CN104077740A - 月球遥感图像的灰度均衡处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种月球遥感图像的灰度均衡处理方法，该方法包括以下步骤：建立光照校正模型；计算光照校正模型中的各个参数；利用所述光照校正模型，对月球遥感图像进行光照归一化处理；将经过光照归一化处理后的相邻轨影像数据按照实际月面地理位置进行镶嵌处理，得到镶嵌后的大区域图像数据。本发明能够提高月球遥感图像数据的质量，解决相邻图像色调上的不统一和纹理上的不连续的问题，从而实现在全球影像进行镶嵌时，不再出现明显的拼接痕迹的技术效果。

Description

月球遥感图像的灰度均衡处理方法

技术领域

本发明涉及遥感图像处理及应用领域，特别是一种月球遥感图像的灰度均衡处理方法。

背景技术

在月球遥感影像处理中，为了获得全球范围的影像，需要将多幅(景)遥感图像拼成一幅影像图，在这个过程中，影像镶嵌是非常重要的一步。影像镶嵌的关键技术问题之一是消除图像上因成像条件不同而引起的灰度(或颜色)差异从而出现的明显的拼接痕迹。对于多幅影像镶嵌来说，由于相机成像工作模式、成像时间、太阳光照条件有差异，导致同名地物在相邻图像上的亮度值不一致，致使镶嵌的图像呈现补丁状，显示出明显的拼接线，这一问题主要是由多幅影像色调不均匀引起的。为了获得灰度一致的拼接图像，必须对图像进行灰度均衡处理。

现有常用的基于影像灰度均衡进行拼接痕迹消除的方法有：方差均值法、直方图匹配法。它们是以一幅图像像元灰度的均值、方差或直方图为参考标准，变换另一幅图像像元的灰度值，从而使两幅图像的亮度变化规律尽可能地接近。

但由于月球影像中月海地区纹理特征不丰富、对比度不明显，而且月海和高地影像亮度均值存在明显差异，按常规方法处理，无法完全解决全月球范围内相邻图像间色调上的不统一和纹理上的不连续问题，致使它们在彼此镶嵌时，往往会出现明显的拼接痕迹，如图1所示的根据克莱门汀发布数据得到的全月球局部区域数据存在明显拼接痕迹情况示意图。

发明内容

为了解决上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种有效的、符合月球影像图镶嵌处理时所需的遥感图像灰度均衡处理方法。

本发明提出的一种月球遥感图像的灰度均衡处理方法包括以下步骤：

步骤1，建立光照校正模型以对月球遥感图像的光照几何进行归一化处理；

步骤2，计算所述光照校正模型中的各个参数；

步骤3，利用所述步骤1得到的光照校正模型，对月球遥感图像进行光照归一化处理；

步骤4，将经过所述步骤3处理后的相邻轨影像数据按照实际月面地理位置进行镶嵌处理，得到镶嵌后的大区域图像数据。

本发明相对于现有技术，能够提高月球遥感图像数据的质量，解决相邻图像色调上的不统一和纹理上的不连续的问题，从而实现在全球影像进行镶嵌时，不再出现明显的拼接痕迹的技术效果。

附图说明

图1是全月球局部区域数据存在明显拼接痕迹情况示意图；

图2是本发明月球遥感图像的灰度均衡处理方法流程图；

图3是本发明中光照几何参数的定义示意图；

图4是灰度均衡校正前后的图像比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的目的在于提供一种有效的、符合月球影像图镶嵌处理时所需的遥感图像灰度均衡处理方法。考虑到月球没有大气的影响，月表反射率与其物质成分、物理性质(月壤颗粒的大小、致密度等)和太阳的光照几何有关。因此，如果将月球图像中的光照几何影响消除，归一到相同的光照条件下，图像灰度值反映的就是目标物本身辐射亮度的相对变化。

因此，本发明首先对月球影像进行光照条件归一化处理，校正由于太阳入射角、相机观测角和相位角等参数不同而引起的目标物辐射亮度变化，从而解决相邻图像镶嵌色调上的不统一和纹理上的不连续问题。

图2是本发明月球遥感图像的灰度均衡处理方法流程图，如图2所示，所述月球遥感图像的灰度均衡处理方法包括以下步骤：

步骤1，建立光照校正模型以对月球遥感图像的光照几何进行归一化处理；

在对月球遥感图像的光照条件进行归一化处理之前，需要建立一个月表反射率r(i，e，α)随光照几何变化的数学模型作为光照校正模型以对图像的光照几何进行归一化处理。常用的校正模型包括经验模型(如Lommel-Seeliger模型)和由辐射传输方程导出的物理模型(如Hapke模型)。本发明采用改进的Lommel-Seeliger模型，如式(1)所示，其中，该模型在相位函数f(α)中增加一指数项，以改善小相位角成像条件的影像校正效果：

$r(i,e,\mathrm{\α})=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0+\mathrm{\μ}}f\left(\mathrm{\α}\right)---\left(1\right)$

其中，i、e、α分别为光照几何参数的太阳入射角、相机观测角和相位角，图3是本发明中光照几何参数的定义示意图，图3中，Sun为成像时刻太阳所在的位置，Observer为相机所在的位置，P点为图像中某像元对应的月面目标位置，N为P点处月面法线方向；i为太阳入射角，即直线PSun与PN之间的夹角，e为相机观测角，即直线PObserver与PN之间的夹角，α为相位角，即直线PObserver与PSun之间的夹角；μ₀，μ分别为太阳入射角i和相机观测角e的余弦值；相位函数 $f\left(\mathrm{\α}\right){=b}_0{e}^{-b_1\mathrm{\α}}+a_0+a_1\mathrm{\α}+a_2{\mathrm{\α}}^2+a_3{\mathrm{\α}}^3+a_4{\mathrm{\α}}^4,$ 其中，b₀，b₁，a₀，a₁，a₂，a₃，a₄为相位函数的校正参数，这些校正参数可以根据图像辐亮度值、光照几何参数等统计计算得到。

步骤2，计算所述光照校正模型中的各个参数；

所述步骤2包括对于光照几何参数的计算和对于校正参数的计算：

(1)光照几何参数的计算

利用卫星轨道、卫星姿态、相机安装角等数据，解算出月球遥感图像中所有像元的光照几何参数，包括所有像元的太阳入射角i、相机观测角e、相位角α等参数。

(2)校正参数的计算

首先从月球赤道附近的影像中，选取成像时相位角较小的像元，计算指数项(b₀、b₁)和常数项a₀；然后固定指数项和常数项，从月球中高纬度的影像中，选取成像时相位角较大的像元，计算四次多项式的参数项a₁～a₄。相位函数f(α)中的校正参数b₀，b₁，a₀，a₁，a₂，a₃，a₄均采用最小二乘法拟合方法计算得到。

步骤3，利用所述步骤1得到的光照校正模型，对月球遥感图像进行光照归一化处理；

该步骤对待处理月球遥感图像中的所有像元逐一进行光照归一化，以实现灰度均衡化处理，即将待处理月球遥感图像中光照几何参数为i，e，α的辐亮度数据I(i，e，α)，归一到太阳入射角i＝30°、相机观测角e＝0°和相位角α＝30°的标准光照几何情况下的辐亮度数值I(i＝30°，e＝0°，α＝30°)，校正公式如下：

I(i＝30°，e＝0°，α＝30°)＝Cp(i，e，α)×I(i，e，α)  (2)

其中，I(i＝30°，e＝0°，α＝30°)为标准光照几何下的辐亮度值，即某一像元经过光照归一化的辐亮度值，I(i，e，α)为该像元的实测辐亮度值，Cp(i，e，α)为校正系数；r(i＝30°，e＝0°，α＝30°)为标准光照几何下的反射率，r(i，e，α)为光照几何参数(i，e，α)下的反射率。

利用上述公式，可对月球遥感图像中的每一个像元逐一进行光照归一化校正处理，以实现图像的灰度均衡，其中，经过光照校正后的图像数据为归一到i＝30°，e＝0°，α＝30°的标准光照几何条件下的像元灰度值。

图4是灰度均衡校正前后的图像比较示意图，图4的左图为灰度均衡校正前的图像，图4的右图为灰度均衡校正后的图像，从图4的比较中可以看出，本发明能够有效的校正遥感图像的灰度差异。

进一步地，该步骤中，待处理的月球遥感图像也可以为已经经过数据预处理的月球遥感图像，即已经经过辐射校正处理，所述辐射校正处理包括暗电流校正、相对定标和工作模式归一化处理。在本发明一具体实施例中，采用的是嫦娥一号和嫦娥二号已发布的月球2A级影像数据。

步骤4，对相邻轨影像数据进行镶嵌处理。

将经过所述步骤3处理后的相邻轨影像数据按照实际月面地理位置进行镶嵌处理，得到镶嵌后的大区域图像数据，该图像数据镶嵌线附近不存在拼接痕迹，整幅图像色调均匀、一致。

本发明相对于现有技术，能够提高月球遥感图像数据的质量，解决相邻图像色调上的不统一和纹理上的不连续的问题，从而实现在全球影像进行镶嵌时，不再出现明显的拼接痕迹的技术效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种月球遥感图像的灰度均衡处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，建立光照校正模型以对月球遥感图像的光照几何进行归一化处理；

步骤2，计算所述光照校正模型中的各个参数；

步骤3，利用所述步骤1得到的光照校正模型，对月球遥感图像进行光照归一化处理；

步骤4，将经过所述步骤3处理后的相邻轨影像数据按照实际月面地理位置进行镶嵌处理，得到镶嵌后的大区域图像数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光照校正模型表示为：

$r(i,e,\mathrm{\α})=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\μ}}_0+\mathrm{\μ}}f\left(\mathrm{\α}\right),$

其中，i、e、α分别为光照几何参数的太阳入射角、相机观测角和相位角；μ₀，μ分别为太阳入射角i和相机观测角e的余弦值；f(α)为相位函数： $f\left(\mathrm{\α}\right){=b}_0{e}^{-b_1\mathrm{\α}}+a_0+a_1\mathrm{\α}+a_2{\mathrm{\α}}^2+a_3{\mathrm{\α}}^3+a_4{\mathrm{\α}}^4,$ b₀，b₁，a₀，a₁，a₂，a₃，a₄为相位函数的校正参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括对于光照几何参数的计算和对于校正参数的计算。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用卫星轨道、卫星姿态和相机安装角解算得到月球遥感图像中所有像元的光照几何参数：所有像元的太阳入射角i、相机观测角e和相位角α。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于校正参数的计算包括以下步骤：

首先，从月球赤道附近的影像中，选取成像时相位角较小的像元，计算指数项b₀、b₁和常数项a₀；

然后，固定指数项和常数项，从月球中高纬度的影像中，选取成像时相位角较大的像元，计算参数项a₁～a₄。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用最小二乘法拟合方法计算得到所述校正参数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，利用下式对待处理月球遥感图像中的所有像元逐一进行光照归一化：

I(i＝30°，e＝0°，α＝30°)＝Cp(i，e，α)×I(i，e，α)

其中，I(i＝30°，e＝0°，α＝30°)为标准光照几何下的辐亮度值，即某一像元经过光照归一化的辐亮度值，I(i，e，α)为该像元的实测辐亮度值，Cp(i，e，α)为校正系数；r(i＝30°，e＝0°，α＝30°)为标准光照几何下的反射率，r(i，e，α)为光照几何参数(i，e，α)下的反射率。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，待处理的月球遥感图像为已经经过数据预处理的月球遥感图像。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数据预处理为辐射校正处理。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述辐射校正处理包括暗电流校正、相对定标和工作模式归一化处理。