基于Photoshop軟件的正射影像處理方法

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）

數字正射影像圖（DOM）是攝影測量與遙感的主要產品之一,具有地圖幾何精度和影像紋理特征,已在智慧城市建設、城市和交通規劃設計、生態環境變化監測、地質災害隱患點識別、土地資源確權調查以及已開展的第三次全國國土調查等行業中發揮了重要作用。通常,利用航空或衛星手段獲取原始遙感影像數據時,受天氣和季節條件、地形特點、傳感器等因素影響,原始影像質量存在一定問題,而由其生產的“問題”正射影像（色差過大、扭曲拉花、陰影、云霧等目視不美觀）不僅破壞了人眼視覺解譯能力,還影響了審美效果。對于“問題”正射影像的處理極其重要,需投入大量時間、人力和處理軟件,因此如何快速便捷地消除“問題”正射影像,已成為DOM生產處理中的關鍵技術。針對上述問題,本文提出了一種基于Photoshop軟件的正射影像處理方法；并以第三次全國國土調查青海省試點區DOM制作試生產中局部存在的質量問題為例,進行了詳細分析,利用Photoshop軟件對問題影像處理做了大量試生產嘗試,取得了可靠有效的經驗與方法。

1 色彩原理與處理方法

1.1 色彩原理

衛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[1]。該格式的數字影像數據定義了影像中R（紅0～255）、G（綠0～255）、B（藍0～255）顏色分量數值,以三維數據矩陣的方式儲存,并產生16 777 216種顏色,用于表示自然界真實色彩。如圖1所示,兩兩混合疊加可得到更亮的中間色調——黃（Y）、青（C）、品紅（M）,這3種色調等量混合形成白色[2]。在Photoshop軟件下,影像調色模式即為RGB模式。

圖1 色彩原理

1.2 色彩調整方法

在不破壞原始影像紋理信息的前提下,利用調色工具對影像的色彩和色調進行調整,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。色彩調整主要包括色階調整、曲線調整、色彩平衡和可選顏色等。

1.2.1 色階調整

色階調整是利用直方圖對影像進行均勻非線性拉伸,以達到影像輻射增強的一種方法[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、灰度等問題,如圖2所示。直方圖的橫軸包含影像上所有灰度級,豎軸包含影像上所有像素個數,整個直方圖狀態分布表示該影像上每個灰度級的像素個數[4]。直方圖能反映影像明暗信息,豎軸表示暗面、灰面、高光面所占畫面的面積。通常質量較好的影像包括豐富的明暗細節,且在直方圖上呈正態分布狀態,兩側均不會有像素溢出[5]。對影像色階信息進行調整時,直方圖要拉伸適中,以確保區域影像明暗細節清晰。

圖2 直方圖信息表達

1.2.2 曲線調整

曲線調整是Photoshop軟件中復雜且精準的顏色調整工具。在曲線調整過程中,將直線逐漸拖動成S形曲線,依次選擇R、G、B單個通道添加多個調節點來均勻調整影像色彩,如圖3所示:①選擇R模式,曲線向上調整時,紅色逐漸加濃,向下調整時,青色逐漸加濃；②選擇G模式,曲線向上調整時,綠色逐漸加濃,向下調整時,品紅色逐漸加濃；③選擇B模式,曲線向上調整時,藍色逐漸加濃,向下調整時,黃色逐漸加濃。

圖3 曲線調整模式

1.2.3 色彩平衡

色彩平衡是Photoshop軟件常用的色彩調整方法,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,整體顏色會出現偏差,根據色彩互補原理,利用色彩平衡工具進行調整,能使植被更加趨向于真實自然色[7]。依據色彩互補原理,若要減少某一種色彩,則要增加這種色彩的互補色,三角形對角線即為互補色,如圖5所示,利用該原理可調整影像陰影區、中間色調區、高光區的各種顏色成分,以達到色彩平衡[8]。由于色彩平衡對亮度、飽和度、反差的調整是有限的,因此對明暗度等不加以調整的正射影像推薦采用該方法,選取影像調整區域重復進行處理。

圖4 色彩平衡模式

圖5 色彩互補原理

1.2.4 可選顏色

可選顏色是Photoshop軟件常用的一種調整DOM色彩的有效方法,但每次調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整整幅影像中的綠色植被和建筑物偏色現象,無需人工選取調整區域,即可高效調整影像色彩[10]。

圖6 可選顏色模式

2 試生產區域驗證

2.1 試生產區概況

第三次全國國土調查青海省試點區DOM制作工作區為西寧市城西區、城北區和湟中縣,位于100°52′～101°54′E、36°13′～37°28′N之間,總面積為0.76萬km2。通過前期資料分析可知,該區域衛星影像具有多源數據、分辨率多樣等特點。

2.2 數據來源和范圍分布

經過嚴格篩選,本文選取兩個批次共計25景第三次全國國土調查青海省試點區DOM制作工作原始衛星影像,其中北京二號衛星影像19景,時相為2017-09-21－2017-10-28；高景一號衛星影像1景,時相為2017-11-11；WorldView4衛星影像1景,時相為2017-10-26；高分二號衛星影像4景,時相為2017-12-01－2017-12-06。試生產區域和原始影像分布如圖7、8所示。

圖7 試生產區域

圖8 原始影像分布

2.3 影像存在的問題

由于時相差等因素,試點區域獲取的多源數據生產的DOM存在局部色差、模糊、云霧、扭曲、錯位、拉花等明顯問題。為消除這些問題,本文借助Photoshop圖像處理軟件對問題DOM進行處理,以滿足第三次全國國土調查技術規程對DOM制作的要求:影像色調一致均勻、紋理清晰、無重影等現象,能正確反映當時地類光譜特征,接邊區域重疊影像紋理一致；影像時相相同或相近時,要求接邊時整體光譜特性一致；相鄰兩景影像時相相差較大時,允許存在光譜差異,但接邊處應過渡自然。

2.4 處理方法

2.4.1 色差處理

影像明暗度指標通過色彩指數——色階表示,一幅正射影像的色彩飽和度、精細度均由色階決定。相對色彩差異不大的正射影像,其影像直方圖表現為形狀飽滿,峰頂在直方圖中間值附近,整體呈正態分布。在Photoshop軟件中,利用色階工具分通道對衛星影像直方圖的明暗度、對比度、色彩等進行逐步調整,使R、G、B三個通道的直方圖呈正態分布,色彩差異變小[11]。影像處理時,羽化的選取十分重要,要確保選區內外邊緣棱角的漸變效果,該區域的羽化值應設置適中。處理后形成的正射影像應該具備紋理清晰、色彩自然、明暗層次分明、反差適中等特點[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、接邊痕跡等現象,才能實現影像間的無縫接邊。進行影像鑲嵌處理時,通常選擇沿山脊、河流、道路等帶狀地物進行鑲嵌,為防止地物間的錯位,禁止在塊狀地物處鑲嵌。為了避免重影的產生,影像鑲嵌時所選區域的羽化值不應超過10。

2.4.3 陰影處理

原始衛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、樹木等影響,光照遮擋將導致衛星正射影像圖出現陰影區域（城市陰影區域和山區陰影區域）,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,恢復被遮擋地物的自身紋理、亮度、色調等信息。在Photoshop軟件中,主要通過重復調整明暗度、亮度來減少影像的陰影[13]。處理后被陰影區域遮蓋的地物紋理信息更加明顯清晰,亮度和色調均有一定程度的恢復。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 錯位拉花處理

由于影像自動匹配將不可避免地產生誤差、局部區域擬合生成的DEM格網點與真實地形不貼合以及人工編輯檢查的遺漏,因此DOM中個別高架橋、公路、房屋、山體出現錯位拉花變形的情況。針對這類問題,通常將出現拉花區域的DEM格網貼合地面,利用精修的DEM生成沒有錯位拉花的DOM,并借助Photoshop軟件將拉花區域用糾正后的影像替換。道路錯位處理前、后效果如圖13、14所示。

圖13 道路錯位處理前效果

圖14 道路錯位處理后效果

2.4.5 云霧處理

試生產區域的正射影像中局部有云霧覆蓋,導致地物模糊、解譯效果不佳、色調偏暗且色彩不豐富。本文利用Photoshop軟件將后期下發的沒有云霧遮擋的影像進行替換、修補,使得影像紋理清晰、地物色調豐富。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 語

本文主要探討了Photoshop軟件調色的一些基本原理和美化技巧,并結合第三次全國國土調查青海省試點區DOM制作試生產中遇到的問題進行了分析與處理。

1）相對于其他專業圖像處理軟件,Photoshop軟件處理速度較慢,但處理后的視覺效果以及對圖像色彩的掌控更佳。在正射影像制作過程中,無論運用哪一款圖像處理軟件都應嚴格遵循客觀實際,不可頻繁采用扭曲工具、修補工具等技巧來改變影像所反映的原始地物形狀,以達到美觀效果。

2）應根據不同地貌、數據差異進行分類處理。針對色彩單一地區（如沙漠地區）,為了提高生產效率,可先借助其他軟件進行影像的勻光勻色以及簡單的鑲嵌處理,再利用Photoshop軟件進行整體調色處理。

3）影像調色應接近自然真彩色,沒有具體的標準可參考。由于個人主觀認知差異較大,因此調色過程中容易造成顏色失真、色偏、曝光過度等情況,為了使調色后的正射影像達到預期效果,在操作過程中應嚴謹、細致、多學多練,精準把握調色技巧與方法。

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目DOM色彩調整與修復工作提供一定的參考經驗。