基于核典型相关分析的遥感图像辐射归一化研究

发布时间：2020-08-02 10:50

【摘要】：遥感图像的辐射归一化处理,也可以称为光谱对齐,是一种通过光谱变换的手段对多源、多时相的遥感数据光谱进行调整,使其具有良好的辐射一致性的方法。由于外部原因造成的图像间辐射差异以及植被等地物自然变化导致的季相差异给变化检测带来严重干扰。因此,如何消除这类异常造成的干扰,是多源、大区域和时间序列遥感数据变化检测的处理和分析中亟待解决的问题之一,也是其首要工作。目前已有大量学者提出了很多快速、简单、有效的辐射归一化方法,本文对其进行了总结和归纳,发现现有方法中仍存在一定的不足和局限性,主要表现在:现有方法大多基于线性假设,这只是一种近似的线性关系;对目标图像有严格的约束条件,如要求目标图像和参考图像时相非常相近,大大限制了相对辐射归一化的应用;辐射归一化的研究大多集中于不变点的选取,选取不变点之后的拟合方法较少;只考虑伪不变点的归一化,对于规律性的光谱变化不能进行归一化,如地物自然生长造成的季相变化;现有的基于非线性方法对图像进行辐射归一化研究较少,无法真正应用于实际工程中。针对上述问题,本文以一种多元统计分析方法——核典型相关分析为基础,针对宽谱高分一号卫星的辐射归一化问题进行了深入研究,并将其与现有方法进行比较与分析,最后将其应用于云检测与修补过程。本文的主要研究内容与创新点包括以下几点:(1)提出了改进的基于典型相关分析的辐射归一化方法。该方法旨在解决现有的基于典型相关分析提取的伪不变点中的“噪声点”对归一化方程拟合造成干扰的问题,提出一种基于Ransac稳健回归的拟合方法,减小提取的不变点中的“噪声点”对于辐射归一化结果的影响,提高斜率和截距的准确度,消除图像间由于外界因素影响造成的整体辐射差异,使辐射归一化结果更准确。(2)提出了基于核典型相关分析的辐射归一化方法。利用典型相关分析在核空间内的多元分析能力,提取目标图像与参考图像之间的非线性关系,并对目标图像进行归一化处理。基于核典型相关分析的辐射归一化结果可以保持每个图像对之间更好的相似性和更高的相关性,并且有效避免颜色差异的传递。该方法不仅建立了多幅图像间的公共辐射尺度或参考,保证了上述实验图像间的辐射一致性。对图像间整体辐射差异进行归一化处理的同时,也消除了由于图像间时相变化,地物自然生长导致的规律性辐射季相差异,增强我们感兴趣的光谱变化。该方法快速简单,对目标处理图像与参考图像的时相差异没有严格的约束条件,不需要任何辅助数据,是一个非常完善的辐射预处理方法,为宽谱高分一号卫星更好的应用于变化检测,土地利用,土地覆盖变化检测等领域提供基础数据做重大铺垫。(3)提出了基于核典型相关分析的云检测方法。本文将辐射归一化与变化检测相结合,提出一种多幅图像的自动、快速的云检测与修补算法,作为基于核典型相关分析的辐射归一化处理的具体应用。该方法充分利用核典型相关分析方法进行图像分析的特性,分别提取图像中的不变点和变化点。利用提取的不变点对图像进行辐射归一化处理,并协同利用归一化结果与变化点进行云的检测,生成云腌膜。最后利用再次利用归一化结果对云像素进行修补,得到完成的去云后的图像。实验结果表明,该方法能能够有效地应用于云检测与修补过程中,避免高亮地表的干扰,得到准确的云腌膜以及辐射一致性较好的云修补产品。这也是一个将核典型相关分析方法引入到辐射归一化处理中的效果显著的应用。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP751
【图文】：

(d) (e) (f)图 2.1 实验所采用的原始 GF-1 数据图实验数据的预处理包括辐射校准，正射校正和图像配准。这里辐射定标将DN 值转换为大气层顶反射率（TOA）。 2013 年 10 月 2 日获取的高分一号图像无云，且具有良好的视野。该图像和其他图像之间有明显的季相差异。因此被选为几何空间和辐射空间的参考图像。 首先以该图像为参考，将其他实验图像几何校正到该图像，然后分别对这些图像进行处理，运用典型相关分析方法提取伪不变点。典型相关分析提取伪不变点算法只需要人工设置一个 参数，此处设置其为 0.99。利用 2.1.1 部分介绍的算法提取伪不变点结果如下图 2.2 所示，其中黑色像素点为该算法提取的为不变点。

(d) (e)图 2.2 基于典型相关分析方法提取的线性不变点分布图取的伪不变点个数分别为：2432，2382，1014，2074 和 1069。主上固定地物类别处，如道路、人工建筑物等。一步是基于上述不变点在目标图像和参考图像上像素值间的对应关Ransac 稳健回归方法拟合回归方程，求解得到的线性方程用于目标，得到的回归系数如下表所示。观察表中拟合系数可发现，目标图的时相差异越大，得到的拟合一次项系数越大，即拟合直线的斜率标图像和参考图像间时间跨度越大，图像不变点间的线性效应的影表 2.2 基于典型相关分析法的线性拟合系数表

(a) (b) (c) (d)图 2.4 实验图像 4 个波段的拟合直线图(a) (b) (c) (d) (e)(f) (g) (h) (i) (j)原始图像结果图像Image0330 Image0403 Image0705 Image0717 Image1214图 2.5 基于 Ransac 稳健回归的辐射归一化结果图依据基于上述 Ransac 稳健回归拟合得到的直线方程分别对目标图像进行线

【参考文献】

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本文编号：2778408