[科普中国]-影像镶嵌

简介

遥感影像的单景影像堵塞覆盖范围是有限的，对于高分辨遥感影像尤其如此。很多情况下，往往需要很多景影像才能完成对整个研究区域的覆盖。此时，需要将不同的影像文件无缝地拼接成一幅完整的包含研究区域的影像，这就是影像的镶嵌。通过镶嵌处理，可以获得单一传感器所无法得到的覆盖更大范围的地面影像。参与镶嵌的影像可以是多源的，可以是不同时间同一传感器获取的，也可以是不同时间不同传感器获取的影像，但同时要求镶嵌的影像之间要有一定的重叠度，而且具有相同的波段数。在拼接之前，要求先将多源影像进行配准，拼接后要通过后续处理消除原始影像间的接缝。前者通过几何纠正实现，后者通过影像的匀光实现。2

影像镶嵌技术的目的就是把一系列真实世界的图像合成一个单一的、更大的、更复杂的全维场景。通过影像镶嵌技术，可以剔除冗余信息，压缩信息存储量，从而更加有效地表示信息。由于遥感成像每一景范围有限，每一景遥感影像所包括的地理区域都有一定的范围．不同分辨率的影像所限定的范围不一样，一般分辨率高的遥感影像所包含的实际地理范围要小。通常一个地区难以被一定分辨率下的单幅遥感影像所完全覆盖，因此遥感影像镶嵌在实际工作中尤为重要，是遥感图像处理的一个重要环节。3

影像镶嵌的主要内容遥感影像镶嵌是将两幅或多幅遥感图像(这些图像可能是在不同的成像条件下获取的)拼接在一起构成一幅整体图像的过程。这个过程通常先对每幅图像进行几何纠正，将它们划归到统一的坐标系中，然后对它们进行裁剪，去掉重叠的部分，再将裁剪后的多幅图像镶嵌在一起，最后消除色彩差异，形成一幅宽幅的图像。根据用于镶嵌的影像是否经过几何纠正、是否含有地理编码，镶嵌可分为基于像元的镶嵌和基于地理坐标的镶嵌。影像镶嵌一般包括以下几个主要过程：

影像定位即指相邻影像间的几何配准，其目的是为了确定影像的重叠区。重叠区确定的准确与否直接影响到影像镶嵌效果的好坏。

色彩平衡色彩平衡是遥感影像数字镶嵌技术中的一个关键环节。不同时相或成像条件存在差异的影像，由于要镶嵌的影像辐射水平不一样，影像的亮度差异较大，若不进行色调调整，镶嵌在一起的几幅图，即使几何位置配准很理想，由于色调各不相同，也不能很好地应用于各个专业。另外，成像时相和成像条件接近的影像也会由于传感器的随机误差造成不同像幅的影像色调不一致。从而影响应用的效果，因此必须进行色调调整，包括影像内部的色彩平衡以及影像间的色彩平衡。

接缝线处理接缝线处理可细分为重叠区接缝线的寻找以及拼接缝的消除。接缝线处理的质量直接影响镶嵌影像的效果。在镶嵌过程中，即使对两幅影像进行了色调调整，但两幅影像接缝处的色调也不可能完全一致，为此还需对影像的重叠区进行色调的平滑以消除拼接缝。

对于已经过地理坐标定位的影像，采用基于地理坐标的镶嵌方式，影像间重叠区由其坐标计算而得；不包含地理编码的影像则须采取基于像元的镶嵌，可以通过影像间的特征点匹配或手工指定来确定重叠区，而ENVI使用手工指定方式。3

影像镶嵌的分类遥感图像的镶嵌就是把工作区的许多幅遥感影像拼接成一幅全区的遥感影像，影像的镶嵌一般可分为非控制镶嵌和控制镶嵌两类。

非控制镶嵌非控制镶嵌是用经纠正的遥感影像切去重叠部分，粘贴镶拼，镶嵌后的图像称为影像略图或像片略图，有人把像片索引图也称为一种非控制镶嵌，即所谓非控制像片索引镶嵌，在遥感地质调查中，较多的情况是使用像片略图，它也可以用作构造略图、地质略图和实际材料图的底图。

控制镶嵌这种镶嵌方法，需先按一定的比例尺绘制出控制点网，这些控制点必须是像片上明显的点。经野外调绘进行控制测量，或在比例尺比镶嵌图比例尺大的质量较好的地形图上查取。按控制点网平面图，求出每个像片主点的位置，并将所有的像片逐张纠正后，剪贴镶拼，这种镶嵌图上排除了由于飞机飞行不稳定造成的各种误差，称为影像平面图或像片平面图。这与摄影测量的方法类似。

按控制点网平面图(包含每张像片主点位置)进行镶嵌，也可以用未经纠正的像片镶嵌，称之为半控制镶嵌，但须注意在应用这种镶嵌方法时，控制点网平面图的比例尺，必须是全部像片的平均比例尺。4

制作影像镶嵌图须注意的问题我们知道由于地面高差产生投影差，以及飞机飞行中产生的像片倾斜和比例尺不一致等因素镶嵌的像片略图上影像的错断、重复和缺失等“镶嵌误差”的现象，往往是不可避免的。若以高程较低的地面为准镶嵌时，可能使高程较高的影像缺失较多。若以高程较高的地面为准镶嵌时，可能产生较多的影像重复，所以在像片镶嵌的整个过程中，应尽量分散这些误差，不要使这些误差集中在某个局部，造成影像太大的不连续。另一方面根据具体用途，确定是宁可重复多一些，还是缺失多一些。一般用做地质构造图的底图时，缺失可多一些，但作实际材料图的底图时宁可重复多些。具体在图像镶嵌过程必须注意以下几点：

1.在切割、粘贴像片之前，必须将所有像片放在裱贴底板上认真进行编排，先粗排，后精排，尽可能减少错断、重复和缺失等镶嵌误差，编排好后用针刺点，将像片初步定位。

2.切割、粘贴像片的次序应从图幅中最重要的部分开始，切一张、贴一张，由中心向四周拼贴。

3.切割像片时，应将刀片轻轻切破像片的乳胶层，不要切透纸基，然后斜向撕开纸基，使像片保留部分的边缘呈逐渐减薄状态，再用砂纸将撕去了部分纸基的像片边缘的底部磨光，即可粘贴，这样切割的像片，可避免镶接处翘起。4

全色遥感影像镶嵌进行影像镶嵌时，首先应指定一幅参考图像，作为镶嵌过程中对比度匹配以及镶嵌后输出图像的地理投影、像元大小、数据类型的基准；在重复区域，各图像之间应有较高的配准精度；尽管其影像像元大小可以不一样，但应包含与参考图像同样的波段数。

用于镶嵌的遥感影像可能来自不同的传感器，具有不同的获取时间。它们之间存在较大的几何变形差异和颜色差异，因此全色遥感影像镶嵌的关键如下：

(1)在几何上将多幅不同的影像连接在一起。因为在不同时间用相同的传感器以及在不同时间用不同的传感器获得的影像，其几何变形是不同的。解决几何连接的实质就是几何纠正，将所有参加镶嵌的影像纠正到统一的坐标系中，去掉重叠部分后将多幅影像拼接起来形成一幅更大幅面的影像。

(2)保证拼接后的影像反差一致，色调相近，没有明显的接缝。这一问题需要通过影像匀光的方法解决。2

多波段遥感影像镶嵌多波段遥感影像的镶嵌和全色影像镶嵌的原理是一致的。相对于全色影像，多波段影像具有多个波段，对于镶嵌过程有更为严格的要求。比如有的多波段假彩色合成影像，各波段之问有时会出现配准不好、像元错位，在使用时需对各波段进行微量平移，消除因波段之间的错位而产生的合成影像模糊现象。遥感影像镶嵌效果直接取决于原始影像精度，各类遥感影像都存在几何纠正的问题，必要的时候需要对待镶嵌的原始影像的各个波段间分别配准，以提高镶嵌影像的质量。

多波段影像的镶嵌中，接缝的消除更为复杂。如果原始影像本身还存在各部分色彩不一致，还需要先对原始影像进行色彩平衡，消除原始影像内色调不均匀。对于影像色调平衡问题，有基于小波变换的拼接线消除算法和直方图匹配等。基于小波变换的算法效果较好，但是在实际应用中该算法过于复杂，处理时间较长。一般的遥感影像处理软件中采用直方图匹配加接缝羽化的处理方法。2