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高分辨遙感影像的精確處理
發布時間:2014-08-19

  高分辨率遙感影像的精確處理包含輻射精確處理和幾何精確處理。
 
  (一)高分辨率遙感影像的輻射精確處理
 
  高分辨率遙感影像的輻射處理包括輻射質量改善與輻射質量提升。質量改善的含義是處理不同因素引起的影像降質,從而達到或接近理想條件下傳感器的觀測指標;質量提升則是指要超越傳感器的硬件限制,獲得更高質量的影像數據。
 
  1 傳感器因素的輻射質量改善
 
  任何影像傳感器都會存在一定的觀測誤差,在外空環境對地球進行連續觀測的遙感傳感器更是如此,獲取的影像經常出現噪聲、模糊、死像元等現象。雖然這些問題廣受研究,但仍然存在一些尚未解決的難題:
 
  (1)保持物理特性的遙感影像去噪對遙感影像進行去噪,在滿足人眼視覺需求的同時,為了避免對后續的地物識別與定量應用產生影響,必須保持影像固有的物理特性。 例如,對多/高光譜遙感影像進行去噪,需要盡量保持目標的光譜曲線形狀,對SAR 影像去噪,應該有效地保持其原有的散射與極化信息,這些都是當前亟待深入研究的方向。
 
  (2) 傳感器MTF的自動測量與快速精確補償調制傳遞函數(MTF)是光學傳感器的重要性能指標之一。 通過鋪設地面靶標的方式一般可實現較為精確的量測,然而,在無地面靶標的條件下則需要人工選取用于MTF測量的刃邊區域,不僅費時費力還受到人為因素的影響。 因此,通過對影像自身的統計計算,自動確定最優的刃邊區域將會成為新的研究熱點。另外,在MTF補償方面,如何解決復原算法的精確性與運行效率之間的矛盾仍然值得進一步研究。
 
  (3) 大面積壞死像元的修復探測元件損壞問題在遙感傳感器中較為常見,而且一旦損壞將很難從硬件上進行修復,導致影像中出現死像元現象。 常規的基于內插的像元修復方法,僅適合小面積丟失區域的修復,對大面積的壞死像元無能為力。 近年來出現的一些信號處理新技術如壓縮感知、Bandlet 變換等,在壞死像元的修復方面展現出強大的應用潛力。另外,要實現連續、大面積死像元的高精度修復,一般還需借助不同譜段、不同時相數據的互補信息。
 
  2 非傳感器因素的輻射質量改善
 
  除了傳感器本身以外,光照、大氣、地形等因素都可能在一定程度上影響高分遙感影像的質量,當前亟待解決的問題包括:
 
  (1)陰影的自動檢測與去除在高分辨率遙感影像中,大量的陰影不僅影響了影像的視覺效果,也加大了地物識別的難度。 當前,無論是基于光譜信息還是基于空間信息的陰影檢測方法,都還不能實現陰影區域的全自動、高精度提取。
 
  在陰影去除方面,如何消除陰影去處帶來的“邊緣效應”、保持原有的紋理與色彩、提高處理效率等,仍然需要進行進一步的深入研究。 實現陰影的快速自動檢測與有效去除,是提升高分遙感影像視覺效果和可辨識度的一個重要方向。
 
  (2)高保真云霧去除云和霧是影響遙感影像輻射質量的重要因素。對于厚云的處理,一般需借助多源、多時相影像數據進行信息的修補,在處理過程中如何實現云區與非云區亮度和色彩的自然過渡是一個難題。對于薄云、霧的處理一般通過影像自身的統計計算就可以實現,但現有的處理方法仍然存在一定的局限性,如不能實現自動的云霧區域檢測、處理后云霧區的色彩出現偏差、非云霧區的輻射特性難以保持等,這些都是值得關注的前沿問題。
 
  3 超越傳感器限制的輻射質量提升為了超越傳感器的硬件限制實現影像質量的提升,一般需要融合多個影像中的互補信息,例如,全色-多光譜影像融合技術已在遙感領域進行了廣泛應用。 實現遙感影像輻射質量提升的前沿技術包括:
 
  (1)影像超分辨率重建
 
  影像超分辨率重建是通過對多幅具有互補信息的低分辨率影像進行處理,重構一幅高分辨率影像的技術。 該技術的產生最早來源于處理多時相遙感影像的設想,但由于時空不一致與場景多變等問題,其在遙感領域一度發展較為緩慢。 近幾年國內外學者已經證明了實現多時相影像超分辨率的可行性。另外,隨著三線陣、多角度觀測平臺的出現,充分挖掘不同角度觀測影像中的互補信息并實現分辨率的提升,也是一個頗具潛力的研究方向。
 
  (2)時空信息融合
 
  高空間分辨率的衛星觀測系統往往時間分辨率較低,為地球陸表的動態監測帶來一定的限制。 為了緩解此矛盾,遙感時空信息融合技術逐漸受到遙感學者的關注,即通過對高空間分辨率、低時間分辨的遙感傳感器影像與高時間分辨率、低空間分辨率的傳感器影像進行處理,生成時間相對連續的高空間分辨率影像序列。 該技術可以在不改變現有觀測系統的條件下提高遙感影像的空間分辨率和時間分辨率,在諸多領域具有重要的應用價值。
 
  (3)多時-空-譜遙感影像的一體化融合
 
  除了全色-多光譜影像融合、影像超分辨率重建、時空信息融合技術以外,高光譜-多光譜影像融合、多尺度影像融合也逐漸被應用于遙感影像。 然而,由于各項技術的相對獨立發展并缺乏統一的理論框架,使得現有的融合方法只能處理某些特定類型的觀測序列,不能適應當前多傳感器組網對地觀測的發展趨勢。因此,一個重要的發展方向是多時-空-譜遙感影像的一體化融合,即同時顧及影像序列的多波段、多時相、多角度、多尺度等特點,建立一體化的計算框架實現對多種觀測數據的共同描述與信息融合。
 
  (二)高分辨率遙感影像的幾何精確處理
 
  由于傳感器畸變、軌道姿態變化、地球曲率及旋轉、地形起伏、大氣折射等多種因素的影響,遙感觀測系統獲取的影像中不可避免地存在幾何畸變,因此在數據應用之前需要進行影像的幾何校正。
 
  1 高精度的傳感器幾何檢校
 
  傳感器自身的成像變形,特別是光學相機的鏡頭畸變、CCD 器件的幾何變形等對最終的影像幾何精度影響甚大。此外,在遙感數據獲取過程中,氣壓、溫度、濕度等條件都會對傳感器性能產生影響,初始內方位元素等幾何參數會發生改變。盡管如此,由于長期以來缺少高分辨率對地觀測系統幾何定標場支持,在對遙感影像進行幾何校正時很少考慮傳感器本身誤差對成像幾何精度的影響,這些誤差包括:內方位元素的誤差、成像比例尺不一致系數和坐標軸間的不正交系數等。為了提高高分辨率遙感影像幾何校正的精度,應該重視傳感器幾何參數的檢校,基于幾何定標場進行嚴密成像模型和誤差模型的構建,這是實現遙感影像精密幾何定位不可忽略的前提。 我們的試驗研究表明,基于幾何定標場的嚴密標定,我國高分辨率衛星遙感影像也能達到 0.5像元的幾何精度。
 
  2 地形復雜地區的幾何校正
 
  常規的多項式幾何校正方法在地形平坦地區能夠有效消除影像的幾何變形,但由于沒有考慮地形起伏對影像幾何形變的影響,在地面高度變化較大的復雜地區經常會產生嚴重的誤差。 顧及地形起伏的多項式幾何校正方法,主要思路是結合影像地區的數字高程模型,利用多項式或有理函數模型建立像點與真實三維地理坐標之間的函數關系,從而進行高精度的幾何校正,當前在最優函數模型的選擇方面仍需要進行深入研究。
 
  對于高分傳感器常用的星載推掃式光學傳感器,影像系統校正產品的幾何模型基本是用仿射變換進行表示,忽略了系統幾何校正過程中高程引起的影像變形,因此有必要深入研究推掃式光學衛星影像系統幾何校正產品的三維幾何模型,通過三維幾何模型對于成像過程中的高程變形規律加以表示,以利于利用控制點等數據進行后續的處理,從而提高幾何校正精度。
 
  3 稀少地面控制點的幾何校正
 
  常規幾何校正方法在稀少控制點的情況下會產生較大的幾何誤差,相應的前沿技術主要包括無地面控制或少量地面控制點的高精度幾何校正方法。李德仁等: 高分辨率對地觀測的若干前沿科學問題對于完全沒有地面控制點信息的情況,國際上經常使用高階 INS 誤差模型的 GPS/INS 組合定位方法獲取成像瞬間的傳感器外方位元素;對于同時有空中控制信息和少量地面控制點信息的情況,使用基于空中控制和少量地面控制點的外方位元素快速精密求解方法。 可以結合幾何定標場傳感器檢校獲取的內方位元素,使用基于共線條件方程的嚴格成像模型對影像進行高精度幾何校正。
 
  4 無控制點高分辨率影像自主定位
 
  高分辨率衛星影像在實際應用中常常面臨著無法獲取一定數量的高精度控制點問題,因此需要發展無控制點高分辨率影像自主定位方法。 采用多傳感器衛星遙感影像聯合平差技術是一項可行的技術,可以充分利用已有的大量多時相高分辨率衛星遙感影像,通過多源多時相的重復觀測提高自主定位精度。 然而,在無控制點聯合平差中,由于平差基準的缺失,聯合平差的設計矩陣變為秩虧方程,導致經典的最小二乘平差不能收斂。 但可以通過采用統一的多源衛星遙感影像成像幾何模型,建立相對位置固定、絕對位置浮動的圖形參考系,進行自由網平差,實現無控制點的遙感影像定位。

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