城市级无人机影像匀色算法_杨婷.pdf

测绘通报年第期引 文 格 式：杨 婷，吴 昊，李 雁城 市 级 无 人 机 影 像 匀 色 算 法 测 绘 通 报，（）：-：-城市级无人机影像匀色算法杨婷，吴昊，李雁（江 苏 省 测 绘 工 程 院，江 苏 南 京）摘 要：无 人 机 在 获 取 影 像 时，受 到 天 气、光 照 条 件、相 机 传 感 器、主 观 人 为 等 多 种 因 素 的 影 响，导 致 获 取 的 影 像 内 部 或 影 像 之 间 存在 不 同 程 度 的 亮 度 与 色 调 分 布 不 均 匀，因 此 需 要 对 无 人 机 影 像 进 行 匀 光 匀 色 处 理。本 文 提 出 了 灰 度 值 均 值 算 法、基 于 相 机 响 应 函数 的 灰 度 值 误 差 参 数 算 法 两 种 匀 光 匀 色 算 法，并 将 其 应 用 于 镇 江 市 实 景 三 维 数 据 建 设 无 人 机 影 像 处 理。试 验 结 果 表 明，两 种 算 法均 能 较 好 地 去 除 色 差，使 色 调 过 渡 更 缓 和，可 改 善 后 期 的 实 景 三 维 整 体 效 果，对 城 市 级 实 景 三 维 建 设 相 关 项 目 具 有 较 好 的 借 鉴作 用。关 键 词：无 人 机 影 像；匀 光 匀 色；均 值 算 法；误 差 参 数 算 法中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，）：，-，：；随 着 信 息 化 时 代 的 快 速 推 进 及 智 慧 城 市 的 建设，地 理 信 息 的 应 用 场 景 不 断 深 化 拓 展。传 统 的 二维 地 理 信 息 对 地 形 地 貌 和 立 面 信 息 的 表 达 不 够 全面，无 法 真 实 反 映 现 实 城 市 与 自 然 资 源 环 境。利 用无 人 机 获 取 遥 感 影 像 制 作 城 市 实 景 三 维 是 对 人 类生 产、生 活 和 生 态 空 间 进 行 真 实、立 体、时 序 化 的 反映，表 达 的 是 一 种 数 字 虚 拟 空 间，是 新 型 基 础 测 绘标 准 化 产 品，是 国 家 新 基 建 的 重 要 组 成 部 分，为 经济 社 会 发 展 和 各 部 门 信 息 化 提 供 了 统 一 的 空 间 基底。但 无 人 机 在 获 取 影 像 时，受 天 气、光 照 条 件、传感 器、主 观 人 为 等 因 素 的 影 响，导 致 获 取 的 不 同 影像 之 间、单 幅 影 像 内 存 在 程 度 不 一 的 色 调 差 异 和 亮度 不 均 匀 现 象，不 仅 在 视 觉 上 造 成 不 良 效 果，也 会对 影 像 本 身 的 信 息 产 生 干 扰，进 而 对 建 模 质 量 和 场景 效 果 产 生 影 响，甚 至 使 实 景 三 维 模 型 创 建 失 败。因 此，须 对 色 调 差 异 较 大 的 无 人 机 影 像 数 据 集 作 匀光 匀 色 处 理-，才 能 够 为 后 续 开 展 研 究 提 供 视 觉效 果 良 好、色 彩 统 一 的 基 础 性 数 据。这 也 是 无 人 机影 像 处 理 的 关 键 步 骤 之 一。目 前 的 匀 光 匀 色 处 理 算 法 多 是 针 对 航 空 航 天遥 感 影 像。但 无 人 机 获 取 的 遥 感 影 像 与 传 统 的 航空 航 天 遥 感 影 像 相 比，存 在 飞 行 架 次 繁 多、航 高 低、受 光 照 角 度 影 响 等 特 性 导 致 的 明 暗 度 和 色 调 差 异，因 此 现 有 的 影 像 匀 光 匀 色 处 理 算 法 无 法 完 全 应 用于 无 人 机 遥 感 影 像-。常 用 的 匀 光 匀 色 算 法 主 要 有 以 下 几 种，匀 光 算 法、匀 光 算 法 及 直 方 图 均 衡 化-。算 法 是 通 过 进 行 影 像 的 局 部 区 域 变 换，将 影像 局 部 区 域 的 灰 度 均 值 与 方 差 映 射 到 给 定 的 对 应值，使 影 像 反 差 小 的 区 域 反 差 增 大，反 差 大 的 区 域收 稿 日 期：-作 者 简 介：杨婷（），女，硕 士，工 程 师，研 究 方 向 为 测 绘、地 理 信 息、遥 感 监 测。-：年第期杨婷，等：城 市 级 无 人 机 影 像 匀 色 算 法反 差 减 小，从 而 使 整 幅 影 像 的 亮 度 方 差 达 到 一 致。但 在 处 理 单 幅 影 像 内 部 色 调 不 均 匀 时，算 法的 处 理 效 果 并 不 明 显，甚 至 会 产 生“块 效 应”-。匀 光 算 法 采 用 高 斯 低 通 滤 波 器 模 拟 影 像 的 亮度 分 布 作 为 背 景 影 像，将 原 始 光 照 不 均 匀 影 像 与 背景 影 像 作 相 减 运 算，并 进 行 对 比 度 拉 伸，以 增 强 影像 的 细 节 反 差，从 而 达 到 匀 光 匀 色 的 目 的。但 无 人机 影 像 数 据 量 非 常 大，执 行 该 算 法 相 当 耗 时，对 计算 机 存 储 消 耗 也 大，因 此 这 种 通 过 增 强 影 像 细 节 反差 的 算 法 并 不 适 用 于 无 人 机 影 像。直 方 图 均 衡 化是 通 过 一 种 变 换 函 数，使 原 始 图 像 参 照 目 标 直 方图 进 行 变 换，通 过 调 整 映 射 函 数 控 制 变 换 结 果 的 精度 和 效 果，对 对 比 度 低 的 图 像 有 较 好 的 处 理 效 果，但 实 际 上 难 以 达 到 格 式 所 允 许 的 最 大 灰 度 变 化范 围-。本 文 依 托 省 级 基 础 测 绘 项 目，实 践 新 型 基 础 测绘，在 镇 江 市 实 景 三 维 数 据 建 设 中，根 据 实 际 生 产条 件 及 现 有 的 数 据 资 源，提 出 两 种 基 于 无 人 机 影 像灰 度 值 的 影 像 色 调 匀 化 处 理 算 法。一 种 是 将 整 体色 调 不 同 的 数 据 集 进 行 分 类，分 别 计 算 各 数 据 集 的影 像 灰 度 均 值，求 取 数 据 集 之 间 的 均 值 作 匀 色 处理，进 行 系 统 改 正 达 到 改 善 图 像 的 效 果；另 一 种 以历 史 影 像 灰 度 值 作 为 标 准 参 照，通 过对 同 名 像 点的 映 射 关 系 获 得 误 差 参 数，并 求 解 最 优 算 法 进 行 系统 改 正，达 到 灰 度 值 均 衡 的 效 果，从 而 提 高 图 像 的整 体 质 量。算 法 及 流 程城 市 实 景 三 维 数 据 建 设 主 要 包 括 资 料 搜 集、无 人机 数 据 采 集、航 片 预 处 理、空 中 三 角 测 量、密 集 匹 配、点 云 构 建 及 模 型 重 建 等。其 中，空 中 三 角 测 量 是 三 维模 型 构 建 的 关 键 环 节，而 航 空 像 片 的 数 据 质 量 对 空 三加 密 的 影 响 明 显，影 像 曝 光 过 度、色 调 过 暗 或 色 调 差异 过 大，均 会 导 致 空 中 三 角 测 量 步 骤 的 失 败，使 特 征点 的 识 别 及 点 云 的 构 建 效 果 差。因 此 必 须 对 航 空 影像 进 行 匀 光 匀 色 处 理，流 程 如 图所 示。.数据获取共 获 取 镇 江 市 实 景 三 维 数 据 建 设 区 域 的 无 人 机 遥 感 影 像。该 区 域 为 镇 江 市 中 心 建 成 区，涉 及 城 市 主 城 区、丘 陵、重 要 水 系、森 林、交 通 枢 纽等 典 型 地 物 地 貌，适 合 开 展 实 景 三 维 建 设 试 点。采 用 纵 横-大 鹏 无 人 机 和 睿 铂-五 镜 头 倾 斜 相 机 进 行 航 摄。根 据 模 型 要 求，将航 向 重 叠 度 和 旁 向 重 叠 度 均 设 定 为，影 像 分 辨 率分 别 设 定 为、，获 取 无 人 机 影 像张，航拍，飞 行架 次。通 过 对 以 上 影 像 数 据 分 析 发现：相 同 架 次 的 无 人 机 影 像 序 列，色 彩 相 近 或 连续 变 化，影 像 色 彩 差 异 很 小，可 忽 略 不 计；不 同架 次 但 光 照 和 能 见 度 相 同 或 相 近 条 件 下 的 无 人 机影 像 数 据 集，色 彩 和 明 暗 度 相 近；近 地 面 同 类 别地 物 的 无 人 机 影 像 数 据 集，灰 度 梯 度 变 化 近 似。因此，以 相 同 或 相 近 的 数 据 获 取 条 件 及 地 物 类 别 为 依据，对 无 人 机 影 像 数 据 集 进 行 分 组，以 数 据 集 为 单位 对 无 人 机 影 像 作 匀 光 匀 色 处 理。图无 人 机 影 像 匀 色 处 理 流 程如 图所 示，将 镇 江 市 实 景 三 维 数 据 建 设 区 域 的 无 人 机 遥 感 影 像 划 分 为个 区 域 的 数据 集。图无 人 机 影 像 数 据 集 分 区测绘通报年第期.影像匀光匀色算法影 像 数 据 的 每 个 像 元 都 有 一 个 值，表 示 传 感 器探 测 到 像 素 对 应 地 面 目 标 物 的 电 磁 辐 射 强 度，即 亮度 值、灰 度 值-。计 算 机 以 二 进 制 记 录 数 据，因此 其 量 化 的 等 级 以 二 进 制 划 分，即。若 用个 比特（）记 录 每 个 像 元，则 其 灰 度 值 范 围 为 ，如 的 数 据 取灰 度 级（其 值）；若 用 记 录 每 个 像 元，则 其 灰 度 值 仅 为和，即所 谓 的 二 值 图 像。若 用 彩 色 系 统 记 录 图 像，根 据 色度 学 原 理，任 何 一 种 彩 色 均 可 由 红（）、绿（）、蓝（）三 原 色 按 适 当 比 例 合 成，若 用 的彩 色坐 标 系 记 录 像 元，可 记 录 种 不 同 的组 合。灰 度 变 换 可 使 图 像 动 态 范 围 增 大，对 比度 得 到 扩 展，使 图 像 清 晰，特 征 明 显，是 图 像 增 强 的重 要 方 法 之 一。利 用 图 像 的 点 运 算 修 正 像 素 灰 度，由 输 入 像 素 点 的 灰 度 值 确 定 相 应 输 出 像 素 点 的 灰度 值，是 从 像 素 到 像 素 的 变 换 操 作，不 改 变 图 像 内的 空 间 关 系。像 素 灰 度 级 的 改 变 是 根 据 输 入 图 像（，）灰 度 值 和 输 出 图 像（，）灰 度 值 之 间 的 转换 函 数（，）（，）进 行 的。.灰 度 值 均 值 化灰 度 图 作 为 一 种 统 计 数 据 的 方 法，能 够 对 数 字图 像 的 一 些 特 征 作 出 直 观 的 描 述，其 中 最 显 著 的 为图 像 的 灰 度 值 分 布 情 况 和 灰 度 范 围，可 为 图 像 的 进一 步 处 理 提 供 重 要 参 考。图为 本 文 不 同 区 域 的 影 像 数 据 集，色 调 差 异呈 现 出 不 一 样 的 明 暗 度，对 灰 度 值 进 行 优 化 运 算，可 以 得 到 一 幅 色 彩 均 匀 平 衡 的 新 影 像 数 据 集。图数 据 集 灰 度 值 均 值 算 法将 影 像 灰 度 值 作 均 值 处 理，即 对 不 同 区 块、不同 架 次、色 调 不 一 的 影 像 数 据 集 求 取 平 均 灰 度 值，作 为 各 数 据 集 的 灰 度 值，数 据 集 之 间 再 求 取 均 值，作 为 整 个 区 域 的 影 像 灰 度 值，达 到 去 除 色 差 平 衡 色调 的 效 果。具 体 算 法 为 （）式 中，为 不 同 影 像 数 据 集 的 平 均 灰 度 值；为 数 据集 个 数；为 对 数 据 集