潘勇卓,謝洪斌,楊雪,席亞文,戚偉迅
(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400042;2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心,重慶 400042)
近年來高分系列衛(wèi)星在國家高分專項(xiàng)的推進(jìn)下,數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提升,尤其是高分二號影像空間分辨率可達(dá)0.8 m,突破了亞米級的重要門檻,目前已被國防、科研、建設(shè)等各行各業(yè)廣泛使用。然而高分二號衛(wèi)星回訪周期相對較長,數(shù)據(jù)量十分有限,所獲取的信息質(zhì)量依賴于地表的光譜反射。通常云層也會作為一種地表物質(zhì)記錄在遙感影像上,導(dǎo)致原本地表信息被遮擋,降低了影像的利用率和可判讀性。隨著高分系列衛(wèi)星影像分辨率的不斷提高,云層影響變得更加不容忽視[1]。云層可大致分為厚云和薄云,厚云遮擋了絕大部分的地面輻射,采用其他時相的影像進(jìn)行插補(bǔ)是唯一的解決方法[2];而薄云僅削弱了地物的部分反射特性,因此可以基于單幅影像的特征降低薄云干擾,重建下墊面地物信息,提高高分影像的利用率[3]。
目前,國內(nèi)外單幅影像去薄云的方法主要分為頻域去云和空域去云兩類。前者專門針對圖像上薄云霧進(jìn)行濾波處理,后者根據(jù)多光譜圖像不同波段對云層的反射率差異進(jìn)行云層檢測和處理[4]。頻域去云領(lǐng)域較為成熟的方法有同態(tài)濾波[5]、小波變換[6]、自適應(yīng)濾波[7]等。頻域去云基本可達(dá)到薄云去除的效果,但通常會損失部分地物的低頻信息,導(dǎo)致模糊和紋理缺失。關(guān)于空域去云算法的研究較多,其中,直方圖匹配法[8]是對云區(qū)影像和晴空區(qū)影像的地類進(jìn)行直方圖匹配,但去云結(jié)果圖可能出現(xiàn)邊緣過渡帶;最大化局部對比度法[9]通過調(diào)整圖像的對比度來實(shí)現(xiàn)薄云去除,但對飽和度較高的原圖像易造成色彩失真的效果;基于HOT[10]的去薄云方法利用紅藍(lán)波段的高度相關(guān)性生成HOT圖,根據(jù)HOT圖反映的云霧影響程度分層實(shí)施暗目標(biāo)減法,該方法在植被覆蓋區(qū)取得了很好的去薄云效果,但對水體、裸地及人工地物等地物類型十分敏感,容易出現(xiàn)過度校正的情形;暗通道先驗(yàn)法[11]是近年來計(jì)算機(jī)視圖領(lǐng)域提出的去霧算法,該方法具有適用性廣和速度快的優(yōu)勢。隨后一些研究者基于該方法進(jìn)行了一些改進(jìn)處理,如通過設(shè)置閾值來提高透射率圖的計(jì)算速度[12]、通過導(dǎo)向?yàn)V波優(yōu)化透射率圖的精細(xì)程度[13]、通過設(shè)置暗通道權(quán)值完善圖像不連續(xù)處的處理效果[14]、將RBG空間轉(zhuǎn)換到HIS空間并對圖像進(jìn)行分割從而提高圖像的清晰度[15]、對景深邊緣和非景深邊緣采用不同模板進(jìn)行濾波從而降低邊緣的不連續(xù)效應(yīng)[16]等。這些改進(jìn)的暗通道先驗(yàn)法主要針對RGB普通光學(xué)照片去霧,遙感影像上的“薄云”與這些“霧”類似,近年來相關(guān)學(xué)者將該方法應(yīng)用于遙感影像,獲得了較好的去云霧效果[17]。但該方法在處理成片的高亮區(qū)域時將出現(xiàn)過度校正的情形,通常在遙感影像上體現(xiàn)為厚云過校。此外,由于藍(lán)光波段對云層最為敏感,直接應(yīng)用暗通道先驗(yàn)法對遙感影像進(jìn)行處理將造成色彩失真的問題。
本文對暗通道先驗(yàn)法[11]進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種適用于高分二號影像的薄云快速去除方法。該方法通過設(shè)置最大大氣光閾值,有效改善厚云及其他高亮地物的過校問題;計(jì)算透射率分布圖時,對原圖進(jìn)行下采樣處理,以提高透射率的計(jì)算速度;利用暗通道法計(jì)算去云圖像時,非獨(dú)立地計(jì)算各波段的改正量,而是結(jié)合高分二號影像各波段間散射關(guān)系,以某一波段為起始波段,通過波段間散射強(qiáng)度的校正系數(shù)確定其他波段的改正量,從而使去薄云影像的各波段間關(guān)系更符合大氣散射模型,避免了RGB合成色彩失真的問題。
本文使用的高分二號影像獲取時間為2016年6—8月,覆蓋區(qū)域?yàn)橹貞c市某區(qū)的局部范圍,空間分辨率為0.8 m,包含藍(lán)、綠、紅和近紅外波段。為便于處理,本文將4個波段合成為.tif格式文件作為實(shí)驗(yàn)輸入。
暗通道先驗(yàn)理論由He等[11]提出,是一種基于對大量自然無霧圖像的觀察統(tǒng)計(jì)而得到的計(jì)算機(jī)視圖規(guī)律:在絕大多數(shù)非天空、無霧彩色圖像的局部區(qū)域里,某些像素總會有至少一個顏色通道具有非常低甚至為零的灰度值,這樣的像素成為暗像元。暗像元主要存在于以下情況中:①植被、建筑、山體、車輛等各種地物的陰影;②綠色、藍(lán)色、紅色等某一顏色通道亮度值極高,而某一顏色通道亮度值較低的彩色物體;③黑色的樹干、人工地物、裸地等。暗通道圖像可通過式(1)來描述:
(1)
式中:c表示r、g、b中的一個通道;Jc是圖像J的3個通道中某一個通道的灰度值;Ω(x)是以像元x為中心的局部領(lǐng)域區(qū)域;Jdark為暗像元的灰度值,由暗通道先驗(yàn)理論可知,對于圖像的無云霧區(qū)域Jdark→0,而云霧區(qū)域的暗像元灰度值會變高。
在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域,Koschemieder模型方程[18]所描述的云霧圖像退化模型被廣泛使用:
I(x)=J(x)t(x)+A(1-t(x))
(2)
式中:I(x)為觀測圖像的輻射強(qiáng)度,代表待去除云霧的原始圖像;J(x)為來自目標(biāo)場景的輻射信息,代表去除云霧后的退化圖像;t(x)為場景輻射在大氣傳輸過程中的透射率,代表透射率分布圖;A為大氣光值。該式第一項(xiàng)J(x)t(x)描述了目標(biāo)場景輻射信息在介質(zhì)中的直接衰減,第二項(xiàng)A(1-t(x))代表大氣光經(jīng)過衰減后導(dǎo)致的場景顏色偏移。文獻(xiàn)[11]指出,當(dāng)大氣條件均勻且同質(zhì)時,透射率t(x)可表示為:
t(x)=e-βd(x)
(3)
式中:β為大氣散射系數(shù);d(x)為場景深度。該式表明場景輻射的透射率與云霧濃度和景深成指數(shù)衰減。與普通室外照片相比,高分辨率遙感影像中云霧的分布更為均勻,且地表到衛(wèi)星傳感器之間的距離相對固定,因此遙感影像的透射率分布圖t(x)更為平滑。
圖像去云霧的目的,就是求取A和t,從而通過原始圖像I還原得到退化圖像J。若圖像I共包含N個像素,則云霧圖像的退化過程將包含RGB三通道的3N個約束方程和4N+3個未知數(shù),這顯然是一個無解的欠約束問題,需要增加約束條件,而暗通道先驗(yàn)理論就為其提供了一個非常好的約束條件。
1)估算大氣光值。由式(1)可知,暗通道圖像反應(yīng)了原始圖像中的云霧分布情況,暗通道值越高,云霧越濃厚。單幅帶云霧的圖像中,大氣光值A(chǔ)可近似為最濃云霧區(qū)域的灰度值,因此借助暗通道圖即可從原始圖像中估算該值。He等[11]設(shè)計(jì)了A的估算方法:從暗通道圖中按照灰度的大小取前0.1%的像素,在這些像素對應(yīng)的位置中,從原始圖像取灰度的最大值作為大氣光值A(chǔ)的估計(jì)值。
(4)
根據(jù)暗通道先驗(yàn)理論[11],由式(1)可推導(dǎo)出:
(5)
將式(5)帶入式(4)可得到:
(6)
少量云霧的存在可為圖像保留一定的透視深度感,使其更真實(shí),因此引入控制參數(shù)ω(0<ω≤1)來保留少量云霧。透視率的粗略估計(jì)式為:
(7)
3)優(yōu)化透射率分布圖。實(shí)際影像中,云霧對物體的影響程度分布是連續(xù)的、平滑的,而式(7)估算的透射率是在局部領(lǐng)域區(qū)域Ω(x)內(nèi)大氣透射率保持一致的假設(shè)下計(jì)算得到的,所形成的透射率圖將出現(xiàn)斑塊效應(yīng),與實(shí)際不符。為了獲得更精細(xì)的透射率圖,He等[11]首先提出了Soft Matting方法進(jìn)行內(nèi)插優(yōu)化,消除了透射率圖的斑塊效應(yīng),但該方法的最大缺點(diǎn)在于處理速度較慢。隨后He等提出了導(dǎo)向?yàn)V波[19]的方式來改進(jìn)透射率圖的處理,該方法主要集中于簡單的方框模糊,不僅能大幅提高處理速度,而且使透射率圖的效果更精細(xì)。導(dǎo)向?yàn)V波指出,輸出圖像的輪廓由輸入圖像決定,而輸出圖像對場景結(jié)構(gòu)信息的保持性由指導(dǎo)圖像決定。導(dǎo)向?yàn)V波的模型為:
Qi=akIi-bk,?i∈wk
(8)
式中:Qi為輸出圖像;Ii為指導(dǎo)圖像;ak和bk為窗口wk中與輸入圖像有關(guān)的線性常量系數(shù)。對該式求導(dǎo)變形為:
(9)
該模型保持了指導(dǎo)圖像和輸出圖像邊緣變化的一致性,而輸入圖像決定了輸出圖像的輪廓,因此可通過最小化輸入圖像與輸出圖像間的差異來計(jì)算線性常量系數(shù)ak和bk。定義能量常數(shù)為:
(10)
4)還原退化圖像。在獲得大氣光值A(chǔ)和透射率分布圖t后,通過式(2)變形,即可還原云霧退化圖像。而在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)透射率t很小時,會導(dǎo)致退化圖像整體向白場過度。He等[11]通過設(shè)置最小閾值t0對透射率進(jìn)行控制,最終得到的圖像還原計(jì)算式為:
(11)
暗通道先驗(yàn)法直接用于遙感影像的處理時,將會出現(xiàn)厚云和其他高亮地物的過度校正問題。這是由于該方法中大氣光值A(chǔ)最終選取的是原始圖像中的某一個像素點(diǎn)的值,則各通道的A值很有可能全部接近255,從而導(dǎo)致處理后的圖像偏色和出現(xiàn)大量色斑。
He等[11]利用導(dǎo)向?yàn)V波對透射率的計(jì)算過程進(jìn)行了優(yōu)化,使透射率圖的處理精度得到了有效提高。但高分二號影像分辨率可達(dá)0.8 m,單景影像所包含的浮點(diǎn)計(jì)算量極大,直接使用原始圖像計(jì)算將導(dǎo)致透射率圖的處理時間太長??紤]到云霧的分布是連續(xù)、成片的,對于遙感影像薄云去除,并不需要米級的參數(shù)矯正,因此可以通過合并像素降低分辨率的方式近似估算原圖的透射率圖,以達(dá)到降低計(jì)算量而又不影響校正結(jié)果的目的。為此,本文采用下采樣的方法提高透射率的計(jì)算時效,具體實(shí)現(xiàn)方式為:
①在求取透射率之前,首先按照采樣率r對原圖進(jìn)行下采樣操作,將其尺寸縮小;
②按照原算法,求取下采樣后圖像的透射率;
③通過插值的方法上采樣得到原圖的透射率。
下采樣操作略微降低了透射率圖的細(xì)膩程度,而計(jì)算量得以有效減少。為探討不同采樣率r對暗通道先驗(yàn)法去薄云結(jié)果的影響,本文從高分二號衛(wèi)星影像中截取局部含云區(qū)域(截圖大小1 024×1 024)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1展示了r分別取0.25、0.5、0.75和1(即未采用下采樣法)時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖2統(tǒng)計(jì)了r在[0.2,1]范圍內(nèi)去薄云圖像均值和方差的變化情況,圖3展示了r對處理速度的影響。
圖1 不同采樣率下薄云去除的效果
圖2 不同采樣率下圖像均值和方差的變化
由圖1可以看出,不同采樣率的暗通道先驗(yàn)法去薄云效果差異不大,但隨著r降低,圖像略微變暗。由圖2可見下采樣方法導(dǎo)致圖像均值逐漸降低,而方差變化并不大,說明該方法的使用對去薄云的整體成像效果影響較小;而隨著r的進(jìn)一步降低,圖像均值的降低程度增大,當(dāng)r<0.25時,經(jīng)過下采樣操作后的圖像均值相比原始方法降低了15%以上。因此,為合理控制圖像的視覺效果,可選擇采樣率的取值區(qū)間為[0.25,1)。
根據(jù)圖3,未采用下采樣操作時,原始暗通道先驗(yàn)法耗時為51.31 ms,采用下采樣操作后,隨著r的降低,圖像處理耗時隨之減少,說明下采樣方法有效降低了透射率圖的計(jì)算量,因而去薄云效率得以提高。當(dāng)r<0.7時,下采樣操作使得處理速度提升了1倍以上;當(dāng)r逐漸增大至0.9時,經(jīng)過下、上兩次采樣后處理速度的提升將會逐漸減小。值得注意的是,當(dāng)r取值更大時,處理耗時將比原始方法更多,如r=0.99時耗時達(dá)59.82 ms,此時下采樣操作不具有收益性。因此,為有效提升處理速度,可選擇采樣率的取值區(qū)間為[0.2,0.7]。
圖3 不同采樣率下處理速度的變化
綜上,合理的下采樣操作將明顯提升處理速度,且成圖的視覺效果與原始算法無太大差別。當(dāng)采樣率在[0.25,0.7]區(qū)間范圍內(nèi)取值時,下采樣方法將具有較明顯的收益性。
不同于普通光學(xué)照片,遙感影像中各波段對云層的反應(yīng)存在差異:遙感影像中,受到云層影響時,各波段的DN值都會升高,但藍(lán)色波段對云的干擾更敏感,云越濃厚,DN值升高的幅度越大[3]。不同像素的云霧覆蓋情況對波段DN值的影響存在差異,而暗通道先驗(yàn)法應(yīng)用于遙感影像時,相互獨(dú)立地尋找每個波段的還原值,致使像素內(nèi)不同波段的值偏離于真實(shí)的大氣散射模型,甚至導(dǎo)致影像某一(或幾個)波段被過度校正,出現(xiàn)RGB合成影像色彩失真的問題。
為此,本文并不獨(dú)立地尋找各個波段的還原值,而是考慮大氣散射模型,以某一波段為起始波段,根據(jù)各波段間散射強(qiáng)度的比值關(guān)系設(shè)置校正系數(shù),推算其余波段的散射改正量,從而約束波段被過度矯正的問題。根據(jù)瑞利散射規(guī)律,散射光強(qiáng)度ADN與入射光波長λ成反比關(guān)系,而在薄云條件下該反比關(guān)系可限制在λ-0.7至λ-0.5之間[20]。
去薄云過程中,首先選擇對云層最敏感的藍(lán)光波段為起始波段,通過暗通道先驗(yàn)法求取還原值,并以藍(lán)光原始值DNB與還原值DN′B之差作為起始改正量,而其余波段的散射改正量將由波段間的校正系數(shù)直接產(chǎn)生,進(jìn)而求取其余波段的還原值。本文選取λ-0.7關(guān)系為波段間校正系數(shù)的計(jì)算參考,高分二號衛(wèi)星各波段參數(shù)及以藍(lán)光為起始波段產(chǎn)生的校正系數(shù)如表1所示。
表1 高分二號衛(wèi)星參數(shù)及波段校正系數(shù)
首先通過暗通道先驗(yàn)法求取藍(lán)光波段還原值,則藍(lán)光波段的散射改正量為:
ADNB=DNB-DN′B
(12)
根據(jù)表1的校正系數(shù),以藍(lán)波段為起始波段計(jì)算綠、紅、近紅外波段的散射改正量ADNG、ADNR、ADNNIR分別為:
(13)
由此可求得綠、紅、近紅外波段的最終還原值為:
(14)
根據(jù)改進(jìn)的暗通道先驗(yàn)法,高分二號影像的薄云去除流程如圖4所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn),本文以目視效果最佳為原則相關(guān)設(shè)置以下參數(shù):暗通道變換最小窗口大小為15×15,云霧控制參數(shù)ω=0.95,透射率的最小閾值t0=0.1;以原圖的灰度圖作為導(dǎo)向?yàn)V波的導(dǎo)向圖,濾波窗口大小為60×60;最大大氣光閾值A(chǔ)0=220;下采樣率為0.25。其余參數(shù)設(shè)置已在前文中給出。
圖4 改進(jìn)的暗通道先驗(yàn)法去薄云流程圖
根據(jù)上述改進(jìn)的暗通道先驗(yàn)法,截取含云的高分二號影像進(jìn)行去薄云實(shí)驗(yàn),并分別與空域去云領(lǐng)域的HOT算法、原始暗通道先驗(yàn)法的去薄云影像進(jìn)行對比,同時采用無云或少云時相的高分一號衛(wèi)星影像作為客觀參考,從校正后影像的整體直觀效果對比(圖5)、局部紋理色彩對比(圖6)和云霧校正真實(shí)性統(tǒng)計(jì)(表2)等方面綜合評價各方法的去薄云效果,最后評價處理效率(表3)。其中云霧校正真實(shí)性統(tǒng)計(jì)是通過將校正后影像的含云區(qū)域與參考影像對比、無云區(qū)域與原始影像對比,定量統(tǒng)計(jì)各方法形成的圖像失真面積來實(shí)現(xiàn)的。
圖5 去薄云效果對比圖
圖6 局部細(xì)節(jié)對比圖
1)去薄云效果評價。從直觀對比可以看出,HOT法去薄云效果似乎最為明顯(圖5(b)、圖5(g)),但整體色彩偏綠。通過局部放大可發(fā)現(xiàn),該方法降低了影像細(xì)節(jié)的真實(shí)性,且存在嚴(yán)重的色彩失真現(xiàn)象。其中,圖6(b)中厚云中心區(qū)域被過度校正,形成了黑色斑塊;圖6(g)中稍厚的云層被“綠化”為與植被相似的地物,使得整體圖像存在大量“云層下的植被被還原”的誤導(dǎo)信息,校正后顯示為虛假的草地,這與該
表2 云霧校正真實(shí)性統(tǒng)計(jì)
表3 各類方法處理時間表
區(qū)域無云影像中(圖6(j))原有的農(nóng)田與房屋信息嚴(yán)重不符。同時大量藍(lán)色建筑同樣被“綠化”(圖6(l)、圖6(q)),原有房屋難以從色彩上判別,甚至某些高亮的藍(lán)色建筑色彩信息直接丟失。同時裸地、硬化地面等紅棕色、灰色地物也出現(xiàn)泛白的情況,去薄云后影像色彩效果較差。通過表2可以看出,該方法導(dǎo)致的失真面積達(dá)1.258 km2,占兩幅影像總面積的3.558%,意味著校正后影像將丟失這部分真實(shí)信息。此外,在局部圖中還可以發(fā)現(xiàn),該方法導(dǎo)致大量噪聲,紋理效果大大降低,不利于影像后期使用。綜上,HOT法去薄云的紋理色彩、校正真實(shí)性均較差,整體校正效果與參考影像差距較大。
原始的暗通道先驗(yàn)法對于薄云有較明顯的去除效果(圖5(c)、圖5(h)),而稍厚的云層則予以保留,且在圖像紋理的處理上更貼近原始圖像(圖6(m)、圖6(r)),避免了色塊的噪聲影響。同時該方法的去薄云圖像比HOT法更符合事實(shí),薄云區(qū)域地物還原情況更接近參考影像。但該方法使整體圖像偏藍(lán)、偏暗,尤其是稍厚的云層“藍(lán)化”現(xiàn)象嚴(yán)重(圖6(h)),且在亮度較高的厚云區(qū)域仍存在過度校正的問題(圖6(c))。經(jīng)統(tǒng)計(jì),該方法云霧校正的失真面積約為0.109 km2,占2幅影像總面積的0.308%,去薄云后影像的真實(shí)性高于HOT法,但色彩效果仍與參考影像存在一定差距。
本文方法在去薄云的效果上繼承了原始暗通道先驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn),而對其存在的問題進(jìn)行了明顯的優(yōu)化。從整體效果上看,本文方法去薄云后的圖像(圖5(d)、圖5(i))仍保留了部分厚云,色彩更接近原始影像和參考影像,克服了原始暗通道先驗(yàn)法的偏藍(lán)問題;從局部細(xì)節(jié)上看,本文方法避免了稍厚云層的藍(lán)化現(xiàn)象和高亮厚云的過校問題(圖6(d)、圖6(i)),效果圖中未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象,在3種算法中保持了最好的云霧校正真實(shí)性。此外,該方法對圖像紋理、色彩的還原都更為逼真(圖6(n)、圖6(s)),細(xì)節(jié)上與參考影像中的無云情況最為接近。
2)處理速度評價。為展示本文方法的速度優(yōu)化,表3給出了本文方法與原始暗通道先驗(yàn)法在圖像處理時間上的對比(時間結(jié)果為3次計(jì)算取平均)。由于HOT法為非自動方法,因此不參與處理速度評價。本次實(shí)驗(yàn)采用Windows10系統(tǒng),算法仿真采用Visual Studio2013平臺,計(jì)算機(jī)處理器為Core i7-4790 CPU@3.60 GHz,內(nèi)存8 GB。通過表2可以看出,本文方法的去薄云處理時間約僅為原始暗通道先驗(yàn)法的1/6,處理速度明顯更優(yōu)。
綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法能較好地降低薄云對高分二號影像的干擾,成果圖像的紋理色彩、校正真實(shí)性和處理速度相比HOT方法和原始暗通道先驗(yàn)法都最具優(yōu)勢。
本文將暗通道先驗(yàn)法引入到遙感影像的處理上展開研究,并結(jié)合衛(wèi)星波段特點(diǎn),提出了一種適用于高分二號影像薄云快速去除的改進(jìn)方法。改進(jìn)之處總結(jié)為以下3個方面:
①針對暗原色先驗(yàn)法對厚云等高亮區(qū)域的過校問題,提出了最大大氣光閾值的解決策略,避免了該類區(qū)域的失真;
②在原有透射率優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上,提出了下采樣和插值算法簡化輸入對象,大幅提高了處理速度;
③針對成果圖像的色彩偏藍(lán)現(xiàn)象,結(jié)合高分二號傳感器波段間散射強(qiáng)度相互關(guān)系,以藍(lán)光為起始波段推算其余波段,保證不同波段的改正量符合相對散射模型,從而使成果圖像的色彩更貼合實(shí)際。
綜上所述,本文方法兼顧了去薄云圖像的紋理色彩、校正真實(shí)性和處理效率,對于單幅高分二號影像薄云快速去除具有較高的實(shí)用性。當(dāng)然,本文方法尚有待改進(jìn)之處需要進(jìn)一步研究,如對其他衛(wèi)星影像適用性的探討、如何建立可靠性更高的評價體系來衡量去薄云后影像的質(zhì)量等。