[發明專利]基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型及其建模方法

在審

• 申請號: 201710975133.4
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107945262A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 李紅光;丁文銳;劉春蕾
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01C11/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明屬于航空遙感圖像處理技術領域，具體涉及一種基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型及其建模方法。

背景技術

航空遙感是衛星遙感外的另一種重要的遙感手段，在常態觀測、災情監控等應用中發揮著不可替代的作用。受全天候執行任務要求，航空可見光成像經常遭遇霧霾、浮塵、煙霧等惡劣的天氣條件，導致圖像嚴重退化，航空遙感對地觀測性能降低。霧霾、浮塵、煙霧等在本質上都是中低空大氣懸浮顆粒，即氣溶膠粒子。以去霧霾為例，由于航空遙感的特殊性，航空圖像復原處理研究依然是學者們涉及較少的領域。

航空遙感成像距離遠，大氣散射影響較大，低能見度下圖像像是“被蒙住了眼”，圖像降質嚴重，現有的衛星和低空戶外圖像退化模型，因為針對的大氣環境不同，不適用于航空遙感成像過程。基于物理模型的圖像復原方法，需要根據退化后的圖像信息估計大氣散射模型中多個未知參數，是典型的病態問題，需要構建某些假設、約束條件或引入輔助信息才能完成求解，而現有方法大多基于均勻介質和單次散射的假設條件，不適用于航空遙感成像。

從上述對比分析可以看出，現有的圖像復原方法，尤其是基于物理模型的假設條件過于簡單，不適用于低能見度大氣環境下圖像清晰化處理應用，更加不適用于數千米遠的航空遙感成像。因此，低能見度大氣環境下航空遙感可見光圖像復原處理既是一個特殊性問題，更是一個難點問題。

發明內容

本發明為解決航空遙感在低能見度非均勻大氣環境下圖像退化的問題，提出了一種基于大氣分層假設的航空遙感光學圖像退化模型。此模型可以為圖像復原提供模型依據。

本方法的研究條件及適用范圍為：(1)“低能見度”是對航空遙感可見光成像而言的，即使中低空霧霾等污染濃度較小，當污染層較厚時，由于成像距離遠，也會形成低能見度成像條件；(2)在航空遙感可見光可以獲取圖像的條件下，本發明適用于不同程度的降質圖像補償；(3)當中低空出現重度霧霾等污染，能見度遠小于成像距離時，航空遙感可見光傳感器不能獲取圖像信息，此類問題不在本發明的適用范圍內。

本發明提出的所述的圖像退化模型的建模方法包括兩部分，即建立大氣分層假設和推導光學圖像退化模型。

(1)建立大氣分層假設；

在低能見度大氣條件下，大氣中氣溶膠微粒一般分布在中低空。航空遙感成像的大氣環境是指從地面場景到圖像傳感器，由霧霾、浮塵、煙霧等中低空混濁介質和中高空大氣層構成的成像介質環境。傳統的退化模型大多認為大氣介質是均勻的。然而，對于航空遙感成像，在這一較遠的成像路徑上，大氣中氣溶膠微粒分布顯然是非均勻。針對成像路徑的非均勻性，本方法假設大氣是分層分布的，每一層厚度一致、內部均勻，且都平行于大地平面。在此基礎上，進行大氣散射過程的推導，得到更加符合實際情況的光學圖像退化模型。

(2)推導光學圖像退化模型；

從圖像退化機理分析，航空遙感光學圖像退化主要是由于大氣散射作用引起的。在低能見度大氣條件下，由于大氣粒子的散射作用，一方面部分物體表面的反射光因散射而損失，使得到達觀測點的光強降低，并隨著傳播距離的增大而呈指數衰減；另一方面，大氣粒子的散射作用還來自附加在目標圖像上的大氣光，以使大氣表現出光源的特性，且環境光的強度隨著傳播距離的增大而逐漸增加。以上兩方面的作用導致航空遙感圖像的對比度、顏色等特征衰減明顯。在大氣散射模型中，最常用的是1975年McCartney根據Mie散射理論提出的大氣散射模型，將上述兩種作用定義為入射光衰減模型(Direct transmission model)和大氣光成像模型(Air light model)。在大氣分層假設前提下，本方法基于McCartney大氣散射模型，對入射光衰減模型和大氣光成像模型重新推導，得到一種新的適用于航空遙感的基于大氣分層假設的光學圖像退化模型。

本發明具有以下優點：

(1)低能見度大氣環境下航空可見光圖像退化是航空遙感應用中發現的新問題，具有面向低能見度大氣環境和中高空航空遙感應用兩個特色：將霧霾、浮塵、煙霧等歸為一類中低空混濁介質，建立從地面到圖像傳感器的大氣環境模型；關注航空遙感成像特性及其對圖像退化的影響。

(2)基于大氣分層假設，中低空混濁介質和航空遙感成像條件下的光學圖像退化模型，是對光學圖像退化機理的探索和補充，相對于現有的航空遙感光學圖像退化模型和低空戶外光學圖像退化模型具有一定的創新性。

附圖說明

圖1為本發明提供的建模方法的總體流程圖；

圖2為本發明中大氣分層假設原理示意圖；