宋麗瑤，張 浩，林 峰

(1. 中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266555； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094； 3. 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266555)

陰影區(qū)提取對(duì)高分辨率影像地形輻射校正的影響與分析

宋麗瑤1，張 浩2，林 峰3

(1. 中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266555； 2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094； 3. 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266555)

利用輻射傳輸機(jī)理對(duì)復(fù)雜山區(qū)進(jìn)行地形輻射校正，可以全面地考慮太陽直接輻射亮度、天空散射輻射亮度及鄰近地表反射輻射亮度3部分因素，從而取得較好的校正結(jié)果。遮蔽因子的準(zhǔn)確提取是決定地形校正結(jié)果的關(guān)鍵因素。本文使用同一個(gè)輻射傳輸模型，針對(duì)同一片地表裸露山區(qū)的SPOT- 5全色影像，分別使用對(duì)應(yīng)的DEM和直方圖閾值分割法計(jì)算遮蔽因子，并將得到的校正結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn):在DEM精度不夠高的情況下，使用直方圖閾值分割法計(jì)算遮蔽因子，可以得到更好的地形校正效果，充分證明了直方圖閾值分割法計(jì)算遮蔽因子的優(yōu)勢(shì)及使用價(jià)值。

輻射傳輸；遮蔽因子；地形校正

在定量遙感中，影像中的地物光譜信息受大氣、地形效應(yīng)等多種因素影響[1]，特別是復(fù)雜的山區(qū)影像，由于地形的起伏，各個(gè)像元接收到的有效光照差別較大[2]，并且影像空間分辨率越高，這種效應(yīng)就越明顯，為了消除這種地形效應(yīng)的影響，需要進(jìn)行山區(qū)地形輻射校正。對(duì)于山區(qū)遙感影像，地表接收到的輻射主要有太陽直射輻射、天空的散射輻射、鄰近地表的反射和散射4個(gè)部分。由于受到坡度、坡向等因素影響，山地陰影區(qū)域不能接收到太陽直接輻射，其接收到的輻射主要為天空的散射及鄰近地表的反射與散射，因此在對(duì)高空間分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正時(shí)，以上兩項(xiàng)必須加以考慮[3]。

地形校正算法主要分為3種類型：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、物理模型、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中全色影像的地形校正主要是運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托Ｕ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樘柸肷浣桥c衛(wèi)星傳感器接收的輻射之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的總結(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是所用到的地形因子少，簡單易懂且適用性很強(qiáng)，缺點(diǎn)是理論性不完善。波段比模型、Minnaer校正模型都屬于該模型。這些模型用于全色影像的地形校正，往往出現(xiàn)過校正或欠校正的效果。物理模型為通過研究光與地表的物理相互作用，基于輻射傳輸理論建立的模型。其優(yōu)點(diǎn)是理論基礎(chǔ)完善，模型參數(shù)物理意義明確，缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，所需參數(shù)較多。這類模型有余弦校正法、SCS校正模型等。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t是綜合了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)[2,4]。相比之下，基于輻射傳輸理論的模型能克服理論性不完善和過校正的缺點(diǎn)，利用定量化信息對(duì)影像進(jìn)行校正[5]。與此同時(shí)，基于輻射傳輸模型可以在更好地恢復(fù)地物像元之間相對(duì)關(guān)系的基礎(chǔ)上對(duì)全色遙感影像進(jìn)行山區(qū)地形校正。

利用輻射傳輸模型校正時(shí)，遮蔽因子的精確計(jì)算對(duì)校正的效果至關(guān)重要。通常采用DEM和太陽有效入射角、坡度和坡向角度等地形參量結(jié)合的方法計(jì)算遮蔽因子，該方法受DEM精度影響較大，且陰影的邊緣位置判斷不準(zhǔn)確，從而會(huì)導(dǎo)致地形校正不完整的現(xiàn)象。本文首先用影像頭文件的定標(biāo)系數(shù)對(duì)全色影像進(jìn)行定標(biāo)，然后運(yùn)用直方圖的特殊性計(jì)算遮蔽因子并進(jìn)行地形校正，最后與DEM計(jì)算了遮蔽因子得到的地形校正結(jié)果作對(duì)比，分別從目視效果和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1 原理與方法

地形輻射校正的實(shí)質(zhì)是通過各種方法變換，將像元的輻亮度變換到某一相同基準(zhǔn)面[6]。對(duì)復(fù)雜山區(qū)地形校正采用的輻射傳輸模型需要考慮天空散射輻射和鄰近地表反射輻射兩個(gè)重要影響因素。將地表視為朗伯體，且假定在所有高程下太陽輻射及大氣為均勻的情況下，地表反射率公式如下[7]

(1)

cosβ=cosθzcosS+sinSsinθzcos(φS-A)

(2)

式中，S為坡度；A為坡向,可通過DEM計(jì)算得到；φS為太陽方位角。以上為本文用來進(jìn)行地形校正所使用的輻射傳輸模型。本文中b因子的提取采取兩種方法并對(duì)其進(jìn)行分析。

DEM計(jì)算遮蔽因子主要是在ENVI的Topographic Modeling- Shaded Relief模塊中輸入太陽高度角、太陽方位角，通過對(duì)仰角的判斷遮蔽情況判別陰影區(qū)，即可通過波段運(yùn)算得到值為0- 1的遮蔽因子。

直方圖計(jì)算遮蔽因子主要采用閾值分割法。閾值法是一類被廣泛使用的分割方法，它具有操作簡便、易于理解并能實(shí)現(xiàn)快速分割的優(yōu)勢(shì)，其中直方圖閾值分割是最為常用的方法?；叶戎狈綀D橫坐標(biāo)代表圖像的像素灰度值，縱坐標(biāo)表示具有該灰度級(jí)所包含的像素?cái)?shù)或出現(xiàn)這個(gè)灰度級(jí)的概率，直方圖曲線可以體現(xiàn)出圖像對(duì)比度、明亮程度及灰度分布等方面的差異[9]。當(dāng)圖像中目標(biāo)物與背景出現(xiàn)明顯的谷峰形狀時(shí)，利用直方圖分割可以取得較好的效果[10]，本文基于該特征通過直方圖提取遮蔽因子。

總體來說，圖像直方圖可以分為單峰直方圖、雙峰直方圖及多峰直方圖3種類型。單峰直方圖比較常見，通常是由于目標(biāo)區(qū)域與背景區(qū)域面積相差太大，從而像素?cái)?shù)量相差懸殊造成的。雙峰直方圖是選取分割閾值的最理想情況。此類圖像明顯可以區(qū)分兩種地物。目標(biāo)對(duì)象與背景區(qū)域各自對(duì)應(yīng)一個(gè)波峰，兩峰之間存在一個(gè)波谷，波谷區(qū)域的像素量是最少的，同時(shí)也代表著兩類區(qū)域的邊界處，可認(rèn)為谷值為最佳的分割點(diǎn)。多峰直方圖則表示該類圖像包含的信息非常巨大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜[10]。在進(jìn)行山區(qū)遮蔽因子的提取時(shí)，對(duì)陰影區(qū)域的識(shí)別尤為重要。直方圖閾值法可以運(yùn)用到山區(qū)地形校正中的陰影區(qū)域判別與提取。對(duì)于裸露的復(fù)雜山區(qū)遙感影像，地物信息較為單一，山體(陽坡、陰坡)、陰影邊界及陰影是影像的重要組成部分，三者的影像灰度值逐級(jí)遞減，而且在直方圖上表現(xiàn)為明顯的雙峰直方圖特征。兩峰之間的波谷對(duì)應(yīng)影像中類別為陰影邊界的像元，此類像元在頻數(shù)上明顯少于其余兩種地物類別。此時(shí)選取雙峰之間的谷值作為閾值，通過波段運(yùn)算將檢測(cè)出的陰影區(qū)域設(shè)為0，非陰影區(qū)值設(shè)為1，便可得到更為精確的遮蔽因子。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)為SPOT- 5 HRG2傳感器的全色影像數(shù)據(jù)，獲取日期為2013年6月13日。研究區(qū)域位于甘肅省張掖市(39°38′06″N，100°35′53″E)，海拔1630 m，地形以戈壁及山區(qū)為主。SPOT- 5的全色數(shù)據(jù)頭文件中獲取定標(biāo)系數(shù)C0為1.320 660(1/W·m2·sr·μm)。試驗(yàn)當(dāng)天在地面同步測(cè)量了大氣數(shù)據(jù)。另外，試驗(yàn)所用DEM數(shù)據(jù)(SRTM DEM，分辨率30 m)下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，如圖1所示。

圖1 對(duì)應(yīng)區(qū)域DEM數(shù)據(jù)

根據(jù)上述輻射傳輸模型，本文選用美國RSI(Research System Inc)的IDL(interactive data language)交互式數(shù)據(jù)語言作為開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合6SV模型計(jì)算的輻射分量進(jìn)行試驗(yàn)。表1為利用6SV輻射傳輸模型計(jì)算時(shí)采用的輸入?yún)?shù)。

表1 SPOT- 5傳感器6S輻射傳輸模型輸入?yún)?shù)

在計(jì)算遮蔽因子時(shí)，分別采用DEM和直方圖兩種方法，并對(duì)比其獲取遮蔽因子的差異性。利用ENVI的Topographic- Topographic Modeling選取DEM數(shù)據(jù)，選取shaded relief生成陰影地貌圖像。進(jìn)行波段運(yùn)算，得到的二值化遮蔽因子如圖2所示。

隨后通過直方圖的方法計(jì)算遮蔽因子，打開全色影像，統(tǒng)計(jì)出直方圖信息，如圖3所示。

圖2 DEM計(jì)算的遮蔽因子

圖3 原始影像的灰度直方圖

從曲線的形狀可以看出該直方圖為雙峰直方圖且有明顯的波谷。對(duì)波谷進(jìn)行量取可知影像灰度值小于或大于50的像元均符合正態(tài)分布，故選取雙峰之間的谷值50作為閾值，通過波段運(yùn)算計(jì)算出遮蔽因子，結(jié)果如圖4所示。

圖4 直方圖統(tǒng)計(jì)圖計(jì)算遮蔽因子

2.2 結(jié)果分析

分別采用兩種方法計(jì)算遮蔽因子并利用式(1)進(jìn)行地形校正，得到結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 DEM計(jì)算遮蔽因子地形校正結(jié)果

圖6 直方圖計(jì)算遮蔽因子地形校正結(jié)果

對(duì)上述結(jié)果分別從目視判讀和指標(biāo)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2.2.1 目視判讀評(píng)價(jià)

從校正結(jié)果可以看出，使用不同方法進(jìn)行地形校正后，原始影像的陰影均得到了消除，且影像的凹凸感也得到了平滑[11]。從圖5中原始影像和校正結(jié)果影像的對(duì)比可以看出，大部分陰影區(qū)域并沒有得到很好的恢復(fù)，且有部分陰影區(qū)出現(xiàn)過校正的現(xiàn)象。從圖6中校正前后的對(duì)比可以看出，陰影區(qū)域均得到了很好的恢復(fù)，且陰影區(qū)域的山坡、山脊線輪廓清晰。

2.2.2 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)

本文采用離散分析、回歸分析和直方圖3個(gè)指標(biāo)對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)。

2.2.2.1 離散分析

為了檢驗(yàn)影像的整體效果，采用離散度(方差/均值)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。離散度由下式計(jì)算[3]得出

式中，DI表示離散度；M與SD分別表示SPOT- 5影像校正前后的輻亮度均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 地形校正前后影像離散度統(tǒng)計(jì)值比較 (%)

地形校正前，影像離散度相對(duì)較大，通過不同方法校正后，離散度均得到了不同程度的減小，說明地形校正減弱了地形對(duì)地物信息遮擋的效應(yīng)，從整體上改善了圖像質(zhì)量[3,7]。直方圖法得到的遮蔽因子進(jìn)行地形校正的結(jié)果離散度小于DEM法，這充分說明當(dāng)DEM數(shù)據(jù)精度不高時(shí)，直方圖在提取遮蔽因子時(shí)的準(zhǔn)確程度，可以大大提高地形校正的效果。

2.2.2.2 回歸分析

影像與太陽有效入射角之間的回歸關(guān)系反映了地形效應(yīng)的程度[12]。一般情況下，地形校正前后擬合的線性回歸方程斜率k越大，地形效應(yīng)越明顯[13- 14]。圖7、圖8分別為原始影像和不同校正方法所得結(jié)果與太陽入射角的回歸曲線示意圖。

圖7 原始影像與太陽入射角回歸曲線

圖8 地形校正結(jié)果與太陽入射角回歸曲線

從圖7、圖8可以看出，經(jīng)過校正后的回歸曲線斜率小于原始影像與太陽入射角的回歸曲線斜率，其中直方圖法校正結(jié)果(圖8(b))的斜率最小，說明經(jīng)過校正后，地形效應(yīng)得到明顯減小，且直方圖法的校正效果優(yōu)于DEM法。

2.2.2.3 統(tǒng)計(jì)直方圖

圖9 校正結(jié)果統(tǒng)計(jì)直方圖

圖9是兩種方法校正結(jié)果影像的灰度直方圖。對(duì)比圖3和圖9(a)可以看出，通過DEM計(jì)算出的遮蔽因子對(duì)地形校正有一定的效果，但是曲線的波谷說明該方法沒有很好地去除陰影與非陰影的邊界過渡問題。從圖3和圖9(b)的對(duì)比可以看出，直方圖呈正態(tài)分布，說明校正后影像的灰度值過渡平滑自然，陰影區(qū)域得到了很好地消除。與DEM計(jì)算遮蔽因子不同，直方圖計(jì)算遮蔽因子的方法是通過判斷在全色影像中，不同灰度值出現(xiàn)的頻率來分離待校正的陰影區(qū)域的值。之所以可以使用直方圖分割的方法，是因?yàn)樵诼懵渡襟w的山區(qū)地物信息單一，并且在高分辨率的全色影像上能明顯區(qū)分陰影區(qū)域與非陰影區(qū)域。將陰影區(qū)域看作目標(biāo)地物，非陰影區(qū)域作為背景信息。試驗(yàn)中所選取的影像全部為山區(qū)且沒有植被等其他地物信息覆蓋。陰影區(qū)域與非陰影區(qū)域的比例均衡，不存在大面積都為陰影區(qū)域或只有極小一部分陰影區(qū)域的現(xiàn)象。當(dāng)影像中出現(xiàn)部分城市或部分區(qū)域?yàn)橹脖凰采w，直方圖曲線都不出現(xiàn)雙峰，也不呈正態(tài)分布形狀；若影像中絕大多數(shù)面積都為陰影區(qū)域或非陰影區(qū)域，那么直方圖曲線只呈正態(tài)分布，同樣不出現(xiàn)雙峰。這樣均無法得到分割值，則無法通過該方法計(jì)算遮蔽因子。

使用直方圖方法計(jì)算遮蔽因子進(jìn)行地形校正，一方面由于計(jì)算遮蔽因子的過程中不受DEM的影響；另一方面由于山區(qū)這種特殊的地形，能明顯區(qū)分陰影區(qū)域與非陰影區(qū)域。特別是在地表裸露地物信息單一的情況下，統(tǒng)計(jì)直方圖為雙峰狀，此時(shí)可以快速準(zhǔn)確地找到分割值，進(jìn)而計(jì)算遮蔽因子，得到較好的校正效果。

3 結(jié) 語

DEM計(jì)算遮蔽因子普遍適用于輻射傳輸方法的地形校正，但這種方法存在以下問題：

(1) DEM精度將影響地形陰影判斷的精度，如果能獲取高精度DEM數(shù)據(jù)，該方法可以很好地提取陰影區(qū)。由于大多數(shù)情況無法獲取高精度DEM，在選擇使用30 m DEM時(shí)，DEM精度對(duì)陰影判斷的精度有很大的影響，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地提取陰影區(qū)域，造成校正結(jié)果不佳。

(2) 在判斷陰影區(qū)域的過程中一般均使用高程采樣點(diǎn)內(nèi)插方法。由于山區(qū)特殊的復(fù)雜地形，在高程插值時(shí)容易造成高程值計(jì)算不準(zhǔn)確，并且無法準(zhǔn)確確定地形遮蔽角的搜索半徑。這些都會(huì)造成無法相對(duì)準(zhǔn)確地提取遮蔽因子，從而導(dǎo)致地形校正效果不理想。雖然延長地形遮蔽角的搜索半徑可以使對(duì)陰影區(qū)域的判斷更加精確，但是會(huì)增大計(jì)算量，降低校正時(shí)的計(jì)算效率[13,15]。

本文采用直方圖計(jì)算遮蔽因子的方法進(jìn)行地形校正，取得了較好的效果。通過與DEM法校正結(jié)果的比較分析可以得出，對(duì)于特殊的山區(qū)地形影像，使用直方圖方法進(jìn)行地形校正的結(jié)果要優(yōu)于DEM法。

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Impact and Analysis of Shadow Area Extracting to the Terrain RadiationCorrection for High Resolution Image

SONG Liyao1,ZHANG Hao2,LIN Feng3

(1. China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266555,China; 2. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China; 3. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266555,China)

By using transporting mechanism to correct topographic radiation, we can fully consider direct solar radiance, sky diffuse radiance and near surface reflectance radiance, and get a better result. The key factor that determines topographic correction result is accurate extraction of shadow factor. The article use DEM method and histogram threshold segmentation method to compute shadow factor of the same area of SPOT- 5 panchromatic imagery, and then use the same radiation transmission model to correct topographic radiation. By contrast, the result that using the histogram threshold method is better than DEM method when DEM accuracy is not high enough, and these have fully proved its value and advantage.

radiative transfer； shadow factor； topographic correction

2016- 06- 26；

2017- 01- 23

國家自然科學(xué)基金(41325004)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0501501) 作者簡介： 宋麗瑤(1990—)，女，碩士生，研究方向?yàn)榈匦屋椛湫Ｕ- mail：631212606@qq.com 通信作者： 張 浩。E- mail：haozhang@ceode.ac.cn

宋麗瑤，張浩，林峰.陰影區(qū)提取對(duì)高分辨率影像地形輻射校正的影響與分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：29- 33.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0078.

P237

A

0494- 0911(2017)03- 0029- 05