[科普中国]-航空图像

概述定义及特征

航空摄影是一种远距离的、非接触的目标探测技术和方法。通过对目标进行探测，获取目标的信息，然后对所获取的信息进行加工处理，从而实现对目标进行定位、定性或定量的描述。

航空图像的获取主要是利用从目标反射和辐射来的电磁波。用于接收从目标反射和辐射来的电磁波信息的设备称为传感器，其中一种主要的传感器是航空相机。航空相机获取目标信息的数据流程如图所示。

航空图像覆盖范围广，包含巨大的信息量；大多数航空图像都没有参考图像，属于绝对图像质量判别范畴。

航空图像中的阴影区域阴影在航空图像中十分常见, 是有高度目标的明显证据。如果可以确定航空图像中的阴影区域, 则它可以提供大量的关于目标形状、相对位置、表面特性的相关信息。阴影对图像的影响是使所投射地表的表面光照强度降低, 但不改变原有地表, 目标表面的光照特征, 如纹理特征及光照强度方向统计特征等。阴影区域内的灰度方差一般小于其他非阴影区域, 不同阴影区域之间的灰度值具有较强的一致性。

直接用肉眼观察图像时比较容易确定阴影区域。1

影响航空图像质量的因素影响航空图像的主要因素有:大气条件、像移补偿残差、离焦、曝光量偏差、CCD图像传感器噪声等。

像移的产生及影响在航空摄影的曝光瞬间，影像在成像介质上的移动叫做影像位移，这里简称为像移。像移可以使影像的形状和色调发生变化，使影像的清晰程度降低，特别是当影像位移大时，图像上的影像就会模糊。

像移不仅能引起影像形状和色调的变化，而且还会使影像的清晰度降低，甚至使影像模糊。

像移使物体影像的外形变大

在曝光瞬间，影像在成像介质上的位置不断变化，而每个位置上的影像都被记录在成像介质上，如图中，方形物体的影像位置在由a移到a’的过程中，其影像都被记录在成像介质上，位置的变化使方形物体的影像变成了长方形。

像移使影像的清晰度降低

用两个相同的被照物体的图形来说明该问题。没有影像位移时，影像和背景之间具有很大的亮度比，能够清楚地看出是两个物体的影像。如果产生了像移，则两个影像的色调及其亮度分布将发生变化

像移使物体影像的色调发生变化

图2是影像位移对影像形状的影响，图3说明有影像位移时地面上一个白色物体在图像上的色调，其色调呈现为中央浅，边缘深;它的亮度分布则是中央大，边缘小。这是因为影像从位置a移到a’的过程中成像介质两个影像的重叠部分获得的曝光量较大，而两侧获得的曝光量较小。2

离焦的产生及影响环境条件的变化会造成航空相机光学焦面位置的前后移动。照相时，如果感光胶片或CCD接收面所处的位置不能随之变化，或者两者变化不匹配，将产生离焦现象。只有当物距为无穷远时，像距才等于焦距。物距小于无穷远时，像距则大于焦距，或者说焦面向远离镜头的方向移动。照相时，如果焦平面的位置不能随之变化，将引起离焦。

离焦对图像质量的影响表现为：

离焦使图像对比度下降。分析离焦图像和正确对焦的图像，可发现如下规律:正确对焦时，对比度最强;越偏离这个位置，对比度就越低。

离焦造成图像模糊。正确对焦时，图像清晰，轮廓清楚。而离焦时，图像模糊，图像边缘相对平滑，高频分量幅值减小。2

曝光时间影响曝光时间是指拍摄时胶片或CCD接收面见光的时间。它是决定影像质量的一个极为重要的条件。

影响曝光时间的因素航空摄影的曝光时间取决于很多因素，如胶片的感光度(或CCD的灵敏度和动态范围)、景物的照度、景物的亮度系数、烟雾的亮度系数以及航空相机的光学特性等。但是，在影响曝光时间的诸因素中，胶片的感光度和景物的照度对曝光时间的影响最大，而且景物的照度还经常变化，比较难以掌握。在确定曝光时间时，要将景物的照度和胶片感光度作为主要影响因素

曝光时间对影像质量有很大的影响。曝光正常时，影像的色调能正确地反映被摄景物的各种亮度;曝光时间不正常时，其结果与此相反。

曝光正常时，景物的最大亮度范围被容纳在特性曲线的直线部分之内，特性曲线的直线部分能按比例地表现景物的各种亮度。所以，景物中各个部分上相同的相邻亮度范围反映在底片上则为相同的密度差，因而，影像密度适中，细部丰富，分辨率高，其色调能正确反映景物的所有的亮度。

曝光过度时，胶片得到的曝光量较多，景物的明亮部分会反映在特性曲线的过度部分上，由于曲线过度部分的密度增值，随着曝光量对数的增加而逐渐减小，因此，明亮部分的相邻亮度范围以减小的密度差表现出来，表现为影像密度过大，分辨率降低，景物明亮部分的细部不能被正确地反映出来。

曝光不足时，胶片得到的曝光量少，景物的阴暗部分会反映在曲线的不足部分上。由于密度在不足部分的增量小于直线部分的增量，因此，景物阴暗部分的相邻亮度范围以较小的密度差表现出来。曝光不足的影像，密度过小，分辨率降低，景物阴暗部分的细部不能被正确地反映出来。2

CCD传感器的影响CCD作为一种图像传感器，无论是线阵还是面阵结构，其输出信号都是一列离散的模拟信号，其中还混杂着各种噪声和干扰信号。CCD传感器对图像质量的影响主要是CCD传感器在工作过程中产生的各种噪声。

从频域来说，图像的大部分有用信息集中在低频部分，少量的细节信息集中在高频部分，而噪声一般集中在图像的高频部分，所以，噪声的存在对图像的高频部分影响较大，也就是主要对图像的细节信息有较大影响。2

大气环境的影响大气是光的一种媒质。太阳光射到地面和地面反射光射入航空相机先后两次都要经过大气，即大气对光具有折射、吸收和散射的作用。大气对光的折射能使光的传播路程弯曲，从而引起像移和变形;大气对光的吸收和散射，则可减弱射入相机的光量和降低影像的反差。

由于大气光学不稳定性的存在，当透过大气层观测物体时会发现三种现象:

物体亮度和颜色的瞬时变化(闪烁现象);

物体形状的瞬时变化(脉动现象);

物体位置的瞬时变化(抖动现象)。

在航空摄影中，闪烁、脉动和抖动现象影响成像质量，会使像点产生位移，在许多情况下还会降低影像清晰度。低频振荡只引起影像位移，而不会影响其清晰度，因为航空摄影的曝光时间大大短于这种振荡周期的四分之一高频振荡既是产生像点位移的原因，又是降低清晰度的原因，这种情况多发生在摄影曝光时间等于或大于这种振荡周期的四分之一时。但是如果曝光时间小于振荡周期的四分之一，那么就不会引起影像清晰度的下降。2