DPGrid-Ortho匀光匀色技术及其在航空正射影像生产中的应用

练 栩，谭 明

(广东省地图院，广东 广州 510075)

信息化与智能化的摄影测量信息时代的到来[1]，对影像数据获取的便捷性与处理的高效性提出了更高的要求。无人机以其获取地形地表数据的方便快捷性受到越来越多的关注，近年来无人机的普适化和平民化也让航空影像数据获取变得越来越快捷方便[2]。为了满足在基础测绘、地理国情监测等项目中的需求，有必要通过航空影像数据制作数字正射影像图(DOM)。然而由于光照、地形条件、飞行状态及单张影像覆盖范围等影响，航空影像数据之间往往会有色调、清晰度、灰度分布不一致的情况。若直接利用原始航空影像数据进行处理，得到的DOM会存在虚光、鬼影、色调不统一等现象。因此为保证DOM“一张图”的整体视觉效果和判读效果，匀光匀色处理成为航空影像数据DOM生成流程中的一个不可或缺的关键技术和步骤。本文将利用DPGrid-Ortho软件对航空影像数据进行匀光匀色处理，消除影像间存在的颜色和光照差异，并对单张正射影像进行色调均衡处理，生产高质量的镶嵌正射影像。

1 国内外研究现状

遥感技术通过非接触、远距离探测手段，获取目标物体的物理地理信息。在无人机影像获取的过程中，受诸如内部传感器特性、外部成像摄影时间、光照条件、地形条件等因素影响，导致单幅影像内部存在亮度不均匀现象，也导致区域范围内不同时刻获取的影像之间存在着色彩不平衡现象，主要表现为同名地物在不同影像上表现出不同的色彩信息。这种内部亮度不均匀现象一般是由虚光效应、摄影角度及特殊地物的强反射等引起的[3]。

影像间的色彩差异为无缝镶嵌DOM的生产带来很大挑战。为了消除影像间的差异，得到色彩无缝的镶嵌合成影像，国内外学者进行了大量的研究，提出了一系列的匀光匀色方法，根据原理的不同可以分为绝对辐射校正和相对辐射校正两种类型[4]。绝对辐射校正主要是通过大气校正模型、辐射定标系数及其他一些相关的大气校正参数将影像由灰度值转变为地表反射率，消除成像时由太阳入射角、大气及光照条件带来的影响[5]。绝对辐射校正恢复传感器量化数值与其对应的地表物体所代表的特定物理量之间的关系，主要用于卫星影像之间的匀光匀色处理[6-9]。

相对辐射校正(即色彩均衡)不同于绝对辐射校正需要传输模型模拟成像过程，而是通过相对辐射校正系数来消除影像之间色彩信息不一致的现象。根据处理方式的不同，色彩均衡处理方法可以分为直接映射方法、路径传播法及全局优化方法3种类型。直接映射方法通过制定参考信息，将其他待处理影像的色彩信息直接调整至与参考影像一致，典型的方法有灰度直方图匹配[10]。路径传播法中将参考色彩信息通过邻接影像的重叠区域进行传递，如文献[3]提出的基于网络的色彩校正方法及文献[11]提出的一种平行的相对辐射校正方法。全局优化算法也是利用邻接影像间重叠区域的色彩信息构建影像间色彩差异模型，把所有影像重叠区域的校正模型进行统一计算，获取全局意义上的最优解。典型的全局优化算法有最小二乘区域网平差全局优化[12]、二次优化色彩一致性处理方法[13]和多面曲模型相组合的匀色方法[14]。相对辐射校正方法更适用于航空影像的匀光匀色处理，无需复杂的物理传输模型进行参数解算，使用条件简单。

2 技术路线和处理方法

2.1 DPGrid-Ortho软件

DPGrid系统是由武汉大学张祖勋院士领衔开发的一款基于高性能并行计算技术与最新图像处理算法的数字摄影测量软件系统。DPGrid-Ortho是其中的数字正射影像产品生产软件，包括OrthoMaker和OrthoEditor两大模块，以及国内外各种空三平差软件结果引入工具。OrthoMaker模块能够基于卫星、航空、低空摄影影像数据及定向参数，利用网络分布式并行与多核并行计算技术，全自动生产数字表面模型(DSM)、数字地面模型(DTM)与数字正射影像(DOM)产品。OrthoEditor模块可在网络协同的人工交互模式下，完成DTM/DOM产品精细编辑与质检，生产符合测绘规范要求的DTM/DOM成果。在OrthoMaker模块中的匀光匀色处理过程可以保证生成色调一致、亮度均衡的单张正射影像，进而生产具有良好整体视觉效果和判读效果的无缝镶嵌数字正射影像图。

OrthoMaker采用的是一种全局与局部优化策略结合的匀光匀色方法[15]。从整体色彩信息消除与局部色彩细节信息优化两个方面来消除影像间存在的色彩差异问题。全局优化处理策略以处理后邻接影像重叠区域的色彩信息应相等为假设，以处理前后影像自身色彩信息变化应最小为约束，构建影像间色彩信息调整模型，将影像间色彩差异的消除问题转化为最小二乘优化问题，整体求解影像的色彩调整参数，得到全局意义的最优解，有效消除影像整体间的色彩信息差异。局部优化策略是对全局优化策略的补充，针对全局优化处理后邻接影像间残留的色彩差异问题，采用局部分块构建色彩分布曲面，确定重叠区域各像点目标色彩信息，并利用Gamma变换逐像点进行色彩信息的调整，以达到消除重叠区域残留的色彩差异问题。全局与局部相结合的色彩一致性处理方法能够有效消除影像间的色彩差异，得到色彩信息一致、平滑的处理结果，更适用于生产具有良好整体视觉效果和判读效果的DOM。OrthoMaker匀光匀色的总体处理流程如图1所示。

2.2 匀光匀色处理

单张原始影像的质量会影响单张DOM的质量，进而影响镶嵌正射影像图的整体效果和质量，因此需要先对原始影像进行处理。OrthoMaker支持利用标准模板匀色，以及差值或比值匀光功能。在原始影像之间的色差比较明显时，需要选择测区中内容丰富、色调较好的影像作为模板，对其进行色调参数统计，对每张原始影像进行色调调整，消除影像与模板影像之间的色调差异。如图2所示，将上方直方图分布各异、色调不一致的影像通过匀色处理得到了下方直方图分布相似、色调一致的结果。当单张原始影像内部的亮度分布有问题时，如影像像辅出现了边缘减光效应或地物产生镜面反射使影像出现了较大的光斑，此时可以通过匀光处理来消除亮度分布不均的问题。如图3所示，选择合适的统计窗口大小，通过OrthoMaker的匀光处理，将湖面因镜面反射出现的光斑消除，得到了亮度分布均匀的结果影像。

在对原始影像按照需要进行匀光匀色处理后，就可以利用DTM进行单张影像的正射纠正，并在此基础上进行影像镶嵌处理，生产整个测区的DOM。在单片正射纠正之后，OrthoMaker可以进一步通过几何信息精细调整单片DOM重叠区域的色差，得到色调一致、亮度均匀、适于判读的镶嵌正射影像图。OrthoMaker有3种整体的色调均衡方式：自适应调整、整体色调模板和带坐标的模板。其中自适应调整方式根据正射影像之间的地理重叠信息消除影像之间的色差；整体色调模板方式先根据影像之间的地理重叠信息消除色差，再将整体色调调整为与模板影像一致；带坐标的模板则是将影像调整为与模板影像对应地理范围内的色调一致。如图4所示，采用自适应调整的方法，OrthoMaker可以将水面和植被上的色差完全消除，得到色调一致、亮度均匀分布的镶嵌正射影像。

3 工程应用

本文选用珠海市金湾区DMC航摄仪获得的航空影像进行试验。试验数据共有216张影像，12条航带，像幅大小为7680×13 824像素。该测区的原始影像整体色调偏暗，亮度分布不均，水面有亮斑。此外，测区里面第4和第10航带影像严重偏暗，与其他航带影像亮度、色调差异明显。数据经PhotoScan进行空三加密处理，然后通过相应的软件导入空三结果为OrthoMaker的工程，用OrthoMaker打开工程文件，开始匀光匀色处理。

3.1 匀光匀色

首先挑选整个测区中一张内容丰富、色调较好的影像作为模板影像，然后勾选标准模板匀色，并选择模板影像。由于测区的原始数据存在高光现象，因此勾选匀光处理，选择默认的差值匀光和3个像素的窗口尺寸作为匀光参数。

3.2 正射纠正

对原始影像匀光匀色处理后，需要通过正射纠正，将原始影像纠正为单片正射影像。打开正射纠正模块，输入测区的平均地面高10 m，设置输出DOM的地面分辨率为0.1 m，并指定DTM数据的路径。如果无现存DTM数据，可以通过OrthoMaker的密集匹配和地形提取功能从匀光匀色后的影像处理生成。

3.3 色调均衡

虽然单张影像已进行了匀光匀色处理，但生成的单张DOM在重叠区域还是会有一些颜色的差异，需要进一步通过色调均衡来消除。首先勾选色调统计，选择统计信息的窗口大小为500像素，然后勾选色调调整并采用自适应的调整方式，让程序根据影像之间的地理重叠信息消除色差，最后通过影像镶嵌模块，将单张DOM通过智能的镶嵌算法[16]进行镶嵌，得到具有良好整体视觉效果和判别效果的镶嵌正射影像图。

如图5所示，图5(a)为未经匀光匀色和色调均衡处理的镶嵌影像图；图5(b)为利用某航空影像处理软件处理得到的镶嵌影像图；图5(c)为利用OrthoMaker经匀光匀色和色调均衡处理之后得到的镶嵌影像图。可以看到图5(a)中在第4和第10航带的位置颜色偏暗，与其他航带之间存在明显的过渡区域，而图5(b)和(c)中已经消除了这种较大的颜色差异。图5(d)和(e)分别为图5(a)、(b)、(c)中对应区域的放大图。可以看到图5(a)的对应区域有很明显的色调差异，导致出现明显的拼接痕迹；图5(b)的对应区域水面有高光现象且有明显的拼接痕迹；而图5(c)中对应区域整体色调均匀，无异常高光现象，拼接处过度自然，镶嵌结果影像目视效果最好。

4 结 语

匀光匀色处理作为正射镶嵌影像图生产过程中一个重要的步骤和技术，可以消除航空影像内部的亮度分布不均匀、高光等异常现象，还可以消除航空影像之间的颜色差异。OrthoMaker软件的匀光匀色及色调均衡功能可以制作出色调亮度均匀、反差适中，且具有良好的整体视觉效果和判别效果的、无明显拼接痕迹的高质量正射影像图。该软件能够满足摄影测量和遥感影像处理的需求，可以为测绘、国土、林业等相关部门提供高质量的影像匀光匀色、色调均衡支持，生成满足制图要求的正射影像图。