CN106851141A - 一种遥感图像的非均匀性校正方法 - Google Patents

一种遥感图像的非均匀性校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种遥感图像的非均匀性校正方法，包括：根据可见光近红外面阵CMOS相机连续可变积分时间下的深海成像结果和辐射响应模型，得到每个像元的噪声函数系数；根据可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源在不同积分时间下的成像结果和所述噪声函数系数，得到每个像元的非均匀性校正系数；确定通过可见光近红外CMOS相机获得的遥感图像；根据噪声函数系数和非均匀性校正系数，对通过可见光近红外CMOS相机获得的遥感图像进行去噪和非均匀性校正，得到可见光近红外CMOS相机的非均匀性校正的遥感图像。通过本发明实现了针对积分时间可变的可见光近红外面阵CMOS相机的非均匀性校正，克服了获得的遥感图像数据失真的问题。

Description

一种遥感图像的非均匀性校正方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，尤其涉及一种遥感图像的非均匀性校正方法。
背景技术
可见光近红外面阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机拥有上万个像元。与CCD相机将感光产生的电荷逐一送到一个统一的读出口进行读出的工作原理不同，CMOS相机的工作原理如下：在每个像元上完成电平转换，将电荷转化为电压信号，再通过传输线将信号传输至每列的列放大器输出。基于上述CMOS相机的工作原理，由于像元转换增益的不一致性以及列放大器的差异，导致CMOS探测器的非均匀性比CCD差，使得CMOS相机对完全相同的地物成像时面阵CCD相机输出的数字DN值不同即获得的遥感图像数据存在相对严重的失真。
为了克服上述问题，需要对可见光近红外面阵CMOS相机获得的原始遥感图像数据进行非均匀性校正，将面阵CMOS相机的各像元输出值调整到同一基准，使得各像元对完全相同的地物具有相同的数字DN输出值。然而，目前还没有一种针对积分时间可变的可见光近红外面阵CMOS相机进行非均匀性校正的有效方法。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种遥感图像的非均匀性校正方法，针对积分时间可变的可见光近红外面阵CMOS相机进行有效的非均匀性校正，克服了获得的遥感图像数据失真的问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种遥感图像的非均匀性校正方法，包括：
根据可见光近红外面阵CMOS相机连续可变积分时间下的深海成像结果和辐射响应模型，得到每个像元的噪声函数系数；
根据可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源在不同积分时间下的成像结果和所述噪声函数系数，得到每个像元的非均匀性校正系数；
根据所述噪声函数系数和所述非均匀性校正系数，对通过可见光近红外CMOS相机获得的遥感图像进行去噪和非均匀性校正处理，得到可见光近红外CMOS相机的非均匀性校正的遥感图像。
在上述遥感图像的非均匀性校正方法中，所述方法还包括：
根据可见光近红外面阵CMOS相机的成像原理，建立积分时间可变的CMOS相机的辐射响应模型：
DN(i,j)＝f[t,L(i,j)]+n[t,N(i,j)]
其中，i和j为CMOS相机的像元位置(i∈[1,K]，j∈[1,L])；t∈[1,T]为CMOS相机可变的积分时间；DN(i,j)为像元(i,j)的数字DN值；f[t,L(i,j)]为像元(i,j)在积分时间t下接收的辐射亮度L(i,j)函数；n[t,N(i,j)]为像元(i,j)在积分时间t下的噪声N(i,j)函数；K、L和T均为根据实际情况确定的常数值。
在上述遥感图像的非均匀性校正方法中，所述根据可见光近红外面阵CMOS相机连续可变积分时间下的深海成像结果和辐射响应模型，得到每个像元的噪声函数系数，包括：
通过可见光近红外面阵CMOS相机在夜晚对深海成像，得到深海遥感图像；
根据深海遥感图像和所述辐射响应模型，确定每个像元的数字DN值：
DNt(i,j)＝n[t,N(i,j)]
其中，在通过可见光近红外面阵CMOS相机在夜晚对深海成像时，f[t,L(i,j)]≡0；DNt(i,j)为CMOS相机在积分时间t下像元(i,j)的数字DN值；
采用自变量是可变积分时间t、因变量是遥感图像DNt(i,j)值的三次多项式函数作为噪声函数，根据多次获得的T景遥感图像数字DN值，通过方程①建立矩阵方程②后采用最小范数解nt(i,j)＝(Tt TTt)-1Tt TDNt(i,j)作为每个像元(i,j)的噪声函数系数；
其中，方程①如下
DNt(i,j)＝n[t,N(i,j)]＝n0(i,j)+n1(i,j)×t+n2(i,j)×t2+n3(i,j)×t3···①
矩阵方程②如下：
其中，nt(i,j)＝[n0(i,j) n1(i,j) n2(i,j) n3(i,j)]T为像元(i,j)的噪声函数n[t,N(i,j)]系数。
在上述遥感图像的非均匀性校正方法中，所述根据可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源在不同积分时间下的成像结果和所述噪声函数系数，得到每个像元的非均匀性校正系数，包括：
从自然目标中选择一个或多个作为类均匀源；
通过可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源成像，得到类均匀源遥感图像；
根据所述噪声函数系数对所述类均匀源遥感图像去噪；
确定去噪后的类均匀源遥感图像的数字DN值：其中，在通过可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源成像时， C为常数；
采用自变量是去噪后的类均匀源遥感图像值、因变量是去噪后的类均匀源遥感图像整景均值的三次多项式函数作为像元(i,j)的非均匀性校正函数，根据多次获得的T景遥感图像值，通过方程③建立矩阵方程④后采用最小范数解作为每个像元(i,j)的非均匀性校正系数：
其中，方程③如下：
建立的矩阵方程④如下：
其中，R(i,j)＝[R0(i,j) R1(i,j) R2(i,j) R3(i,j)]T为像元(i,j)的非均匀性校正系数。
在上述遥感图像的非均匀性校正方法中，作为类均匀源的自然目标满足如下条件：
自然目标的面积大于面阵CMOS相机的幅宽；
自然目标的均匀性优于3％。
在上述遥感图像的非均匀性校正方法中，所述类均匀源遥感图像满足如下条件：
所述类均匀源遥感图像云量覆盖小于5％或云量覆盖大于95％。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供一种遥感图像的非均匀性校正方法，对可见光近红外面阵CMOS相机获得的原始遥感图像数据进行非均匀性校正，将面阵CMOS相机的各像元输出值调整到同一基准，使得各像元对完全相同的地物具有相同的数字DN输出值，克服了获得的遥感图像数据失真的问题。
(2)本发明针对可见光近红外面阵CMOS相机的可变积分时间特点，建立积分时间可变的CMOS相机辐射响应函数模型，通过对噪声和非均匀性分步进行估计，解决了针对积分时间可变的可见光近红外面阵CMOS相机无在轨的非均匀性校正的技术问题。
(3)本发明充分考虑了可见光近红外CMOS相机在不同积分时间下的线性和非线性噪声特性，通过多积分时间下的深海夜晚成像进行了有效地去噪；同时，对类均匀源进行了合理可行性的限定，并对类均匀源遥感图像的选取进行了有效地控制，提高了非均匀性估计的精度，确保了本发明更具有很强普适性。
(4)本发明所述的遥感图像的非均匀性校正方法应用于可见光近红外面阵CMOS相机，兼顾了可见光近红外面阵CMOS相机成像特点与可实行性，对可见光近红外面阵CMOS相机非均匀性校正具有很强的工程应用意义。
附图说明
图1是本发明实施例中一种遥感图像的非均匀性校正方法的步骤流程图。
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，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种遥感图像的非均匀性校正方法的步骤流程图。在本实施例中，所述遥感图像的非均匀性校正方法主要可以应用于可见光近红外面阵CMOS相机，对可见光近红外面阵CMOS相机成像进行非均匀性校正。
其中，所述遥感图像的非均匀性校正方法包括：
步骤101，根据可见光近红外面阵CMOS相机的成像原理，建立积分时间可变的CMOS相机的辐射响应模型。
在本实施例中，依据可见光近红外面阵CMOS相机的成像原理，在充分考虑成像链路的噪声来源的基础上，可以建立如下积分时间可变的CMOS相机的辐射响应模型：
DN(i,j)＝f[t,L(i,j)]+n[t,N(i,j)]
其中，i和j为CMOS相机的像元位置(i∈[1,K]，j∈[1,L])；t∈[1,T]为CMOS相机可变的积分时间；DN(i,j)为像元(i,j)的数字DN值；f[t,L(i,j)]为像元(i,j)在积分时间t下接收的辐射亮度L(i,j)函数；n[t,N(i,j)]为像元(i,j)在积分时间t下的噪声N(i,j)函数；K、L和T均为根据实际情况确定的常数值。
步骤102，根据可见光近红外面阵CMOS相机连续可变积分时间下的深海成像结果和辐射响应模型，得到每个像元的噪声函数系数。
在本实施例中，可以根据可见光近红外面阵CMOS相机可变积分时间的特点，在没有月光的夜晚对远离陆地的大面积的深海进行连续可变积分时间的成像，通过多次获得的深海遥感图像确定每个像元的噪声函数系数。
优选的，所述步骤102可以包括：
子步骤1021，通过可见光近红外面阵CMOS相机在夜晚对深海成像，得到深海遥感图像。
子步骤1022，根据深海遥感图像和所述辐射响应模型，确定每个像元的数字DN值。
在本实施例中，在没有月光的深夜对远离陆地的大面积的深海成像时，可认为可见光近红外面阵CMOS相机没有接收外界的能量，即f[t,L(i,j)]≡0，深海遥感图像上记录的数字DN值完全由面阵CMOS相机噪声引起，根据所述辐射响应模型DN(i,j)＝f[t,L(i,j)]+n[t,N(i,j)]，可以确定每个像元的数字DN值：DNt(i,j)＝n[t,N(i,j)]。其中，DNt(i,j)为CMOS相机在积分时间t下像元(i,j)的数字DN值。
子步骤1023，采用自变量是可变积分时间t、因变量是遥感图像DNt(i,j)值的三次多项式函数作为噪声函数，根据多次获得的T景遥感图像数字DN值，通过方程①建立矩阵方程②后采用最小范数解nt(i,j)＝(Tt TTt)-1Tt TDNt(i,j)作为每个像元(i,j)的噪声函数系数。
在本实施例中，考虑到可见光近红外CMOS相机在不同积分时间下的线性和非线性噪声，采用自变量是可变积分时间t、因变量是遥感图像DNt(i,j)值的三次多项式函数作为噪声函数，利用多次获得的T景遥感图像数字DN值，通过方程①建立矩阵方程②后采用最小范数解nt(i,j)＝(Tt TTt)-1Tt TDNt(i,j)作为每个像元(i,j)的噪声函数系数。
其中，方程①如下：
DNt(i,j)＝n[t,N(i,j)]＝n0(i,j)+n1(i,j)×t+n2(i,j)×t2+n3(i,j)×t3···①
建立的矩阵方程②如下：
其中，nt(i,j)＝[n0(i,j) n1(i,j) n2(i,j) n3(i,j)]T为像元(i,j)的噪声函数n[t,N(i,j)]系数。
需要说明的是，在本实施例中，将上述子步骤1023得到的每个像元的噪声函数系数，用于在积分时间t下获得的可见光近红外面阵CMOS相机遥感图像噪声去除，即可得到无噪声的遥感图像数据：
且有
步骤103，根据可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源在不同积分时间下的成像结果和所述噪声函数系数，得到每个像元的非均匀性校正系数。
在本实施例中，可以通过可见光近红外面阵CMOS相机对大面积、均匀性好的类均匀源自然目标进行不同积分时间t下的成像，并根据上述步骤102中得到的噪声函数系数对类均匀遥感图像进行去噪处理，基于多次获得的去噪类均匀遥感图像计算得到非均匀性校正系数。
优选的，所述步骤103可以包括：
子步骤1031，从自然目标中选择一个或多个作为类均匀源。
在本实施例中，考虑到面阵CMOS相机像元的差异性以及成像时的大气差异，要求作为类均匀源的自然目标的面积大于面阵CMOS相机的幅宽。
进一步的，当作为类均匀源的自然目标的面积满足上述大于面阵CMOS相机的幅宽的要求后，还要求对所选区域进行平均时地表空间变化对其造成的影响很小，即区域内自然目标具有很好均匀性，为了提高无效像元判定的准确率，要求区域内自然目标的均匀性优于3％。
子步骤1032，通过可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源成像，得到类均匀源遥感图像。
为了获得高精度的校正系数，在本实施例中，可以从类均匀源成像结果中选择无云的或云量覆盖小于5％或云量覆盖大于95％的成像结果作为最终的类均匀源遥感图像。
子步骤1033，根据所述噪声函数系数对所述类均匀源遥感图像去噪。
子步骤1034，确定去噪后的类均匀源遥感图像的数字DN值。
在本实施例中，可见光近红外面阵CMOS相机在线性工作区时，可认为积分时间t下接收的辐射亮度函数f[t,L(i,j)]与积分时间成正比，即另外，对类均匀源自然目标进行成像时，可认为可见光近红外面阵CMOS相机各像元接收外界的能量相同，即(常数)，因此，遥感图像数字DN值除以积分时间t且去除噪声后的遥感图像数字DN值应也为常数，但由于面阵CMOS相机各像元响应的不一致性致使每个像元的数字DN值不一致，记为
子步骤1035，采用自变量是去噪后的类均匀源遥感图像值、因变量是去噪后的类均匀源遥感图像整景均值的三次多项式函数作为像元(i,j)的非均匀性校正函数，根据多次获得的T景遥感图像值，通过方程③建立矩阵方程④后采用最小范数解作为每个像元(i,j)的非均匀性校正系数。
在本实施例中，考虑到可见光近红外CMOS相机在不同积分时间下的线性和非线性响应的不一致性，采用自变量是去噪后的类均匀源遥感图像值、因变量是去噪后的类均匀源遥感图像整景均值的三次多项式函数作为像元(i,j)的非均匀性校正函数，根据多次获得的T景遥感图像值，通过方程③建立矩阵方程④后采用最小范数解作为每个像元(i,j)的非均匀性校正系数。
其中，方程③如下：
建立的矩阵方程④如下：
其中，R(i,j)＝[R0(i,j) R1(i,j) R2(i,j) R3(i,j)]T为像元(i,j)的非均匀性校正系数。
步骤104，根据所述噪声函数系数和所述非均匀性校正系数，对通过可见光近红外CMOS相机获得的遥感图像进行去噪和非均匀性校正处理，得到可见光近红外CMOS相机的非均匀性校正的遥感图像。
在本实施例中，对可见光近红外CMOS相机获得的遥感图像数据，先后利用步骤102得到的噪声函数系数和步骤103得到的非均匀性校正系数，进行噪声去除和非均匀性校正，进而可以得到可见光近红外CMOS相机的非均匀性校正的遥感图像DNR(i,j)＝f[t,L(i,j)]。
综上所述，本发明实施例所述的一种遥感图像的非均匀性校正方法，实现了对可见光近红外面阵CMOS相机的非均匀性校正，将面阵CMOS相机的各像元输出值调整到同一基准，使得各像元对完全相同的地物具有相同的数字DN输出值，克服了获得的遥感图像数据失真的问题。
其次，本发明实施例所述的遥感图像的非均匀性校正方法，针对可见光近红外面阵CMOS相机的可变积分时间特点，建立积分时间可变的CMOS相机辐射响应函数模型，通过对噪声和非均匀性分步进行估计，解决了针对积分时间可变的可见光近红外面阵CMOS相机无在轨的非均匀性校正的技术问题。
再次，本发明实施例充分考虑了可见光近红外CMOS相机在不同积分时间下的线性和非线性噪声特性，通过多积分时间下的深海夜晚成像进行了有效地去噪；同时，对类均匀源进行了合理可行性的限定，并对类均匀源遥感图像的选取进行了有效地控制，提高了非均匀性估计的精度，确保了本发明更具有很强普适性。
此外，本发明实施例所述的遥感图像的非均匀性校正方法可以应用于可见光近红外面阵CMOS相机，兼顾了可见光近红外面阵CMOS相机成像特点与可实行性，对可见光近红外面阵CMOS相机非均匀性校正具有很强的工程应用意义。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种遥感图像的非均匀性校正方法，其特征在于，包括：
根据可见光近红外面阵CMOS相机连续可变积分时间下的深海成像结果和辐射响应模型，得到每个像元的噪声函数系数；
根据可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源在不同积分时间下的成像结果和所述噪声函数系数，得到每个像元的非均匀性校正系数；
根据所述噪声函数系数和所述非均匀性校正系数，对通过可见光近红外CMOS相机获得的遥感图像进行去噪和非均匀性校正处理，得到可见光近红外CMOS相机的非均匀性校正的遥感图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据可见光近红外面阵CMOS相机的成像原理，建立积分时间可变的CMOS相机的辐射响应模型：
DN(i,j)＝f[t,L(i,j)]+n[t,N(i,j)]
其中，i和j为CMOS相机的像元位置(i∈[1,K]，j∈[1,L])；t∈[1,T]为CMOS相机可变的积分时间；DN(i,j)为像元(i,j)的数字DN值；f[t,L(i,j)]为像元(i,j)在积分时间t下接收的辐射亮度L(i,j)函数；n[t,N(i,j)]为像元(i,j)在积分时间t下的噪声N(i,j)函数；K、L和T均为根据实际情况确定的常数值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据可见光近红外面阵CMOS相机连续可变积分时间下的深海成像结果和辐射响应模型，得到每个像元的噪声函数系数，包括：
通过可见光近红外面阵CMOS相机在夜晚对深海成像，得到深海遥感图像；
根据深海遥感图像和所述辐射响应模型，确定每个像元的数字DN值：
DNt(i,j)＝n[t,N(i,j)]
其中，在通过可见光近红外面阵CMOS相机在夜晚对深海成像时，f[t,L(i,j)]≡0；DNt(i,j)为CMOS相机在积分时间t下像元(i,j)的数字DN值；
采用自变量是可变积分时间t、因变量是遥感图像DNt(i,j)值的三次多项式函数作为噪声函数，根据多次获得的T景遥感图像数字DN值，通过方程①建立矩阵方程②后采用最小范数解nt(i,j)＝(Tt TTt)-1Tt TDNt(i,j)作为每个像元(i,j)的噪声函数系数；
其中，方程①如下
DNt(i,j)＝n[t,N(i,j)]＝n0(i,j)+n1(i,j)×t+n2(i,j)×t2+n3(i,j)×t3···①
矩阵方程②如下：
其中，nt(i,j)＝[n0(i,j) n1(i,j) n2(i,j) n3(i,j)]T为像元(i,j)的噪声函数n[t,N(i,j)]系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源在不同积分时间下的成像结果和所述噪声函数系数，得到每个像元的非均匀性校正系数，包括：
从自然目标中选择一个或多个作为类均匀源；
通过可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源成像，得到类均匀源遥感图像；
根据所述噪声函数系数对所述类均匀源遥感图像去噪；
确定去噪后的类均匀源遥感图像的数字DN值：其中，在通过可见光近红外面阵CMOS相机对类均匀源成像时， C为常数；
采用自变量是去噪后的类均匀源遥感图像值、因变量是去噪后的类均匀源遥感图像整景均值的三次多项式函数作为像元(i,j)的非均匀性校正函数，根据多次获得的T景遥感图像值，通过方程③建立矩阵方程④后采用最小范数解作为每个像元(i,j)的非均匀性校正系数：
其中，方程③如下：
建立的矩阵方程④如下：
其中，R(i,j)＝[R0(i,j) R1(i,j) R2(i,j) R3(i,j)]T为像元(i,j)的非均匀性校正系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，作为类均匀源的自然目标满足如下条件：
自然目标的面积大于面阵CMOS相机的幅宽；
自然目标的均匀性优于3％。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述类均匀源遥感图像满足如下条件：
所述类均匀源遥感图像云量覆盖小于5％或云量覆盖大于95％。
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