数字图像处理在航空遥感领域中的运用

数字图像处理在航空遥感领域中的运用盟手摘要数字图像处理技术在航天和航空技术方面的应用，除了上面介绍的JPL对月球、火星照片的处理之外，另一方面的应用是在飞机遥感和卫星遥感技术中。许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的地区进行大量的空中摄影。对由此得来的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省人力，又加快了速度，还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。从60年代末以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星（如LANDSAT系列）和天空实验室（如SKYLAB），由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总不是很高。因此，以如此昂贵的代价进行简单直观的判读来获取图像是不合算的，而必须采用数字图像处理技术。如LANDSAT系列陆地卫星，采用多波段扫描器（MSS），在900km高空对地球每一个地区以18天为一周期进行扫描成像，其图像分辨率大致相当于地面上十几米或100米左右（如1983年发射的LANDSAT-4，分辨率为30m）。这些图像在空中先处理（数字化，编码）成数字信号存入磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。现在世界各国都在利用陆地卫星所获取的图像进行资源调查（如森林调查、海洋泥沙和渔业调查、水资源调查等），灾害检测（如病虫害检测、水火检测、环境污染检测等），资源勘察（如石油勘查、矿产量探测、大型工程地理位置勘探分析等），农业规划（如土壤营养、水份和农作物生长、产量的估算等），城市规划（如地质结构、水源及环境分析等）。我国也陆续开展了以上诸方面的一些实际应用，并获得了良好的效果。在气象预报和对太空其它星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。数字图像处理的优点：1.再现性好数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。2．处理精度高按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。对计算机而言，不论数组大小，也不论每个像素的位数多少，其处理程序几乎是一样的。换言之，从原理上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组参数就可以了。回想一下图像的模拟处理，为了要把处理精度提高一个数量级，就要大幅度地改进处理装置，这在经济上是极不合算的。3．适用面宽图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像（例如X射线图像、射线图像、超声波图像或红外图像等）。从图像反映的客观实体尺度看，可以小到电子显微镜图像，大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像（彩色图像也是由灰度图像组合成的，例如RGB图像由红、绿、蓝三个灰度图像组合而成）组合而成，因而均可用计算机来处理。即只要针对不同的图像信息源，采取相应的图像信息采集措施，图像的数字处理方法适用于任何一种图像。4．灵活性高图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，这极大地限制了光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。1概述航空遥感因其机动灵活、空间分辨率高、平台可装载多种遥感器，在波段、空间和时相的选择航空像片是最早也是最广泛应用的遥感信息源之一，经过几十年来的实践已形成了一门完整的科学，建立了坚实的理论基础和实用的工艺流程，在大地测量、国土规划、工程建设等方面显示了它的巨大应用能力。光学摄影相机从航空到宇宙空间取得了重大进展，相应的摄影胶片化学涂层的光谱响应也从可见光扩展至近红外，光学纠正、冲印处理更臻完善，对应用目标的解译分析方法也逐步形成体系，到目前为止光学摄影图像的地物空间分辨率仍居各类遥感图像之首。当代遥感已从静态定性向动态定量方向发展，地球系统的各类参数瞬息万变，时效性已成为遥感应用中的重要指标之一。为了深入研究地球系统各种自然现象的发生发展规律，需要扩展可见光以外的光谱区域，随着微电子与计算机技术的飞速发展，出现了应用CCD器件(chargecoupleddevice)的推扫式固态相机。1986年2月法国发射的SPOT卫星装备有两台6000元线阵的CCD相机，标志着光学遥感进入了崭新时代。美国、前苏联的不同卫星上也装备有此类遥感器；然而航空CCD相机尚不多见，由于航空遥感受大气及环境诸多因素影响，航空扫描图像的校正有相当的难度，是影响其应用的因素之一。近十年来科学研究的深入、工艺的改进、航空CCD图像向传统的摄影航片发起了挑战，其应用前景十分广阔，虽然在本世纪末航空CCD图像还不大可能代替航片，但至少在相当多的应用领域将能代替它，而替代的趋势将更趋强劲。2航空CCD线阵扫描相机CCD相机由光学系统、CCD器件、相应的电子电路和记录系统组成。线阵CCD器件位于望远镜的焦平面上，作为地物信息的敏感元件，完成光电转换，信号经放大、取样、A／D转换和校正后存储记录，相机结构框图如图1所示。图l相机结构框图由于采用CCD自扫描，免除了光机扫描仪的扫描驱动机构，从而使相机的寿命及可靠性大为提高，又由于CCD的推扫方式，因而CCD单元的光积分时问远远大于光机扫描方式，从而有更高的信号输出和信噪比。相机的视场角a一2tg一(nd／2f)n为CCD像元数，d为CCD光敏元间距，f为镜头焦距。其中关键技术是实时高速校正，由于集成电路工艺限制，CCD器件各像元的响应呈非均匀性，一般可达5～i0％，可通过测量和计算得到各光敏元的响应率，确定校正因子，写入存储器，相机工作时从存储器读出，进行逆处理，从而获得校正处理信息，再记录。3航空摄影相机与CCD推扫数字相机对比分析下面将从四个方面对二者进行分析比较，以探求它们今后发展趋势与应用前景。3．1投资在市场经济法则作用下，任何一项新技术是否具有生命力和持续发展的前途其性能／价格比是重要的评价指标之一，特别对经济实力薄弱的地区和国家更具指导意义。投资包括相机本身价格和记录器与介质价格，如瑞士WildAviophoTRc—i0，RC一20，德国0PTON的RMK系列，ZEISS的MRB系列相机其价格约为3o万美元，而CCD相机价格只有它的十分之一。航摄相机用胶片记录，以片长60m计约可摄200帧相片。黑白片每筒约700元，彩红外片约2500元／筒；冲洗费：黑白片1500元／筒，彩红外片4000元／筒；洗印费彩红外片每张约16元；据此每张彩红外航片费用应为48．5元。而CCD相机用8ram磁带机记录相近的分辨率36线~{／mm计算便于对比，则一盘l12m的8ram磁带约可记录156帧航片，每盘8mm磁带约100元，以可重复使用10次计算，每帧费用为0．064元，另一项费用为磁带机折旧费，以XYBYTE8505磁带机为倒，价格约3万元，而无故障运行小时可高达8万小时．即每小时折旧费约为0．375元，以CCD相机扫描速率每秒100行计算则每一帧(对应航片)费用为0．0053元，二者总计为0．0693元即不到7分钱／帧。由此可见要获得一帧同量级分辨率航空遥感图像，航片费用是CCD数字图像的几百倍。(此处还不包括相机的价格)3．2结构航摄相机光学及机械结构精密，大多采用机械快门及机械输片，体积大、重量重，有一定使用寿命，维护比较复杂；CCD数字机相采用电路扫描，无机械运动机构，寿命长、可靠性高，体积及重量仅及航摄相机的÷至，因而可装载在轻型、超轻型飞机上。3．3图像质量图像质量是遥感最主要指标之一，它直接影响应用效果。3．3．1图像空间分辨率航片的空间分辨率目前仍是最高的，大约为30~80线对／mm，目前CCD图像以4096像元推算，相当于18线对／mm，已出现8000~12000像元的CCD线阵，它们对应36~54线对／ram，已与航片分辨率相当。3．3．2图像几何精度航片已有一系列光学仪器可确保摄影及纠正精度在0．5ram以内；扫描数字图像(如光机多光谱红外扫描)因飞机平台受大气气流影响而产生较大的几何畸变，以及扫描镜旋转速度不均匀，扫描非线性等影响图像质量，采用地面控制点多项式拟合纠正取得了较好效果，CCD相机除本身有较高精度外又采取同步数字记录飞机平台惯性导航系统输出的平台姿态数据，每秒可输出S至1O组平台滚动、俯仰、偏流、速高比等数据以及同步采集全球定位系统(GPS)获取的高精度平台空间位置数据(经度、纬度)经计算机进行数字校正，其误差一般可达一个像元，以4096像元图像为恻，对应误差约为0．OSmm，远高于航片校正的精度。3．3．3图像光谱特性鉴于航片感光涂层的光谱响应有限，目前一般约达0．9um，而地物在红外波段具有丰富的信息，例如石油、天然气、贵金属等在短波红外区均有明显的吸收峰，而当今CCD器件的光谱响应已可达波红外2．5,um区域，因而CCD相机可获更宽的光谱图像，因而可以有更多的波段，而航摄相机如多波段相机因结构所限一般也只有四个波段。至于数字图像的量化可以16二进位表征，相应为65536灰级，远远高于航片的灰阶，因而CCD图像可具有更丰富的细节，更有利于应用。3．4运行操作3．4．1存储记录航空胶片体积大、重量重，需暗盒保存，运行中更换较复杂，而CCD图像由数字磁带或光盘记录，驱动器本身重量只有I．2kg，而磁带或光盘的重量只有感光胶片的1／100，更换极为方便，拷贝复制更是简单易行，速度快、可靠性高，而胶片的冲印复制需要庞大的设备及供水，照片质量还与操作人员技术水平有关。胶片保存对环境要求高、难度大、而光盘存储信息寿命可达几十年或更长。3．4．2处理航片校正、处理、放大需要精密庞大的仪器设备和一定的操作水平，而CCD图像处理已有比较成熟的软件和算法，用户使用简单方便，随着计算机的普及和处理器运算速度及超大规模存储器件的升级，过去因数字处理时间长的问题现在已基本解决，近年出现了一系列专用图像处理超大规模芯片，处理速度更快，因而可以说凡有微机或工作站的部门以至个人，均有能力处理CCD数字图像，它将不再是少数专业机构所独有的能力，这对于我们这样一个经济基础薄弱而经济建设需求迫切的国家来说，其深远意义之大不妨可以说在遥感应用中是一次“小革命”34．3图像获取速度与时效性航片从开始飞行作业到用户获得相片，时间长、工艺流程多，需待飞行完成后冲印处理才能提供用户，然而一些应用领域，如地震、洪水、森林火灾等灾害监测要求实时、快速提供灾况信息，CCD数字图像可利用机一地微波数字传输系统，在飞行的同时将图像实时提供给用户和各级指挥机关，从而适时采取有效措旄以减少人民生命财产的损失，这是航空光学摄影所无法实现的3，4．4运行环境要求航片园感光涂层灵敏度所限，对航摄气象环境条件要求较高，提高胶片感光灵敏度则可能影响其分辨率，而CCD器件具有极高的灵敏度(达零点几勒克斯)，且推扫方式工作光积分时问较长，因而对飞行作业条件要求不高，文中所示CCD图像当时能见度只有3kin，而各类地物仍清晰可辨。3．4．5检索查询胶片一般需放置在温、湿度严格控制的较大空间的片库内，进行编号管理，也有经缩微胶片提供检索，但使用寿命较短，查阅不便；而CCD数字图像采用计算机检索，特别由光盘存储的图像文件更可随机存取，检索时间仅以秒计，且可应用快视系统，应用人员可在屏幕上浏览，也可同时显示航摄日期、航线号、空间坐标、波段号等多种参数，这是航片难以比拟的。3．4．6维护如前述航摄相机结构决定了其维护需有一定水平的人员，胶片存放及工作条件(如温度、湿度、烟雾