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測(cè)繪無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航攝影像去霧霾研究

王京衛(wèi)

山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

Study of the Geo-UAV Low-altitude Digital Aerial Image Haze Removal

WANG Jingwei

School of Civil Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China

測(cè)繪無(wú)人機(jī)以其“高時(shí)效性”“高分辨率”和“低成本”三大技術(shù)優(yōu)勢(shì)在日常測(cè)繪以及測(cè)繪應(yīng)急保障中發(fā)揮了重要的作用。例如地震、滑坡、泥石流、水災(zāi)、旱災(zāi)、雪災(zāi)、森林火災(zāi)、地表塌陷等重大自然災(zāi)害的快速應(yīng)急監(jiān)測(cè)，小城鎮(zhèn)和新型農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)測(cè)繪，困難地區(qū)測(cè)繪和重大工程建設(shè)測(cè)繪。然而隨著我國(guó)快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展，霧霾天氣逐年增多，已經(jīng)成為我國(guó)中東部地區(qū)一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣。霧霾導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，航攝影像動(dòng)態(tài)范圍縮減、對(duì)比度下降，影像模糊不清，亮度降低、色度偏移。這使得霧霾天航攝影像難以滿足測(cè)繪生產(chǎn)單位的需求，影響了測(cè)繪無(wú)人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

面對(duì)大范圍、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染嚴(yán)重的霧霾天氣，各生產(chǎn)單位的測(cè)繪無(wú)人機(jī)只能以“等待晴天”來(lái)應(yīng)對(duì)，而這種等待時(shí)間往往是十幾天乃至數(shù)個(gè)月。霧霾天氣已經(jīng)嚴(yán)重制約了測(cè)繪無(wú)人機(jī)的應(yīng)用。因此急需要尋求一種有效的影像去霧霾處理技術(shù)方法，對(duì)航攝霧霾影像進(jìn)行處理，使得去霧霾后影像的質(zhì)量能夠達(dá)到或者等效于正常航攝影像的質(zhì)量，從而消除或者減弱霧霾天對(duì)測(cè)繪無(wú)人機(jī)應(yīng)用的限制。

本文在借鑒國(guó)內(nèi)外已有影像去霧霾理論方法的基礎(chǔ)之上，從測(cè)繪無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航攝影像成像模型入手，研究了影像去霧霾方法，主要內(nèi)容如下：

(1) 在對(duì)人眼視物呈色機(jī)理、真彩色數(shù)字影像獲取存儲(chǔ)表達(dá)、無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航攝技術(shù)流程的分析基礎(chǔ)上，依據(jù)霧霾在可見(jiàn)光中傳輸?shù)奈锢硖匦?，利用大氣輻射傳輸方程，結(jié)合無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航攝技術(shù)特征，建立了霧霾天低空數(shù)字航攝影像的成像模型。

(2) 根據(jù)建立的霧霾天成像模型，在影像空間域上利用RGB彩色空間模型揭示了低空數(shù)字航攝影像的降質(zhì)機(jī)理。分析了霧霾天低空數(shù)字航攝影像中霧霾的空間分布特征以及影像的成像特征?；诮蒂|(zhì)機(jī)理建立了影像退化與復(fù)原過(guò)程模型。

(3) 提出了霧霾成像的檢測(cè)原理與方法，霧霾檢測(cè)點(diǎn)粗差檢測(cè)與剔除方法。采用空間插值理論方法解決了霧霾成像估值的求解問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧霾天可見(jiàn)光路徑衰減和輻射源衰減的復(fù)原。

(4) 對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外數(shù)字影像評(píng)價(jià)方法，提出了基于灰度共生矩陣的角二階矩、信息熵和對(duì)比度3個(gè)去霧霾影像評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用本文提出的影像去霧霾方法，開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序，對(duì)低空數(shù)字航攝去霧霾影像進(jìn)行了主客觀評(píng)價(jià)。

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明，去霧霾后影像清晰度有了很大提高，色調(diào)正常，反差適中，能夠滿足測(cè)繪有關(guān)規(guī)范中的質(zhì)量要求?？陀^評(píng)價(jià)結(jié)果表明，去霧霾后影像對(duì)比度和信息熵有了很大的提高，角二階矩減小，說(shuō)明影像構(gòu)像紋理更加細(xì)致，更加清晰，包含了更多的信息量。

通過(guò)影像主客評(píng)價(jià)驗(yàn)證了本文影像去霧霾方法的有效性和實(shí)用性。

Author： WANG Jingwei(1978—)，male，received his doctoral degree from Shandong University of Science and Technology on December 2014, majors in low altitude digital aerophotogrammetry.

E-mail： wjw_sdust@sdjzu.edu.cn

引文格式：丁雨淋. 水文變化驅(qū)動(dòng)的暴雨-洪澇災(zāi)害主動(dòng)模擬方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(2)：252. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150293.

DING Yulin.Hydrological Changes Driven Storm Flood Disaster Simulation Method[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(2):252. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150293.

水文變化驅(qū)動(dòng)的暴雨-洪澇災(zāi)害主動(dòng)模擬方法

丁雨淋1,2

1. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港； 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756

Hydrological Changes Driven Storm Flood Disaster Simulation Method

DING Yulin1,2

1. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hongkong, Hongkong, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)程的加劇，暴雨-洪澇災(zāi)害呈現(xiàn)出突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)見(jiàn)期短的特征，其時(shí)空變化的復(fù)雜性和不確定性日益突出，暴雨-洪澇災(zāi)害的模擬預(yù)警已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)前沿。大量已有研究基于穩(wěn)定環(huán)境的理論假設(shè)，采用靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)式模擬方法導(dǎo)致“數(shù)據(jù)滯后、分析滯后和決策滯后”的問(wèn)題日益突出。針對(duì)暴雨-洪澇過(guò)程時(shí)空變化的復(fù)雜性和不確定性，本文提出了水文變化驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)模擬方法，建立了動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬過(guò)程的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制，深入刻畫(huà)了水文觀測(cè)信息與洪澇過(guò)程之間的時(shí)空變化一致性關(guān)系，進(jìn)一步提升了對(duì)暴雨-洪澇過(guò)程時(shí)空變化的實(shí)時(shí)感知、認(rèn)知與定量分析能力。

本文系統(tǒng)深入地剖析了靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的暴雨-洪澇模擬難以適應(yīng)環(huán)境時(shí)空變化不確定性的突出問(wèn)題，建立了以水文時(shí)空變化為驅(qū)動(dòng)力的暴雨-洪澇災(zāi)害過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬機(jī)制；其次，面向動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)信息與暴雨-洪澇過(guò)程之間的時(shí)空變化一致性描述，提出了暴雨-洪澇過(guò)程時(shí)空變化特征的顯式表達(dá)和定量描述；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義感知的水文變化信息發(fā)現(xiàn)，變化語(yǔ)義約束的動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)濾波和模型參數(shù)智能優(yōu)選等算法，從水文過(guò)程時(shí)空變化特征的認(rèn)知、觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)3個(gè)層面降低了不確定性對(duì)模擬結(jié)果的影響。主要內(nèi)容包括：

(1) 暴雨-洪澇模擬的不確定性分析。從地球空間信息學(xué)的角度，剖析了暴雨-洪澇災(zāi)害模擬的不確定性與動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性，并歸納總結(jié)了當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在的關(guān)鍵問(wèn)題。

(2) 水文變化驅(qū)動(dòng)的暴雨-洪澇模擬機(jī)制。詳細(xì)分析了暴雨-洪澇災(zāi)害過(guò)程時(shí)空變化特征的復(fù)雜性和不確定性來(lái)源，深入總結(jié)了傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模擬方法難以適應(yīng)暴雨-洪澇時(shí)空變化的復(fù)雜性與不確定性的原因，建立了適應(yīng)于暴雨-洪澇災(zāi)害過(guò)程時(shí)空變化不確定性的水文時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)的暴雨-洪澇災(zāi)害模擬機(jī)制和框架。

(3) 多源動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬模型信息需求的統(tǒng)一描述。提出了暴雨-洪澇過(guò)程時(shí)空變化特征進(jìn)行顯式表達(dá)和定量描述模型，準(zhǔn)確刻畫(huà)暴雨-洪澇對(duì)象-時(shí)空過(guò)程-事件之間、傳感器-水文觀測(cè)信息、氣象水文模型之間的語(yǔ)義關(guān)系，以清晰揭示暴雨-洪澇災(zāi)害過(guò)程的時(shí)變空變規(guī)律與動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空變化信息之間的時(shí)空關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(4) 語(yǔ)義感知的水文變化發(fā)現(xiàn)和水文模型參數(shù)智能率定。提出了語(yǔ)義感知的動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)接入過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和提取其中蘊(yùn)藏著的洪水周期變化、水文情勢(shì)突變等時(shí)空變化模式；面向降低水文觀測(cè)數(shù)據(jù)不確定性的目標(biāo)，提出了變化語(yǔ)義約束的水文觀測(cè)數(shù)據(jù)流在線濾波方法；最后，面向降低模型參數(shù)不確定性和提高模型參數(shù)對(duì)外界環(huán)境和下墊面條件時(shí)空變化適應(yīng)性的目標(biāo)，提出了水文時(shí)空變化信息驅(qū)動(dòng)的暴雨-洪澇災(zāi)害模型參數(shù)智能率定方法，有效解決了傳統(tǒng)參數(shù)率定過(guò)程中盲目隨機(jī)游動(dòng)性問(wèn)題。

最后，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)，并以2010年6月21日發(fā)生于江西省撫州市臨川區(qū)撫河干流暴雨-洪澇災(zāi)害和2014年魯?shù)榈卣鹋谏窖呷?zāi)害的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)示范應(yīng)用為例，驗(yàn)證了水文變化驅(qū)動(dòng)的模擬方法在實(shí)際暴雨-洪澇災(zāi)害中的可用性和有效性。

Author： DING Yulin(1987—)，female，received her doctoral degree from Wuhan University on December 2014 (Ph.D. advisor: Prof. ZHU Qing, Prof. LIN Hui)，majors in VGE and dynamic GIS.

E-mail： rainforests@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41301509) 國(guó)家863計(jì)劃(2013AA122301)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41101354；41201440)

文章編號(hào)：1001-1595(2016)02-0251-01 1001-1595(2014)02-0252-01

中圖分類(lèi)號(hào)：P237 P333

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：D D

作者簡(jiǎn)介：胡翰(1988—)，男，副研究員，2015年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：朱慶教授，吳波副教授)，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。E-mail： huhan19880715@163.com 王京衛(wèi)(1978—)，男， 2014年12月畢業(yè)于山東科技大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：姜巖教授)，研究方向?yàn)榈涂諗?shù)字?jǐn)z影測(cè)量。 丁雨淋(1987—)，女，副研究員，2014年12月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：朱慶教授、林琿教授)，研究方向?yàn)樘摂M地理環(huán)境與多維動(dòng)態(tài)地理信息系統(tǒng)。

收稿日期：2015-08-12 2015-08-12 2015-06-03

Author： HU Han(1988—)，male，received his doctoral degree from Wuhan University on June 2015 (PhD advisor: Prof. ZHU Qing, Prof. WU Bo)，majors in photogrammetry and remote sensing.

引文格式：王京衛(wèi). 測(cè)繪無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航攝影像去霧霾研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(2)：251. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150412.

WANG Jingwei.Study of the Geo-UAV Low-altitude Digital Aerial Image Haze Removal[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(2):251. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150412.