PDF《燕蒸蒸》

第 卷第 期年月极地研究 二二,燕蒸蒸 基于粗闭值 和梯度算法的南 极 多光 谱影像云区的提 取 鄂栋 臣陈刚武汉 大学 中国南极测绘研究 中心 , 武汉 提要 利用 玩刀的多光谱影像 , 提出使用粗 闭值 以 及梯度算法提取极地 上空的云.

试验结果表明 , 粗 阂值增加 了阂值算法 的灵活性 , 并结合梯度算法 , 由粗到精 , 达到了较 好的极地 目标识别效果 . 关键词 云 区提取 粗阂值 梯度算法 极地地 区 的特点是高纬度 , 低太阳高度角 , 而且地 面被大量冰雪覆盖 . 因此极 地与其 它地方相 比,云区提取 的难 点是 首先 , 在可见 光波段云 区 和下 垫面的冰原 都具有 很高的反射率 其次 , 由于可能 出现温度倒置 的情况 , 云顶 温度不一定 比冰原表面温度低 , 使得热 红外波段上 的提取产生 困难 . 所以,需要使用 多光谱数据 , 综合地物多波段信息来达到云 区 提取 的 目的 . 但是对于 多光谱数据来说 , 目前 的一 些算法都是基 于 多影 像数据统计来 确定一个最佳 阂值 , , , 但是 由于 阂值受太 阳高度角 、 大 气状况 和季节 等多种 因素 的影 响,,

自动确定 最佳阂值是 非 常困难 的.因此 , 本文探讨使用粗 的阂值标准 , 通过 梯度算法 , 由粗到精 , 提高 了云 区检测 的精确度 . 理论算法 极地 内陆地 区基本上 可 以分为地 面裸露岩石 、 冰川 以及其它地面 冰雪 区,卫星影像再 加上 云层 的影 响和随之产生 的阴影 , 共分为五类待识别 目标 . 文 中首先通 过不 同波段影 像使用粗阑值提取大于待识别 目标 的范 围,然后 经过 交叉 限制条件 , 进 行精化 , 提高识别 的准确率 . 本文使用 一 影像的可见光波段 一戎 〕 协、近红外波段 〔 收稿 日期 年月收到来稿 . 〔 基金项 目〕南极地理信息获取及环境动态过程研究资助项 目一刀.作者简介 」 鄂栋 臣,武汉 大学 中国南极 测绘研究 中心 主任 , 教授 , 博士生 导师.现主要从 事极 地 测绘遥 感信息 领域 的研究工作 . 极地研究 第卷一协和热红外 的波段 一协.以上各波段特点见表 . 算法 总 体流程见 图.其中代表亮度温度 , 代表反射率 户、刃代表雪被指数归一化差 . 表刀技术参数 刀 波段序号 波长范围 林 一戒 林一协一『协分辨率 极地特性 雪地轻微可见 浮冰和海面可辨 裸岩与海水 、 裸岩和冰 雪之间 区别明显 融雪可 以显示 雪面不 同层次温度的变化 弓、飞裸裸露岩石 石石石石石石石石一提取云 区,,

阴阴阴阴阴阴阴阴阴阴阴阴影区 、 、 地地地地地地地地地地地地面冰雪区 区冰冰川川川川川川川川川刀可可可可可可可可可可可可能的云 区区」」丫图算法总体流程 图是系列卫星计算云 覆盖 量 的算 法,严厉 喜等 , . 它是一个两遍扫描处理方案 , 第一遍扫描分别使用 个过 滤器 , 第二遍 扫描使用 热红外 波段来分析 . 的第一遍 扫描过程 的 个过滤器 中只有一个对 于 冰雪 区 的提 取有效 雪被指数归一化差 刀口 . 其它 的过 滤器被用 来区分高反射 的植 被、岩石 和沙 地.刀口 被设计用来从其它大部分特征 中区 分云 , 计算公式如下 八刀 一占占丫口 通过确定一个 闽值来 区分象素的云 点和非云 点,大于这个 阂值为 云点.但是 由 于前述 的极地地 区特殊 的地理 环境影 响 洲口 算法对 于 极地 云区的检测效果 很不 理想 . 每幅影像的阂值都是变化 的.经过统计 , 算法在极地地 区合适 的 阂值范 围在 一习 之间,.因此 , 影像上大于 的区 域是可 能的 云区,其范 围一定大于实 际的云 区 而小于 的区域是可 能 的地面 冰雪 区,它一定包括 实际地 面 冰雪 区 的范 围.此次使用 的是南极夏季 的影 像,处于极 昼 中的岩石 由于 长时间受太 阳辐 射,经过统计,这个时期岩石在波段 热红外 影像上 的亮度温度全部超 过,而冰雪 区和云层温度几乎都在 以下 . 因此 阂值可 以定为 , 即可准确区分岩石 区域 . 波段 影像 的 特点是冰川 的反射率较其它 目标物体低 的多 , 几乎 为,这里使用 阂值 即可把它们 第期鄂栋 臣、陈刚 基于粗 阂值和梯度算法 的南极多光谱影像云 区 的提取 和其它 的 目标物体准确识别开 . 波段 影像 的特点是岩 石 的反 射率很低 , 阴影 和 冰川 的反 射率相 似,介于岩石和冰雪、云区之间,如图 所示 . 确定 一个较粗 的闽值范 围 一代 来提取 阴影 区,去除冰川 和裸露岩石 的像素 目标后 , 所剩下 的像素点代表 的即是可 能 的阴影 区,其范 围大于实际 的 阴影 区域 , 包 括部分地面 冰雪 . 闷闷主鱼翌兰五 争 阴影和冰 冰票票巨巨,……、…,,

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… … … 专皿氧帜碱石石待识别 目标反射率 图 波段 中待识别 目标的反射率分布 通过 以上 步骤 , 已经成功提取准确 的裸露 岩石 区域 和冰川区域.在去除以上裸露岩 石和冰力两种 目标后 , 剩下 的就是 范围都较实际大的云 区、阴影 区 和地 面冰雪区 . 其 中云 区 与地面冰雪 区有相交 区域 , 且 阴影与地 面 冰雪 区 也存在相 交区域.下面将通过梯度算 法缩小云 区、阴影 区 和地 面冰雪 区 的范围 , 达到 比较准确 的云 区提取 . 在 波段 的影 像上 , 可 以发现 以上 三类待识别 目标 的反射率有 比较 明显 的差异 , 只是 云区和阴影 区分别与地 面 冰雪 区都有交叉 , 如图 所示 . 由于沿着太 阳方位角方 向,云与其阴影 是交替 出现 的,我们计算这个方 向上 的反 射率 的梯度值 , 可 以得到 图 所示 的一 条 扫描线 个象素距离上 的反射率梯度值 的变化规律 . 可以看出,图上 梯 度绝 对值大 的 象素必定代表 云 区或 阴影 区 的边 缘,这里经过试验 取 阂值为 . 但是 , 由于 云 与阴影 相对位置情况有 种 相交与相离 . 所 以梯度 最 大值处 和最小值处 并不 能表 明是 云区还是阴影 区 目标 的边缘 . 此时,即可利用前述所得 的可 能云 区和可能阴影 区 的结果 取交集 得 到真正 的云 区和阴影 区,所剩 区 域即为地 面冰雪 区.………………………,,

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专皿氧瑕碱】石待识别 目标反射率 图 波段 中待识别 目标的反射率分布 对已经提取待识别 目标后 的结果影像使用形态 学 闭操作 以 减小灰度影像上 的细小空 极地研究 第卷洞和狭 窄的缝 隙.形态 学 闭操作是用 子图结构元素 乙对 图像 进行 闭操作表示 为厂 定义 为・①的 即对 先膨胀后腐蚀 的运算结果 阮秋 琦,.闭操作 中使用 的结构元 素是一个定 义为的矩 阵.入入入尹尹、、洲…,伙…,,

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曰一一娜侧辑名哥布以沿扫描线方 向的象素距离 个图波段 某条扫描线上沿太 阳方位角的反射率的梯度值 实验结果及分析 试验数据是南极 中山站 附近地 区年月日获取 的 多光谱影像 . 影像的太 阳方位角是 . , 太阳高度 角是 , 轨道 号是.试验 区域影像 的大小是 像素 像素 . 影像已经进行 了几何校 正 和辐射 校正处理 . 图 左边是原始波段 影像经过 图像拉伸 , 变换等增强处理操作的结果 , 以便 突出各类待识别 目标 . 其中,左边 的 白色 区 域是裸露岩石 区域,是南极 中 山站 的设 站位 置,反射率很小 的黑色 区域是 冰川 区,右方的两块 白色 区 域是云层 区,还可以看到下 面的灰色阴影 区,其它 区域是地 面冰雪 区.图右面影 像则是试验 的结果影像 . 为 了方便 与 原始影像对 比,结果 影像 的颜色设置 与左 图相似 . 图士曾强处理后 的原始影像 左图和试验结果影像 右图第期鄂栋 臣、陈刚 基于粗阂值和梯度算法 的南极多光谱影像云 区 的提取 在一的刀刀 算法中使 用的是波段和波段,是因为云和雪在波段一代 〕 林 处都具有高的反射率 , 然 而近红外 波段 一林处,云的反 射率比雪 的反射率要 高.在试验 中,由于 波段 影 像上 的待识别 目标 的反射特性 与波段 非常相似 , 笔者也试验用 波段 的影像 一.林代替波段 的影像 , 结果发现 , 试验中也能起到 与波段 相似的效果 . 因此对 于 刀刀 算法 而言,在缺乏波段 时,波段 不失为一个很好 的替代波段 . 实际 中,云层分为积云 、 卷云和层云三 大类 . 对 于厚 的积 云 和层 云来说 , 与雪地或 阴影区相交 的边缘 的梯度 变化很 明显 , 其 内部反 射率 的变化也 比较均匀 但是 对于卷云而言,其边缘存在不确定性 问题 , 是一个逐渐过 渡的过程 , 可 以看作是一个过渡 区,所以边缘 处难产生梯度变化很大 的像素点 , 而在 内部亦可能 出现 大的梯度 阶跃 的像素 . 因此 , 在梯 度算法搜寻过程 中,笔者使用 一个长 为 个像素 的模板 , 内部像素取均值 , 消 除了卷 云由于内部反射率变化不 均衡而可 能使梯度算法 产生错误判断的 问题 并且每次移动 个像 素作为过渡 区 的大小 , 能有效避免 由于边缘逐渐过渡而使梯 度算法失去作用 的后果 . 从原 始影像 中可 以看到 , 右上方和右侧 中部地 区有两块 比较厚 的卷云层 , 在结果影 像可以比较好地检测 出来 . 利用 太 阳人射 的方 向依次可 以看到云 层及 其 阴影 区域,而且 两 者的形状基本相 同,这一点也与原始影像 比较一致 . 另外 , 在影像 的其它 区域存在一些 较小的云层 , 因此结果 影像也反 映 出这一点 . 结语 综合利用 十 多个波段 的特性 , 不 需要严 格的闽值标 准,只使用 范 围较宽 的粗 阂值,再利用沿太 阳方位角 的梯度算法搜索云 区、阴影 区 和地 面 冰雪 区.通过试验 证明,这种算法较 之精确 的闽值算法也可 以 比较准确地提取极 地地 区 的云层 . 而且对 于不 同太 阳 高度角和大气状况等情况下 获取 的影像的适应能力较强 . 但是 , 算法也存在一定 的不 足,由于 为了去除卷云 产生的不 利影 响而定义 了的个像素长 的模板容易忽 略那 些沿太阳方位角方向的象素宽度小于 个象素的小 云层 . 因此 , 如何准 确 提取小 云层有待 于进一 步研究 . 参考文献 严厉喜 , 叶晓端 , 冯钟葵 自动云量评估 , 遥感信息 , , . 阮秋琦 数字图像处理学 , 北京 , 电子工业 出版社 . ,二'

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