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測繪無人機低空數(shù)字航攝影像去霧霾研究

王京衛(wèi)

山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟南 250101

Study of the Geo-UAV Low-altitude Digital Aerial Image Haze Removal

WANG Jingwei

School of Civil Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China

測繪無人機以其“高時效性”“高分辨率”和“低成本”三大技術(shù)優(yōu)勢在日常測繪以及測繪應(yīng)急保障中發(fā)揮了重要的作用。例如地震、滑坡、泥石流、水災(zāi)、旱災(zāi)、雪災(zāi)、森林火災(zāi)、地表塌陷等重大自然災(zāi)害的快速應(yīng)急監(jiān)測，小城鎮(zhèn)和新型農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)測繪，困難地區(qū)測繪和重大工程建設(shè)測繪。然而隨著我國快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展，霧霾天氣逐年增多，已經(jīng)成為我國中東部地區(qū)一種嚴重的災(zāi)害性天氣。霧霾導(dǎo)致能見度降低，航攝影像動態(tài)范圍縮減、對比度下降，影像模糊不清，亮度降低、色度偏移。這使得霧霾天航攝影像難以滿足測繪生產(chǎn)單位的需求，影響了測繪無人機技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。

面對大范圍、持續(xù)時間長、污染嚴重的霧霾天氣，各生產(chǎn)單位的測繪無人機只能以“等待晴天”來應(yīng)對，而這種等待時間往往是十幾天乃至數(shù)個月。霧霾天氣已經(jīng)嚴重制約了測繪無人機的應(yīng)用。因此急需要尋求一種有效的影像去霧霾處理技術(shù)方法，對航攝霧霾影像進行處理，使得去霧霾后影像的質(zhì)量能夠達到或者等效于正常航攝影像的質(zhì)量，從而消除或者減弱霧霾天對測繪無人機應(yīng)用的限制。

本文在借鑒國內(nèi)外已有影像去霧霾理論方法的基礎(chǔ)之上，從測繪無人機低空數(shù)字航攝影像成像模型入手，研究了影像去霧霾方法，主要內(nèi)容如下：

(1) 在對人眼視物呈色機理、真彩色數(shù)字影像獲取存儲表達、無人機低空數(shù)字航攝技術(shù)流程的分析基礎(chǔ)上，依據(jù)霧霾在可見光中傳輸?shù)奈锢硖匦?，利用大氣輻射傳輸方程，結(jié)合無人機低空數(shù)字航攝技術(shù)特征，建立了霧霾天低空數(shù)字航攝影像的成像模型。

(2) 根據(jù)建立的霧霾天成像模型，在影像空間域上利用RGB彩色空間模型揭示了低空數(shù)字航攝影像的降質(zhì)機理。分析了霧霾天低空數(shù)字航攝影像中霧霾的空間分布特征以及影像的成像特征。基于降質(zhì)機理建立了影像退化與復(fù)原過程模型。

(3) 提出了霧霾成像的檢測原理與方法，霧霾檢測點粗差檢測與剔除方法。采用空間插值理論方法解決了霧霾成像估值的求解問題，實現(xiàn)了對霧霾天可見光路徑衰減和輻射源衰減的復(fù)原。

(4) 對比分析了國內(nèi)外數(shù)字影像評價方法，提出了基于灰度共生矩陣的角二階矩、信息熵和對比度3個去霧霾影像評價指標。利用本文提出的影像去霧霾方法，開發(fā)了應(yīng)用程序，對低空數(shù)字航攝去霧霾影像進行了主客觀評價。

主觀評價結(jié)果表明，去霧霾后影像清晰度有了很大提高，色調(diào)正常，反差適中，能夠滿足測繪有關(guān)規(guī)范中的質(zhì)量要求?？陀^評價結(jié)果表明，去霧霾后影像對比度和信息熵有了很大的提高，角二階矩減小，說明影像構(gòu)像紋理更加細致，更加清晰，包含了更多的信息量。

通過影像主客評價驗證了本文影像去霧霾方法的有效性和實用性。

Author： WANG Jingwei(1978—)，male，received his doctoral degree from Shandong University of Science and Technology on December 2014, majors in low altitude digital aerophotogrammetry.

E-mail： wjw_sdust@sdjzu.edu.cn

引文格式：丁雨淋. 水文變化驅(qū)動的暴雨-洪澇災(zāi)害主動模擬方法[J].測繪學(xué)報，2016,45(2)：252. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150293.

DING Yulin.Hydrological Changes Driven Storm Flood Disaster Simulation Method[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(2):252. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150293.

水文變化驅(qū)動的暴雨-洪澇災(zāi)害主動模擬方法

丁雨淋1,2

1. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港； 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756

Hydrological Changes Driven Storm Flood Disaster Simulation Method

DING Yulin1,2

1. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hongkong, Hongkong, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

隨著全球氣候變化和城市化進程的加劇，暴雨-洪澇災(zāi)害呈現(xiàn)出突發(fā)性強、預(yù)見期短的特征，其時空變化的復(fù)雜性和不確定性日益突出，暴雨-洪澇災(zāi)害的模擬預(yù)警已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)研究的熱點前沿。大量已有研究基于穩(wěn)定環(huán)境的理論假設(shè)，采用靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的被動式模擬方法導(dǎo)致“數(shù)據(jù)滯后、分析滯后和決策滯后”的問題日益突出。針對暴雨-洪澇過程時空變化的復(fù)雜性和不確定性，本文提出了水文變化驅(qū)動的主動模擬方法，建立了動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)與模擬過程的動態(tài)耦合機制，深入刻畫了水文觀測信息與洪澇過程之間的時空變化一致性關(guān)系，進一步提升了對暴雨-洪澇過程時空變化的實時感知、認知與定量分析能力。

本文系統(tǒng)深入地剖析了靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的暴雨-洪澇模擬難以適應(yīng)環(huán)境時空變化不確定性的突出問題，建立了以水文時空變化為驅(qū)動力的暴雨-洪澇災(zāi)害過程動態(tài)模擬機制；其次，面向動態(tài)水文觀測信息與暴雨-洪澇過程之間的時空變化一致性描述，提出了暴雨-洪澇過程時空變化特征的顯式表達和定量描述；設(shè)計實現(xiàn)了語義感知的水文變化信息發(fā)現(xiàn)，變化語義約束的動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)濾波和模型參數(shù)智能優(yōu)選等算法，從水文過程時空變化特征的認知、觀測數(shù)據(jù)和模型參數(shù)3個層面降低了不確定性對模擬結(jié)果的影響。主要內(nèi)容包括：

(1) 暴雨-洪澇模擬的不確定性分析。從地球空間信息學(xué)的角度，剖析了暴雨-洪澇災(zāi)害模擬的不確定性與動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)的不確定性，并歸納總結(jié)了當前的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在的關(guān)鍵問題。

(2) 水文變化驅(qū)動的暴雨-洪澇模擬機制。詳細分析了暴雨-洪澇災(zāi)害過程時空變化特征的復(fù)雜性和不確定性來源，深入總結(jié)了傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動模擬方法難以適應(yīng)暴雨-洪澇時空變化的復(fù)雜性與不確定性的原因，建立了適應(yīng)于暴雨-洪澇災(zāi)害過程時空變化不確定性的水文時空變化驅(qū)動的暴雨-洪澇災(zāi)害模擬機制和框架。

(3) 多源動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)與模擬模型信息需求的統(tǒng)一描述。提出了暴雨-洪澇過程時空變化特征進行顯式表達和定量描述模型，準確刻畫暴雨-洪澇對象-時空過程-事件之間、傳感器-水文觀測信息、氣象水文模型之間的語義關(guān)系，以清晰揭示暴雨-洪澇災(zāi)害過程的時變空變規(guī)律與動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)時空變化信息之間的時空關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(4) 語義感知的水文變化發(fā)現(xiàn)和水文模型參數(shù)智能率定。提出了語義感知的動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)方法，實現(xiàn)在動態(tài)水文觀測數(shù)據(jù)接入過程中發(fā)現(xiàn)和提取其中蘊藏著的洪水周期變化、水文情勢突變等時空變化模式；面向降低水文觀測數(shù)據(jù)不確定性的目標，提出了變化語義約束的水文觀測數(shù)據(jù)流在線濾波方法；最后，面向降低模型參數(shù)不確定性和提高模型參數(shù)對外界環(huán)境和下墊面條件時空變化適應(yīng)性的目標，提出了水文時空變化信息驅(qū)動的暴雨-洪澇災(zāi)害模型參數(shù)智能率定方法，有效解決了傳統(tǒng)參數(shù)率定過程中盲目隨機游動性問題。

最后，設(shè)計開發(fā)了原型系統(tǒng)，并以2010年6月21日發(fā)生于江西省撫州市臨川區(qū)撫河干流暴雨-洪澇災(zāi)害和2014年魯?shù)榈卣鹋谏窖呷?zāi)害的實時預(yù)報示范應(yīng)用為例，驗證了水文變化驅(qū)動的模擬方法在實際暴雨-洪澇災(zāi)害中的可用性和有效性。

Author： DING Yulin(1987—)，female，received her doctoral degree from Wuhan University on December 2014 (Ph.D. advisor: Prof. ZHU Qing, Prof. LIN Hui)，majors in VGE and dynamic GIS.

E-mail： rainforests@126.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41301509) 國家863計劃(2013AA122301)；國家自然科學(xué)基金(41101354；41201440)

文章編號：1001-1595(2016)02-0251-01 1001-1595(2014)02-0252-01

中圖分類號：P237 P333

文獻標識碼：D D

作者簡介：胡翰(1988—)，男，副研究員，2015年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：朱慶教授，吳波副教授)，研究方向為攝影測量與遙感。E-mail： huhan19880715@163.com 王京衛(wèi)(1978—)，男， 2014年12月畢業(yè)于山東科技大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：姜巖教授)，研究方向為低空數(shù)字攝影測量。 丁雨淋(1987—)，女，副研究員，2014年12月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：朱慶教授、林琿教授)，研究方向為虛擬地理環(huán)境與多維動態(tài)地理信息系統(tǒng)。

收稿日期：2015-08-12 2015-08-12 2015-06-03

Author： HU Han(1988—)，male，received his doctoral degree from Wuhan University on June 2015 (PhD advisor: Prof. ZHU Qing, Prof. WU Bo)，majors in photogrammetry and remote sensing.

引文格式：王京衛(wèi). 測繪無人機低空數(shù)字航攝影像去霧霾研究[J].測繪學(xué)報，2016,45(2)：251. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150412.

WANG Jingwei.Study of the Geo-UAV Low-altitude Digital Aerial Image Haze Removal[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(2):251. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150412.