一種遙感圖像的雲霧信息探測方法與流程

2024-03-31 03:44:05

本發明涉及遙感探測技術和計算機圖像處理計算，尤其涉及一種利用圖像處理獲取遙感圖像雲霧信息的探測方法。
背景技術：
：在當今社會中霧霾和PM2.5汙染是中國絕大部分城市區域的重點治理問題。然而各個城市採用了種種減排措施，包括汽車單雙號限行，減少碳排放等，然而整體的大氣質量並沒有隨之改變。而究其原因就是在大氣汙染治理過程中的監測和執法力度不夠。通常對於霧霾等大氣汙染的檢測，往往採用地面監測點的連續觀測來進行監測。然而大氣成分特性等存在豐富的動態特性，光光靠幾個監測點的數據，很難掌握大範圍的空氣汙染的詳細情況和空間分布特性。同時大氣流動也會導致，連續觀測的數據受周邊環境汙染的可能，從而使得監測難以確定空氣汙染源的準確位置。因此如何有效地掌握大氣汙染源的位置和強度，並對不同城市的霧霾成因進行分析，是當前社會環境監測的重要需求。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種技術手段，針對一定天氣條件的高解析度衛星圖像，獲取其相應的高解析度的大氣雲霧強度和空間分布信息。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種遙感圖像的雲霧信息探測技術，其實施步驟如下：(1)輸入一張遙感圖像，利用低通濾波器和導向濾波器獲取粗糙雲霧估計圖。(2)利用暗原色先驗獲取圖像場景的粗糙透過率圖和場景的大氣天光值，基於該粗糙透過率結合步驟(1)中估計的粗糙雲霧估計圖，利用導向濾波器獲取精細透過率圖。(3)基於步驟(1)中濾波處理後的輸入圖和步驟(2)中得到的精細透過率值和天光值，根據大氣多次散射圖像模型可以計算出恢復圖像的同時，也能夠提起出模型中的大氣分量將該分量同步驟(1)中獲取的粗糙雲霧估計信息疊加，就是從遙感圖像提取出來的雲霧空間強度分布信息。(4)依據遙感圖像場景中地面觀測點得到的觀測數據和步驟(3)中獲取的雲霧空間強度分布圖中對應點的數值，利用對數函數進行數據擬合，從而獲取實際場景所需探測物理量和雲霧空間強度分布信息之間的映射關係，實現雲霧大氣信息的定量化測量。進一步地，所述步驟(1)中的詳細步驟包括：a)輸入一張遙感圖像，對其進行傅立葉變換，獲取其頻譜圖，同時構建以下低通濾波器對圖像進行濾波處理：式中H(u,v)是濾波器函數，u，v是頻率坐標，σ0是截止頻率。濾波輸出的非均勻雲霧背景如下：其中Bcloud是輸入圖像的低頻信息，I是輸入圖像，和分別是傅立葉變換和傅立葉反變換兩個運算符。b)對初步估計的雲霧分布信息圖像進行對比度擴展，其相應的調整公式如下：其中是調整公式的閾值，max(Bcloud)和min(Bcloud)分別是初步估計的非均勻雲層背景圖像的最大值和最小值，而k1，k2和λ是調整公式的參量。並對其進行零頻補償，獲取最終的初步的估計大氣雲霧分布信息，其補償公式如下：B′cloud＝Bcloud-offset(4)其中offset是零頻補償的補償常量，然後利用輸入圖像作為引導圖，利用導向濾波器對獲得的大氣雲霧分布圖進行處理，獲取一個保邊平滑的初步雲霧空間分布估計圖。c)從輸入圖像中去除初步估計的大氣雲霧分布信息：I'(x,y)＝I(x,y)-B′cloud(x,y)(5)利用得到的圖像在接下來的處理中進一步優化大氣雲霧分布信息提取結果。進一步地，所述步驟(2)中的詳細步驟包括：a)依據暗原色先驗知識提取步驟1中最後得到的圖像的暗通道：其中Idark為獲取的圖像暗通道，Ic表示圖像的各顏色通道分量，Ω(x)表示以x像素位置為中心的局部鄰域。b)從上述的圖像暗通道中提取部分前0.1％最亮區域像素，計算該區域各通道的像素均值作為天光值A。c)根據暗原色通道的性質對於無霧區域其值接近於0。因此圖像初始透過率計算如下：其中t'為計算得到的初始透過率，ω是常數係數，Ac為天光值的通道分量。d)利用步驟(1)中計算的初步雲霧空間分布估計圖作為引導圖，利用導向濾波器對得到的初始透過率，進行精細化優化獲取精細高分辨的場景透過率圖。進一步地，所述步驟(3)中根據大氣多次散射模型，其形式如下：其中I為輸入圖像減去初步雲霧分布估計後的圖像，A和t為步驟2中獲得的天光值和透過率圖像。APSFo和APSFa分別是大氣點擴散函數和天光點擴散函數，利用廣義的高斯分布來進行求解，其形式如下：其中x,y為圖像坐標位置，Γ(.)是伽馬函數，p和σ為和大氣參量，分別計算如下：p＝kT(10)式中T為大氣光學厚度，依據透過率和大氣光學厚度關係t＝e-T解算而出，k是參數常量，q為前向散射因子，是一個同天氣條件相關的常量。對於大氣點擴散函數來說其光學厚度值為-log(t)，對於天光點擴散函數來說其光學厚度值為-log(1-t)。所以我們可以計算出模型中的大氣分量：最終結合步驟1中獲取的初步大氣分布信息，我們可以獲取最終的大氣雲霧分布信息圖：B″′cloud＝B′cloud+B″cloud(13)進一步地，所述步驟(4)中根據輸入遙感圖像，根據其場景成像範圍，獲取相應地面觀測點在遙感圖像成像期間實際大氣測量數據(如PM2.5濃度，空氣品質指數等)作為樣本數據Y，然後取步驟(3)中的獲取的雲霧空間強度分布圖中的相應點作為樣本數據X，利用下面形式的指數函數，對上述獲取的數據進行擬合：y＝-Alog(B(1-x))+C(14)其中y是大氣測量數據值，x是獲取的雲霧信息探測圖數據值，A,B,C是需要擬合得到的參數。獲取擬合參數後，對步驟(3)中獲取的圖像進行逐點映射，最終獲取定量化的大氣測量數據分布圖。本發明的有益效果是：本發明提出了一種遙感圖像的雲霧信息探測方法，實現了通過輸入一定大氣條件下的遙感圖像，來獲取相應場景的雲霧分布信息。在本發明中，只需要簡單的輸入遙感圖像，無需引入其他測量參數，通過數字圖像處理的算法，在使遙感圖像變清晰的同時，獲取到大氣的雲霧分布信息。附圖說明圖1為本發明實施例的流程示意圖。圖2為本發明實施例的原始圖像。圖3為本發明實施例獲取的去除初步雲霧分布的遙感圖像。圖4為本發明實施例提取得到的優化後的圖像透射率。圖5為本發明實施例得到的大氣雲霧空間強度分布結果。圖6為本發明實施例地面觀測站假定位置圖。圖7為本發明實施例中與地面數據點的擬合曲線。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，本實施例非均勻雲霧條件下的遙感圖像去霧方法的實施步驟如下：(1)輸入一副遙感圖像(見圖2)，選定截止頻率參數為σ0＝1.7，構建低通濾波器對輸入圖像進行低通濾波操作。設定調整公式的參量k1＝5，k2＝5(針對8位圖)和λ＝2，對低通濾波器的輸出圖像進行調整：對調整函數輸出的圖像進行零頻補償，獲取最終的初步的估計大氣雲霧分布信息，其補償公式如下：B′cloud＝Bcloud-offset其中offset是零頻補償的補償常量，其值為輸入圖像各通道均值，然後利用輸入圖像作為引導圖，利用導向濾波器對獲得的大氣雲霧分布圖進行處理，獲取一個保邊平滑的初步雲霧空間分布估計圖。同時獲取去除了粗步雲霧分布去除的遙感圖像I'(x,y),其結果圖如圖3所示。(2)對步驟1中的得到的遙感圖像I'(x,y)，依據暗原色先驗知識提取圖像的暗通道：其中Idark為獲取的圖像暗通道，Ic表示圖像的紅綠藍通道分量，Ω(x)表示以x像素位置為中心的局部鄰域。從上述的圖像暗通道中提取部分前0.1％最亮區域像素，計算該區域各通道的像素均值作為天光值A，本實施例中為AR＝255,AG＝254,AB＝250。根據暗原色通道的性質對於無霧區域其值接近於0。因此圖像初始透過率計算如下：其中t'為計算得到的初始透過率，ω是常數係數，Ac為天光值的通道分量。利用步驟(1)中計算的初步雲霧空間分布估計圖作為引導圖，利用導向濾波器對得到的初始透過率，進行精細化優化獲取精細高分辨的場景透過率圖，見圖4。(3)然後利用大氣多次散射模型，其形式如下：其中I』為輸入圖像減去初步雲霧分布估計後的圖像，A和t為步驟2中獲得的天光值和透過率圖像。APSFo和APSFa分別是大氣點擴散函數和天光點擴散函數，利用廣義的高斯分布來進行求解，其形式如下：其中x,y為圖像坐標位置，Γ(.)是伽馬函數，p和σ為和大氣參量，分別計算如下：p＝kT(17)式中T為大氣光學厚度，依據透過率和大氣光學厚度關係t＝e-T解算而出，k取0.5，q為前向散射因子，其值如下表所示，本實施例中取為0.7。0.0-0.20.2-0.70.7-0.80.8-0.850.85-0.90.9-1.0AirAerosolsHazeMistFogRain對於天光點擴散函數來說其光學厚度值為-log(1-t)。所以我們可以計算出模型中的大氣分量：最終結合步驟1中獲取的初步大氣分布信息，我們可以獲取最終的大氣雲霧分布信息圖，如圖5所示：B″′cloud＝B′cloud+B″cloud(19)(4)如圖6所示，假設在輸入的遙感圖區域內存在A,B,C三處地面大氣參量觀測點，其在衛星成像期間探測到的空氣品質指數(AQI)數值分別為170,142,155。其在步驟3中得到的大氣雲霧分布信息圖中相應點位置的數據分別為0.4826,0.3518,0.4132。利用下面形式的對數函數，對上述數據進行擬合：y＝-Alog(B(1-x))+C(20)擬合得到的參數分別為A＝124.0137,B＝15.1922,C＝425.8834。其擬合的結果如圖7所示。基於該擬合出來的對數函數我們可以計算遙感圖像場景範圍內任意位置的空氣品質指數，如D處的空氣品質指數為142(計算結果取整)，E處的結果為152。相較於傳統的方法，本方法不需要衛星探測其他數據，僅僅通過數字圖像處理技術實現圖像的雲霧層提取，從而實現在使遙感圖像變清晰同時，得到高解析度的雲霧空間分布和強度圖。同時如果配備有地面觀測點數據就可以進一步將其從定性觀測轉變為定量觀測。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp