楊曉英，李 龍，王明華，靳生洪

（1.青海省自然資源遙感中心,青海 西寧810001）

數(shù)字正射影像圖（DOM）是攝影測(cè)量與遙感的主要產(chǎn)品之一,具有地圖幾何精度和影像紋理特征,已在智慧城市建設(shè)、城市和交通規(guī)劃設(shè)計(jì)、生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)識(shí)別、土地資源確權(quán)調(diào)查以及已開(kāi)展的第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查等行業(yè)中發(fā)揮了重要作用。通常,利用航空或衛(wèi)星手段獲取原始遙感影像數(shù)據(jù)時(shí),受天氣和季節(jié)條件、地形特點(diǎn)、傳感器等因素影響,原始影像質(zhì)量存在一定問(wèn)題,而由其生產(chǎn)的“問(wèn)題”正射影像（色差過(guò)大、扭曲拉花、陰影、云霧等目視不美觀）不僅破壞了人眼視覺(jué)解譯能力,還影響了審美效果。對(duì)于“問(wèn)題”正射影像的處理極其重要,需投入大量時(shí)間、人力和處理軟件,因此如何快速便捷地消除“問(wèn)題”正射影像,已成為DOM生產(chǎn)處理中的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種基于Photoshop軟件的正射影像處理方法；并以第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查青海省試點(diǎn)區(qū)DOM制作試生產(chǎn)中局部存在的質(zhì)量問(wèn)題為例,進(jìn)行了詳細(xì)分析,利用Photoshop軟件對(duì)問(wèn)題影像處理做了大量試生產(chǎn)嘗試,取得了可靠有效的經(jīng)驗(yàn)與方法。

1 色彩原理與處理方法

1.1 色彩原理

衛(wèi)星遙感影像是多光譜影像,選取多光譜中的R、G、B通道生成三波段真彩色影像,含有豐富的色彩信息,以RGB格式存儲(chǔ)[1]。該格式的數(shù)字影像數(shù)據(jù)定義了影像中R（紅0～255）、G（綠0～255）、B（藍(lán)0～255）顏色分量數(shù)值,以三維數(shù)據(jù)矩陣的方式儲(chǔ)存,并產(chǎn)生16 777 216種顏色,用于表示自然界真實(shí)色彩。如圖1所示,兩兩混合疊加可得到更亮的中間色調(diào)——黃（Y）、青（C）、品紅（M）,這3種色調(diào)等量混合形成白色[2]。在Photoshop軟件下,影像調(diào)色模式即為RGB模式。

圖1 色彩原理

1.2 色彩調(diào)整方法

在不破壞原始影像紋理信息的前提下,利用調(diào)色工具對(duì)影像的色彩和色調(diào)進(jìn)行調(diào)整,使影像色彩變得更接近自然真彩色、更清晰、更易于目視解譯。色彩調(diào)整主要包括色階調(diào)整、曲線調(diào)整、色彩平衡和可選顏色等。

1.2.1 色階調(diào)整

色階調(diào)整是利用直方圖對(duì)影像進(jìn)行均勻非線性拉伸,以達(dá)到影像輻射增強(qiáng)的一種方法[3]。在直方圖中可看到整幅影像的色階信息,并快速判斷影像明、暗、灰度等問(wèn)題,如圖2所示。直方圖的橫軸包含影像上所有灰度級(jí),豎軸包含影像上所有像素個(gè)數(shù),整個(gè)直方圖狀態(tài)分布表示該影像上每個(gè)灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)[4]。直方圖能反映影像明暗信息,豎軸表示暗面、灰面、高光面所占畫(huà)面的面積。通常質(zhì)量較好的影像包括豐富的明暗細(xì)節(jié),且在直方圖上呈正態(tài)分布狀態(tài),兩側(cè)均不會(huì)有像素溢出[5]。對(duì)影像色階信息進(jìn)行調(diào)整時(shí),直方圖要拉伸適中,以確保區(qū)域影像明暗細(xì)節(jié)清晰。

圖2 直方圖信息表達(dá)

1.2.2 曲線調(diào)整

曲線調(diào)整是Photoshop軟件中復(fù)雜且精準(zhǔn)的顏色調(diào)整工具。在曲線調(diào)整過(guò)程中,將直線逐漸拖動(dòng)成S形曲線,依次選擇R、G、B單個(gè)通道添加多個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)來(lái)均勻調(diào)整影像色彩,如圖3所示:①選擇R模式,曲線向上調(diào)整時(shí),紅色逐漸加濃,向下調(diào)整時(shí),青色逐漸加濃；②選擇G模式,曲線向上調(diào)整時(shí),綠色逐漸加濃,向下調(diào)整時(shí),品紅色逐漸加濃；③選擇B模式,曲線向上調(diào)整時(shí),藍(lán)色逐漸加濃,向下調(diào)整時(shí),黃色逐漸加濃。

圖3 曲線調(diào)整模式

1.2.3 色彩平衡

色彩平衡是Photoshop軟件常用的色彩調(diào)整方法,用以改變影像的色度——影像顏色,如圖4所示。色彩平衡處理既能消除影像色偏,又能控制影像的色彩分布[6],尤其是在植被較多的情況下,整體顏色會(huì)出現(xiàn)偏差,根據(jù)色彩互補(bǔ)原理,利用色彩平衡工具進(jìn)行調(diào)整,能使植被更加趨向于真實(shí)自然色[7]。依據(jù)色彩互補(bǔ)原理,若要減少某一種色彩,則要增加這種色彩的互補(bǔ)色,三角形對(duì)角線即為互補(bǔ)色,如圖5所示,利用該原理可調(diào)整影像陰影區(qū)、中間色調(diào)區(qū)、高光區(qū)的各種顏色成分,以達(dá)到色彩平衡[8]。由于色彩平衡對(duì)亮度、飽和度、反差的調(diào)整是有限的,因此對(duì)明暗度等不加以調(diào)整的正射影像推薦采用該方法,選取影像調(diào)整區(qū)域重復(fù)進(jìn)行處理。

圖4 色彩平衡模式

圖5 色彩互補(bǔ)原理

1.2.4 可選顏色

可選顏色是Photoshop軟件常用的一種調(diào)整DOM色彩的有效方法,但每次調(diào)整只能改變一種顏色[9],如圖6所示。在影像處理中使用該方法可調(diào)整整幅影像中的綠色植被和建筑物偏色現(xiàn)象,無(wú)需人工選取調(diào)整區(qū)域,即可高效調(diào)整影像色彩[10]。

圖6 可選顏色模式

2 試生產(chǎn)區(qū)域驗(yàn)證

2.1 試生產(chǎn)區(qū)概況

第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查青海省試點(diǎn)區(qū)DOM制作工作區(qū)為西寧市城西區(qū)、城北區(qū)和湟中縣,位于100°52′～101°54′E、36°13′～37°28′N之間,總面積為0.76萬(wàn)km2。通過(guò)前期資料分析可知,該區(qū)域衛(wèi)星影像具有多源數(shù)據(jù)、分辨率多樣等特點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和范圍分布

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選,本文選取兩個(gè)批次共計(jì)25景第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查青海省試點(diǎn)區(qū)DOM制作工作原始衛(wèi)星影像,其中北京二號(hào)衛(wèi)星影像19景,時(shí)相為2017-09-21－2017-10-28；高景一號(hào)衛(wèi)星影像1景,時(shí)相為2017-11-11；WorldView4衛(wèi)星影像1景,時(shí)相為2017-10-26；高分二號(hào)衛(wèi)星影像4景,時(shí)相為2017-12-01－2017-12-06。試生產(chǎn)區(qū)域和原始影像分布如圖7、8所示。

圖7 試生產(chǎn)區(qū)域

圖8 原始影像分布

2.3 影像存在的問(wèn)題

由于時(shí)相差等因素,試點(diǎn)區(qū)域獲取的多源數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DOM存在局部色差、模糊、云霧、扭曲、錯(cuò)位、拉花等明顯問(wèn)題。為消除這些問(wèn)題,本文借助Photoshop圖像處理軟件對(duì)問(wèn)題DOM進(jìn)行處理,以滿足第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查技術(shù)規(guī)程對(duì)DOM制作的要求:影像色調(diào)一致均勻、紋理清晰、無(wú)重影等現(xiàn)象,能正確反映當(dāng)時(shí)地類光譜特征,接邊區(qū)域重疊影像紋理一致；影像時(shí)相相同或相近時(shí),要求接邊時(shí)整體光譜特性一致；相鄰兩景影像時(shí)相相差較大時(shí),允許存在光譜差異,但接邊處應(yīng)過(guò)渡自然。

2.4 處理方法

2.4.1 色差處理

影像明暗度指標(biāo)通過(guò)色彩指數(shù)——色階表示,一幅正射影像的色彩飽和度、精細(xì)度均由色階決定。相對(duì)色彩差異不大的正射影像,其影像直方圖表現(xiàn)為形狀飽滿,峰頂在直方圖中間值附近,整體呈正態(tài)分布。在Photoshop軟件中,利用色階工具分通道對(duì)衛(wèi)星影像直方圖的明暗度、對(duì)比度、色彩等進(jìn)行逐步調(diào)整,使R、G、B三個(gè)通道的直方圖呈正態(tài)分布,色彩差異變小[11]。影像處理時(shí),羽化的選取十分重要,要確保選區(qū)內(nèi)外邊緣棱角的漸變效果,該區(qū)域的羽化值應(yīng)設(shè)置適中。處理后形成的正射影像應(yīng)該具備紋理清晰、色彩自然、明暗層次分明、反差適中等特點(diǎn)[12]。色差處理前、后效果如圖9、10所示。

圖9 色差處理前效果

圖10 色差處理后效果

2.4.2 影像鑲嵌

消除影像間的漏洞、接邊痕跡等現(xiàn)象,才能實(shí)現(xiàn)影像間的無(wú)縫接邊。進(jìn)行影像鑲嵌處理時(shí),通常選擇沿山脊、河流、道路等帶狀地物進(jìn)行鑲嵌,為防止地物間的錯(cuò)位,禁止在塊狀地物處鑲嵌。為了避免重影的產(chǎn)生,影像鑲嵌時(shí)所選區(qū)域的羽化值不應(yīng)超過(guò)10。

2.4.3 陰影處理

原始衛(wèi)星影像的明暗度主要由自然光照決定。受地形高低起伏、高大建筑物、樹(shù)木等影響,光照遮擋將導(dǎo)致衛(wèi)星正射影像圖出現(xiàn)陰影區(qū)域（城市陰影區(qū)域和山區(qū)陰影區(qū)域）,不僅影響解譯的效率,而且破壞圖面的目視效果。影像處理的最終目的是減少陰影的影響,恢復(fù)被遮擋地物的自身紋理、亮度、色調(diào)等信息。在Photoshop軟件中,主要通過(guò)重復(fù)調(diào)整明暗度、亮度來(lái)減少影像的陰影[13]。處理后被陰影區(qū)域遮蓋的地物紋理信息更加明顯清晰,亮度和色調(diào)均有一定程度的恢復(fù)。陰影處理前、后效果如圖11、12所示。

圖11 陰影處理前效果

圖12 陰影處理后效果

2.4.4 錯(cuò)位拉花處理

由于影像自動(dòng)匹配將不可避免地產(chǎn)生誤差、局部區(qū)域擬合生成的DEM格網(wǎng)點(diǎn)與真實(shí)地形不貼合以及人工編輯檢查的遺漏,因此DOM中個(gè)別高架橋、公路、房屋、山體出現(xiàn)錯(cuò)位拉花變形的情況。針對(duì)這類問(wèn)題,通常將出現(xiàn)拉花區(qū)域的DEM格網(wǎng)貼合地面,利用精修的DEM生成沒(méi)有錯(cuò)位拉花的DOM,并借助Photoshop軟件將拉花區(qū)域用糾正后的影像替換。道路錯(cuò)位處理前、后效果如圖13、14所示。

圖13 道路錯(cuò)位處理前效果

圖14 道路錯(cuò)位處理后效果

2.4.5 云霧處理

試生產(chǎn)區(qū)域的正射影像中局部有云霧覆蓋,導(dǎo)致地物模糊、解譯效果不佳、色調(diào)偏暗且色彩不豐富。本文利用Photoshop軟件將后期下發(fā)的沒(méi)有云霧遮擋的影像進(jìn)行替換、修補(bǔ),使得影像紋理清晰、地物色調(diào)豐富。云霧處理前、后效果如圖15、16所示。

圖15 云霧處理前效果

圖16 云霧處理后效果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要探討了Photoshop軟件調(diào)色的一些基本原理和美化技巧,并結(jié)合第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查青海省試點(diǎn)區(qū)DOM制作試生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析與處理。

1）相對(duì)于其他專業(yè)圖像處理軟件,Photoshop軟件處理速度較慢,但處理后的視覺(jué)效果以及對(duì)圖像色彩的掌控更佳。在正射影像制作過(guò)程中,無(wú)論運(yùn)用哪一款圖像處理軟件都應(yīng)嚴(yán)格遵循客觀實(shí)際,不可頻繁采用扭曲工具、修補(bǔ)工具等技巧來(lái)改變影像所反映的原始地物形狀,以達(dá)到美觀效果。

2）應(yīng)根據(jù)不同地貌、數(shù)據(jù)差異進(jìn)行分類處理。針對(duì)色彩單一地區(qū)（如沙漠地區(qū)）,為了提高生產(chǎn)效率,可先借助其他軟件進(jìn)行影像的勻光勻色以及簡(jiǎn)單的鑲嵌處理,再利用Photoshop軟件進(jìn)行整體調(diào)色處理。

3）影像調(diào)色應(yīng)接近自然真彩色,沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)可參考。由于個(gè)人主觀認(rèn)知差異較大,因此調(diào)色過(guò)程中容易造成顏色失真、色偏、曝光過(guò)度等情況,為了使調(diào)色后的正射影像達(dá)到預(yù)期效果,在操作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致、多學(xué)多練,精準(zhǔn)把握調(diào)色技巧與方法。

4）Photoshop軟件作為通用的影像處理工具,功能較齊全,已逐步被遙感技術(shù)人員所青睞。本文所列舉的色彩處理工具能為今后類似大型項(xiàng)目DOM色彩調(diào)整與修復(fù)工作提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。