[科普中國]-影像鑲嵌

簡介

遙感影像的單景影像堵塞覆蓋范圍是有限的，對于高分辨遙感影像尤其如此。很多情況下，往往需要很多景影像才能完成對整個研究區(qū)域的覆蓋。此時，需要將不同的影像文件無縫地拼接成一幅完整的包含研究區(qū)域的影像，這就是影像的鑲嵌。通過鑲嵌處理，可以獲得單一傳感器所無法得到的覆蓋更大范圍的地面影像。參與鑲嵌的影像可以是多源的，可以是不同時間同一傳感器獲取的，也可以是不同時間不同傳感器獲取的影像，但同時要求鑲嵌的影像之間要有一定的重疊度，而且具有相同的波段數(shù)。在拼接之前，要求先將多源影像進(jìn)行配準(zhǔn)，拼接后要通過后續(xù)處理消除原始影像間的接縫。前者通過幾何糾正實(shí)現(xiàn)，后者通過影像的勻光實(shí)現(xiàn)。2

影像鑲嵌技術(shù)的目的就是把一系列真實(shí)世界的圖像合成一個單一的、更大的、更復(fù)雜的全維場景。通過影像鑲嵌技術(shù)，可以剔除冗余信息，壓縮信息存儲量，從而更加有效地表示信息。由于遙感成像每一景范圍有限，每一景遙感影像所包括的地理區(qū)域都有一定的范圍．不同分辨率的影像所限定的范圍不一樣，一般分辨率高的遙感影像所包含的實(shí)際地理范圍要小。通常一個地區(qū)難以被一定分辨率下的單幅遙感影像所完全覆蓋，因此遙感影像鑲嵌在實(shí)際工作中尤為重要，是遙感圖像處理的一個重要環(huán)節(jié)。3

影像鑲嵌的主要內(nèi)容遙感影像鑲嵌是將兩幅或多幅遙感圖像(這些圖像可能是在不同的成像條件下獲取的)拼接在一起構(gòu)成一幅整體圖像的過程。這個過程通常先對每幅圖像進(jìn)行幾何糾正，將它們劃歸到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，然后對它們進(jìn)行裁剪，去掉重疊的部分，再將裁剪后的多幅圖像鑲嵌在一起，最后消除色彩差異，形成一幅寬幅的圖像。根據(jù)用于鑲嵌的影像是否經(jīng)過幾何糾正、是否含有地理編碼，鑲嵌可分為基于像元的鑲嵌和基于地理坐標(biāo)的鑲嵌。影像鑲嵌一般包括以下幾個主要過程：

影像定位即指相鄰影像間的幾何配準(zhǔn)，其目的是為了確定影像的重疊區(qū)。重疊區(qū)確定的準(zhǔn)確與否直接影響到影像鑲嵌效果的好壞。

色彩平衡色彩平衡是遙感影像數(shù)字鑲嵌技術(shù)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同時相或成像條件存在差異的影像，由于要鑲嵌的影像輻射水平不一樣，影像的亮度差異較大，若不進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，鑲嵌在一起的幾幅圖，即使幾何位置配準(zhǔn)很理想，由于色調(diào)各不相同，也不能很好地應(yīng)用于各個專業(yè)。另外，成像時相和成像條件接近的影像也會由于傳感器的隨機(jī)誤差造成不同像幅的影像色調(diào)不一致。從而影響應(yīng)用的效果，因此必須進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，包括影像內(nèi)部的色彩平衡以及影像間的色彩平衡。

接縫線處理接縫線處理可細(xì)分為重疊區(qū)接縫線的尋找以及拼接縫的消除。接縫線處理的質(zhì)量直接影響鑲嵌影像的效果。在鑲嵌過程中，即使對兩幅影像進(jìn)行了色調(diào)調(diào)整，但兩幅影像接縫處的色調(diào)也不可能完全一致，為此還需對影像的重疊區(qū)進(jìn)行色調(diào)的平滑以消除拼接縫。

對于已經(jīng)過地理坐標(biāo)定位的影像，采用基于地理坐標(biāo)的鑲嵌方式，影像間重疊區(qū)由其坐標(biāo)計(jì)算而得；不包含地理編碼的影像則須采取基于像元的鑲嵌，可以通過影像間的特征點(diǎn)匹配或手工指定來確定重疊區(qū)，而ENVI使用手工指定方式。3

影像鑲嵌的分類遙感圖像的鑲嵌就是把工作區(qū)的許多幅遙感影像拼接成一幅全區(qū)的遙感影像，影像的鑲嵌一般可分為非控制鑲嵌和控制鑲嵌兩類。

非控制鑲嵌非控制鑲嵌是用經(jīng)糾正的遙感影像切去重疊部分，粘貼鑲拼，鑲嵌后的圖像稱為影像略圖或像片略圖，有人把像片索引圖也稱為一種非控制鑲嵌，即所謂非控制像片索引鑲嵌，在遙感地質(zhì)調(diào)查中，較多的情況是使用像片略圖，它也可以用作構(gòu)造略圖、地質(zhì)略圖和實(shí)際材料圖的底圖。

控制鑲嵌這種鑲嵌方法，需先按一定的比例尺繪制出控制點(diǎn)網(wǎng)，這些控制點(diǎn)必須是像片上明顯的點(diǎn)。經(jīng)野外調(diào)繪進(jìn)行控制測量，或在比例尺比鑲嵌圖比例尺大的質(zhì)量較好的地形圖上查取。按控制點(diǎn)網(wǎng)平面圖，求出每個像片主點(diǎn)的位置，并將所有的像片逐張糾正后，剪貼鑲拼，這種鑲嵌圖上排除了由于飛機(jī)飛行不穩(wěn)定造成的各種誤差，稱為影像平面圖或像片平面圖。這與攝影測量的方法類似。

按控制點(diǎn)網(wǎng)平面圖(包含每張像片主點(diǎn)位置)進(jìn)行鑲嵌，也可以用未經(jīng)糾正的像片鑲嵌，稱之為半控制鑲嵌，但須注意在應(yīng)用這種鑲嵌方法時，控制點(diǎn)網(wǎng)平面圖的比例尺，必須是全部像片的平均比例尺。4

制作影像鑲嵌圖須注意的問題我們知道由于地面高差產(chǎn)生投影差，以及飛機(jī)飛行中產(chǎn)生的像片傾斜和比例尺不一致等因素鑲嵌的像片略圖上影像的錯斷、重復(fù)和缺失等“鑲嵌誤差”的現(xiàn)象，往往是不可避免的。若以高程較低的地面為準(zhǔn)鑲嵌時，可能使高程較高的影像缺失較多。若以高程較高的地面為準(zhǔn)鑲嵌時，可能產(chǎn)生較多的影像重復(fù)，所以在像片鑲嵌的整個過程中，應(yīng)盡量分散這些誤差，不要使這些誤差集中在某個局部，造成影像太大的不連續(xù)。另一方面根據(jù)具體用途，確定是寧可重復(fù)多一些，還是缺失多一些。一般用做地質(zhì)構(gòu)造圖的底圖時，缺失可多一些，但作實(shí)際材料圖的底圖時寧可重復(fù)多些。具體在圖像鑲嵌過程必須注意以下幾點(diǎn)：

1.在切割、粘貼像片之前，必須將所有像片放在裱貼底板上認(rèn)真進(jìn)行編排，先粗排，后精排，盡可能減少錯斷、重復(fù)和缺失等鑲嵌誤差，編排好后用針刺點(diǎn)，將像片初步定位。

2.切割、粘貼像片的次序應(yīng)從圖幅中最重要的部分開始，切一張、貼一張，由中心向四周拼貼。

3.切割像片時，應(yīng)將刀片輕輕切破像片的乳膠層，不要切透紙基，然后斜向撕開紙基，使像片保留部分的邊緣呈逐漸減薄狀態(tài)，再用砂紙將撕去了部分紙基的像片邊緣的底部磨光，即可粘貼，這樣切割的像片，可避免鑲接處翹起。4

全色遙感影像鑲嵌進(jìn)行影像鑲嵌時，首先應(yīng)指定一幅參考圖像，作為鑲嵌過程中對比度匹配以及鑲嵌后輸出圖像的地理投影、像元大小、數(shù)據(jù)類型的基準(zhǔn)；在重復(fù)區(qū)域，各圖像之間應(yīng)有較高的配準(zhǔn)精度；盡管其影像像元大小可以不一樣，但應(yīng)包含與參考圖像同樣的波段數(shù)。

用于鑲嵌的遙感影像可能來自不同的傳感器，具有不同的獲取時間。它們之間存在較大的幾何變形差異和顏色差異，因此全色遙感影像鑲嵌的關(guān)鍵如下：

(1)在幾何上將多幅不同的影像連接在一起。因?yàn)樵诓煌瑫r間用相同的傳感器以及在不同時間用不同的傳感器獲得的影像，其幾何變形是不同的。解決幾何連接的實(shí)質(zhì)就是幾何糾正，將所有參加鑲嵌的影像糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，去掉重疊部分后將多幅影像拼接起來形成一幅更大幅面的影像。

(2)保證拼接后的影像反差一致，色調(diào)相近，沒有明顯的接縫。這一問題需要通過影像勻光的方法解決。2

多波段遙感影像鑲嵌多波段遙感影像的鑲嵌和全色影像鑲嵌的原理是一致的。相對于全色影像，多波段影像具有多個波段，對于鑲嵌過程有更為嚴(yán)格的要求。比如有的多波段假彩色合成影像，各波段之問有時會出現(xiàn)配準(zhǔn)不好、像元錯位，在使用時需對各波段進(jìn)行微量平移，消除因波段之間的錯位而產(chǎn)生的合成影像模糊現(xiàn)象。遙感影像鑲嵌效果直接取決于原始影像精度，各類遙感影像都存在幾何糾正的問題，必要的時候需要對待鑲嵌的原始影像的各個波段間分別配準(zhǔn)，以提高鑲嵌影像的質(zhì)量。

多波段影像的鑲嵌中，接縫的消除更為復(fù)雜。如果原始影像本身還存在各部分色彩不一致，還需要先對原始影像進(jìn)行色彩平衡，消除原始影像內(nèi)色調(diào)不均勻。對于影像色調(diào)平衡問題，有基于小波變換的拼接線消除算法和直方圖匹配等?；谛〔ㄗ儞Q的算法效果較好，但是在實(shí)際應(yīng)用中該算法過于復(fù)雜，處理時間較長。一般的遙感影像處理軟件中采用直方圖匹配加接縫羽化的處理方法。2