劉姝岑，冉 菊

(云南省地圖院，云南 昆明 650034)

0 引言

在遙感數(shù)據(jù)處理過程中，云噪聲對遙感圖像的解釋有很大的影響。從測繪的角度來講，遙感數(shù)據(jù)有越來越廣泛的應(yīng)用，大片的云將嚴(yán)重影響生成的圖像映射，很難確保圖紙的準(zhǔn)確性，有時(shí)甚至不能使工作正常進(jìn)行，所以需要對遙感影像圖進(jìn)行云層的去除研究。

在中國，云檢測方法的發(fā)展起步很晚，主要是引進(jìn)國外的方法。國外早期的經(jīng)典云檢測方法主要基于多光譜衛(wèi)星圖像融合技術(shù)。根據(jù)不同波段下云的不同反射率，適當(dāng)選擇一個(gè)寬度值進(jìn)行云識別，該方法現(xiàn)在的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，NDVI法、D網(wǎng)值法都是具有代表性的經(jīng)典方法等。

2011年，意大利學(xué)者Riccardo Rossi等采用奇異值分解技術(shù)提取圖像特征，快鳥衛(wèi)星圖像的云應(yīng)用支持向量機(jī)(SVM)分類器來檢測。然而，通過簡單奇異值分解特征提取技術(shù)提取灰度統(tǒng)計(jì)分布的角度構(gòu)造特征向量，云的質(zhì)地和性質(zhì)無法充分表達(dá)。2012年，意大利學(xué)者Paolo Addesso等人增加了可以代表SVM分類器中云和空間相關(guān)性的懲罰因子是建立在光學(xué)訓(xùn)練特征的基礎(chǔ)。該方法將圖像的光譜信息和空間信息相結(jié)合，取得了令人滿意的結(jié)果。但也不適合高分辨率的全彩色圖像，具有多光譜定位精度的影響。

目前，中國在去除云層方面又提出了基于支持向量機(jī)的遙感圖像去厚云算法。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是Landsat-8 OLI-TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間是2017年12月12日，條帶號是116，行編號是32，經(jīng)度是127.5191，緯度是40.3329，含云量達(dá)到28.18%。

2 云提取的方法

2.1 同態(tài)濾波法

同態(tài)濾波法，濾波器灰度變換是頻率和處理的結(jié)合，模型反射圖像的前提基礎(chǔ)條件是頻域處理，圖像的亮度范圍的壓縮和增強(qiáng)圖像的對比度是改善圖像處理的一種技術(shù)。

一幅圖像可以被認(rèn)為是一個(gè)二維函數(shù)f(x,y)，這個(gè)函數(shù)可以簡單的轉(zhuǎn)化為光源的入射量函數(shù)fi(x,y)與地面反射率函數(shù)fr(x,y)的乘積，即：

f(x,y)=fi(x,y)×fr(x,y)

2.2 去霾處理

除霧處理是為了減少多波段圖像(Landsat TM)或全色圖像的霧度。對于多個(gè)波段的圖像(Landsat TM)，除霧處理在本質(zhì)上是以纓帽變換方法為基礎(chǔ)，首先，對圖像進(jìn)行逆主分量變換處理，找到與圖像模糊度相關(guān)的成分，然后對圖像進(jìn)行主成分逆變換處理。完成前面的操作之后再對顏色空間進(jìn)行解析，達(dá)到去除霧霾的目的。對于全色圖像，該方法采用點(diǎn)擴(kuò)散卷積反演進(jìn)行處理，根據(jù)情況選擇5×5或3×3的卷積運(yùn)算進(jìn)行高頻或低頻的模糊度去除。

2.3 傅立葉變換

傅立葉變換在圖像處理中，傅立葉變換是一種強(qiáng)有力的線性系統(tǒng)分析工具，如數(shù)字系統(tǒng)，它可以對采樣點(diǎn)、電子放大器、卷積濾波器、噪聲和顯示點(diǎn)進(jìn)行定量分析。利用實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)這項(xiàng)技術(shù)，以解決大多數(shù)圖像處理問題。在傅立葉變換的時(shí)候可以選擇不同的濾波器。

傅里葉變換的基本表達(dá)式為：

式中：x(n)(n=0,2…N-1)是列長為N的輸入序列，在時(shí)域中通過實(shí)驗(yàn)收集的切片數(shù)據(jù)；x(k)(k=0,1…N-1)是列長為N的輸出序列，這是在傅立葉變換之后的頻域中的數(shù)據(jù)。

3 幾種方式下的云層去除

3.1 去霾處理(Haze Reduction)

處理的時(shí)候坐標(biāo)類型有地理坐標(biāo)和像素坐標(biāo)兩種選擇地理坐標(biāo)；點(diǎn)擴(kuò)展類型分為高和低兩種，選擇高的一種；零值得忽略里面有忽略統(tǒng)計(jì)中的零值和忽略輸入的零值兩種，選擇忽略統(tǒng)計(jì)中的零值。處理以后原始影像與校正后影像的對比結(jié)果如圖1所示。

(a)處理前

(b)處理后圖1 去霾處理Fig.1 Haze reduction

去霾前的影像圖云層覆蓋明顯，在去霧處理后，云層下的地面物體基本上出現(xiàn)了，雖然校正后影像反射率有一定的修正，但是校正的結(jié)果仍受云覆蓋較大的影響。

3.2 同態(tài)濾波(Homomorphic Filter)

通過同態(tài)濾波處理以后原始影像與校正后影像的對比結(jié)果如圖2所示。

(a)處理前

(b)處理后圖2 同態(tài)濾波Fig.2 Homomorphic filter

通過同態(tài)濾波的處理后原圖上的云層覆蓋的地方，薄云和厚云的厚度一定程度上被減弱，但是沒有被完全消除，被云層覆蓋下的地物部分可以顯現(xiàn)出來，同態(tài)濾波處理后仍然受云覆蓋的影響較大。

3.3 傅立葉變換(Fourier Anlysis)

通過傅立葉變換處理以后原始影像與校正后影像的對比結(jié)果如圖3所示。

(a)處理前

(b)處理后圖3 傅立葉變換Fig.3 Fourier anlysis

對圖像進(jìn)行傅立葉變換處理以后，從肉眼上看圖像變得模糊，但是很多區(qū)域的云霧還是有明顯的去除，薄云基本可以消除，厚云只是在原圖的的基礎(chǔ)之上得到了一定程度的削弱，并沒有完全去除。而且傅立葉分析以后影像圖上的地物可見性明顯降低了。傅立葉變換處理后圖像仍然受云霧的影響較大。

通過對由各層的像素個(gè)數(shù)及上下限值曲線確定計(jì)算點(diǎn)云的HOT范圍。各層的結(jié)果圖如圖4所示。

圖4 各層的結(jié)果圖Fig.4 Results from each layer

通過去云補(bǔ)丁對含云影像圖做了云層厚度的檢測、云層厚度的完善、云層的去除處理得到了最后去云的結(jié)果，如圖5所示。

(a)厚云處理前

(b)厚云處理后

(c)薄云處理前

(d)薄云處理后

4 結(jié)果對比分析

4.1 定性分析

(1)同態(tài)濾波處理后圖像變得十分模糊，影像圖的邊緣曝光，邊緣以外的部分用肉眼觀測只有黑色看不見其他的地物信息，需要進(jìn)行調(diào)色后才可以查看云霧去除的程度，調(diào)色后可以看到薄云沒有完全去除，只是在一定程度上減弱了云層的的厚度。

(2)去霾處理后的圖像經(jīng)過處理后圖像也變得模糊，雖然可以明顯的看出圖像的云霧有一定程度去除，但是薄云沒有完全去除，和同態(tài)濾波法一樣只是在一定程度上減弱了云層的厚度。

(3)利用傅立葉變換做圖像處理后，圖像由原來的彩色圖像變?yōu)榱巳跋?，薄云基本上得到了消除，厚云只是在原來的基礎(chǔ)上得到削弱，圖像變得模糊，地物的可見度很大程度上有了降低。

4.2 定量分析

通過分析每種方法去云后圖像的信息熵、均值、標(biāo)準(zhǔn)差3個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行分析，其中，信息熵主要反應(yīng)的是圖像所含信息的多少，熵值越大信息含量越大；均值則是反應(yīng)圖像像素的平均亮度；而標(biāo)準(zhǔn)差反映的是偏離灰度均值的程度，如果標(biāo)準(zhǔn)差越大，則說明灰度級越大，則圖像包含的信息就越多(表1)。

表1 不同方式去云后的定量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Quantitative statistics of different ways to remove cloud

(1)從上面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出去霾處理、同態(tài)濾波、傅立葉變換去云處理后的的信息熵的大小依次排列下來，即去云后的圖像的信息含量的多少也是依次排列下來，說明去霾處理對影像圖的信息含量影響相對較小，之后的兩種方法對影像圖的信息含量影響逐漸增大。

(2)均值也是一樣的順序依次排列下來，去霾處理后的圖像平均亮度最大，發(fā)光物體的反射越高，則發(fā)光的物體就越多，說明這個(gè)方法去掉的云最多，去云效果最好，而傅立葉變換方法的均值最小平均亮度最小，發(fā)光物體的反射就越低，則發(fā)光的物體就越少，說明去掉的云最少，去云效果最差。

(3)標(biāo)準(zhǔn)差按照一定的順序排列下來，其中去霾處理的標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明了去霾處理的去云效果最好。

5 結(jié)論與討論

對于云層去除效果的評價(jià)，定性分析只能人為的去評判，主觀性比較強(qiáng)一點(diǎn)。在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的還是運(yùn)用一些定量的指標(biāo)來進(jìn)行。通過對去霾處理、同態(tài)濾波、傅立葉變換3種方式去除結(jié)果的定量分析發(fā)現(xiàn)，雖然3種方式都可以去除云層，但是相比較而言，去霾處理是一種效果最好的去除方式。在后續(xù)的工作中，筆者會在這方面做更深層次的研究，同時(shí)也會在目前出現(xiàn)的一些新方法之間做一些嘗試。