基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法及系统

摘要

本发明提供一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法及系统，包括选取不同时段成像的全球基准影像作为参考，沿经度和纬度方向将基准影像划分成网格区域并记录所有网格的行列信息；对网格区域进行直方图统计，存储到TIFF图片中，得到全球色彩直方图格网库；对待处理影像的直方图进行统计，计算待处理影像灰度值的均值和标准差；选取成像时间最接近的全球色彩直方图格网库，检索TIFF图片中与待处理影像有重叠的网格；根据网格内的像素灰度值信息统计得到网格的直方图，然后利用概率直方图加权统计方式计算重叠区域网格的整体直方图，再计算重叠区域基准影像灰度值的均值和标准差；将待处理影像灰度值的均值和标准差纠正，恢复影像自然颜色。

说明书

技术领域

本发明属于摄影测量和遥感技术领域，具体涉及一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方案。

背景技术

卫星遥感影像成像距离远，受到大气吸收和散射的影响大，导致卫星影像上地物的颜色和实际相差甚远。目前解决该问题的一种常用方法是建立全球颜色基准影像库，即颜色模板库，以影像库中的影像颜色为基准，通过颜色的配准处理，达到修正卫星影像颜色的目的。这种方法能够很好地修正卫星影像间以及卫星影像与实际地物的颜色偏差，但是存储全球颜色基准影像库需要占用大量的空间，在实际生产中数据传输、存储和使用很不方便。

以颜色模板为基准的影像颜色一致性处理的本质，是将待处理影像灰度值的色调和颜色反差规定化至基准影像。一幅影像灰度值的均值反映了其色调和亮度，标准差反映了其灰度动态变化范围，并在一定程度上反映了其反差。因此，颜色模板的核心信息为影像的均值和方差。而影像的均值和方差可通过灰度统计直方图直接计算出来，故利用颜色直方图替代模板影像可实现：(1)相同效果的颜色一致性处理；(2)由于影像颜色直方图大小远远小于影像本身，因此大大减少了数据存储量。在颜色规定化处理方面，Wallis滤波器是一种比较特殊的滤波器，它可以增强原始影像反差的同时压制噪声，特别是它可以大大增强影像中不同尺度的影像纹理模式。通过Wallis变换将待处理影像灰度值的均值和标准差纠正到与基准影像近似甚至相同，达到恢复影像自然颜色的目的。

在影像几何定位方面，张祖勋和陶鹏杰提出云控制摄影测量方法。所谓云控制，是指利用广义泛在地理信息数据替代外业控制点作为几何参考数据，实现影像的高精度几何定位。由于通过影像匹配或配准获取的控制点非常密集，构成了密集点云，因此称之为“云控制”。相对于这种几何云控制，我们将基于影像模板的影像自然颜色的恢复方法称为辐射云控制，或者颜色云控制。影像颜色“云控制”具备“控制数据”和“处理技术”两方面的支撑。前者指的是：随着全球遥感卫星数量的不断增加，经过较为严格的辐射校正并且经过人工色彩调整后没有拼接缝的完整的遥感影像的数量也不断增多，这些遥感影像为待处理影像构成了“颜色控制框架”；后者指的是：利用全球基准影像上像素点灰度值信息构建全球色彩直方图格网库以替代全球颜色基准影像库，根据直方图计算得到基准影像灰度值的均值和标准差，再通过Wallis变换对待处理影像每个像素点的灰度值进行纠正，恢复影像的自然颜色。

影像颜色“云控制”不仅能恢复影像的自然颜色，而且恢复自然颜色后的影像又可以作为基准影像对全球色彩直方图格网库进行更新，这样便形成了颜色“云控制”的闭环回路，保证数据的时效性。同时，影像直方图的数据量远小于影像自身的数据量，很好地解决了存储全球颜色基准影像库需要占用大量空间，以及实际生产中数据传输、存储和使用不便的问题，推动影像自然颜色恢复技术的进一步生产应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法，解决了全球颜色基准影像库数据量过大导致数据传输、存储和使用不便的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为包括一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法，包括以下步骤：

步骤1，选取不同时段成像的全球基准影像作为参考，沿经度和纬度方向将基准影像划分成相邻且大小相同的网格区域并记录所有网格的行列信息；

步骤2，对步骤1得到的网格区域进行直方图统计，将统计得到的直方图存储到TIFF图片中，得到全球色彩直方图格网库；

步骤3，对待处理影像的直方图进行统计，根据统计的直方图计算待处理影像灰度值的均值和标准差；

步骤4，选取与待处理影像成像时间最接近的全球色彩直方图格网库，根据待处理影像外接矩形的地理坐标和网格左上角点的地理坐标检索TIFF图片中与待处理影像有重叠的网格；根据正方形网格内的像素灰度值信息统计得到网格的直方图，然后利用概率直方图加权统计方式计算重叠区域网格的整体直方图，再根据得到的直方图计算重叠区域基准影像灰度值的均值和标准差；

步骤5，根据步骤3得到的待处理影像灰度值的均值和标准差，以及步骤4得到的重叠区域基准影像灰度值的均值和标准差，将待处理影像灰度值的均值和标准差纠正到与基准影像近似甚至相同，恢复影像的自然颜色。

而且，步骤1中，选择基准影像时，采用卫星获取到覆盖全球的无云影像，接近待处理卫星影像地面分辨率，经过辐射校正并且包含没有拼接缝的完整的自然色彩数据。

而且，步骤1中，从本初子午线和北纬90°开始，沿经度和纬度方向上以3′为格网间距划分网格。

而且，步骤2中直方图统计后，一个直方图网格中的有效信息包括地理范围和RGB三波段概率直方图，根据步骤1中记录的网格行列信息和每个网格在经纬网上长宽均为3′计算得到每个网格左上角点的地理坐标。

而且，步骤4中，当直方图网格的尺寸比待处理影像的像素大，引入概率直方图加权统计，减小待处理影像边缘处非重叠区域引起的统计误差。

而且，步骤5中采用Wallis变换将待处理影像灰度值的均值与标准差纠正与基准影像近似甚至相同。

另一方面，本发明提供一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复系统，用于实现如上所述的一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法。

而且，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法。

或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)利用TIFF格式存储基准影像的直方图信息，使基准影像颜色直方图信息在软件中的兼容性更强，使用更加便利；2)影像直方图的数据量远小于影像自身的数据量，极大地节省存储空间；3)在实际生产中传输、存储和使用影像直方图比直接传输、存储和使用影像方便很多；4)按照季节或者月份为单位构建全球色彩直方图格网库，恢复影像自然颜色时选取和待处理影像成像时间最接近的全球色彩直方图格网库，保证影像自然颜色恢复结果的准确性；5)影像颜色“云控制”中恢复自然颜色后的影像又可以作为基准影像对全球色彩直方图格网库进行更新，形成颜色“云控制”的闭环回路，保证数据的时效性。

附图说明

图1为本发明实施例的全球基准影像网格划分示意图。

图2为本发明实施例的基准影像的直方图信息在全球色彩直方图格网库中的存储示意图。

图3为本发明实施例的总体流程图。

具体实施方式

本发明涉及一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法。基于全球色彩直方图格网库，通过Wallis变换将待处理影像灰度值的均值和标准差纠正到与基准影像近似甚至相同，达到恢复影像自然颜色目的。

本发明不仅解决了恢复影像自然颜色时存储全球颜色基准影像库需要占用大量空间，以及全球颜色基准影像库在实际生产中传输、存储和使用不便的问题，而且选取与待处理影像成像时间最接近的全球色彩直方图格网库参与运算，保证影像自然颜色恢复结果的准确性。同时，影像颜色“云控制”中恢复自然颜色后的影像又可以作为基准影像对全球色彩直方图格网库进行更新，形成颜色“云控制”的闭环回路，保证数据的时效性。推动影像自然颜色恢复技术的进一步生产应用。

下面结合附图和基于Landsat-8多光谱影像构建的全球色彩直方图格网库恢复全球卫星影像自然颜色的实施例实例对本发明的技术方案作进一步说明。实施例按照季节或者月份为单位生成四季或者十二月份的全球色彩直方图格网库，挑选出与待处理影像成像时间最接近的全球色彩直方图格网库，通过Wallis变换将待处理影像灰度值的均值和标准差纠正到与基准影像近似甚至相同，实现影像颜色“云控制”，达到恢复影像自然颜色的目的。

如图3所示，本发明实施例提供的一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法流程包括以下步骤：

步骤1，选取不同季节或者不同月份成像的全球基准影像作为参考，如图1所示，从本初子午线和北纬90°开始，沿经度和纬度方向将基准影像划分成相邻且大小相同的网格区域并记录所有网格的行列信息，主要作用在于从存储量较大的全球基准影像上提取所需的小容量统计信息；

步骤1中选择基准影像的首要条件就是需要在太空中稳定运行多年的卫星获取到覆盖全球的无云影像。此外，影像自然颜色恢复方法以直方图信息作为参考，要求基准影像上对应待处理影像地理范围区域内有足够多的像素数，因此需要选择尽可能接近待处理卫星影像地面分辨率的基准影像。最后，对于颜色处理而言，基准影像应该是经过较为严格的辐射校正并且经过人工色彩调整后没有拼接缝的完整的自然色彩数据。同时，因为全球部分地区地物颜色季节变化明显，甚至不同月份地物颜色差别较大，所以按照季节甚至月份为单位生成四季或者十二月份的全球色彩直方图格网库，选择与待处理影像成像时间最接近的全球色彩直方图格网库进行下一步运算，以保证影像自然颜色恢复结果的准确性。

网格的尺寸直接关系着最终直方图格网库的存储大小。待处理影像边缘与网格并非严格重合，网格尺寸越大，网格与待处理影像边缘重合度越低，Wallis变换进行颜色修正的精度越低，所占存储空间越小；相反，格网尺寸越小，格网与待处理影像边缘重合度越高，Wallis变换进行颜色修正的精度越高，而所占存储空间反而越大。如图1所示，为了使全球基准影像划分得到的网格数量为整数，同时综合考虑网格与待处理影像边缘重合度以及所需存储空间的大小，从本初子午线和北纬90°开始，沿经度和纬度方向上以3′(对应的地面范围约为5.5km×5.5km)为格网间距划分网格。

实施例的步骤1中，Landsat系列卫星重复周期短，只有16天，并且拥有370公里的幅宽，因此能够快速获取全球大部分区域30米地面分辨率的有效多光谱影像。此外，从1972年第一颗landsat遥感卫星上天开始到现在，经历过几十年的发展与研究，其高精度的几何与辐射校正技术已经十分成熟，并且在如ENVI等众多商业软件中都有其完整且准确的几何与辐射校正流程。其中，landsat-8最受关注，自2013年被发射升空后，其经过严格几何校正的正射影像产品被免费公开。选取Landsat-8四个季节的全球多光谱影像作为基准影像。如图1，从本初子午线和北纬90°开始，沿经度和纬度方向上以3′(对应的地面范围约为5.5km×5.5km)为格网间距将基准影像划分成相邻的网格区域并记录所有网格的行列信息。

步骤2，对步骤1得到的网格区域进行直方图统计，将统计得到的直方图存储到TIFF图片中，得到全球色彩直方图格网库；

步骤2中直方图统计建立在8bit色彩空间上，统计范围在0-255的有效灰度值。一个直方图网格中的有效信息包括地理范围(起始地理坐标)和RGB三波段概率直方图。根据步骤1中记录的网格行列信息和每个网格在经纬网上长宽均为3′可以计算得到每个网格左上角点的地理坐标。

TIFF文件格式(标签图像文件格式)在各种地理信息系统、摄影测量与遥感中应用十分广泛。相比于自定义的直方图存储格式，TIFF文件格式具有更强的灵活适应性。因此，利用TIFF图片存储全球色彩直方图格网库使直方图信息在软件中的兼容性更强、使用更便利。如图2所示，实施例新建一张TIFF图片，将TIFF图片中与网格对应的正方形区域划分成16×16像素块。如下表所示，将256个像素块与灰度值0-255关联起来(其中左下角像素块代表灰度值0)。然后分别将统计的RGB三波段概率直方图中每个灰度值的概率赋值给TIFF图片中对应像素块的灰度值，RGB三波段的直方图信息和TIFF图片中RGB三波段像素的灰度值一一对应，这样便将统计的直方图信息转换成TIFF图片内像素灰度值信息。同时，基准影像上的网格与TIFF图片上的正方形区域一一对应，得到的全球色彩直方图格网库是一张直方图网格与其所代表的地理区域严格重合的TIFF图片。最终得到四个季节的全球色彩直方图格网库；

以下为全球色彩直方图格网库中与基准影像中网格区域对应的正方形区域内256个像素块和0-255灰度值一一对应示意表：

步骤3，对待处理卫星影像的色彩直方图进行统计，根据统计的直方图计算待处理卫星影像灰度值的均值和标准差；

统计和计算方式可采用现有技术，本发明不予赘述。

步骤4，选取与待处理影像成像时间最接近的全球色彩直方图格网库，根据待处理影像外接矩形的地理坐标和网格左上角点的地理坐标检索TIFF图片中与待处理影像有重叠的网格。根据正方形网格内的像素灰度值信息统计得到网格的直方图，然后利用概率直方图加权统计方式计算重叠区域网格的整体直方图，再根据得到的直方图计算重叠区域基准影像灰度值的均值和标准差；

步骤4中只要直方图网格的尺寸比待处理影像的像素大，必然会在待处理影像边缘处引入非重叠区域误差统计，为了减小待处理影像边缘处非重叠区域引起的统计误差，引入概率直方图加权统计方式：

式中，p

实施例的步骤4，选取和待处理卫星影像成像时间在一个季节的全球色彩直方图格网库。

步骤5，根据步骤3得到的待处理影像灰度值的均值和标准差和步骤4得到的重叠区域基准影像灰度值的均值和标准差，通过Wallis变换将待处理影像灰度值的均值和标准差纠正到与基准影像近似甚至相同，恢复影像的自然颜色。

步骤5中Wallis变换将待处理影像灰度值的均值与标准差纠正与基准影像近似甚至相同，其一般表达式为：

式中，g表示待处理影像的灰度值。f表示Wallis变换后的灰度值。mean

式中，g表示待处理卫星影像的灰度值。f表示Wallis变换后的灰度值。mean

式(3)是一个线性表达式，此时Wallis变换也退化成基于均值-标准差的颜色转换方法。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法。

在一些可能的实施例中，提供一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于辐射云控制的全球卫星影像自然颜色恢复方法。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。