一种卫星图像杂散光消除系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种卫星图像杂散光消除系统及方法，包括数据获取模块、图像配准模块和杂散光抑制模块；其中数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像滤波单元。本发明首先对在轨同时成像的高分辨率相机图像和宽幅相机图像进行配准，根据图像间的光谱对应关系，建立高分辨率相机图像灰度值与宽幅相机图像灰度值的对应关系模型，消除图像中的杂散光影响，使用该方法消除图像杂散光简单实用，能够较大程度保存图像真实信息，去除杂散光效果好。
【专利说明】一种卫星图像杂散光消除系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种卫星图像杂散光消除系统及方法，属于卫星应用领域。
【背景技术】
[0002]杂散光使卫星图像背景变亮，降低了图像对比度、调制传递函数以及信噪比，对光学系统的成像质量有严重的影响，给卫星图像的判读和应用带来困难。有必要对卫星图像的杂散光进行分析、消除，从而确保卫星光学有效载荷的成像质量。
[0003]大部分杂散光抑制的工作是通过光学系统设计来实现。研究杂散光的来源，从而进行几何光学方针分析，是消除杂散光最根本的方法。杂散光的计算方法主要有蒙特卡洛法、区域法、光线追迹法等。其中蒙特卡洛法是杂散光分析领域唯一相对成熟的方法，但是需要获取光线传播各个过程的物理模型。对于设计疏漏或由于复杂空间环境造成的无法消除的杂散光影响，只能通过后端的图像处理方法来消除。原育凯等利用特定时刻的卫星成像数据，分离了真实信号与杂散光信号，生成各个时刻的杂散光模板，通过反卷积的图像处理方法对风云二号辐射计可见光图像进行杂散光抑制。但是该方法只适用于地球同步气象卫星，对于中高分辨率对地观测卫星数据则无法根据特定时刻成像数据分离出杂散光信号。
[0004]目前基于图像域直接对杂散光进行抑制的方法较少，且在实际应用中没有针对中高分辨率对地观测卫星图像图像域杂散光抑制的方法。对于中高分辨率遥感图像中辐射校正无法去除的杂散光影响还无法解决。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题:为克服现有技术的不足，提供一种卫星图像杂散光消除系统及方法，以消除图像杂散光，较大程度保存图像真实信息。
[0006]本发明的技术解决方案:一种卫星图像杂散光消除系统，包括数据获取模块、图像配准模块和杂散光抑制模块；其中数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像滤波单元；
[0007]所述数据获取模块从图像数据库中获取相同地区的高分相机及宽幅相机图像及图像相关参数，并定义其中一幅图像为待处理图像，另一幅图像为灰度参考图像；图像配准模块以待处理图像为参考图像，配准待处理图像及灰度参考图像；杂散光抑制模块去除待处理图像中的杂散光；
[0008]图像灰度获取单元从图像数据库中获取待处理图像及灰度参考图像的灰度信息；图像参数获取单元获取待处理图像及灰度参考图像的参数信息，将待处理图像、灰度参考图像的灰度信息及参数信息输送给图像配准模块中的图像粗配准单元；
[0009]图像粗配准单元获取数据获取模块提供的待处理图像及灰度参考图像的灰度信息及参数信息，消除灰度参考图像和待处理图像之间的分辨率差异，输出待处理图像和灰度参考图像；图像精配准单元在待处理图像中选取控制点，在灰度参考图像中选取前述控制点的同名点，采用仿射变换模型，对灰度参考图像重采样，得到与待处理图像精配准的灰度参考图像，输出灰度参考图像和待处理图像给杂散光抑制模块的比例系数计算单元；
[0010]比例系数计算单元计算待处理图像和灰度参考图像对应位置像素灰度值的比，得到比例系数矩阵，并优化比例系数矩阵，将优化后的比例系数矩阵输出给差值图像计算单元；差值图像计算单元通过计算得到差值图像，将差值图像输送给图像滤波单元；图像滤波单元对差值图像做滤波处理，得到滤波后的差值图像；待处理图像减去滤波后的差值图像，得到杂散光抑制结果图像并将该图像输出到数据库中。
[0011]消除灰度参考图像和待处理图像之间的分辨率差异的方法为，根据灰度参考图像的参数信息中灰度参考图像的分辨率除以待处理图像的分辨率得到两副图像之间的分辨率差异，以待处理图像为基准，重采样灰度参考图样，使灰度参考图像与待处理图像分辨率
—致。
[0012]差值图像计算单元得到差值图像的计算方法为，首先由灰度参考图像每个像素灰度值乘以优化后的比例系数矩阵中与每个像素位置对应的比例系数，得到重建的待处理图像的理想图像；待处理图像减去待处理图像的理想图像，得到差值图像。
[0013]一种卫星图像杂散光消除方法，包括以下步骤:
[0014]步骤1，由数据获取模块获取相同区域的高分相机及宽幅相机图像及图像相关参数，并定义其中一幅图像为待处理图像，另一幅为灰度参考图像；数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，由图像灰度获取单元读取高分相机与宽幅相机图像IH、Iw，由图像参数获取单元读取高分相机与宽幅相机成像行时参数及两相机图像分辨率参数SH、Sw，定义高分相机图像为待处理图像，宽幅相机图像为灰度参考图像；根据成像时刻，截取灰度参考图像Iw中与待处理图像Ih相对应区域，定义为Iwe, Iwk需包含Ih ；
[0015]步骤2，由图像配准模块根据图像参数信息，采用手工选点的方式以待处理图像为参考图像，配准待处理图像及灰度参考图像；图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，在图像粗配准单元，由SW/SH计算两图像比例关系Pws，采用双三次采样方法对Iwk重采样，得到新的灰度参考图像Ihk，分辨率与Ih —致；由图像精配准单元，在Ih和Ihk上手工均匀选取r行c列共r X c个控制点，以Ih为参考，采用仿射变换配准Ih和IHK，得到与Ih空间位置完全对准的灰度参考图像IHK’。
[0016]步骤3，根据灰度参考图像和待处理图像之间的光谱对应关系，杂散光抑制模块抑制待处理图像中的杂散光，得到杂散光抑制结果图像；杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像微波单元，在比例系数计算单元中，IHK’中每个像素灰度值加0.0001, Ih和IHK’中空间位置相同的每个像素相除，得到比例系数矩阵Coffaw，矩阵中大于阈值Tajffa和小于阈值Tajfa的元素，令其等于I ;在比例系数计算单元中计算的图像均值Mean11和Meanm,比例参考值Coffc=MeanH/MeanHK，Coffaff中大于Coffc的元素，令其值等于Coffc ;在差值图像计算单元，灰度参考图像IHK’中每一个像素的灰度值乘以比例系数矩阵Coffffl中与其空间位置对应的比例系数，计算差值图像Diff=IH-1HK’ ,Diff中像素灰度值绝对值大于阈值TDiffH和小于阈值Tdiffl的元素，令其等于0 ;在图像滤波单元，选择边长为L的正方形均值滤波模板，对Diff均值滤波；将Ih与Diff中空间对应象素灰度值相减得到杂散光抑制结果图像。[0017]本发明与现有技术相比的有益效果为:
[0018]本发明首先对在轨同时成像的高分辨率相机图像和宽幅相机图像进行配准，根据图像间的光谱对应关系，建立高分辨率相机图像灰度值与宽幅相机图像灰度值的对应关系模型，消除图像中的杂散光影响，使用该方法消除图像杂散光简单实用，能够较大程度保存图像真实信息，去除杂散光效果好。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的系统示意图；
[0020]图2为本发明的方法示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图1、2对本发明做进一步详细叙述。
[0022]一种卫星图像杂散光消除系统，包括数据获取模块、图像配准模块和杂散光抑制模块；其中数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像滤波单元；
[0023]所述数据获取模块从图像数据库中获取相同地区的高分相机及宽幅相机图像及图像相关参数，并定义其中一幅图像为待处理图像，另一幅图像为灰度参考图像；图像配准模块以待处理图像为参考图像，配准待处理图像及灰度参考图像；杂散光抑制模块去除待处理图像中的杂散光；
[0024]图像灰度获取单元从图像数据库中获取待处理图像及灰度参考图像的灰度信息；图像参数获取单元获取待处理图像及灰度参考图像的参数信息，将待处理图像、灰度参考图像的灰度信息及参数信息输送给图像配准模块中的图像粗配准单元；
[0025]图像粗配准单元获取数据获取模块提供的待处理图像及灰度参考图像的灰度信息及参数信息，消除灰度参考图像和待处理图像之间的分辨率差异，输出待处理图像和灰度参考图像；图像精配准单元在待处理图像中选取控制点，在灰度参考图像中选取前述控制点的同名点，采用仿射变换模型，对灰度参考图像重采样，得到与待处理图像精配准的灰度参考图像，输出灰度参考图像和待处理图像给杂散光抑制模块的比例系数计算单元；
[0026]比例系数计算单元计算待处理图像和灰度参考图像对应位置像素灰度值的比，得到比例系数矩阵，并优化比例系数矩阵，将优化后的比例系数矩阵输出给差值图像计算单元；差值图像计算单元通过计算得到差值图像，将差值图像输送给图像滤波单元；图像滤波单元对差值图像做滤波处理，得到滤波后的差值图像；待处理图像减去滤波后的差值图像，得到杂散光抑制结果图像并将该图像输出到数据库中。
[0027]消除灰度参考图像和待处理图像之间的分辨率差异的方法为，根据灰度参考图像的参数信息中灰度参考图像的分辨率除以待处理图像的分辨率得到两副图像之间的分辨率差异，以待处理图像为基准，重采样灰度参考图样，使灰度参考图像与待处理图像分辨率—致。
[0028]差值图像计算单元得到差值图像的计算方法为，首先由灰度参考图像每个像素灰度值乘以优化后的比例系数矩阵中与每个像素位置对应的比例系数，得到重建的待处理图像的理想图像；待处理图像减去待处理图像的理想图像，得到差值图像。
[0029]一种卫星图像杂散光消除方法，包括以下步骤:
[0030]步骤1，由数据获取模块获取相同区域的高分相机及宽幅相机图像及图像相关参数，并定义其中一幅图像为待处理图像，另一幅为灰度参考图像；数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，由图像灰度获取单元读取高分相机与宽幅相机图像IH、Iw，由图像参数获取单元读取高分相机与宽幅相机成像行时参数及两相机图像分辨率参数SH、Sw，定义高分相机图像为待处理图像，宽幅相机图像为灰度参考图像；根据成像时刻，截取灰度参考图像Iw中与待处理图像Ih相对应区域，定义为Iwe, Iwk需包含Ih ；
[0031]步骤2，由图像配准模块根据图像参数信息，采用手工选点的方式以待处理图像为参考图像，配准待处理图像及灰度参考图像；图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，在图像粗配准单元，由SW/SH计算两图像比例关系Pws，采用双三次采样方法对Iwk重采样，得到新的灰度参考图像Ihk，分辨率与Ih —致；由图像精配准单元，在Ih和Ihk上手工均匀选取r行c列共r X c个控制点，以Ih为参考，采用仿射变换配准Ih和IHK，得到与Ih空间位置完全对准的灰度参考图像IHK’。
[0032]步骤3，根据灰度参考图像和待处理图像之间的光谱对应关系，杂散光抑制模块抑制待处理图像中的杂散光，得到杂散光抑制结果图像；杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像微波单元，在比例系数计算单元中，IHK’中每个像素灰度值加0.0001, Ih和IHK’中空间位置相同的每个像素相除，得到比例系数矩阵Coffaw，矩阵中大于阈值Tajffa和小于阈值Tajfa的元素，令其等于I ;在比例系数计算单元中计算的图像均值Mean11和Meanm,比例参考值Coffc=MeanH/MeanHK，Coffaff中大于Coffc的元素，令其值等于Coffc ;在差值图像计算单元，灰度参考图像IHK’中每一个像素的灰度值乘以比例系数矩阵Coffffl中与其空间位置对应的比例系数，计算差值图像Diff=IH-1HK’ ,Diff中像素灰度值绝对值大于阈值TDiffH和小于阈值Td的元素，令其等于0 ;在图像滤波单元，选择边长为L的正方形均值滤波模板，对Diff均值滤波；将Ih与Diff中空间对应象素灰度值相减得到杂散光抑制结果图像。
[0033]具体来讲:
[0034]1.获取图像及图像参数
[0035]1.1由图像获取单元读取待处理高分相机与宽幅相机图像IH、Iw，其中Ih大小为(2865像素X 3036像素)，Iw大小为(2287像素X 12000像素)，由图像参数由图像参数获取单元读取高分相机与宽幅相机成像行时参数文件及两相机图像分辨率参数Sh=IO米、Sff= 16米;
[0036]1.2根据成像时刻，截取Iw中与Ih相对应区域，即参考图像Iwe, Iwe包含Ih大小为(2287像素X 2500像素)。
[0037]2.图像配准
[0038]2.1由SW/SH计算两相机图像比例关系Pws=L 6，采用双三次采样方法对Iwe重采样，得到新的参考图像Ihk，分辨率与Ih —致；
[0039]2.2在Ih和Ihk上手工均匀选取3行3列共9个控制点，以Ih为参考，采用仿射变换模型
[0040]X2=B^a2 X xx+a3 X J1，[0041]y2=b1+b2 X X1+b3 X Y1,
[0042]配准Ih和IHR，得到与Ih空间位置完全对准的参考图像IHR’。
[0043]3.杂散光抑制
[0044]3.1IhR'中每个像素灰度值加0.0001, Ih和IHR’中空间位置相同的每个像素相除，得到比例系数矩阵Coffaw，矩阵中大于阈值5和小于阈值0.0001的元素，令其等于1 ;
[0045]3.2计算Ih和V的图像均值MeanH=336.3622和MeanHE=219.0139，比例参考值Coffc=MeanH/MeanHE=l.5358，Coffaff 中大于 1.5358 的元素，令其值等于 1.5358 ；
[0046]3.3参考图像IHK’中每一个像素的灰度值乘以比例系数矩阵Coffaw中与其空间位置对应的比例系数，计算查值图像Diff=IH_IH1’ ,Diff中像素灰度值绝对值大于阈值100和小于阈值10的元素，令其等于0 ;
[0047]3.4选择边长为31的正方形均值滤波模板，对Diff均值滤波；
[0048]3.5判断Diff的像素灰度和SumDiff=6.4398X 107与阈值Tdestray=2XmXn=L 7396X IO7 之间的关系，SumDiff>Tdestray,进入步骤 3.6 ；
[0049]3.6将Ih与Diff中空间对应象素灰度值做差得到杂散光抑制结果图像。
[0050]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种卫星图像杂散光消除系统，其特征在于，包括数据获取模块、图像配准模块和杂散光抑制模块；其中数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像滤波单元； 所述数据获取模块从图像数据库中获取相同地区的高分相机及宽幅相机图像及图像相关参数，并定义其中一幅图像为待处理图像，另一幅图像为灰度参考图像；图像配准模块以待处理图像为参考图像，配准待处理图像及灰度参考图像；杂散光抑制模块去除待处理图像中的杂散光； 图像灰度获取单元从图像数据库中获取待处理图像及灰度参考图像的灰度信息；图像参数获取单元获取待处理图像及灰度参考图像的参数信息，将待处理图像、灰度参考图像的灰度信息及参数信息输送给图像配准模块中的图像粗配准单元； 图像粗配准单元获取数据获取模块提供的待处理图像及灰度参考图像的灰度信息及参数信息，消除灰度参考图像和待处理图像之间的分辨率差异，输出待处理图像和灰度参考图像；图像精配准单元在待处理图像中选取控制点，在灰度参考图像中选取前述控制点的同名点，采用仿射变换模型，对灰度参考图像重采样，得到与待处理图像精配准的灰度参考图像，输出灰度参考图像和待处理图像给杂散光抑制模块的比例系数计算单元； 比例系数计算单元计算待处理图像和灰度参考图像对应位置像素灰度值的比，得到比例系数矩阵，并优化比例系数矩阵，将优化后的比例系数矩阵输出给差值图像计算单元；差值图像计算单元通过计算得到差值图像，将差值图像输送给图像滤波单元；图像滤波单元对差值图像做滤波处理，得到滤波后的差值图像；待处理图像减去滤波后的差值图像，得到杂散光抑制结果图像并将该图像输出到数据库中。
2.根据权利要求1所述的一种卫星图像杂散光消除系统，其特征在于，消除灰度参考图像和待处理图像之间的分辨率差异的方法为，根据灰度参考图像的参数信息中灰度参考图像的分辨率除以待处理图像的分辨率得到两副图像之间的分辨率差异，以待处理图像为基准，重采样灰度参考图样，使灰度参考图像与待处理图像分辨率一致。
3.根据权利要求1所述的一种卫星图像杂散光消除系统，其特征在于，差值图像计算单元得到差值图像的计算方法为，首先由灰度参考图像每个像素灰度值乘以优化后的比例系数矩阵中与每个像素位置对应的比例系数，得到重建的待处理图像的理想图像；待处理图像减去待处理图像的理想图像，得到差值图像。
4.一种卫星图像杂散光消除方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，由数据获取模块获取相同区域的高分相机及宽幅相机图像及图像相关参数，并定义其中一幅图像为待处理图像，另一幅为灰度参考图像；数据获取模块包括图像灰度获取单元和图像参数获取单元，由图像灰度获取单元读取高分相机与宽幅相机图像IH、Iff,由图像参数获取单元读取高分相机与宽幅相机成像行时参数及两相机图像分辨率参数SH、SW，定义高分相机图像为待处理图像，宽幅相机图像为灰度参考图像；根据成像时刻，截取灰度参考图像Iw中与待处理图像Ih相对应区域，定义为Iwe, Iwk需包含Ih ； 步骤2，由图像配准模块根据图像参数信息，采用手工选点的方式以待处理图像为参考图像，配准待处理图像及灰度参考图像；图像配准模块包括图像粗配准单元和图像精配准单元，在图像粗配准单元，由SW/SH计算两图像比例关系Pws，采用双三次采样方法对Iwk重采样，得到新的灰度参考图像Ihk，分辨率与Ih —致；由图像精配准单元，在Ih和Ihk上手工均匀选取r行c列共r X c个控制点，以Ih为参考，采用仿射变换配准Ih和IHK，得到与Ih空间位置完全对准的灰度参考图像IHK’。 步骤3，根据灰度参考图像和待处理图像之间的光谱对应关系，杂散光抑制模块抑制待处理图像中的杂散光，得到杂散光抑制结果图像；杂散光抑制模块包括比例系数计算单元、差值图像计算单元和图像微波单元，在比例系数计算单元中，IHK’中每个像素灰度值加 .0.0001，、和IHK’中空间位置相同的每个像素相除，得到比例系数矩阵Coffffl，矩阵中大于阈值T。。?和小于阈值Tajfa的元素，令其等于I ;在比例系数计算单元中计算的图像均值Mean11和Meanm,比例参考值Coffc=MeanH/MeanHK，Coffaff中大于Coffc的元素，令其值等于Coffc ;在差值图像计算单元，灰度参考图像IHK’中每一个像素的灰度值乘以比例系数矩阵Coffffl中与其空间位置对应的比例系数，计算差值图像Diff=IH-1HK’ ,Diff中像素灰度值绝对值大于阈值TDiffH和小于阈值Tllifa的元素，令其等于0 ;在图像滤波单元，选择边长为L的正方形均值滤波模板，对Diff均值滤波；将Ih与Diff中空间对应象素灰度值相减得到杂散光抑制结果图像。
【文档编号】G06T5/00GK103679653SQ201310629513
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】王小勇, 何红艳, 岳春宇, 刘爽 申请人:北京空间机电研究所