CN102063700A

CN102063700A - 卫星遥感图像生成方法及其系统

Info

Publication number: CN102063700A
Application number: CN 201010504616
Authority: CN
Inventors: 刘雪萍
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2011-05-18

Abstract

本发明公开了一种卫星遥感图像生成方法及其系统，该方法包括步骤：S1.对卫星多光谱相机的绿波段图像和近红外波段图像进行组合处理，形成新生成波段图像；S2.利用三原色加色合成进行彩色合成，生成合成图像，其中，绿色通道采用所述新生成波段图像；S3.对步骤S2生成的合成图像进行色彩以及色调调整，生成最终图像。本发明的方法及其系统可提高卫星遥感图像的色彩逼真度以及清晰度，增大卫星遥感图像的信息量。

Description

卫星遥感图像生成方法及其系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种地物的清晰色彩逼真的卫星遥感图像生成方法及其系统。

背景技术

多光谱遥感(多波段遥感)是一种把地面辐射范围较宽的连续的电磁波谱，分割成若干个较窄的光谱段(波段)，以多光谱摄影或多通道扫描的方式，在同一时间获取同一目标不同波段信息的技术，是目前遥感最主要、最基本的技术手段。

人眼的色彩视觉是由视网膜的三种锥体细胞(感红单元、感绿单元和感蓝单元)受到可见光刺激而产生的一种主观感受。根据三原色视觉原理，人眼能从日光中分解出红、绿、蓝三种色光，只要有红、绿、蓝三种色光就能合成各种颜色的色光。人眼识别和区分灰度差异的能力是很有限的，一般只能区分二三十级，但识别和区分色彩的能力却大得多。一般来说，只要波长改变1～2nm人眼就能观察出差别。就整个可见光谱段(0.38～0.76um)而言，正常人眼识别的颜色可达数百种。显而易见，多光谱遥感技术的一个重要的优点，就是可以采用三个不同灰度的黑白图像分别赋予红、绿、蓝三原色，合成一幅彩色图像，把原来多光谱黑白图像的灰度差异充分转变为极为丰富的彩色影像，从而大幅提高图像的信息量和解像率。

彩色合成是将多波段黑白图像变换为彩色图像的增强处理技术，所有彩色阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)系统(彩色监视器)都是利用三原色(R、G、B)的加色合成系统。对于多波段图像中选用三个波段数字图像，分别储存在缓冲寄存器中，经查找表将其灰度值分别赋予各单色亮度值，再经数模转换器控制各单色电子枪的电子束强度，三个通道在显示屏上就形成一幅彩色合成图像。根据合成图像的彩色与实际景物自然彩色的关系，彩色合成分为真彩色合成和假彩色合成两种。真彩色合成是指采用可见光的蓝、绿、红波段黑白图像分别赋予蓝、绿、红三原色进行的还原性合成，获得的彩色图像上的地物色彩与实际地物色彩接近或一致；假彩色合成是指光谱波段位置和蓝、绿、红三原色不按照一一对应关系的合成，合成获得的彩色图像上的地物色彩与实际地物色彩不一致。

国产中巴资源卫星电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)多光谱相机有5个波段，即蓝波段B₁(0.45～0.52um)、绿波段B₂(0.52～0.59um)、红波段B₃(0.63～0.69um)、近红外波段B₄(0.77～0.89um)和全色波段B₅(0.51～0.73um)。采用B₃(红)、B₂(绿)、B₁(蓝)方案合成，是为模拟真彩色合成。该种图像描绘的地物生动逼真，符合人们的观察习惯。然而，由于大气干扰以及显示器彩色空间的影响，卫星多光谱真彩色合成图像往往出现彩色失真，地物模糊的状况，而且没有利用上对绿色植物类别和长势差异最敏感的B4(近红外波段)，信息损失较大。因此，业界比较多的采用B₄(近红外)、B₃(红)、B₂(绿)的假彩色合成方案。这一合成方案也称标准假彩色合成，这种合成增加了地物在近红外波段的光谱响应信息，舍弃了大气散射相对严重的蓝光波段，因此与一般真彩色合成图像相比，图像信息量丰富、色彩较艳丽、清晰度较好，利于图像判读。但在该假彩色图像上，重现的“物体颜色”均向短波段方向移动一个色位，即“绿色”物体呈蓝色，“红色”物体呈绿色，“近红外强反射”的物体呈红色，这一色彩不符合公众的视觉认知，影响了其在更广泛领域的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提高卫星遥感图像的色彩逼真度以及清晰度，增大卫星遥感图像的信息量。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种卫星遥感图像的生成方法，该方法包括步骤：

S1.对卫星多光谱相机的绿波段图像和近红外波段图像进行组合处理，形成新生成波段图像；

S2.利用三原色加色合成进行彩色合成，生成合成图像，其中，绿色通道采用所述新生成波段图像；

S3.对步骤S2生成的合成图像进行色彩以及色调调整，生成最终图像。

其中，在步骤S1中，组合处理依照下式进行：

B_new＝aB₂+bB₄

其中，B_new为新生成波段图像，B₂为绿波段图像，B₄为近红外波段图像，系数a、b根据遥感图像获取的时间和地点确定，且a+b＝1。

其中，图像为温带地区的遥感图像，若在6-8月期间获取，则a＝0.4，b＝06；若在3-5月期间或9-11月期间获取，则a＝0.5，b＝0.5；若在12-2月期间获取，则a＝0.6，b＝0.4。

其中，步骤S3中的色彩以及色调调整包括图像直方图、亮度以及对比度调整。

其中，图像直方图的调整方法为将图像直方图的最大值和最小值分别调整到255和0。

其中，所述步骤S3在图像处理软件中进行。

本发明还提供了一种卫星遥感图像生成系统，该系统包括：波段形成模块，用于对卫星多光谱相机的绿波段和近红外波段图像进行组合处理，形成新生成波段图像；彩色合成模块，用于利用三原色加色合成进行彩色合成，生成合成图像，其中，绿色通道采用所述新生成波段图像；后处理模块，用于对彩色合成模块生成的合成图像进行色彩以及色调调整，生成最终图像。

其中，所述波段形成模块的组合处理依照下式进行：

B_new＝aB₂+bB₄

其中，所述后处理模块为ERDAS图像处理软件或photoshop图像处理软件。

(三)有益效果

本发明的方法及其系统生成的图像色彩逼真、层次饱和、纹理清晰，达到自然彩色的效果；充分利用了该传感器多光谱4个波段的信息，不但保留了B₄近红外的信息，而且也保留了B₁蓝波段的信息；对需要多景图像镶嵌的区域性遥感影像图制作，易于色彩匹配，能获得色彩均一的图像效果；可操作性强，简便易用，且利于推广。

附图说明

图1为主要地物典型反射光谱与中巴资源卫星CCD多光谱波段关系示意图；

图2为依照本发明一种实施方式的卫星遥感图像生成方法流程图。

具体实施方式

本发明提出卫星遥感图像生成方法及其系统，结合附图及实施例详细说明如下。

自然界地物的颜色取决于它在可见光谱段的光谱响应特征。根据格拉斯曼颜色混合定律，人的视觉只能分辨颜色的三种变化，即色别、饱和度以及明度。其中色别指彩色的类别，它取决于物体选择性反射光谱的主波长，是彩色彼此相互区分的基本特性。可见光谱中不同波长的辐射，在视觉上就表现为不同的色别；而地物在多光谱遥感图像上的颜色，除与彩色合成方案有关外，还取决于其在各波段的光谱响应特征。

以中巴资源卫星遥感图像的生成为例，图1表示植被、水体、土壤和水泥建筑物的典型光谱反射曲线及其与中巴资源卫星CCD中4个多光谱波段的关系。其中：

(1)植被

0.5-0.6μm有一个小的反射峰，位于绿色波段(0.55μm)，两边(蓝、红)为吸收带(凹谷)；0.76-1.3μm高反射，在0.7μm处反射率迅速增大，至0.9处达峰值。因此，植被在中巴资源卫星CCD-2波段(绿波段)有较高的亮度值，在4波段(近红外波段)亮度值最高。

(2)土壤

土壤表面反射光谱曲线比较平滑，没有明显的峰谷。土壤(黑土)反射率偏低，随波长增加稍有增大。土壤在图像上总的呈暗色调，在中巴资源卫星CCD-3、4波段亮度值稍高。

(3)清洁水体

水体总的反射率偏低，在蓝绿光波段反射稍强，随波长增加吸收增强，在近红外波段吸收更强，反射率很低。清洁水体在图像上总的也呈暗色调，在中巴资源卫星CCD-1波段亮度值较高。

(4)水泥建筑物

总的反射率偏高，在蓝绿光波段稍低，渐增至红光和近红外波段反射率较高。建筑物特别是水泥路面、屋顶等在图像上呈较亮色调。

获取地物清晰色彩逼真的卫星遥感图像是遥感界追求的一个目标。本发明方法针对中巴资源卫星CCD多光谱数据，抓住植被、水体、土壤和建筑这四个主要地物类型的色彩特征，充分利用中巴资源卫星4个多光谱波段的信息，兼顾色彩逼真和清晰度高、信息量大，生成的图像色彩与人眼视觉接近。

如图2所示，依照本发明一种实施方式的中巴资源卫星CCD多光谱数据仿真彩色卫星遥感图像生成方法包括步骤：

S1.对中巴资源卫星CCD多光谱相机的绿波段B₂图像和近红外波段B₄图像进行组合处理，形成新生成波段B_new图像，该波段图像既保持了地物反射光的自然色彩，特别是植被的绿色，同时又含红外波段对绿色植被反射的丰富信息，去掉了大气对绿色通道的影响。组合处理按下式进行：

B_new＝aB₂+bB₄

式中，B₂、B₄分别为中巴资源卫星2波段(绿)和4波段(近红外)波段的图像。实际上，新生成波段图像(B_new)象元的亮度值是采用2、4两个波段中对应象元的亮度值分别乘以a、b系数然后相加生成。a、b为变化系数，确定方法依据遥感图像获取的时间和地区确定，a+b＝1，缺省时均为0.5；四季分明温带地区的图像：图像获取时间为夏季(6-8月期间)a＝0.4，b＝06；图像获取时间为春秋(3-5月期间或9-11月期间)a＝0.5，b＝0.5；图像获取时间为冬季(12-2月期间)a＝0.6，b＝0.4；热带或寒带地区可参照温带夏季或冬季的参数设置。

S2.利用三原色加色合成进行彩色合成，生成合成图像，其中，绿色通道采用B_new段图像。

具体地，采用B₃(红)、B_new(绿)、B₁(蓝)方案。这样合成的图像效果保持了自然界地物的颜色，同时增加了信息量。

S3.对步骤S2得到的合成图像进行色彩以及色调调整(包括多图幅镶嵌色彩匹配)。包括调整该彩色合成图像的直方图、对比度和亮度，使图像色彩饱和，颜色鲜艳。优选地，采用较通用的遥感图像处理软件(ERDAS)或图像处理软件(PHTOSHOP)进行。

其中，直方图调整的方法为将直方图的最大值和最小值分别调整到255和0。亮度以及对比度以图像鲜亮，但不损失细节为准。

依照本发明方法生成的图像上，林地为绿色(针叶林为浅绿色，阔叶林为深绿色)，水体为蓝色，道路等人工建筑物为较淡的紫红色，裸土为土黄色，农田为淡绿色，总体上色彩与人眼视觉接近。

中巴资源卫星CCD数据具有19.5米的空间分辨率，幅宽113公里，是用途最广泛的国产中分辨率遥感数据，为促进该数据在资源、环境等领域的应用，国家采取免费提供的原则。各行业、各地区、各部门在使用该数据开展遥感应用中，大部分首先要进行影像图的制作。此外，目前在用的其它卫星遥感数据，如国产环境一号卫星、海洋卫星；国外的陆地卫星、SPOT卫星、高分辨率的IKONOS、QUICKBIRD等(表1)，都具有相同的或接近的光谱波段设置，因此，本发明对其它类似遥感数据的处理和图像制作具有推广价值和应用前景。

表1 中巴资源卫星CCD波段设置与几种主要的遥感系统比较一览表

波段名\传感器	CBERS-CCD	LANDSAT-5、7	QUICKBIRD	SPOT5-HRV
					蓝波段	0.45～0.52um	0.45～0.52um	0.45～0.52um	0.43～0.47um
绿波段	0.52～0.59um	0.52～0.60um	0.52～0.60um	0.49～0.61um
					红波段	0.63～0.69um	0.63～0.69um	0.63～0.69um	0.61～0.68um

近红外波段	0.77～0.89um	0.76～0.90um	0.76～0.90um	0.78～0.89um
					金色波段	0.51～0.73um	0.50～0.90um		0.49～0.69um

本发明还提供了一种卫星遥感图像生成系统，该系统包括：波段形成模块，用于对卫星多光谱相机的绿波段和近红外波段图像进行组合处理，形成第六波段图像；彩色合成模块，用于利用三原色加色合成进行彩色合成，生成合成图像，其中，绿色通道采用所述第六波段图像；后处理模块，用于对彩色合成模块生成的合成图像进行色彩以及色调调整，生成最终图像。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种卫星遥感图像生成方法，其特征在于，该方法包括步骤：

2.如权利要求1所述的卫星遥感图像生成方法，其特征在于，在步骤S1中，组合处理依照下式进行：

B_new＝aB₂+bB₄

3.如权利要求2所述的卫星遥感图像生成方法，其特征在于，图像为温带地区的遥感图像，若在6-8月期间获取，则a＝0.4，b＝06；若在3-5月期间或9-11月期间获取，则a＝0.5，b＝0.5；若在12-2月期间获取，则a＝0.6，b＝0.4。

4.如权利要求1所述的卫星遥感图像生成方法，其特征在于，步骤S3中的色彩以及色调调整包括图像直方图、亮度以及对比度调整。

5.如权利要求4所述的卫星遥感图像生成方法，其特征在于，图像直方图的调整方法为将图像直方图的最大值和最小值分别调整到255和0。

6.如权利要求1所述的卫星遥感图像生成方法，其特征在于，所述步骤S3在图像处理软件中进行。

7.一种卫星遥感图像生成系统，其特征在于，该系统包括：

波段形成模块，用于对卫星多光谱相机的绿波段和近红外波段图像进行组合处理，形成新生成波段图像；

彩色合成模块，用于利用三原色加色合成进行彩色合成，生成合成图像，其中，绿色通道采用所述新生成波段图像；

后处理模块，用于对彩色合成模块生成的合成图像进行色彩以及色调调整，生成最终图像。

8.如权利要求7所述的卫星遥感图像生成系统，其特征在于，所述波段形成模块的组合处理依照下式进行：

B_new＝aB₂+bB₄

9.如权利要求7所述的卫星遥感图像生成系统，其特征在于，所述后处理模块为ERDAS图像处理软件或photoshop图像处理软件。