航测影像融合原理及处理流程研究

摘 要：DMC相机是目前世界上最先进的数字航摄像机，本文以DMC数码航空影像数据融合算法为研究对象，分析了DMC数字相机获取影像的特点和缺陷，探讨了影像的原理和算法的设计，最后给出了具体的案例，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：影像融合 特征提取

中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0042-02

1 DMC数字相机的原理

DMC相机是目前世界上最先进的数字航摄像机，它是由德国蔡司（ZEISS）公司和美国Intergraph公司共同研制，综合了ZEISS公司世界上顶级的光学技术和Intergraph公司在数字摄影测量软件领域的领先技术，它的诞生，是数字摄影测量领域的一次技术革命。

该相机由八个CCD传感器构成，中间四个面阵（幅面为7K×4K）组合镜头构成一个13.5K×8K的大面阵，获得全色影像；四个多光谱镜头角面阵（幅面为3K×2K）构成RGB彩色四个波段影像，以进行彩色合成；多光谱彩色合成影像的地面覆盖范围与全色影像覆盖范围相同。三个数据记录仪，每个具有280GB磁盘空间（共840GB）。该系统镜头的个数是可变化的。DMC的最大优点是具有中心投影的几何特性，与现有的数字图像工作平台及软件完全适应。其次是该相机采用了像移补偿装置FMC，所获取的资料具有真实性和可靠性。DMC数字相机同时采集真彩色、彩红外和灰度数据，通过高速数据传输通道传到硬盘中，原始数据为高压缩比的TIFF格式。

2 DMC数字相机所获取影像的特点

2.1 多源性

一次拍摄，可同时获得全色数据、真彩色数据、RGB多光谱彩红外数据，使得一次拍摄的效率和数据获取的效率大大提高，而且全色和多光谱数据的覆盖范围相同，三种数据可以满足不同的需要。

2.2 精度的提高

与传统的胶片相机相比，省掉了好几个中间环节，如胶片的冲洗、扫描，这样减少了不少可能产生误差的机会。

2.3 更多的信息量的获得

从全色及多光谱的数据上我们可以获得比原来传统相机更多的信息，从而获得更多的用途。

2.4 快速低成本获取

相对于传统的影像数据获取来说，数据获取的周期可以缩短1/3，由于同时获得三种数据，避免了中间环节，数据获取的成本降低了40%。

2.5 获得的影像精度高

DMC相机获取的影像像元大小为12，摄影比例尺1∶6000的情况下，相当于传统相机的所摄1∶3500影像，用21μ扫描的精度。

2.6 航摄自动化程度高，避免了很多问题

所有的航线设计在地面设计好后输入计算机，飞机在航摄时从航线的进入、启拍点、每张相片的定位到关闭点都由计算机控制，而且每张相片拍摄完成当时就能在计算机上看到拍摄的成果，如有漏洞或航线弯曲超限等马上就能发现。

3 DMC数字相机所获取影像的缺陷

DMC相机在存在诸多优点的同时，也存在一些缺陷。从生产实践中，我们发现了以下缺陷。

（1）四个高分辨率7K×4K的全色相机镜头拼接获得一幅全色波段的影像，会因地面的反光造成曝光的参数不一致，同一幅影像出现四个不同的亮度块。（2）12BIT影像具有丰富的光谱信息，但是，目前，很多数据处理系统不支持12BIT数据，只能转换成8BIT数据处理，而在转换过程中，会产生光谱信息的损失，这样也就损失了12BIT数据的优势。（3）高空摄影取得的真彩色影像中植物部分色差，在可见光波段，由叶绿素的吸收支配，反射率非常低，吸收率很高，所以叶片对人眼呈现深绿色，影像的色彩显得不够饱和，没有生机。近红外波段对植物的反射波谱特性最强，通过植物叶片的反射与透射，呈现随着叶片的层数增加，反射率越来越高。

4 影像融合技术介绍

影像融合技术，是将不同传感器的影像信息加以综合，以获得信息更加丰富的、高质量的影像，同时消除多传感器信息之间的冗余和矛盾，降低其不确定性，减小模糊度，改善影像解译性能，达到对目标的完整、全面、一致的表达，从而提高影像信息的使用效率。影像融合的应用是多方面的，可以用来进行彩色增强、特征增强、空间分辨率的改善等等。

利用高分辨率的全色影像与低分辨率的多光谱影像的融合是影像融合技术的典型应用。一般的遥感影像融合采用基于信息特征的算法，这里不做详述。

利用彩红外影像与一般真彩色影像进行融合，达到增强植被信息的目的，也是影像融合技术的一项应用。对于DMC数字影像来说，由于其获得的影像数据包括12BIT高分辨率真彩色影像、高分辨率彩红外影像和低分辨率彩红外影像、黑白数据等类型的成果数据。其中，黑白数据可以直接用于测图、真彩色数据用于制作正射影像图和大幅面挂图，彩红外数据应用于遥感解译。将真彩色影像与彩红外波段的影像数据进行融合，将会减少因感光特性的影响带来色彩的失真。由于DMC影像获取的特殊性，采用DMC影像的彩红外数据和真彩色数据进行融合具有一定的优势：不需要对影像进行配准，只需进行植被信息的提取，进而融合到真彩色影像上去。

4.1 融合原理

由于真彩色图像和彩红外数据的成像波谱范围不同，地物在不同波谱的范围具有不同反射率，所以同一地物在不同的波段所成得影像具有不同的特征。根据这一原理我们提出了新的融合方法，就是利用多波段数据进行特征提取计算，然后利用提取所得的特征数据，对原始数据进行选择性的特征增强处理，从而弥补原始真彩色图像的色彩及信息失真。由于DMC数字影像的特点，需要进行如下的操作。

4.1.1 影像曝光度调整

由于航摄时受大气和日照的影响，每次拍摄的航片很容易出现曝光不足和曝光过度的现象，为了使图像达到较为理想的效果，必须进行曝光度调整。对于每张航片，灰阶范围为0～4095（12bit），利用直方图统计我们可以看出曝光不足的图像和曝光过度的图像灰阶范围分布比较集中（示意图见图1，2，3）。

这样图像的信息量比较小，通过对直方图进行均衡化处理。

公式 ：

（1）

其中，n是图像中像素的总和，nk是灰度级为rk的像素个数，L为图像中可能的灰度级总数。式（1）中变换函数的离散形式为：

（2）

因此。已处理的图像（即输出图像）由通过式（2），将输入图像中灰度级为h的各像素映射到输出图像中灰度级为rk的对应像素上得到。经过处理的航片曝光度适中，信息量增加，目视效果较好。

4.1.2 对每幅影像中四块CCD所成的影像差异进行辐射校正

由于CCD器件的不一致引起的灰度不一致，我们可以通过多张航片进行统计计算，利用统计的灰度的差值模拟出CCD的系统误差，从而进行补偿处理。首先选取同一航带均匀分布地物的航片n（3

4.1.3对灰度渐变的处理

由于相机镜头中心和边缘透光量的差别，航片影像通常会出现中心和边缘亮度渐变的现象，也就是所谓的大饼现象。为了消除由于亮度渐变带来的影响，我们设计了渐进统计和渐进补偿的算法。假设镜头中心对应的坐标是x0，y0，影像渐变的半径是r，我们以x0，y0为中心，进行渐进统计得出不同半径范围内的图像的均值g，△gi，i+1=gi-gi+1；（1

4.1.4 不同航带之间的灰度平衡

由于航拍时间和大气条件的影响，不同航带之间的影像灰度差异较明显，所以必须对不同航带之间进行灰度平衡。由于每条航带的影像数量较多，不同航带的统计计算工作量较大。不同航带的灰度平衡可以采用直方图匹配的方法进行。

4.1.5 特征提取算子的设计

经过了上述步骤处理得的影像基本上具有了较好的曝光度和较为理想的直方图。在此基础上，我们设计了不同地物的特征提取算子。由于真彩色图像中植被信息失真，我们选用了红外波段中的植被信息，对真彩色图像中的植被信息进行增强，设计了如下提取算法，对每个波段中的每个像素进行阈值比较，假设同一位置的像素在四个波段（红绿蓝红外）的灰度分别为g1，g2，g3，g4，利用波谱特征可知，当满足条件g1a4时即可认为该点是植被，其中a1，a2，a3，a4为自定义的阈值，不同的影像条件可以选择不同的值。这样就可以提取出植被信息ggreen，然后利用ggreen对真彩色影像进行增强。

4.2 影像处理流程图（图4）

5 成功案例

我单位分别于2009年1月和2010年1月进行了两次DMC航空摄影，其中2009年1月摄影比例尺为1∶12000，2010年1月摄影比例尺为1∶20000。2009年、2010年我院利用这两批资料进行了1∶2000数字正射影像图的生产，生产的成果色调一致、精度满足要求，美中不足的是由于是真彩色影像，因而，影像中植被的色彩效果不佳，影响了整个影像的色彩。

2011年1月，根据客户要求，需要对影像进行融合和匀色处理，从而使整个数字正射影像图获得较为理想的效果：色调一致，植被信息突出。为了达到这样的效果，需要作以下几项工作。

（1）影像曝光度调整。（2）对每幅影像中四块CCD所成的影像差异进行辐射校正。（3）对灰度渐变的处理。（4）不同航带之间的灰度平衡。（5）利用特征算子进行影像的融合。

经过一次试验，得到的结果是大部分影像效果较好，植被信息突出，各种地物色彩分明，饱和，增强了可判读性和目视效果。以下是两幅图的比较。

同时，一部分经过补飞的数据，和相邻航带之间出现色差和亮度差异，需要重新进行作业，作业的主要过程是进行整体色调和亮度的调整。

以上过程可以利用VC++进行编程实现，平均每张原始影像的处理过程需要7.5分钟左右。

经过融合的影像再进行纠正、拼接、出图，利用常规正射影像拼接的流程进行，取得了意想不到的良好效果，得到了用户的接收和好评。

6 有待解决的问题

在融合、匀色的过程中，也存在以下问题，有待以后解决。

（1）部分补飞的影像，出现航带之间的色差过于大，而灰度平衡的幅度有限，如果幅度太大，必然影响效果。所以，有待日后寻找更加合适的灰度平衡方法。（2）有部分影像的高亮部分会出现彩色斑，这大概是由于镜头的辐射方面的原因产生的，有待进一步的分析和消除。

参考文献

[1]陈鹰.遥感影像的数字摄影测量[M].上海：同济大学出版社，2003，9.

[2] 万从容，徐兴良.遥感影像融合技术在城市发展研究中的应用.测绘信息与工程[D].武汉：武汉大学期刊社，2001，4.