DPGrid-Ortho勻光勻色技術(shù)及其在航空正射影像生產(chǎn)中的應(yīng)用

練 栩，譚 明

(廣東省地圖院，廣東 廣州 510075)

信息化與智能化的攝影測(cè)量信息時(shí)代的到來[1]，對(duì)影像數(shù)據(jù)獲取的便捷性與處理的高效性提出了更高的要求。無人機(jī)以其獲取地形地表數(shù)據(jù)的方便快捷性受到越來越多的關(guān)注，近年來無人機(jī)的普適化和平民化也讓航空影像數(shù)據(jù)獲取變得越來越快捷方便[2]。為了滿足在基礎(chǔ)測(cè)繪、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目中的需求，有必要通過航空影像數(shù)據(jù)制作數(shù)字正射影像圖(DOM)。然而由于光照、地形條件、飛行狀態(tài)及單張影像覆蓋范圍等影響，航空影像數(shù)據(jù)之間往往會(huì)有色調(diào)、清晰度、灰度分布不一致的情況。若直接利用原始航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的DOM會(huì)存在虛光、鬼影、色調(diào)不統(tǒng)一等現(xiàn)象。因此為保證DOM“一張圖”的整體視覺效果和判讀效果，勻光勻色處理成為航空影像數(shù)據(jù)DOM生成流程中的一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)和步驟。本文將利用DPGrid-Ortho軟件對(duì)航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行勻光勻色處理，消除影像間存在的顏色和光照差異，并對(duì)單張正射影像進(jìn)行色調(diào)均衡處理，生產(chǎn)高質(zhì)量的鑲嵌正射影像。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

遙感技術(shù)通過非接觸、遠(yuǎn)距離探測(cè)手段，獲取目標(biāo)物體的物理地理信息。在無人機(jī)影像獲取的過程中，受諸如內(nèi)部傳感器特性、外部成像攝影時(shí)間、光照條件、地形條件等因素影響，導(dǎo)致單幅影像內(nèi)部存在亮度不均勻現(xiàn)象，也導(dǎo)致區(qū)域范圍內(nèi)不同時(shí)刻獲取的影像之間存在著色彩不平衡現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為同名地物在不同影像上表現(xiàn)出不同的色彩信息。這種內(nèi)部亮度不均勻現(xiàn)象一般是由虛光效應(yīng)、攝影角度及特殊地物的強(qiáng)反射等引起的[3]。

影像間的色彩差異為無縫鑲嵌DOM的生產(chǎn)帶來很大挑戰(zhàn)。為了消除影像間的差異，得到色彩無縫的鑲嵌合成影像，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了一系列的勻光勻色方法，根據(jù)原理的不同可以分為絕對(duì)輻射校正和相對(duì)輻射校正兩種類型[4]。絕對(duì)輻射校正主要是通過大氣校正模型、輻射定標(biāo)系數(shù)及其他一些相關(guān)的大氣校正參數(shù)將影像由灰度值轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇矸瓷渎剩上駮r(shí)由太陽(yáng)入射角、大氣及光照條件帶來的影響[5]。絕對(duì)輻射校正恢復(fù)傳感器量化數(shù)值與其對(duì)應(yīng)的地表物體所代表的特定物理量之間的關(guān)系，主要用于衛(wèi)星影像之間的勻光勻色處理[6-9]。

相對(duì)輻射校正(即色彩均衡)不同于絕對(duì)輻射校正需要傳輸模型模擬成像過程，而是通過相對(duì)輻射校正系數(shù)來消除影像之間色彩信息不一致的現(xiàn)象。根據(jù)處理方式的不同，色彩均衡處理方法可以分為直接映射方法、路徑傳播法及全局優(yōu)化方法3種類型。直接映射方法通過制定參考信息，將其他待處理影像的色彩信息直接調(diào)整至與參考影像一致，典型的方法有灰度直方圖匹配[10]。路徑傳播法中將參考色彩信息通過鄰接影像的重疊區(qū)域進(jìn)行傳遞，如文獻(xiàn)[3]提出的基于網(wǎng)絡(luò)的色彩校正方法及文獻(xiàn)[11]提出的一種平行的相對(duì)輻射校正方法。全局優(yōu)化算法也是利用鄰接影像間重疊區(qū)域的色彩信息構(gòu)建影像間色彩差異模型，把所有影像重疊區(qū)域的校正模型進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，獲取全局意義上的最優(yōu)解。典型的全局優(yōu)化算法有最小二乘區(qū)域網(wǎng)平差全局優(yōu)化[12]、二次優(yōu)化色彩一致性處理方法[13]和多面曲模型相組合的勻色方法[14]。相對(duì)輻射校正方法更適用于航空影像的勻光勻色處理，無需復(fù)雜的物理傳輸模型進(jìn)行參數(shù)解算，使用條件簡(jiǎn)單。

2 技術(shù)路線和處理方法

2.1 DPGrid-Ortho軟件

DPGrid系統(tǒng)是由武漢大學(xué)張祖勛院士領(lǐng)銜開發(fā)的一款基于高性能并行計(jì)算技術(shù)與最新圖像處理算法的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件系統(tǒng)。DPGrid-Ortho是其中的數(shù)字正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)軟件，包括OrthoMaker和OrthoEditor兩大模塊，以及國(guó)內(nèi)外各種空三平差軟件結(jié)果引入工具。OrthoMaker模塊能夠基于衛(wèi)星、航空、低空攝影影像數(shù)據(jù)及定向參數(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)分布式并行與多核并行計(jì)算技術(shù)，全自動(dòng)生產(chǎn)數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字地面模型(DTM)與數(shù)字正射影像(DOM)產(chǎn)品。OrthoEditor模塊可在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的人工交互模式下，完成DTM/DOM產(chǎn)品精細(xì)編輯與質(zhì)檢，生產(chǎn)符合測(cè)繪規(guī)范要求的DTM/DOM成果。在OrthoMaker模塊中的勻光勻色處理過程可以保證生成色調(diào)一致、亮度均衡的單張正射影像，進(jìn)而生產(chǎn)具有良好整體視覺效果和判讀效果的無縫鑲嵌數(shù)字正射影像圖。

OrthoMaker采用的是一種全局與局部?jī)?yōu)化策略結(jié)合的勻光勻色方法[15]。從整體色彩信息消除與局部色彩細(xì)節(jié)信息優(yōu)化兩個(gè)方面來消除影像間存在的色彩差異問題。全局優(yōu)化處理策略以處理后鄰接影像重疊區(qū)域的色彩信息應(yīng)相等為假設(shè)，以處理前后影像自身色彩信息變化應(yīng)最小為約束，構(gòu)建影像間色彩信息調(diào)整模型，將影像間色彩差異的消除問題轉(zhuǎn)化為最小二乘優(yōu)化問題，整體求解影像的色彩調(diào)整參數(shù)，得到全局意義的最優(yōu)解，有效消除影像整體間的色彩信息差異。局部?jī)?yōu)化策略是對(duì)全局優(yōu)化策略的補(bǔ)充，針對(duì)全局優(yōu)化處理后鄰接影像間殘留的色彩差異問題，采用局部分塊構(gòu)建色彩分布曲面，確定重疊區(qū)域各像點(diǎn)目標(biāo)色彩信息，并利用Gamma變換逐像點(diǎn)進(jìn)行色彩信息的調(diào)整，以達(dá)到消除重疊區(qū)域殘留的色彩差異問題。全局與局部相結(jié)合的色彩一致性處理方法能夠有效消除影像間的色彩差異，得到色彩信息一致、平滑的處理結(jié)果，更適用于生產(chǎn)具有良好整體視覺效果和判讀效果的DOM。OrthoMaker勻光勻色的總體處理流程如圖1所示。

2.2 勻光勻色處理

單張?jiān)加跋竦馁|(zhì)量會(huì)影響單張DOM的質(zhì)量，進(jìn)而影響鑲嵌正射影像圖的整體效果和質(zhì)量，因此需要先對(duì)原始影像進(jìn)行處理。OrthoMaker支持利用標(biāo)準(zhǔn)模板勻色，以及差值或比值勻光功能。在原始影像之間的色差比較明顯時(shí)，需要選擇測(cè)區(qū)中內(nèi)容豐富、色調(diào)較好的影像作為模板，對(duì)其進(jìn)行色調(diào)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)每張?jiān)加跋襁M(jìn)行色調(diào)調(diào)整，消除影像與模板影像之間的色調(diào)差異。如圖2所示，將上方直方圖分布各異、色調(diào)不一致的影像通過勻色處理得到了下方直方圖分布相似、色調(diào)一致的結(jié)果。當(dāng)單張?jiān)加跋駜?nèi)部的亮度分布有問題時(shí)，如影像像輔出現(xiàn)了邊緣減光效應(yīng)或地物產(chǎn)生鏡面反射使影像出現(xiàn)了較大的光斑，此時(shí)可以通過勻光處理來消除亮度分布不均的問題。如圖3所示，選擇合適的統(tǒng)計(jì)窗口大小，通過OrthoMaker的勻光處理，將湖面因鏡面反射出現(xiàn)的光斑消除，得到了亮度分布均勻的結(jié)果影像。

在對(duì)原始影像按照需要進(jìn)行勻光勻色處理后，就可以利用DTM進(jìn)行單張影像的正射糾正，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行影像鑲嵌處理，生產(chǎn)整個(gè)測(cè)區(qū)的DOM。在單片正射糾正之后，OrthoMaker可以進(jìn)一步通過幾何信息精細(xì)調(diào)整單片DOM重疊區(qū)域的色差，得到色調(diào)一致、亮度均勻、適于判讀的鑲嵌正射影像圖。OrthoMaker有3種整體的色調(diào)均衡方式：自適應(yīng)調(diào)整、整體色調(diào)模板和帶坐標(biāo)的模板。其中自適應(yīng)調(diào)整方式根據(jù)正射影像之間的地理重疊信息消除影像之間的色差；整體色調(diào)模板方式先根據(jù)影像之間的地理重疊信息消除色差，再將整體色調(diào)調(diào)整為與模板影像一致；帶坐標(biāo)的模板則是將影像調(diào)整為與模板影像對(duì)應(yīng)地理范圍內(nèi)的色調(diào)一致。如圖4所示，采用自適應(yīng)調(diào)整的方法，OrthoMaker可以將水面和植被上的色差完全消除，得到色調(diào)一致、亮度均勻分布的鑲嵌正射影像。

3 工程應(yīng)用

本文選用珠海市金灣區(qū)DMC航攝儀獲得的航空影像進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)共有216張影像，12條航帶，像幅大小為7680×13 824像素。該測(cè)區(qū)的原始影像整體色調(diào)偏暗，亮度分布不均，水面有亮斑。此外，測(cè)區(qū)里面第4和第10航帶影像嚴(yán)重偏暗，與其他航帶影像亮度、色調(diào)差異明顯。數(shù)據(jù)經(jīng)PhotoScan進(jìn)行空三加密處理，然后通過相應(yīng)的軟件導(dǎo)入空三結(jié)果為OrthoMaker的工程，用OrthoMaker打開工程文件，開始勻光勻色處理。

3.1 勻光勻色

首先挑選整個(gè)測(cè)區(qū)中一張內(nèi)容豐富、色調(diào)較好的影像作為模板影像，然后勾選標(biāo)準(zhǔn)模板勻色，并選擇模板影像。由于測(cè)區(qū)的原始數(shù)據(jù)存在高光現(xiàn)象，因此勾選勻光處理，選擇默認(rèn)的差值勻光和3個(gè)像素的窗口尺寸作為勻光參數(shù)。

3.2 正射糾正

對(duì)原始影像勻光勻色處理后，需要通過正射糾正，將原始影像糾正為單片正射影像。打開正射糾正模塊，輸入測(cè)區(qū)的平均地面高10 m，設(shè)置輸出DOM的地面分辨率為0.1 m，并指定DTM數(shù)據(jù)的路徑。如果無現(xiàn)存DTM數(shù)據(jù)，可以通過OrthoMaker的密集匹配和地形提取功能從勻光勻色后的影像處理生成。

3.3 色調(diào)均衡

雖然單張影像已進(jìn)行了勻光勻色處理，但生成的單張DOM在重疊區(qū)域還是會(huì)有一些顏色的差異，需要進(jìn)一步通過色調(diào)均衡來消除。首先勾選色調(diào)統(tǒng)計(jì)，選擇統(tǒng)計(jì)信息的窗口大小為500像素，然后勾選色調(diào)調(diào)整并采用自適應(yīng)的調(diào)整方式，讓程序根據(jù)影像之間的地理重疊信息消除色差，最后通過影像鑲嵌模塊，將單張DOM通過智能的鑲嵌算法[16]進(jìn)行鑲嵌，得到具有良好整體視覺效果和判別效果的鑲嵌正射影像圖。

如圖5所示，圖5(a)為未經(jīng)勻光勻色和色調(diào)均衡處理的鑲嵌影像圖；圖5(b)為利用某航空影像處理軟件處理得到的鑲嵌影像圖；圖5(c)為利用OrthoMaker經(jīng)勻光勻色和色調(diào)均衡處理之后得到的鑲嵌影像圖。可以看到圖5(a)中在第4和第10航帶的位置顏色偏暗，與其他航帶之間存在明顯的過渡區(qū)域，而圖5(b)和(c)中已經(jīng)消除了這種較大的顏色差異。圖5(d)和(e)分別為圖5(a)、(b)、(c)中對(duì)應(yīng)區(qū)域的放大圖。可以看到圖5(a)的對(duì)應(yīng)區(qū)域有很明顯的色調(diào)差異，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯的拼接痕跡；圖5(b)的對(duì)應(yīng)區(qū)域水面有高光現(xiàn)象且有明顯的拼接痕跡；而圖5(c)中對(duì)應(yīng)區(qū)域整體色調(diào)均勻，無異常高光現(xiàn)象，拼接處過度自然，鑲嵌結(jié)果影像目視效果最好。

4 結(jié) 語(yǔ)

勻光勻色處理作為正射鑲嵌影像圖生產(chǎn)過程中一個(gè)重要的步驟和技術(shù)，可以消除航空影像內(nèi)部的亮度分布不均勻、高光等異常現(xiàn)象，還可以消除航空影像之間的顏色差異。OrthoMaker軟件的勻光勻色及色調(diào)均衡功能可以制作出色調(diào)亮度均勻、反差適中，且具有良好的整體視覺效果和判別效果的、無明顯拼接痕跡的高質(zhì)量正射影像圖。該軟件能夠滿足攝影測(cè)量和遙感影像處理的需求，可以為測(cè)繪、國(guó)土、林業(yè)等相關(guān)部門提供高質(zhì)量的影像勻光勻色、色調(diào)均衡支持，生成滿足制圖要求的正射影像圖。