基于Photoshop软件的正射影像处理方法

杨晓英，李 龙，王明华，靳生洪

（1.青海省自然资源遥感中心,青海 西宁810001）

数字正射影像图（DOM）是摄影测量与遥感的主要产品之一,具有地图几何精度和影像纹理特征,已在智慧城市建设、城市和交通规划设计、生态环境变化监测、地质灾害隐患点识别、土地资源确权调查以及已开展的第三次全国国土调查等行业中发挥了重要作用。通常,利用航空或卫星手段获取原始遥感影像数据时,受天气和季节条件、地形特点、传感器等因素影响,原始影像质量存在一定问题,而由其生产的“问题”正射影像（色差过大、扭曲拉花、阴影、云雾等目视不美观）不仅破坏了人眼视觉解译能力,还影响了审美效果。对于“问题”正射影像的处理极其重要,需投入大量时间、人力和处理软件,因此如何快速便捷地消除“问题”正射影像,已成为DOM生产处理中的关键技术。针对上述问题,本文提出了一种基于Photoshop软件的正射影像处理方法；并以第三次全国国土调查青海省试点区DOM制作试生产中局部存在的质量问题为例,进行了详细分析,利用Photoshop软件对问题影像处理做了大量试生产尝试,取得了可靠有效的经验与方法。

1 色彩原理与处理方法

1.1 色彩原理

卫星遥感影像是多光谱影像,选取多光谱中的R、G、B通道生成三波段真彩色影像,含有丰富的色彩信息,以RGB格式存储[1]。该格式的数字影像数据定义了影像中R（红0～255）、G（绿0～255）、B（蓝0～255）颜色分量数值,以三维数据矩阵的方式储存,并产生16 777 216种颜色,用于表示自然界真实色彩。如图1所示,两两混合叠加可得到更亮的中间色调——黄（Y）、青（C）、品红（M）,这3种色调等量混合形成白色[2]。在Photoshop软件下,影像调色模式即为RGB模式。

图1 色彩原理

1.2 色彩调整方法

在不破坏原始影像纹理信息的前提下,利用调色工具对影像的色彩和色调进行调整,使影像色彩变得更接近自然真彩色、更清晰、更易于目视解译。色彩调整主要包括色阶调整、曲线调整、色彩平衡和可选颜色等。

1.2.1 色阶调整

色阶调整是利用直方图对影像进行均匀非线性拉伸,以达到影像辐射增强的一种方法[3]。在直方图中可看到整幅影像的色阶信息,并快速判断影像明、暗、灰度等问题,如图2所示。直方图的横轴包含影像上所有灰度级,竖轴包含影像上所有像素个数,整个直方图状态分布表示该影像上每个灰度级的像素个数[4]。直方图能反映影像明暗信息,竖轴表示暗面、灰面、高光面所占画面的面积。通常质量较好的影像包括丰富的明暗细节,且在直方图上呈正态分布状态,两侧均不会有像素溢出[5]。对影像色阶信息进行调整时,直方图要拉伸适中,以确保区域影像明暗细节清晰。

图2 直方图信息表达

1.2.2 曲线调整

曲线调整是Photoshop软件中复杂且精准的颜色调整工具。在曲线调整过程中,将直线逐渐拖动成S形曲线,依次选择R、G、B单个通道添加多个调节点来均匀调整影像色彩,如图3所示:①选择R模式,曲线向上调整时,红色逐渐加浓,向下调整时,青色逐渐加浓；②选择G模式,曲线向上调整时,绿色逐渐加浓,向下调整时,品红色逐渐加浓；③选择B模式,曲线向上调整时,蓝色逐渐加浓,向下调整时,黄色逐渐加浓。

图3 曲线调整模式

1.2.3 色彩平衡

色彩平衡是Photoshop软件常用的色彩调整方法,用以改变影像的色度——影像颜色,如图4所示。色彩平衡处理既能消除影像色偏,又能控制影像的色彩分布[6],尤其是在植被较多的情况下,整体颜色会出现偏差,根据色彩互补原理,利用色彩平衡工具进行调整,能使植被更加趋向于真实自然色[7]。依据色彩互补原理,若要减少某一种色彩,则要增加这种色彩的互补色,三角形对角线即为互补色,如图5所示,利用该原理可调整影像阴影区、中间色调区、高光区的各种颜色成分,以达到色彩平衡[8]。由于色彩平衡对亮度、饱和度、反差的调整是有限的,因此对明暗度等不加以调整的正射影像推荐采用该方法,选取影像调整区域重复进行处理。

图4 色彩平衡模式

图5 色彩互补原理

1.2.4 可选颜色

可选颜色是Photoshop软件常用的一种调整DOM色彩的有效方法,但每次调整只能改变一种颜色[9],如图6所示。在影像处理中使用该方法可调整整幅影像中的绿色植被和建筑物偏色现象,无需人工选取调整区域,即可高效调整影像色彩[10]。

图6 可选颜色模式

2 试生产区域验证

2.1 试生产区概况

第三次全国国土调查青海省试点区DOM制作工作区为西宁市城西区、城北区和湟中县,位于100°52′～101°54′E、36°13′～37°28′N之间,总面积为0.76万km2。通过前期资料分析可知,该区域卫星影像具有多源数据、分辨率多样等特点。

2.2 数据来源和范围分布

经过严格筛选,本文选取两个批次共计25景第三次全国国土调查青海省试点区DOM制作工作原始卫星影像,其中北京二号卫星影像19景,时相为2017-09-21－2017-10-28；高景一号卫星影像1景,时相为2017-11-11；WorldView4卫星影像1景,时相为2017-10-26；高分二号卫星影像4景,时相为2017-12-01－2017-12-06。试生产区域和原始影像分布如图7、8所示。

图7 试生产区域

图8 原始影像分布

2.3 影像存在的问题

由于时相差等因素,试点区域获取的多源数据生产的DOM存在局部色差、模糊、云雾、扭曲、错位、拉花等明显问题。为消除这些问题,本文借助Photoshop图像处理软件对问题DOM进行处理,以满足第三次全国国土调查技术规程对DOM制作的要求:影像色调一致均匀、纹理清晰、无重影等现象,能正确反映当时地类光谱特征,接边区域重叠影像纹理一致；影像时相相同或相近时,要求接边时整体光谱特性一致；相邻两景影像时相相差较大时,允许存在光谱差异,但接边处应过渡自然。

2.4 处理方法

2.4.1 色差处理

影像明暗度指标通过色彩指数——色阶表示,一幅正射影像的色彩饱和度、精细度均由色阶决定。相对色彩差异不大的正射影像,其影像直方图表现为形状饱满,峰顶在直方图中间值附近,整体呈正态分布。在Photoshop软件中,利用色阶工具分通道对卫星影像直方图的明暗度、对比度、色彩等进行逐步调整,使R、G、B三个通道的直方图呈正态分布,色彩差异变小[11]。影像处理时,羽化的选取十分重要,要确保选区内外边缘棱角的渐变效果,该区域的羽化值应设置适中。处理后形成的正射影像应该具备纹理清晰、色彩自然、明暗层次分明、反差适中等特点[12]。色差处理前、后效果如图9、10所示。

图9 色差处理前效果

图10 色差处理后效果

2.4.2 影像镶嵌

消除影像间的漏洞、接边痕迹等现象,才能实现影像间的无缝接边。进行影像镶嵌处理时,通常选择沿山脊、河流、道路等带状地物进行镶嵌,为防止地物间的错位,禁止在块状地物处镶嵌。为了避免重影的产生,影像镶嵌时所选区域的羽化值不应超过10。

2.4.3 阴影处理

原始卫星影像的明暗度主要由自然光照决定。受地形高低起伏、高大建筑物、树木等影响,光照遮挡将导致卫星正射影像图出现阴影区域（城市阴影区域和山区阴影区域）,不仅影响解译的效率,而且破坏图面的目视效果。影像处理的最终目的是减少阴影的影响,恢复被遮挡地物的自身纹理、亮度、色调等信息。在Photoshop软件中,主要通过重复调整明暗度、亮度来减少影像的阴影[13]。处理后被阴影区域遮盖的地物纹理信息更加明显清晰,亮度和色调均有一定程度的恢复。阴影处理前、后效果如图11、12所示。

图11 阴影处理前效果

图12 阴影处理后效果

2.4.4 错位拉花处理

由于影像自动匹配将不可避免地产生误差、局部区域拟合生成的DEM格网点与真实地形不贴合以及人工编辑检查的遗漏,因此DOM中个别高架桥、公路、房屋、山体出现错位拉花变形的情况。针对这类问题,通常将出现拉花区域的DEM格网贴合地面,利用精修的DEM生成没有错位拉花的DOM,并借助Photoshop软件将拉花区域用纠正后的影像替换。道路错位处理前、后效果如图13、14所示。

图13 道路错位处理前效果

图14 道路错位处理后效果

2.4.5 云雾处理

试生产区域的正射影像中局部有云雾覆盖,导致地物模糊、解译效果不佳、色调偏暗且色彩不丰富。本文利用Photoshop软件将后期下发的没有云雾遮挡的影像进行替换、修补,使得影像纹理清晰、地物色调丰富。云雾处理前、后效果如图15、16所示。

图15 云雾处理前效果

图16 云雾处理后效果

3 结 语

本文主要探讨了Photoshop软件调色的一些基本原理和美化技巧,并结合第三次全国国土调查青海省试点区DOM制作试生产中遇到的问题进行了分析与处理。

1）相对于其他专业图像处理软件,Photoshop软件处理速度较慢,但处理后的视觉效果以及对图像色彩的掌控更佳。在正射影像制作过程中,无论运用哪一款图像处理软件都应严格遵循客观实际,不可频繁采用扭曲工具、修补工具等技巧来改变影像所反映的原始地物形状,以达到美观效果。

2）应根据不同地貌、数据差异进行分类处理。针对色彩单一地区（如沙漠地区）,为了提高生产效率,可先借助其他软件进行影像的匀光匀色以及简单的镶嵌处理,再利用Photoshop软件进行整体调色处理。

3）影像调色应接近自然真彩色,没有具体的标准可参考。由于个人主观认知差异较大,因此调色过程中容易造成颜色失真、色偏、曝光过度等情况,为了使调色后的正射影像达到预期效果,在操作过程中应严谨、细致、多学多练,精准把握调色技巧与方法。

4）Photoshop软件作为通用的影像处理工具,功能较齐全,已逐步被遥感技术人员所青睐。本文所列举的色彩处理工具能为今后类似大型项目DOM色彩调整与修复工作提供一定的参考经验。