CN102998667A - 一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，它有四大步骤：步骤一：选择合适的时间与地点进行水面偏振遥感试验；步骤二：选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取：步骤三：波浪水面太阳耀光区偏振图像处理：步骤四：波浪水面太阳耀光的剥离。本发明是一种便捷、高效的波浪水面太阳耀光校正方法，具有精度高、实时性好，不造成影像数据丢失、不依赖于探测角度选择等诸多优点，对于海面舰船动态监测、水下目标探测与水色遥感等领域具有非常重要的应用价值。

Description

一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法

技术领域

本发明涉及一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，属于遥感数据处理方法与应用技术领域，在海面目标探测与跟踪和水环境遥感数据定量化应用方面具有非常重要的意义。

背景技术

平静的水面可以被近似地看作一面镜子，当太阳光入射时，在与入射方向关于法线对称的反射方向上形成强烈的反射辐射，形成太阳耀光。当水面存在波浪时，水面形成倾角，在海浪的顶端形成闪光点，形成更大范围的太阳耀光区。太阳耀光具有很大的辐射强度，当遥感器直接观测太阳耀光区时，容易出现饱和现象。因此对于水色遥感而言，水面反射的太阳耀光掩盖了水体物质对入射光的散射信息。为了精确分离离水辐亮度，需要在遥感器所接收的总辐射量中扣除水面反射光的影响。对于海面目标监测与跟踪而言，当舰船淹没在海面耀光背景当中时，会导致舰船目标和背景海面难以区分。水面反射光的消除是水体遥感领域一个基础的但尚未解决的问题。

对于太阳耀光的处理，目前主要采取“回避”与“剔除”两种策略。所谓“回避”，就是在传感器探测时尽可能回避存在严重太阳耀光的区域。海洋水色卫星传感器一般具有调整倾角的能力，采取沿轨前后倾斜（0°～±20°）扫描的方法避开太阳耀光。航空遥感则通过设计合理的飞行路线和选择合适的时间，控制传感器的视向来尽可能避开太阳耀光。在水面光谱测量时，通常选择适当的观测几何以尽量避免在某一太阳方位角时太阳耀光的干扰。所谓“剔除”，就是将遥感影像中受太阳耀光污染严重的像素通过阈值法将其剔除，不参与后续的信息提取。但大量像素因太阳耀光的污染而被剔除会造成很多数据空白区。从提高水色遥感数据利用率的角度出发，应该研究不损失离水辐射的太阳耀光的剥离方法。如果能借助于某种技术手段在传感器探测时将水面反射光剥离，就可以直接获取水色遥感的基本的物理量--离水辐亮度，从而可以减少或完全消除水面反射光的估算不准给后续水质参数反演带来的不确定性。对于基于光学遥感的海面目标监测与跟踪，当目标物被太阳耀光所掩盖时，就无法对目标物进行跟踪与锁定。

水面反射光具有显著的偏振效应，当太阳光以气－水界面的布儒斯特角入射时，反射光为垂直入射面的线偏振光，可利用该特性减少水面反射光的干扰。在传感器前使用检偏器，调节检偏器的方位角，让偏振方位角与反射光的偏振方向相互垂直，此时由于偏振片的阻光作用，反射光全部不能通过偏振片，这样就可以在不受太阳反射光影响的情况下，接收到大气散射和水体散射或水面目标物反射的信息。利用该方法可以有效地减弱水面太阳耀光对于水上目标的探测影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，它克服了布儒斯特角探测对观测角度的依赖性与局限性，是一种简单、高效的方法。

本发明的技术解决方案是：设置典型的波浪水面太阳耀光场景，选择典型的目标物与合适的观测角，基于LCVR的偏振成像探测仪进行波浪水面偏振成像探测，得到不同相位延迟量的偏振强度图像。对获取的不同相位延迟量的偏振强度图像通过对定标的仪器矩阵求逆，解算出四个Stokes参量与偏振度与偏振角图像。基于时间序列分析、频率域降噪与图像融合等相关数据处理技术，对波浪水面太阳耀光区偏振图像进行处理，实现波浪水面目标与太阳耀光背景的分离，从而达到波浪水面太阳耀光剥离的目的。

本发明一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其具体步骤如下：

步骤一：选择合适的时间与地点进行水面偏振遥感试验；

步骤二：选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取：设置典型的波浪水面太阳耀光场景，选择典型的目标物，利用基于LCVR(Liquid Crystal VariableRetarder，液晶相位可变延迟器）的偏振成像探测仪进行波浪水面偏振成像探测，得到不同相位延迟量的偏振强度图像；

步骤三：波浪水面太阳耀光区偏振图像处理：对获取的不同相位延迟量的偏振强度图像进行处理，计算得到四个Stokes参量与偏振度、偏振角图像；

步骤四：波浪水面太阳耀光的剥离：基于时间序列分析与图像融合等相关数据处理技术，计算得到分离太阳耀光背景下的目标物。

其中，步骤一中所述的“选择合适的时间与地点进行水面偏振遥感试验”，其中，选择合适的时间是指天气条件，要求天气晴朗，确保有较强的太阳直射光入射到水面，能在水面形成太阳耀光；选择合适的地点，要求水面开阔，周边没有大型建筑与树木等遮挡，确保在太阳高度角低时也能进行试验；此外，水面具有一定的波浪，能形成较大范围的太阳耀光区。

其中，步骤二中所述的“选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取”，是利用偏振成像多光谱探测仪在水面对太阳耀光区进行探测，要求目标物部分或完全被太阳耀光掩盖（即目标物处于太阳耀光覆盖区）。

其中，步骤二中所述的“选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取”，要求或者采用基于LCVR原理设计偏振成像多光谱探测仪，能实现多个相位延迟的快速拍摄，或者采用机械旋转偏振片的探测器，要求具有快速的切换偏振片方位角的功能，从而能实现偏振探测器的连续拍摄，时间差在毫秒级，以至于研究对象不发生太大的空间位置移动。此外还要求偏振探测器能根据太阳高度角的变化，相应地改变探测角，确保仪器能扑捉太阳耀光区域。

其中，步骤二中所述的“波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取”，要求采用的偏振成像光谱仪具有较大的动态探测范围，针对太阳耀光探测时不易饱和；同时要求偏振探测仪具有积分时间调节功能，能够根据入射光的强度与观测角调节合适的积分时间，以至于整幅图像不至于完全饱和。

其中，步骤三中所述的“波浪水面太阳耀光区偏振图像处理”，要求偏振成像探测仪经过严格的偏振定标、辐射定标与光谱定标。能够将获取的四个不同相位延迟下的偏振强度图像，通过反演计算得到该实验场景的四个Stokes参量图像与偏振度图像及偏振角图像。

其中，步骤四中所述的“波浪水面太阳耀光的剥离”，是将四幅具有不同相位延迟的偏振强度图像行傅里叶变换到频率域，在频率域进行低通滤波降噪处理，再进行傅里叶反变换得到空间域图像，将处理后的图像进行融合，得到合成后的图像。要求四个偏振强度图像的饱和区域不能覆盖目标物区域的一半以上面积比例。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明通过基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法可以消除50%-100%的反射光，在很大程度上削弱了太阳耀光的强度，缩小了图像饱和区域的范围；而常规处理太阳耀光方法中，航空遥感需要通过设计合理的飞行路线和选择合适的时间，控制传感器的视向来尽可能避开太阳耀光，而本发明的方法对此没有要求，不受飞行路线与观测时间的限制。国际上部分海洋水色卫星传感器具有调整倾角的能力，采取沿轨前后倾斜（0°～±20°）扫描的方法避开太阳耀光。但部分水色卫星并不具备轨道倾斜探测能力（如中国的HY-1卫星），而且对于综合型卫星平台（非水色专题卫星）搭载多种遥感探测器，为了兼顾其它探测器的需求，通常也不具备姿态倾斜观测能力，因此，所探测到的图像受太阳耀光的污染是不可避免的。对于太阳耀光污染区，常规的处理是采用“剔除”方法，将遥感影像中受太阳耀光污染严重的像素通过阈值法将其剔除，不参与后续的信息提取。但大量像素因太阳耀光的污染而被剔除会造成很多数据空白区，降低了遥感图像的可利用率，造成了遥感数据的不完整性。本方法通过偏振消光，可以大大低降低遥感图像太阳耀光的反射强度，大大地减小了耀光范围与影像饱和区域，可以直接进行太阳耀光下目标物的识别与信息提取。

（2）本发明认为动态波浪起伏导致的太阳耀光是水面真实反射的随机噪声，通过自相关分析时间序列偏振图像，通过频率域滤波降噪处理，达到去除或减弱太阳耀光的目的，是一种既简单又高效的方法。

（3）本发明与常规偏振遥感探测方法的一个显著区别在于常规偏振遥感方法若需最大程度地剥离水面反射光的影响，必须严格采用布儒斯特角进行探测，而且这种方法仅对静止水面有效，对于波浪水面，遥感器视场内的反射光不可能全满足布儒斯特角的严格条件，水面反射光中还残余大量的平行入射面的线偏振光，其强度与离水辐亮度相当，即信噪比接近1，信号被噪声所掩盖。因此在实践中往往难以达到理想的效果。此外，常规偏振方法对遥感器的严格观测条件限制，通常的卫星传感器很难达到如此大的观测角（53°），因此制约了其在星载平台的应用，而本发明的方法对遥感器的观测角度没有选择性，即不限于布儒斯特角观测，对于非布儒斯特角同样有效，能在星载平台上得以很好地应用，因此本方法具有更广泛的适用性。

（四）附图说明

图1为本发明的技术流程框图

图2(a)为相位延迟1偏振图像

图2(b)为相位延迟2偏振图像

图2(c)为相位延迟3偏振图像

图2(d)为相位延迟4偏振图像

图2(e)为太阳耀光剥离结果

（五）具体实施方式

为了更好地说明本发明涉及的基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，利用本实验室自行研制的基于LCVR偏振成像多光谱探测仪于2012年10月17-20日在北京市海淀区紫竹院公园的开阔湖面进行了长时间多场景水面探测试验，取得了良好的效果，见图1，具体实施方法如下：

步骤一：选择合适的天气条件，要求天气晴朗，确保有较强的太阳直射光入射到水面，能在水面形成太阳耀光；本试验选择在2012年10月17-20日进行；

步骤二：选择合适的地点，要求水面开阔，周边没有大型建筑与树木等遮挡，确保在太阳高度角低时也能进行试验；此外要求水面具有一定的波浪，能形成较大的太阳耀光区；

步骤三：数据获取：在太阳耀光区设置典型的人造目标物，基于实验室自行研制的LCVR偏振成像多光谱探测仪进行数据获取；

步骤四：数据处理与太阳耀光剥离：见图2(a)—图2(d)，利用四幅不同相位延迟下的偏振强度图，通过仪器矩阵求逆的方法解算出入射光Stokes矢量，并绘制出偏振度图，太阳耀光背景中目标物的偏振特性与水体反射光的偏振特性存在显著区别，此方法可以将目标物进行分离；对四幅不同相位延迟下的偏振强度图像，按对应像素进行傅里叶变换在频谱域进行低通滤波，再进行傅里叶反变换到空间域得到处理后消除太阳耀光的遥感图像，实现太阳耀光的剥离目的。图2(e)为太阳耀光剥离结果。

Claims (7)

1.一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：选择合适的时间与地点进行水面偏振遥感试验；

步骤二：选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取：设置典型的波浪水面太阳耀光场景，选择典型的目标物，利用基于LCVR即液晶相位可变延迟器的偏振成像探测仪进行波浪水面偏振成像探测，得到不同相位延迟量的偏振强度图像；

步骤三：波浪水面太阳耀光区偏振图像处理：对获取的不同相位延迟量的偏振强度图像进行处理，计算得到四个Stokes参量与偏振度、偏振角图像；

步骤四：波浪水面太阳耀光的剥离：基于时间序列分析与图像融合相关数据处理技术，计算得到分离太阳耀光背景下的目标物。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：步骤一中所述的“选择合适的时间与地点进行水面偏振遥感试验”，其中，选择合适的时间是指天气条件，要求天气晴朗，确保有强的太阳直射光入射到水面，能在水面形成太阳耀光；选择合适的地点，要求水面开阔，周边没有大型建筑与树木遮挡，确保在太阳高度角低时也能进行试验；此外，水面要有波浪，能形成较大范围的太阳耀光区。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：步骤二中所述的“选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取”，是利用偏振成像多光谱探测仪在水面对太阳耀光区进行探测，要求目标物部分或完全被太阳耀光掩盖，即目标物处于太阳耀光覆盖区。

4.根据权利要求1所述的一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：步骤二中所述的“选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取”，要求采用基于LCVR原理设计偏振成像多光谱探测仪，能实现多个相位延迟的快速拍摄，或者采用机械旋转偏振片的探测器，要求具有快速的切换偏振片方位角的功能，从而能实现偏振探测器的连续拍摄，时间差在毫秒级，以至于研究对象不发生太大的空间位置移动；此外还要求偏振探测器能根据太阳高度角的变化，相应地改变探测角，确保仪器能扑捉太阳耀光区域。

5.根据权利要求1所述的一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：步骤二中所述的“选择合适的仪器进行波浪水面太阳耀光区时间序列偏振图像获取”，要求采用的偏振成像光谱仪具有较大的动态探测范围，针对太阳耀光探测时不易饱和；同时要求偏振探测仪具有积分时间调节功能，能够根据入射光的强度与观测角调节合适的积分时间，以至于整幅图像不至于完全饱和。

6.根据权利要求1所述的一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：步骤三中所述的“波浪水面太阳耀光区偏振图像处理”，要求偏振成像探测仪经过严格的偏振定标、辐射定标与光谱定标，能够将获取的四个不同相位延迟下的偏振强度图像，通过反演计算得到该实验场景的四个Stokes参量图像与偏振度图像及偏振角图像。

7.根据权利要求1所述的一种基于偏振遥感探测的波浪水面太阳耀光剥离方法，其特征在于：步骤四中所述的“波浪水面太阳耀光的剥离”，是将四幅具有不同相位延迟的偏振强度图像行傅里叶变换到频率域，在频率域进行低通滤波降噪处理，再进行傅里叶反变换得到空间域图像，将处理后的图像进行融合，得到合成后的图像，要求四个偏振强度图像的饱和区域不能覆盖目标物区域的一半以上面积比例。

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