杜 輝 王雪嬌

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142； 2.中國地質(zhì)大學,北京 100083)

現(xiàn)有遙感影像底圖生產(chǎn)工藝存在如下問題：①《遙感影像平面圖制作規(guī)范》(GB/T 15968—2008)(以下簡稱《規(guī)范》)對于影像質(zhì)量和顏色的規(guī)定十分概略,實際生產(chǎn)過程中很難保持底圖成果的一致性；②找不到一套行之有效的影像圖色彩質(zhì)量評定方法；③在遙感影像制圖過程中,處理不同源的影像數(shù)據(jù)時沒有相關(guān)先驗知識作為指導,工作中存在較大盲目性；④由于遙感信息的不確定性和多解性,造成影像鑲嵌非常復雜；⑤底圖生產(chǎn)過分依賴個人經(jīng)驗,生產(chǎn)規(guī)模不容易擴大。本文研究的資料庫建立了一套遙感影像地面特征集,同時考慮了不同影像鑲嵌的問題,該資料庫已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)并且在很大程度上解決了實際問題。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

《規(guī)范》對于影像質(zhì)量和顏色的規(guī)定十分概略,實際生產(chǎn)過程中制圖人員對于影像色彩的把握非常主觀,不同作圖人員的產(chǎn)品不能保證色調(diào)的基本一致,有時同一作圖人員在不同時期完成的成果也很難保持風格的一致性；另外，對于質(zhì)檢人員,往往找不到一套行之有效的影像圖色彩質(zhì)量評定方法。因此，影像底圖處理生產(chǎn)流程不能納入正軌。

在影像制圖過程中,底圖處理往往是整個工序的“瓶頸”。這是因為在生產(chǎn)過程中,處理不同源的影像數(shù)據(jù)時沒有相關(guān)先驗知識作為指導,工作中存在較大盲目性；另外,由于遙感信息的不確定性和多解性,造成各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的鑲嵌非常復雜,因此影像底圖生產(chǎn)周期相對較長。

遙感影像底圖生產(chǎn)過分依賴個人經(jīng)驗。生產(chǎn)項目中的影像增強(后期處理)大部分采用PhotoShop軟件,遙感影像處理往往由少部分色彩感較好的人員完成,這些人的經(jīng)驗不能轉(zhuǎn)化為更通用的工序或方法,不利于生產(chǎn)效率的提高。如果建立一個基于光譜增強的遙感影像地面特征資料庫將從根上解決以上問題。本文將探討這種資料庫的設(shè)計和建庫過程。

2 模塊設(shè)計

為了很好的解決以上問題,本文研究的資料庫參照了地質(zhì)地貌學對地表類型的劃分,結(jié)合遙感數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論對地面特征進行了適當?shù)姆诸悺ＹY料庫各功能模塊設(shè)計如下。

地面特征劃分及數(shù)據(jù)整理：搜集歷年影像圖制作采用的典型原始數(shù)據(jù),對所搜集資料進行必要的加工、整理并且進行分類存儲?；绢愋蛣澐职凑杖鐖D1所示框架進行。

圖1 資料庫地面特征分類框架

資料庫地面特征在進行大類劃分后還應(yīng)該進行子類的劃分,子類的劃分參照地質(zhì)地貌學和工程地質(zhì)學結(jié)合遙感影像自身特點進行。具體子類劃分及代碼如表1所示。

表1 地面特征詳細分類及代碼

表1中水系大類,按傳感器劃分子類時考慮ALOS與SPOT對于水系的表達差異很小,因此模擬真彩色影像用“SHLJ”(水系-河流-假彩色)表示；另外，對于真彩色影像(QuickBird、RCD、ADS80、UCX、DMC等)在水體的表達方面也近乎相同,所以未對其進一步分類,用“SHLZ” (水系-河流-真彩色)表示,居民地分類依此類推。

遙感影像地面特征資料庫(以下簡稱“SETD”)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析：根據(jù)數(shù)據(jù)源自身特點,采用合適的波段(例如TM數(shù)據(jù)采用7、4、3波段,ALOS多光譜數(shù)據(jù)采用3、4、1波段,SPOT多光譜數(shù)據(jù)采用4、1、2波段來模擬真彩色)分析總結(jié)指定特征的影像數(shù)據(jù),在PS軟件中以最少的操作步驟達到最佳效果并且考慮不同類型衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的鑲嵌,編寫相關(guān)說明文檔。

資料庫組織模式及存儲：采用文件管理的方式。數(shù)據(jù)存儲類型主要有影像數(shù)據(jù)部分、說明文檔部分、各類代碼表。影像數(shù)據(jù)部分主要是各類典型地面特征文件光譜增強后的數(shù)據(jù),以JPG、PSD兩種格式存儲,說明文檔使用TXT格式存儲,各類代碼表采用Excel表格格式，如圖2所示。

圖2 資料庫存儲數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)共享：在服務(wù)器端存儲共享數(shù)據(jù),允許瀏覽、預(yù)覽、下載等操作。

資料庫檢索工具(以下簡稱SETD-CS)：開發(fā)簡單易用的目錄檢索系統(tǒng)。實現(xiàn)資料庫影像數(shù)據(jù)按地面特征查詢,按地理區(qū)域查詢,按數(shù)據(jù)類型查詢。模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 資料庫檢索工具框架設(shè)計

功能模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 SETD-CS功能模塊設(shè)計

3 資料庫主要研制過程

紅、綠、藍三基色是相互獨立的,任何一種基色都不能用其他兩種顏色合成。白色光通過棱鏡后被分解成多種顏色逐漸過渡的色譜,顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,這就是可見光譜。其中,人眼對紅、綠、藍最為敏感,而大多數(shù)的顏色又可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。而PhotoShop軟件進行色彩調(diào)節(jié)時可以按不同通道進行調(diào)色。以上理論就為PhotoShop軟件能夠進行影像底色處理提供了可能。

研究搜集歷年國內(nèi)外項目涉及的各種傳感器數(shù)據(jù),在PhotoShop軟件中進行光譜增強,并且顧及不同數(shù)據(jù)間的鑲嵌,色調(diào)盡量保持一致。但對于季節(jié)完全不同的數(shù)據(jù)(研究使用地表植被的覆蓋程度來區(qū)分)鑲嵌后仍需要后期處理。

3.1 假彩色影像的地面特征搜集整理與分析

按生產(chǎn)項目逐個進行數(shù)據(jù)檢索,得到相關(guān)類型數(shù)據(jù),例如TM數(shù)據(jù)的處理過程如下：

在已經(jīng)完成的項目中檢索TM數(shù)據(jù),在結(jié)果中篩選典型數(shù)據(jù),按分類表(見表1)中各種地面特征進分類提取(截取圖內(nèi)相關(guān)地面特征的影像信息)。為提高資料庫典型數(shù)據(jù)的可用性,盡量同一數(shù)據(jù)類型選用兩個以上地理區(qū)域的影像數(shù)據(jù),且選擇的地域跨度盡量大。例如：有植被的高山TM數(shù)據(jù)提取了山西、云南、湖南等省份的數(shù)據(jù)。

對影像文件的命名采用“地面特征-地理區(qū)域”的方式,例如：“LPYT-AH”代表“裸露平原TM數(shù)據(jù)—安徽地區(qū)”。對于某些出現(xiàn)編碼重復的地區(qū)，如“LPYT-SX”代表的“山西”或者“陜西”產(chǎn)生混淆,采用地理區(qū)域的第一個簡拼標注聲調(diào)的方法解決：“LPYT-S1X”代表“山西”、“LPYT-S3X”代表“陜西”。如圖5所示。

數(shù)據(jù)分析是根據(jù)數(shù)據(jù)自身特點結(jié)合PSD文件對光譜增強步驟進行分析,總結(jié)達到最佳效果的便捷方法。如圖6所示。

圖5 文件命名方式

圖6 同名說明文檔內(nèi)容

以ALOS數(shù)據(jù)為例：原始影像的紅波段表現(xiàn)得過于強烈,整體感觀偏洋紅色,因此在圖像增強初期采用“曲線”、“可選顏色”來抑制紅、藍波段、增益綠波段和黃色(如圖7所示)。

圖7 ALOS數(shù)據(jù)分析

3.2 真彩色影像的地面特征搜集整理與分析

真彩色影像應(yīng)用于大比例尺影像圖制作(包括分幅DOM制作)項目、高清晰三維虛擬現(xiàn)實項目,這一類項目具有生產(chǎn)周期長、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高等特點。對于真彩色影像進行光譜增強的主要任務(wù)是調(diào)整影像亮度、對比度、以及輕微的偏色等問題。這一類數(shù)據(jù)的基本分類整理、分析過程同上。但是在光譜增強的具體操作上面應(yīng)該注意的是：“可選顏色”或者“色相飽和度”的使用應(yīng)當慎重,如使用不當則容易損失色彩細節(jié)(如圖8)。一般遵循“先大范圍,后小范圍”的方法,先采用“色階”、“曲線”工具對整體亮度、色調(diào)進行調(diào)節(jié)(因為對原始影像進行某一波段的“色階”、“曲線”操作能夠快速、有效的改變亮度和色調(diào),所以在此階段就應(yīng)該確認影像的主色調(diào)；而在操作后期,影像信息以中性色為主,適宜進行細微調(diào)節(jié)),再使用“可選顏色”進行細微調(diào)節(jié),只有極個別情況(例如大型工業(yè)廠房屋頂?shù)念伾珦p失,就適宜從初期著手進行有效的強調(diào))才需要在初期使用“可選顏色”來對個別失真的地面特征進行校正。

圖8 真彩色數(shù)據(jù)分析

3.3 SETD-CS界面簡介

SETD-CS是用VB開發(fā)的目錄檢索工具,能夠?qū)崿F(xiàn)按地面特征、地理區(qū)域、傳感器類型進行數(shù)據(jù)檢索,檢索主目錄樹如圖9所示。

圖9 SETD-CS程序開發(fā)與運行界面

點擊某一子類后即可瀏覽某一子類的全部影像、預(yù)覽某一具體地面特征(如圖10所示)。

點擊某一張影像時自動跳轉(zhuǎn)至“預(yù)覽”頁面,可預(yù)覽相應(yīng)的較大尺寸的圖像,并且在該界面下顯示該幅影像的簡要說明文檔,提供該影像和說明文檔的下載鏈接,此時如再一次點擊左側(cè)目錄樹的某一子類時自動跳轉(zhuǎn)回瀏覽頁面。

圖10 子類及地面特征瀏覽

4 資料庫的應(yīng)用

SETD應(yīng)用于項目過程中,首先應(yīng)根據(jù)目標區(qū)域特征選取相應(yīng)的SETD數(shù)據(jù)文件,即首先判斷目標影像是否有植被覆蓋,地貌怎樣，是高山還是平原等。大多數(shù)時同一任務(wù)區(qū)域內(nèi)涉及兩種或兩種以上的地面特征,同一地面特征的模板就不能很好的解決問題,這時應(yīng)該綜合運用兩種或者更多的地面特征模板。資料庫影像數(shù)據(jù)一般有兩種調(diào)用方式：

一種是分區(qū)域調(diào)節(jié),即將目標區(qū)域劃分為不同的區(qū)塊采用相應(yīng)的模板來調(diào)節(jié),這種方法應(yīng)該注意接邊處使用恰當?shù)挠鸹褂跋襁^渡自然、平順。

另一種是綜合采用多個模板的調(diào)節(jié)層,既打開多個模板、同時參照文檔說明,綜合取舍多個操作步驟,使目標影像最終達到理想效果。

SETD、SETD-CS已經(jīng)成功應(yīng)用于哈薩克斯坦阿斯塔納至阿拉木圖高速鐵路項目(線路長度約1 010 km)1∶50萬、1∶10萬遙感影像圖制作；應(yīng)用于蒙西至華中鐵路煤運通道項目(線路長度約1 896 km)1∶50萬遙感影像圖制作項目；應(yīng)用于張家口至唐山鐵路三維虛擬踏勘項目DOM制作。

5 結(jié)論

在遙感影像底圖生產(chǎn)過程中,SETD可以提供一套較為完善的數(shù)據(jù)模板和影像光譜增強解決方案,同時考慮了不同影像鑲嵌的問題,使得不同時相、不同傳感器的影像色調(diào)較為一致,保持了底圖成果的一致性,也縮短了底圖生產(chǎn)周期；SETD也為質(zhì)檢人員找到了一套實用的影像圖色彩質(zhì)量評定方法；SETD的應(yīng)用使得底圖生產(chǎn)過分依賴個人經(jīng)驗的現(xiàn)狀有所改善,使項目作業(yè)面更有利于展開。如果該資料庫在行業(yè)內(nèi)能夠得到廣泛應(yīng)用并且最終行成行業(yè)標準,將在更大程度上完善遙感影像制圖工藝流程。

[1]杜輝，等.使用PHOTOSHOP進行衛(wèi)星影像光譜增強的方法和優(yōu)勢.[HJ].鐵道勘察,2008(4)

[2](美)John R.Jensen.遙感數(shù)字影像處理導論[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007

[3]周成虎，等.遙感影像地學理解與分析[M].北京：科學出版社,1999

[4]張有良.最新工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國知識出版社,2006

[5]GB/T 15968—2008 遙感影像平面圖制作規(guī)范[S]