處理。

目前，已經有許多研究學者針對該問題提出了相應的解決方法。例如，王建忠提出將小波變換用於影像勻色處理。朱述龍等人在對小波變換勻色方法和基於重疊影像的勻色方法的優劣性進行分析後，提出了一種拼接縫消除的強制改正方法。易堯華等人在對常用的影像色調平衡方法進行總結後，提出了一種適用於大型影像資料庫中影像勻色方法。周延剛提出了一種基於色度空間變換和動態寬度的遙感影像拼接縫消除方法，並利用航空影像驗證了算法的可行性。李德仁等人利用wallis濾波方法實現了對多幅影像的勻色處理。zomet等人通過對影像接邊處的對比度進行平滑處理，消除了影像拼接縫處色差。葛仕明等人提出的基於梯度場的勻色方法，在消除接邊處色差的同時，能夠較好的處理影像幾何錯位問題。孫黎明等人利用直方圖配準算法對cbers-02bccd影像拼接產生的色差進行勻色處理。周麗雅等人在對傳統的wallis勻光方法進行改進後，提出了一種反差一致性保持的影像勻光算法，該方法通過對影像的合理分塊及自動統計標準均值 和方差來實現影像的勻光處理。田金炎等人提出了一種基於wallis與距離權重增強的航空影像勻色方法。

雖然採用上述勻色方法均可以實現拼接後影像接邊處無明顯色差的目視效果，但是這些方法都會破壞影像原有的輻射信息，且拼接結果不具備任何物理意義，這將無法開展進一步的遙感定量化產品生產及相關研究工作。因此，從gf-1衛星寬覆蓋wfv傳感器影像勻色過程中遇到的實際問題出發，本發明考慮利用wfv影像定標係數將原始dn值數據統一轉換成具有輻射物理意義的表觀輻亮度信息，從而完成影像勻色處理。但是由於官方採用的反射率基法獲取各相機影像定標係數的過程是相互獨立的，這將無法保證wfv影像重疊區域具有較好的輻射一致性。

技術實現要素：

針對現有算法無法滿足對衛星影像進行勻色處理時不破壞影像原始輻射信息的要求，本發明提出了一種基於交叉輻射定標的影像物理勻色方法，該方法在不改變原始影像輻射信息的同時，可以有效的降低相鄰相機影像重疊區域輻射不一致性問題，實現影像物理勻色處理。

本發明提出了一種衛星遙感影像物理勻色方法，其特徵在於，包括以下步驟：

1).利用互交叉輻射定標方法獲取某一臺wfv相機絕對輻射定標係數；

2).採用統計分析方法建立相鄰相機影像的dn值相關模型；

3).採用仿真模擬的方法建立相鄰相機影像的表觀輻亮度相關模型

4).利用自交叉輻射定標方法獲取其它wfv相機絕對輻射定標係數。

進一步，該方法還包括步驟5)利用wfv相機絕對輻射定標係數實現wfv影像物理勻色。

進一步，其特徵在於，步驟1)具體為：採用目前常用的交叉定標方法，以輻射性能較高的modis影像為參考基準，將敦煌輻射校正場作為傳遞平臺，獲取某一臺wfv相機絕對輻射定標係數。由於該過 程是跨平臺的輻射性能傳遞，因此也可稱為互交叉定標。

進一步，其特徵在於，步驟2)具體為：選取不同時相、不同區域、同一軌道的相鄰相機影像，對影像重疊區域中光譜特性均一的地物影像dn值進行統計，建立相鄰相機影像dn值之間的相關關係模型。

進一步，其特徵在於，步驟3)具體為：利用多種典型地物光譜實測曲線，結合影像重疊區域觀測幾何特性，基於6s輻射傳輸模型進行仿真模擬，建立相鄰相機影像表觀輻亮度之間的相關關係模型。

進一步，其特徵在於，步驟4)具體為：利用自交叉輻射定標方法將已完成互交叉輻射定標的相機輻射特性傳遞給其它相機，獲取其它相機各自的絕對輻射定標係數。

進一步，其特徵在於，步驟5)具體為：利用上述各相機絕對輻射定標係數，將原始wfv影像dn值信息轉換為表觀輻亮度信息，進而實現影像物理勻色處理。

本發明的基於交叉輻射定標的影像物理勻色方法可以有效的實現同一傳感器不同相機間影像物理勻色處理，除了不破壞原始影像輻射信息外，還有許多優勢，如勻色方法簡單、處理速度快、不受季節影響、等等。

附圖說明

圖1wfv傳感器成像示意圖；

圖2衛星遙感物理勻色流程圖；

圖3gf-1衛星wfv4相機互交叉輻射定標結果(a為第一波段結果；b為第二波段結果；c為第三波段結果；d為第四波段結果)；

圖4wfv3與wfv4相機影像dn值相關模型圖(a為第一波段結果；b為第二波段結果；c為第三波段結果；d為第四波段結果)；

圖5wfv3與wfv4相機影像表觀輻亮度相關模型圖(a為第一波段結果；b為第二波段結果；c為第三波段結果；d為第四波段結果)；

圖6wfv3與wfv4相機影像重疊區域表觀輻亮度差異的絕對值圖(a為第一波段結果；b為第二波段結果；c為第三波段結果；d為第四波段結果)；

圖7wfv1與wfv2相機勻色前後對比圖(a為原始影像；b為利 用官方首次定標係數勻色結果；c為利用官方最新定標係數勻色結果；d為本發明物理勻色結果)；

圖8wfv2與wfv3相機勻色前後對比圖(a為原始影像；b為利用官方首次定標係數勻色結果；c為利用官方最新定標係數勻色結果；d為本發明物理勻色結果)；

圖9wfv3與wfv4相機勻色前後對比圖(a為原始影像；b為利用官方首次定標係數勻色結果；c為利用官方最新定標係數勻色結果；d為本發明物理勻色結果)。

具體實施方式

如圖2所示本發明的一種衛星遙感影像物理勻色方法包括傳統的交叉輻射定標、相鄰相機影像dn相關性統計、相鄰相機影像表觀輻亮度相關性仿真、自交叉輻射定標以及物理勻色。本發明以wfv3和wfv4為例，闡述影像物理勻色方法過程。

1)基於modis影像的某一臺wfv相機交叉輻射定標，以wfv4相機為例。首先收集敦煌地區同步或準同步的影像對數據，並利用數據篩選限制條件獲取有效的影像對。其中數據篩選條件包括：a)modis與wfv影像在敦煌輻射校正場的過境時間差小於1h；b)衛星過境時，試驗區上方不能有雲的遮擋；c)wfv影像應該覆蓋敦煌輻射校正場的中心附近的區域；d)敦煌輻射校正場不應該位於modis影像左右邊緣處。本發明共得到了自衛星發射後一年左右時間內敦煌輻射校正場地區的7景有效影像對數據。然後利用傳統的交叉輻射定標方法獲取wfv4相機絕對輻射定標係數，如圖3所示。其中wfv4相機定標公式如公式1所示。

llwfv4＝aidn4_to_l4·dnlwfv4+bldn4_to_l4(1)

式中，dniwfv4和liwfv4分別代表wfv4影像第i波段的dn值和表觀輻亮度，aidn4_to_l4和bidn4_to_l4為第i波段的定標係數(i＝1，2，3，4，下同)。

2)建立相鄰相機影像dn值相關性模型，以wfv3和wfv4相機為例。通過對大量重疊區域wfv3和wfv4影像dn值進行統計，從圖4中可以看出，其dn值之間存在很高的線性相關性。因此，wfv3和wfv4 影像dn值之間的相關模型可用公式2表示。

dniwfv3＝cidn4_to_dn3·dniwfv4+didn4_to_dn3(2)

3)建立相鄰相機影像表觀輻亮度相關性模型，以wfv3和wfv4相機為例。對於影像重疊區域地物而言，6s輻射傳輸模型的輸入參數大多數是相同的，僅地表反射率和觀測角度有所差異。本發明統計多組影像xml文件中衛星角度信息並結合wfv傳感器成像示意圖，如圖1所示，可以計算出重疊區域地物的各衛星觀測角度。選取了8種典型地物實測反射率數據(人工黑/白靶標、塑膠場地、水泥地、草地、裸土、花崗巖、人工草坪)，將其與wfv3和wfv4相機光譜響應函數進行卷積處理，獲取各波段等效地表反射率。另外，設定太陽天頂角為30°、太陽方位角為160°、wfv3相機衛星天頂角為16.22°、wfv4相機衛星天頂角為17.78°、衛星方位角為280°、大氣模式為中緯度夏季、氣溶膠模型為大陸型、550nmaod為0.15、地表高程為1500m。通過對wfv3和wfv4影像表觀輻亮度統計發現，兩者有很高的線性相關特徵，如圖4所示。因此兩者表觀輻亮度可用公式3表示。

liwfv3＝eil4_to_l3·liwfv4+fil4_to_l3(3)

式中，liwfv3和liwfv4代表wfv3和wfv4影像第i波段表觀輻亮度，eil4_to_l3和fil4_to_l3為第i波段表觀輻亮度線性擬合係數。

4)自交叉輻射定標。假設wfv3相機定標公式如公式4所示。在獲取了wfv4相機在軌互交叉輻射定標係數以及wfv3和wfv4影像dn值、表觀輻亮度的相關模型後，將公式1、2、3帶入公式4中後得到公式5，利用公式5採用最小二乘方法獲取wfv3相機絕對輻射定標係數。

liwfv3＝gidn3_to_l3·dniwfv3+hidn3_to_l3(4)

式中，dniwfv3和liwfv3代表wfv3影像第i波段的dn值和表觀輻亮度，gidn3_to_l3和hidn3_to_l4為待求的wfv3影像第i波段的輻射定標係數。

在同一軌道、不同時相wfv3和wfv4影像重疊區中提取了多個光 譜均一的地物作為檢測點，分別利用官方首次/最新公布的定標係數和本發明獲得定標結果計算其各自表觀輻亮度，並統計兩相機表觀輻亮度差異的絕對值。從圖6可以發現，與官方定標係數相比，利用本發明獲得的定標結果可以大大降低相機間輻射不一致性。對於四個波段而言，與官方首次公布的定標係數相比，其輻射不一致性分別降低了81.5％、34.07％、72.34％和83.83％。與官方最新係數相比，其輻射不一致性分別降低了22.82％、81.37％、92.17％和15.95％。

利用相同的輻射傳遞方法獲取wfv2和wfv1相機絕對輻射定標係數。

表1gf-1衛星互/自交叉輻射定標係數

5)同軌4相機影像物理勻色。隨機選取一組wfv傳感器影像進行物理勻色，其成像日期為2014年11月18日。在利用平面平差方法消除原始影像幾何錯位信息後，採用官方首次/最新公布的定標係數和本發明獲得的定標結果將其分別轉換為表觀輻亮度，選取局部區域進行展示如圖6、7、8所示。

從結果中可以看出，官方首次/最新公布的定標係數相比，利用本發明得到的定標係數可以很好的消除原始影像輻射不一致性問題。與傳統勻色方法相比，本發明的勻色過程並不破壞原始影像輻射信息，從而實現衛星遙感影像物理勻色處理。