本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體地講是一種基于PCA變換的遙感反射率圖像反立體校正方法。

背景技術(shù)：
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經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，當(dāng)代遙感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于資源、環(huán)境等領(lǐng)域。然而，在遙感圖像應(yīng)用中，由于受太陽(yáng)、大氣和地形等多種因素的影響，導(dǎo)致地表接收到的太陽(yáng)輻射能量并不均一，進(jìn)而導(dǎo)致遙感圖像中陰、陽(yáng)坡地表的圖像輻亮度具有明顯差異。這種輻射亮度的差異，使得遙感圖像具有一定的立體感。然后，對(duì)北半球來(lái)說(shuō)，由于資源衛(wèi)星大多為太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星，傳感器成像時(shí)間為地方時(shí)九點(diǎn)半至十點(diǎn)半之間。該時(shí)刻成像，陽(yáng)光從東南向射入，山脊兩側(cè)的南向坡形成光照面，北向坡為陰影面，而傳統(tǒng)的上北下南影像構(gòu)圖方式，使得遙感圖像中陰影面位于光照面上方。由于人類視覺(jué)生理、心理特點(diǎn)和視覺(jué)習(xí)慣，遙感圖像中山脊陰影面位于光照面上方，表現(xiàn)為凹陷（溝谷）。這種視覺(jué)上立體感相反的現(xiàn)象，在北半球太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星圖像中是普遍存在的，被稱為反立體現(xiàn)象（Saraf et al., 1996; Rudnicki, 2000; Patterson, 2004，BoWu et al,2012），即在遙感圖像中，山脊表現(xiàn)為凹陷，而溝谷表現(xiàn)為凸起山脊。

遙感圖像中反立體現(xiàn)象的存在增加了判讀遙感圖像中的紋理信息的難度，因此，校正遙感影像的反立體現(xiàn)象，使圖像立體感符合視覺(jué)習(xí)慣，將有助于對(duì)遙感影像的解譯。導(dǎo)致反立體現(xiàn)象的因素主要有：地形陰影、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角、觀察的角度以及山坡上的紋理等（Saraf et al., 2005）。目前反立體校正方法主要有圖像南北向旋轉(zhuǎn)法、像元值逆轉(zhuǎn)法、地形陰影圖SRM參與的色彩空間變換融合3類。

（1）圖像南北向旋轉(zhuǎn)法將影像旋轉(zhuǎn)180°，將上北下南的構(gòu)圖變?yōu)樯夏舷卤憋@示。該方法最簡(jiǎn)單，且完整的保留了成像時(shí)刻的地物光譜信息，但由于構(gòu)圖方向發(fā)生改變，使得圖像中東西向發(fā)生改變，導(dǎo)致圖像空間位置關(guān)系的倒轉(zhuǎn)，地物的幾何特征同傳統(tǒng)的識(shí)圖習(xí)慣不符，為圖像解譯帶來(lái)不便。（2）像元值逆轉(zhuǎn)法主要有兩種：直接逆轉(zhuǎn)原始影像像素DN值、以HIS正逆變換為基礎(chǔ)，逆轉(zhuǎn)色彩亮度I的像元值。這兩種方法都通過(guò)像素值的逆轉(zhuǎn)，將圖像中暗區(qū)，即陰影區(qū)，強(qiáng)制改變?yōu)榱辽{(diào)，即光照面，使圖像中陰、陽(yáng)面交換，實(shí)現(xiàn)正立體化。兩種算法忽視了圖像像元的光譜信息，因此，光譜信息損失很大。（3）地形陰影圖參與的色彩空間變換融合法顧及到遙感圖像中的反立體現(xiàn)象依賴于由成像時(shí)刻的太陽(yáng)-目標(biāo)-傳感器的幾何關(guān)系所導(dǎo)致照度分布特點(diǎn)及人類三維視覺(jué)感知習(xí)慣，利用外部DEM數(shù)據(jù)模擬正立體照度信息（太陽(yáng)位于西北），基于HIS（或HSV）等色彩融合方法，改變?cè)糝GB圖像中的亮度分量，以達(dá)到反立體現(xiàn)象的校正（Saraf et al., 1996，2004；章皖秋等,2010）。

方法（2）、（3）通過(guò)修改圖像像素灰度值來(lái)實(shí)現(xiàn)正立體校正，但均存在明顯的光譜信息損失。王濤等（2016）對(duì)傳統(tǒng)的參與的HIS融合法顧進(jìn)行了改進(jìn)，考慮到遙感圖像所表現(xiàn)出的反立體現(xiàn)象是受傳感器成像時(shí)刻太陽(yáng)高度角、方位角、地表起伏程度及人類的三維視覺(jué)習(xí)慣共同作用的。因而，發(fā)明了“一種基于地表粗糙度和陰影模型的遙感圖像反立體校正方法”，該方法采用RGB和HSV色彩空間的變換，對(duì)地形起伏大的地表給予較高的權(quán)重，而對(duì)地形平坦的地表給予較低的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感光學(xué)圖像反立體現(xiàn)象的校正。方法具有圖像光譜損失小且方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但受限于RGB色彩空間和HSV色彩空間的變換技術(shù)，因而只能對(duì)光學(xué)遙感灰度值圖像進(jìn)行反立體校正，無(wú)法應(yīng)用于經(jīng)過(guò)圖像光譜定量化預(yù)處理的圖像（即遙感反射率圖像）校正，并且采用的地表粗糙度標(biāo)準(zhǔn)化方法有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是克服上述已有技術(shù)的不足，而提供一種基于PCA變換的遙感反射率圖像反立體校正方法；主要解決現(xiàn)有基于融合法方法所存在光譜信息損失大、無(wú)法處理遙感反射率圖像的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于PCA變換的遙感反射率圖像反立體校正方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

a 對(duì)由搭載在航天、航空飛行器上的傳感器或遙感器所記錄的遙感數(shù)字灰度圖像進(jìn)行輻射校正和大氣校正，獲得校正后的遙感反射率圖像；

b 對(duì)遙感反射率圖像和數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)為高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系，并作重采樣和裁剪工作，使兩者具有相同的空間分辨率和圖幅范圍；

c 基于遙感反射率圖像，進(jìn)行主成分變換PCA，獲得不相關(guān)各主成分?jǐn)?shù)據(jù)；

d 根據(jù)遙感反射率圖像的成像時(shí)刻及圖像中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，計(jì)算成像時(shí)刻太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角；

e 基于DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算地表粗糙度，獲得地表粗糙度數(shù)據(jù)；

f 對(duì)地表粗糙度數(shù)據(jù)做離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得離差標(biāo)準(zhǔn)化地表粗糙度數(shù)據(jù)；

g 基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，以遙感反射率圖像成像時(shí)刻太陽(yáng)方位角加（180°）和太陽(yáng)高度角為參數(shù)計(jì)算研究區(qū)正立體地形陰影數(shù)據(jù)，即太陽(yáng)西北方位地形陰影圖；

h 太陽(yáng)西北方位地形陰影圖和第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1分別以和1-作為權(quán)重，計(jì)算獲得新的第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1’（式?。?/p>

（?。?/p>

i 將新的第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1’替換主成分空間中的第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1，并協(xié)同其他各主成分分量，采用主成分反變換算法，反變換至多光譜空間；至此，完成對(duì)遙感反射率圖像的反立體現(xiàn)象的校正，獲得正立體遙感圖像。

進(jìn)一步的，所述的遙感數(shù)字灰度圖像為由搭載在人造衛(wèi)星、飛機(jī)或其他飛行器（航天的或航空的）上的傳感器或遙感器所記錄的數(shù)字灰度圖像。

進(jìn)一步的，所述的遙感反射率圖像是指遙感數(shù)字灰度圖像經(jīng)過(guò)輻射校正和大氣校正處理后的圖像，其像素?cái)?shù)值近似反應(yīng)了在特定的太陽(yáng)-目標(biāo)-傳感器幾何關(guān)系下的地面目標(biāo)對(duì)入射的太陽(yáng)輻射照度的反射能力，即地面目標(biāo)的反射輻射通量和太陽(yáng)入射通量的比值。

進(jìn)一步的，所述的地表粗糙度數(shù)據(jù)是基于DEM數(shù)據(jù)，由式（ⅱ）計(jì)算獲得：

（ⅱ）

其中， 為坡度數(shù)據(jù)，以弧度為單位。

進(jìn)一步的，所述的離差標(biāo)準(zhǔn)化地表粗糙度數(shù)據(jù)是由式（ⅲ）確定：

（ⅲ）

其中，min、max分別為最小和最大地表粗糙度；取值(0,1]。

進(jìn)一步的，所述主成分變換（PCA）為K-L變換或霍特林(Hotelling)變換。

本發(fā)明的一種基于PCA變換的遙感反射率圖像反立體校正方法，可用于基于光學(xué)遙感圖像，進(jìn)行圖像解譯、地形分析及制圖場(chǎng)合。

本發(fā)明的一種基于PCA變換的遙感反射率圖像反立體校正方法與已有反立體校正技術(shù)相比具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步：1、實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙感反射率圖像進(jìn)行反立體校正；2、反立體校正后，地形平緩的地區(qū)，其圖像光譜信息損失少；3、地形崎嶇的地區(qū)，其圖像光譜信息損失較少；在遙感圖像解譯、地形分析及制圖應(yīng)用中，具有重要意義。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明的計(jì)算流程圖。

具體實(shí)施方式：

為了更好的理解與實(shí)施，下面結(jié)合附圖給出具體實(shí)施詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明一種基于PCA變換的遙感反射率圖像反立體校正方法；所舉實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并非用于限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1，參見(jiàn)圖1，第一步，首先，采集航天或航空平臺(tái)傳感器或遙感器記錄的可見(jiàn)光、近紅外及遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)的遙感數(shù)字灰度圖像（數(shù)據(jù)）；對(duì)遙感數(shù)字灰度圖像進(jìn)行輻射校正和大氣校正處理，可以基于已有的商業(yè)遙感數(shù)字圖像處理軟件（比如ENVI, ERDAS, PCI等）所提供的校正模型來(lái)實(shí)現(xiàn)；獲得校正后的遙感反射率圖像；

第二步，將遙感反射率圖像和DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，使兩者坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一為高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系，并作重采樣和裁剪工作，使兩者具有相同的空間分辨率和圖幅范圍；遙感反射率圖像是指遙感灰度圖像經(jīng)過(guò)輻射校正和大氣校正處理后的圖像，其像素?cái)?shù)值近似反應(yīng)了在特定的太陽(yáng)-目標(biāo)-傳感器幾何關(guān)系下的地面目標(biāo)對(duì)入射的太陽(yáng)輻射照度的反射能力，即地面目標(biāo)的反射輻射通量和太陽(yáng)入射通量的比值；

第三步，基于遙感反射率圖像，進(jìn)行主成分變換，獲得不相關(guān)各主成分?jǐn)?shù)據(jù)：PC1，PC2，PC3...；主成分變換亦稱為K-L變換或霍特林(Hotelling)變換；

第四步，根據(jù)遙感反射率圖像的成像時(shí)刻（年月日時(shí)分秒）及圖像中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，計(jì)算圖像成像時(shí)刻的太陽(yáng)方位角和太陽(yáng)高度角；

第五步，基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)式（ⅱ）計(jì)算地表粗糙度，獲得地表粗糙度數(shù)據(jù)；地表粗糙度反映了地表地形復(fù)雜程度，取值大于等于1；地表坡度為0，即平坦地區(qū)的地表粗糙度值為1，而地表坡度大，即區(qū)域地表粗糙度值高；地表粗糙度由式（ⅱ）計(jì)算獲得；

（ⅱ）

其中， 為坡度數(shù)據(jù)，以弧度為單位；

第六步，基于式（ⅲ）對(duì)地表粗糙度數(shù)據(jù)做離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得離差標(biāo)準(zhǔn)化地表粗糙度數(shù)據(jù)；離差標(biāo)準(zhǔn)化地表粗糙度是由式（ⅲ）確定：

（ⅲ）

其中，min、max分別為最小和最大地表粗糙度；取值(0,1]；

第七步，基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，以遙感反射率圖像成像時(shí)刻太陽(yáng)方位角加（180°）和太陽(yáng)高度角作為參數(shù)計(jì)算研究區(qū)正立體陰影數(shù)據(jù)，獲得太陽(yáng)西北方位陰影圖；太陽(yáng)西北方位地形陰影圖即是由DEM數(shù)據(jù)模擬太陽(yáng)位于西北方位時(shí)地形陰影圖，可由商業(yè)遙感數(shù)字圖像處理軟件（比如ENVI,ERDAS Imagine, PCI Geomatica，ArcGIS，MapInfo等）相應(yīng)的工具模塊計(jì)算獲得；

第八步，太陽(yáng)西北方位地形陰影圖和第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1分別以（離差標(biāo)準(zhǔn)化地表粗糙度）和1-作為權(quán)重（式?。?，計(jì)算獲得新的第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1’；

（ⅰ）；

第九步，將新的第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1’替換主成分空間中的第一主成分分量數(shù)據(jù)PC1，并協(xié)同其他各主成分分量，采用主成分反變換算法，反變換至多光譜空間；此時(shí)，遙感反射率圖像已經(jīng)正立體化，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感反射率圖像的反立體現(xiàn)象的校正。