桂　新，戴　微

(江西省基礎(chǔ)測(cè)繪院，江西 南昌 330001)

GUI Xin，DAI Wei

MASK在遙感影像水系提取中的應(yīng)用

桂新，戴微

(江西省基礎(chǔ)測(cè)繪院，江西 南昌 330001)

Application of MASK in Extracting the Water in Remote Sensing Image Process

GUI Xin，DAI Wei

摘要：在遙感圖像處理中，通過遙感影像判別識(shí)別各種目標(biāo)是其發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，無論是專業(yè)信息的提取、動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，還是專題地圖的制作和遙感數(shù)據(jù)庫的建立等都離不開所需信息的提取，因此影像信息的提取是影像圖像處理的研究重點(diǎn)。掩膜(MASK)技術(shù)就是運(yùn)用地物及影像的特點(diǎn)將影像中的地物提取出來。本文主要介紹地物及影像的特點(diǎn)，運(yùn)用MASK技術(shù)將影像中的水提取出來，并將提取成果與原始影像進(jìn)行比較分析。

關(guān)鍵詞：掩膜；水提?。唤?；NDVI；閾值

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0079-04

收稿日期：2014-07-31

作者簡(jiǎn)介：桂新(1967—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇諗z影測(cè)量、地理信息。E-mail：jxguixin@163.com

一、引言

在攝影技術(shù)中，掩膜(MASK)技術(shù)是攝影中的一種影像復(fù)制方法：用一張模糊的透明正片作為遮光板，這張影像模糊的或邊緣不清晰的透明正片稱為MASK，其制作方式是在負(fù)片(經(jīng)反轉(zhuǎn)后得到的正片為降質(zhì)影像)和正片相紙之間加一塊玻璃，玻璃的厚度可根據(jù)模糊程度而定，經(jīng)曝光和顯影后得到一張模糊的透明正片，然后將這張模糊的透明正片和負(fù)片按輪廓線疊加在一起，使用硬性相紙曬像使得負(fù)片中大反差減小、小反差增大，以達(dá)到反差基本一致，且相鄰細(xì)部反差增大，以得到一張照度與顏色均勻、反差適中的相片，即恢復(fù)影像[1]。而在遙感影像中，其最重要的應(yīng)用是在原始圖像中有選擇地去掉不需要的信息，即去掉干擾信息，用以提取有用的信息來進(jìn)行研究。

一般來說，掩膜就是由像素0和像素1組成的一個(gè)二值圖像，在ENVI的掩膜處理中，1值被處理，而0值部分則被忽略。將掩膜運(yùn)用到影像中，將有用的信息或感興趣的信息提取出來進(jìn)行處理，其他信息則被忽略。

本試驗(yàn)所使用的專業(yè)軟件為 ERDAS IMAGINE、ENVI和Visual C++，用這3種軟件做出同一影像的水掩膜，并提取影像中水的部分。

二、概述

本次試驗(yàn)所使用的影像是武漢地區(qū)的影像，來自于《遙感圖像解譯》[1]隨書光盤中的影像，但是原始數(shù)據(jù)是TIF格式的TM 1、2、3、4、5、7波段的影像，為了方便后續(xù)處理，首先用ERDAS IMAGINE軟件轉(zhuǎn)換為IMG格式，然后再用ERDAS IMAGINE對(duì)6個(gè)波段進(jìn)行合成，如圖1所示。

影像分析：TM1單波段圖，波長(zhǎng)為0.45~0.56 μm，屬藍(lán)光波段，對(duì)水體的穿透力強(qiáng)，易于調(diào)查水質(zhì)、水深、沿海水流和泥沙情況；TM2單波段圖，波長(zhǎng)為0.52~0.60 μm，屬綠光波段，對(duì)水的穿透較強(qiáng)，可用于反映水下地形；TM3單波段圖，波長(zhǎng)為0.63~0.69 μm，屬紅光波段，為葉綠素的主要吸收波段；TM4單波段，波長(zhǎng)為0.76~0.90 μm，屬近紅外波段，常被用于生物量調(diào)查，作物長(zhǎng)勢(shì)測(cè)定；TM5單波段圖，波長(zhǎng)為1.55~1.75 μm，屬近紅外波段，處于水的吸收帶內(nèi)，故對(duì)水量反映敏感，可用于土壤濕度調(diào)查、植物含水量調(diào)查、水分狀況研究、作物長(zhǎng)勢(shì)分析等；TM7單波段圖，波長(zhǎng)為10.4~12.5 μm，屬近紅外波段，它處于水的強(qiáng)吸收帶，水體在圖像上呈黑色，可用于區(qū)分主要巖石類型、巖石的水熱蝕變等[1]。

圖1　本文處理的數(shù)據(jù)影像

在6波段合成圖上，可以很明顯地看到長(zhǎng)江、漢水、東湖及其他水域，它們均因?yàn)樗w的質(zhì)量不同、水體深度不同及水中綠藻等綠色植物覆蓋度的不同而呈現(xiàn)出不同的顏色。水體對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收性，凈水在彩紅外像片上呈現(xiàn)為暗藍(lán)色或黑色，當(dāng)水體中有懸浮物質(zhì)時(shí)，可能會(huì)呈現(xiàn)為淺藍(lán)色，因此，可以在彩色紅外像片上水體從淺藍(lán)至深藍(lán)乃至黑色的變化中粗略地估計(jì)其水深。這即是圖1中各種水體呈現(xiàn)不同顏色的原因。

三、水掩膜制作方法

以下先介紹水掩膜提取的編程原理與方法。

在研究植物的光譜特征時(shí)，經(jīng)常使用的是歸一化植被指數(shù)NDVI，它被定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值

NDVI=(DNNIR-DNR)/(DNNIR+DNR)

(1)

式中，DNNIR表示近紅外波段像素值；DNR表示可見光紅波段像素值。

清潔水體各波段的反射都較弱，呈現(xiàn)出一個(gè)平緩的直線，只有綠色波段(TM2波段)稍強(qiáng)，并且TM5所在的近紅外波段，處于水的吸收帶，因此模仿NDVI的算法來編程提取水體

數(shù)值=(DN5-DN2)/(DN5+DN2)

(2)

數(shù)值小于給定閾值的即認(rèn)為是水體，給其賦上原始影像的信息；否則給其賦為黑色(255)。而這個(gè)閾值一定是負(fù)數(shù)，這是由于在TM5的波段值正好處于水的吸收帶，因此，算出的結(jié)果都是負(fù)值。利用TM原始圖像2、5波段計(jì)算它的值，輸入的對(duì)話框如圖2所示。

由于水體在各波段的反射都很弱，因此選TM2波段和TM4波段進(jìn)行計(jì)算，或選TM2波段和TM5波段進(jìn)行計(jì)算，所得的結(jié)果很相似，但是TM4波段對(duì)綠色植物非常敏感，它避開了小于0.76 μm出現(xiàn)的葉綠素陡坡效應(yīng)的坡面和大于0.90 μm可能發(fā)生的水分子吸收光譜帶，因此表現(xiàn)出植物的強(qiáng)反射，當(dāng)水體中的綠色植被過多時(shí)，就可以反映出來，它可以反映出水體的細(xì)微變化。

圖2　水掩膜輸入對(duì)話框

在水體提取的編程實(shí)現(xiàn)中，計(jì)算值小于某個(gè)閾值便將其賦予255(黑)，它便是水體，大于該閾值的則是其他地物。運(yùn)用TM2、TM4波段處理的結(jié)果和運(yùn)用TM2、TM5波段用相同算法處理的結(jié)果比較，如圖3所示，圖中左圖為TM2、TM4波段處理后的影像；右圖為TM2、TM5波段處理后的影像。

從圖3的處理圖像對(duì)比分析可以看出，閾值越大，提取的范圍越大，所產(chǎn)生的誤差也越大，不同的閾值從-0.5至-0.05，隨著閾值的增大，水域提取的更多，但是長(zhǎng)江旁邊的居民區(qū)也慢慢地被提取出來。而對(duì)比運(yùn)用TM2、TM4波段處理的結(jié)果和運(yùn)用TM2、TM5波段用相同算法處理的結(jié)果可以看出，TM2、TM5波段處理后的結(jié)果對(duì)水體提取的結(jié)果更優(yōu)。因此,下面用軟件生成掩膜均運(yùn)用TM2與TM5波段。

圖3　編程生成的掩膜及其處理后的影像

掩膜除了可以用編程實(shí)現(xiàn)外，還可以通過軟件進(jìn)行掩膜生成和影像提取。

在ENVI中，掩膜是由0和1值組成的一個(gè)二進(jìn)制圖像，當(dāng)在某一功能中應(yīng)用掩膜時(shí)，1值區(qū)域被處理，被屏蔽的0值不被包括在計(jì)算中。ENVI中建立掩膜的方法：ENVI中有掩膜(Mask)的建立工具，在水體提取方面操作如下：首先打開合成后的影像wuhan.img，在影像上選擇Tools→Build Mask，這樣便進(jìn)入了建立掩膜的對(duì)話框，根據(jù)TM影像第5波段純凈水體呈現(xiàn)為黑色，選擇Options→Import Data Range 的Selected Attributes for Mask，只選擇wuhan.img的第5波段Layer_5: wuhan.img，并且在Data Min Value中填掩膜中的像素的最小值，Data Max Value中填掩膜中的像素最大值。

掩膜自動(dòng)生成后，便可以將掩膜應(yīng)用到原始影像中，得到相應(yīng)提取的地物圖。圖4便是第5波段0-25、0-50、50-100處理的掩膜圖和對(duì)原始影像進(jìn)行掩膜后的結(jié)果圖(所有的彩色圖，也即結(jié)果圖均為2、3、4波段合成后的影像)。

對(duì)比兩幅處理后的影像，其中0-25掩膜處理后的影像最好。很容易發(fā)現(xiàn)它和編程實(shí)現(xiàn)的類似，也可以用編程形成的掩膜圖充當(dāng)ENVI的掩膜。由于ENVI的掩膜中黑白表示方法與編程的掩膜表示方法不一致：ENVI默認(rèn)的掩膜是白為處理，黑為不處理；而編程的掩膜是黑為處理，白為不處理。因此，應(yīng)將編程中的白與黑進(jìn)行置換，即要將編程掩膜的白變成黑，黑變成白，再用ENVI進(jìn)行掩膜處理。

圖4　ENVI生成的掩膜圖及處理結(jié)果

對(duì)比ENVI自動(dòng)生成的掩膜和編程生成的掩膜，它們?cè)硐嗨?，前者是根?jù)TM影像第5波段的特點(diǎn)進(jìn)行提取，后者是通過比值，擴(kuò)大了差距來進(jìn)行提取。

除了運(yùn)用ENVI和編程這兩種方法進(jìn)行生成掩膜外，還可以運(yùn)用ERDAS IMAGINE軟件的建模功能進(jìn)行掩膜的生成，其建模的原理與編程一樣，利用水在TM2波段和TM5波段的特性來實(shí)現(xiàn)掩膜的制作。具體操作為：打開ERDAS IMAGINE軟件，單擊上面的圖標(biāo)Modeler→Model Maker便進(jìn)入到模型建立，建立如圖5所示的模型。

n1_2和n2_5分別表示輸入TM2和TM5影像，中間的圓圈表示的計(jì)算公式為

圖5　ERDAS IMAGINE建模

(3)

即對(duì)原有的在[-1，1]中的值進(jìn)行了拉伸變換，使其輸出值在[0，255]之間，這樣就可以生成一幅影像water.img，如圖6所示。再對(duì)生成的影像water.img進(jìn)行二值化處理，通過ERDAS IMAGINE建模的方法，對(duì)其影像像素值≤50的賦值為1，像素值>50的賦值為0，這個(gè)掩模便可以用相同的方法在ENVI中對(duì)原始影像進(jìn)行處理了。生成的掩模和輸出的結(jié)果如圖7所示。至此，水掩膜的制作就全部完成了。

圖6　water.img

圖7　ERDAS生成的掩膜及處理后的結(jié)果

四、結(jié)束語

在實(shí)際的生產(chǎn)中，對(duì)于水掩膜的制作，可以通過很多方式實(shí)現(xiàn)，但均要在針對(duì)影像及該區(qū)域水域的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選出最適合的閾值，必要時(shí)可對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)，對(duì)掩膜進(jìn)行修正，將感興趣的圖斑找出。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)澤群，劉繼琳. 遙感圖像解譯[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[2]胡慶武，李清泉. 基于MASK原理的遙感影像恢復(fù)技術(shù)研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2004，29(4)：317-323.

[3]倪金生，蔣一軍，張富民. 遙感圖像處理理論與實(shí)踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]鄧書斌. ENVI遙感圖像處理方法[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[5]趙英時(shí). 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2003.

[6]劉耀林,趙翔,馬瀟雅,等.TM/ETM+影像大氣校正產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41 (4):549-555.

[7]李軍利, 何宗宜, 晏雄鋒,等.一種形式概念分析的陸地水系語義分類[J].測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43 (9): 976-981.

[8]孫家抦. 遙感原理與應(yīng)用[M]. 武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

[9]王華，韓祖杰，趙文，等.應(yīng)用不完全分層MRF模型的影像色彩修補(bǔ)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(11)：68-70.

[10]朱述龍，朱寶山，王紅衛(wèi). 遙感圖像處理與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[11]舒方國(guó), 龍毅, 周侗,等.地圖水系綜合中等高線簇與河網(wǎng)協(xié)同的匯水區(qū)域提取方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013, 42(5): 774-781.

[12]黨安榮.ERDAS IMAGING遙感圖像處理教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.