本發(fā)明屬于遙感圖像處理技術鄰域，涉及一種使用計算機模擬受云霧干擾的遙感成像過程，生成遙感圖像的技術。

背景技術：

云霧是對地遙感成像過程中的常見干擾源，使得遙感圖像對比度低，景物不清晰。數字圖像處理技術能有效減少遙感圖像中云霧的影響，增強圖像清晰度和可讀性，降低重復采集目標圖像的成本，應用靈活，成為遙感領域的研究熱點。

在眾多去云霧處理方法中，單幅遙感圖像去云霧方法只需一幅圖像，圖像采集成本低、周期短，效率高，靈活性強。然而由于不能直接獲取云區(qū)內的景物信息，此類方法去云霧處理難度高。在單幅遙感圖像去云霧處理研究中，由于缺少對應的無云清晰圖像來參照，一般通過計算處理結果的平均亮度、梯度、熵、標準差等參數來客觀評估單幅圖像去云處理算法。但是，研究發(fā)現，這些參數值和主觀評價結果往往不一致，甚至有很大差別，很難通過參數確定最佳的處理效果。為此，迫切需要研究遙感成像仿真方法，依據清晰的參照圖像，產生有云霧覆蓋的遙感圖像，從而客觀檢驗和正確評價去云處理算法。

國外從上世紀90年代就開始研究遙感成像仿真方法。2001年，德國宇航中心研制了可用于仿真包括場景、大氣及傳感器在內遙感成像過程的應用軟件sensor，在高光譜成象儀的在軌模擬和性能評測中發(fā)揮了重要作用。2002年，美國nasa開發(fā)了仿真?zhèn)鞲衅鞯腶rt軟件和高光譜遙感仿真系統，用于生成多光譜或高光譜模擬圖像。2004年，法國生物圈空間研究中心開發(fā)了dart傳輸模型，可根據三維場景和地物二向反射模型，按照大氣條件、傳感器系統要求，模擬生成可見光和近紅外波段的遙感圖像。美國羅徹斯特理工學院基于航空光學遙感器物理模型，開發(fā)了具有偏振成像仿真功能的dirsig(thedigitalimagingandremotesensingimagegenerationmodel)數字成像和遙感圖像生成模型。

在國內，中科院長春光機所和中科院安徽光機所分別開發(fā)了包含三維虛擬場景和傳感器系統響應的遙感成像模擬仿真軟件。福建師范大學林如強等將葉面積指數和大氣輻射傳輸模型相結合，給出航天遙感圖像模擬方法。中國科學技術大學黃紅蓮等提出基于空基偏振圖像或強度圖像來實現光學遙感偏振成像仿真的方法。西安電子科技大學黃曉敏等研究了機載可見光遙感系統成像物理特性，開展了機載可見光遙感系統成像的全鏈路仿真。

以上研究成果均是通過仿真整個鏈路的成像過程，研究成像過程中外界和內在環(huán)節(jié)的各因素，實現優(yōu)化設計遙感器，提高遙感產品的精度和使用價值。相關產品通常研發(fā)成本高，仿真計算量大，較少關注云霧干擾問題。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的上述問題，本發(fā)明目提供一種在云霧干擾下遙感成像的仿真方法。本發(fā)明的方法對選定的圖片，通過計算機程序設計，在虛擬環(huán)境下，仿真遙感成像過程，生成受云霧干擾的遙感圖像，為研究單幅圖像去云霧處理技術提供豐富的圖片數據，便于檢驗和客觀評價去云處理算法。

本發(fā)明的技術方案如下：

在云霧干擾下遙感成像的仿真方法，包括如下步驟：

步驟1：初始化：輸入已知的一幅清晰無云霧的遙感圖像j，和用于選擇仿真云霧覆蓋類型的參數p；選擇太陽光入射強度l和云層衰減系數α為一常數，其中0<α<1；設圖像j的像素數為m×n；

步驟2：如果p＝0，那么設定云層透過率t為0至1之間的某個常數，轉向步驟6，開展具有均勻云霧覆蓋的遙感成像仿真；否則，執(zhí)行步驟3；

步驟3：如果p＝1，那么取傳輸介質衰減系數β為大于0的一個常數，并選擇一個角度，計算透過率t，轉向步驟6；否則，執(zhí)行步驟4；

步驟4：如果p＝2，那么先產生k個橢圓形區(qū)域，并隨機產生各橢圓的長軸長和短軸長，長軸與水平正向的夾角也是隨機數，其中k為大于0的整數；第i個區(qū)域的云層透過率ti為0至1之間的一個隨機的常數，而此區(qū)域以外的透過率為0；將所有k個橢圓形區(qū)域的云層透過率ti疊加起來，生成總的透過率t，然后轉向步驟6；否則，執(zhí)行步驟5；

步驟5：當輸入的參數p不是0、1或2，則輸入無效，不能開展仿真；

步驟6：根據計算得到的云層透過率t，計算并輸出遙感仿真圖像。

進一步，步驟3中，按照以下公式計算透過率t：

t＝e^-βd(x,^y)

d(x,y)＝xcosφ+ysinφ

其中，d表示景物到遙感衛(wèi)星相機的傳輸路徑長度，β表示與光散射相關的傳輸介質衰減系數；(x,y)表示像素點的位置，x和y的取值范圍分別為[1,n]、[1,m]，φ表示云層厚度漸變的方向，φ取值范圍為-90°至90°。

進一步，步驟4中，每個橢圓形區(qū)域表示為：

每個橢圓形區(qū)域的透過率函數表示為：

其中，θi表示該橢圓長軸與水平正方向的夾角，ai和bi表示第i個橢圓的半長軸和半短軸長度，(x0,y0)表示云中心在圖像中所處的位置，ki取0和1之間的一個常數值，表示第i個均勻覆蓋云的透過率。

進一步，步驟6中，按照以下公式計算遙感仿真圖像i：

i＝l(1-t)+αjt。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)對于已有無云霧干擾的清晰遙感圖像，只需修改參數，即能開展受云霧干擾的遙感成像模擬，操作簡便。

(2)本發(fā)明通過計算機程序實現，不需要遙感衛(wèi)星實地拍攝，對硬件設備無要求，也不受天氣狀況影響，成本低。

(3)本發(fā)明能輸出包含云霧均勻覆蓋、濃度漸變的遙感圖像，或局部包含云霧的遙感圖像，能為研究單幅遙感圖像去云處理技術提供豐富的圖像數據，實現去云處理結果圖像與原始圖像的客觀對比。

附圖說明

圖1是受云霧干擾的遙感成像模型。

圖2是遙感成像仿真流程圖。

圖3是實施例一的原圖。

圖4是當t＝0.6時，實施例一仿真得到均勻云霧覆蓋的結果圖。

圖5是當t＝0.4時，實施例一仿真得到均勻云霧覆蓋的結果圖。

圖6是當β＝3，φ＝60°時，實施例一得到云霧濃度漸變的云層透過率等高線圖。

圖7是當β＝3，φ＝60°時，實施例一得到云霧濃度漸變的仿真結果圖。

圖8是當β＝2，φ＝45°時，實施例一得到云霧濃度漸變的云層透過率等高線圖。

圖9是當β＝2，φ＝45°時，實施例一得到云霧濃度漸變的仿真結果圖。

圖10是當β＝1.5，φ＝-60°時，實施例一得到云霧濃度漸變的云層透過率等高線圖。

圖11是當β＝1.5，φ＝-60°時，實施例一得到云霧濃度漸變的仿真結果圖。

圖12是當β＝3時，實施例一得到中心附近云霧局部覆蓋的仿真結果圖。

圖13是當β＝2.5時，實施例一得到(350,285)位置附近云霧局部覆蓋的仿真結果圖。

具體實施方式

在云霧干擾狀態(tài)下，遙感衛(wèi)星對地成像的過程如圖1所示，衛(wèi)星捕獲的遙感成像信息主要有兩部分組成。

首先，從太陽發(fā)出射向地面的光線，經過云層反射而被衛(wèi)星捕獲。設這部分成像信息為i1。

其次，另一部分太陽光透過云層照射到地面，被地面景物體反射，而射回天空，同時再次穿過云層，最終被衛(wèi)星捕獲。設這部分成像信息為i2。

如果太陽光初始強度為l，云層透射率為t，云層衰減系數和地面景物反射率分別為α和r，那么遙感成像過程可表示為

i＝i1+i2＝l(1-t)+αlrt(1)

其中i表示衛(wèi)星拍攝的遙感圖像。

若大氣中沒有云霧，那么α＝t＝1,衛(wèi)星拍攝得到的遙感圖像只包含地物信息，這即是無云霧遮擋的清晰遙感圖像，可表示為

j＝lr(2)

則(1)式可修改為

i＝l(1-t)+αjt(3)

云層透射率t反映了云層覆蓋的薄厚、云層濃度的變化以及云的分布狀況，可表示為

其中d表示景物到遙感衛(wèi)星相機的傳輸路徑長度，β表示與光散射相關的傳輸介質衰減系數。云層透過率t越大，云層的遮擋作用越不明顯。當β＝0時，t＝1，此時無云干擾。由于t的取值范圍為0-1之間的小數，而d>0，因此限定β>0。

由以上分析可見，在已有清晰無云的對地遙感圖像j情況下，依據公式(3)和(4)，可模擬不同云霧覆蓋狀態(tài)下的遙感成像，輸出受云霧遮蓋的遙感圖像。為此考慮如下情形。

(1)當t為與傳輸路徑長度無關的常數時，遙感圖像中的云層將均勻覆蓋。

(2)當β為常數時，即t＝e^-dβ，此時β決定了t值所反映的云霧變化狀況。由于β>0時，隨著d的增大，t值逐漸減小，云層變厚，透過率降低，遙感圖像中景物隨著距離增加越來越模糊。設遙感圖像像素數為m×n，以(x,y)表示像素點的位置，x和y的取值范圍分別為[1,n]、[1,m]。為便于說明，規(guī)定在圖像坐標系中，坐標原點位于圖像的左上角，x沿水平方向，且向右為正方向，y沿垂直方向，向下為正方向。為便于模擬云層濃度可以沿著需要的方向漸變，對于每個像素點對應的傳輸距離d表示為

d(x,y)＝xcosφ+ysinφ(5)

其中φ表示云層厚度漸變的方向，指的是該變化方向與水平正方向(從左向右為正)的夾角。φ取值范圍為-90°至90°，規(guī)定從水平正方向轉向該漸變方向，若順時針轉動，則為φ正，否則為負。沿著漸變方向，云層透過率逐漸增強，圖像變清晰。當φ＝0°時，云層沿著水平方向，從左往右逐漸變薄。當φ＝90°時，云層沿豎直方向，從上往下逐漸變薄。

(3)對于局部云覆蓋的情況，云區(qū)中心比較厚，從中心往四周云層變薄，但云層厚度隨距離的變化無規(guī)律可循。因此，實際云層覆蓋可近似看作是由很多個具有不同軸長的橢圓形均勻覆蓋的云層疊加而成的，由此可模擬云層局部覆蓋狀態(tài)下的遙感成像。

每個均勻覆蓋云的橢圓區(qū)域可表示為式(6)，那么它們的透過率函數可表示為式(7)。

其中θi表示該橢圓長軸與水平正方向的夾角，以模擬云的不同走向。ai和bi表示第i個橢圓的半長軸和半短軸長度。(x0,y0)表示云中心在圖像中所處的位置。ki取一個0和1之間的一個隨機常數值，表示第i個均勻覆蓋云的透過率。

本發(fā)明提出的在云霧干擾下遙感成像的仿真方法，具體步驟包括：

步驟1初始化。輸入已知的一幅清晰無云霧的遙感圖像j，和用于選擇仿真云霧覆蓋類型的參數p。選擇太陽光入射強度l和云層衰減系數α為某一常數，其中0<α<1。設圖像j的像素數為m×n。

步驟2如果p＝0，那么設定云層透過率t為0至1之間的某個常數，轉向步驟6，開展具有均勻云霧覆蓋的遙感成像仿真。否則，執(zhí)行步驟3。

步驟3如果p＝1，那么取傳輸介質衰減系數β為大于0的一個常數，并選擇一個角度φ，根據公式(4)和(5)，此時，公式(4)轉化為t＝e^-βd(x,y)，計算透過率t，轉向步驟6。否則，執(zhí)行步驟4。

步驟4如果p＝2，那么先產生k個橢圓形區(qū)域，并隨機產生各橢圓的長軸長和短軸長，長軸與水平正向的夾角也是隨機數，其中k為大于0的整數。第i個區(qū)域的云層透過率ti為0至1之間的一個隨機的常數，而此區(qū)域以外的透過率為0。將所有k個橢圓形區(qū)域的云層透過率ti疊加起來，生成總的透過率t，然后轉向步驟6。否則，執(zhí)行步驟5。

步驟5當輸入的參數p不是0、1或2，則輸入無效，不能開展仿真。

步驟6根據計算得到的云層透過率t，按照公式(3)，計算并輸出遙感仿真圖像。

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述。

實施例一

選擇1幅原始圖像，如圖3所示。該圖是在晴天利用低空無人機航拍得到的，可見圖片中地面景物很清晰。該圖像素個數為512×512。

為方便起見，選擇太陽光入射強度l為1，云層衰減系數α為0.9。

當選擇參數p＝0時，t選為0.6，那么按照公式(3)，得到的仿真結果如圖4所示，可見仿真結果中圖片整體能見度降低，云霧對景物的遮擋較為均勻。若t選為0.4，得到的仿真圖如圖5所示，相比于圖4，地面景物能見度更低，遮擋更嚴重，但覆蓋的云霧仍較均勻。

當選擇參數p＝1時，取β＝3，φ＝60°，得到的透過率等高線圖如圖6所示，可見，透過率沿著與水平正向成60°的方向逐漸增大。仿真圖像如圖7所示，沿著該方向景物逐漸變清晰。當β＝2，φ＝45°時，透過率等高線圖如圖8所示，仿真圖像如圖9所示，透過率沿著對角線方向逐漸增大，圖像中景物也逐漸變清晰。當β＝1.5，φ＝-60°時，透過率等高線圖如圖10所示，可見透過率沿著與水平正向成-60°方向變化，沿著該方向，透過率逐漸增加。仿真圖像如圖11所示，其中景物沿著相應的方向越來越清晰。比較圖7、圖9和圖11，發(fā)現，相同條件下，云霧濃度隨著β值改變而改變。β值越大，云層遮擋越嚴重?？梢?，本發(fā)明能選定云霧濃度漸變的走向，產生遙感成像仿真圖。

當選擇參數p＝2時，取β＝3，k＝8，(x0,y0)取為圖像中心，仿真圖像如圖12所示，圖中心附近區(qū)域有明顯的云霧覆蓋，其余部分景物很清楚，和原圖一致。取β＝2.5，(x0,y0)取為(350,285)時，仿真圖像如圖13所示，云區(qū)處于坐標(350,285)附近，且濃度較圖12弱?？梢姡景l(fā)明能通過調整(x0,y0)值規(guī)定局部覆蓋的云霧在圖中出現的位置，通過調整β值改變云層厚度。

綜上所述，本發(fā)明是一種模擬云霧干擾下遙感成像過程，輸出數字遙感圖像的方法，包括如下步驟：(1)輸入已知的一幅清晰無云霧的遙感圖像和用于選擇仿真云霧覆蓋類型的參數p，選擇太陽光入射強度l和云層衰減系數α為某一常數，其中0<α<1。(2)如果p＝0，那么，設定云層透過率t為0至1之間的某個常數，轉向步驟(6)，開展具有均勻云霧覆蓋的遙感成像仿真。(3)如果p＝1，那么取傳輸介質衰減系數β為大于0的一個常數，并取一個角度計算透過率t，轉向步驟(6)，開展受到濃度漸變云層覆蓋的遙感成像仿真。(4)如果p＝2，那么先產生k個橢圓形區(qū)域，第i個區(qū)域的云層透過率ti為0至1之間的一個常數，而此區(qū)域以外的透過率為0。將所有k個橢圓形區(qū)域的云層透過率ti疊加起來，生成總的透過率t，然后轉向步驟(6)，開展具有局部云層覆蓋的遙感成像仿真。否則，執(zhí)行步驟5。(5)此時輸入的參數p無效，不能開展仿真，結束運行。(6)根據計算得到的云層透過率t，按照遙感成像模型公式，計算并輸出遙感仿真圖像。本發(fā)明操作簡便，不依賴于遙感成像的硬件系統，成本低，為研究單幅圖像去云霧處理技術提供豐富的圖片數據，便于驗證和客觀評價去云處理算法。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。