基于辐射可信分区与地物谱序保持的遥感图像增强方法

本发明属于遥感图像增强，具体涉及基于辐射可信分区与地物谱序保持的遥感图像增强方法。

背景技术：

1、遥感成像常受到太阳高度角、云影与山体阴影、成像时段以及载荷曝光条件等因素影响，导致部分图像区域入射辐射不足，表现为暗部可见性降低、局部对比度不足和噪声相对占比上升。现有低光图像增强方法大体可分为三类：基于直方图或曲线的亮度映射方法，直接对动态范围进行重新分配；基于成像分解的方法，将图像拆解为光照与反射等分量后分别处理再重构；以及基于深度学习的端到端增强方法，利用数据学习低光图像到正常照度图像的非线性映射。

2、上述现有方法应用于遥感图像时，存在一些不足。首先，一幅遥感图像往往同时包含深阴影、正常曝光地物和高反射地物，统一映射或端到端回归难以区分不同区域的辐射可信程度，容易使暗区增强不足或增强过度的同时，高亮区域被同步放大而出现过增强，暗区噪声也被一并放大。其次，现有方法多以视觉亮度提升为目标，通常对各波段独立进行映射或回归，缺乏对跨波段相对响应关系的约束；而同一类地物在局部同质区域内的波段相对顺序和归一化波段比例通常是稳定的，波段独立处理可能造成波段大小关系翻转，对后续的地物分类、指数计算和变化分析等遥感处理流程产生不利影响。此外，低光遥感图像内部通常仍存在一部分辐射较可靠的正常亮度像素，现有方法大多将整幅低光图像视作同一质量水平的输入，未利用这些相对可信的局部观测作为同一区域暗像素增强的参照。

技术实现思路

1、根据以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供基于辐射可信分区与地物谱序保持的遥感图像增强方法，能够依据当前图像自身的辐射可信程度调节增强强度、在高亮区域抑制过增强、并在提升暗部亮度的同时保持地物区域内部稳定波段顺序。

2、为达到以上目的，本发明提供了基于辐射可信分区与地物谱序保持的遥感图像增强方法，包括以下步骤：

3、s1、获取多通道的低光遥感图像并进行归一化，得到各像素各波段的归一化观测值；根据归一化观测值计算归一化亮度、局部波动程度和归一化波段比例向量，并结合当前图像统计的暗部阈值和高亮阈值，构建过暗权重图、辐射可信权重图和高亮保护权重图；

4、s2、根据归一化亮度的结构边界和归一化波段比例向量划分地物区域；在每个地物区域内选取辐射可信权重不小于锚点可信阈值的像素构成可信像素集合，统计各波段的区域中位响应与区域归一化波段比例，得到谱序锚点；将每个地物区域的谱序锚点赋予该地物区域内的像素，得到锚点广播图；

5、s3、将低光遥感图像、过暗权重图、辐射可信权重图、高亮保护权重图以及锚点广播图输入辐射校正模型，得到原始增益参数；对原始增益参数进行有界映射并经过暗权重图和高亮保护权重图调制，得到对同一像素各波段共同作用的共享增益场；

6、s4、利用共享增益场对低光遥感图像进行逐像素辐射映射，得到初始增强图像；对初始增强图像中波段顺序与对应地物区域的谱序锚点不一致的像素，在区域波段顺序和输出动态范围约束下，执行以相对于初始增强图像的加权改变量最小为目标的加权单调投影，得到增强遥感图像；

7、s5、利用成对的低光遥感图像与正常照度参考图像构建组合约束函数，训练辐射校正模型；训练完成后，对实际低光遥感图像执行步骤s1至s4，输出增强遥感图像。

8、作为本发明的优选方案，所述的s1中，计算归一化亮度、局部波动程度和归一化波段比例向量的方式为：

9、对像素p处各波段的归一化观测值进行加权求和，得到像素p处的归一化亮度：

10、；

11、式中，c为低光遥感图像的波段数，c为波段索引，每个通道对应一个波段；为像素p在第c个波段的归一化观测值；ac为第c个波段的亮度计算权重，ac≥0且；

12、在以像素p为中心的局部邻域内，以归一化亮度对局部中位值的绝对偏差的中位数表征像素p处的局部波动程度：

13、；

14、式中，为以像素p为中心的局部邻域；med表示取中位数；、分别为局部邻域内像素q、r处的归一化亮度；

15、将像素p处各波段的归一化观测值占全部波段归一化观测值总和的比例作为对应波段的分量，由各波段的分量组合得到像素p处的归一化波段比例向量；像素p处的归一化波段比例向量的第c个分量为：

16、；

17、式中，为像素p在第j个波段的归一化观测值，j为用于求和遍历的波段索引；为大于零的防除零常数。

18、作为本发明的优选方案，所述的s1中，构建过暗权重图、辐射可信权重图和高亮保护权重图的过程为：

19、根据当前图像全部像素的归一化亮度分布，分别取预设低分位比例对应的分位数作为暗部阈值td，取预设高分位比例对应的分位数作为高亮阈值th；

20、采用sigmoid函数计算像素p处的过暗权重和高亮保护权重，并由非暗程度、非高亮程度与局部波动程度共同形成像素p处的辐射可信权重：

21、；

22、；

23、；

24、式中，表示sigmoid函数；sd、sh分别为暗部过渡尺度和高亮过渡尺度；为局部波动抑制系数；e为自然常数；

25、由全部像素的过暗权重、辐射可信权重和高亮保护权重，分别构成过暗权重图、辐射可信权重图和高亮保护权重图。

26、作为本发明的优选方案，所述的s2中，地物区域的划分过程为：

27、由全部像素的归一化亮度构成归一化亮度图，在归一化亮度图上计算相邻像素的一阶差分，得到结构边界强度，由全部像素的结构边界强度构成结构边界；选取结构边界强度低于预设边界阈值且辐射可信权重高于种子可信阈值的像素作为区域生长种子；

28、对每个区域生长种子，考察该区域生长种子的候选相邻像素，当候选相邻像素同时满足以下条件时，将其并入当前区域：

29、条件一、候选相邻像素与当前区域的平均归一化亮度之差不大于预设亮度差阈值；

30、条件二、候选相邻像素与当前区域的归一化波段比例向量之间的距离不大于预设比例差阈值；

31、条件三、候选相邻像素与当前区域之间未跨越结构边界；

32、完成区域生长后，将面积小于预设最小面积的区域与边界代价最小的相邻区域合并，得到若干地物区域。

33、作为本发明的优选方案，所述的s2中，得到谱序锚点和锚点广播图的过程为：

34、对于第k个地物区域rk，将辐射可信权重不小于锚点可信阈值的像素构成rk的可信像素集合tk；对tk内各波段计算区域中位响应：

35、；

36、式中，为rk内第c个波段的区域中位响应；

37、将rk内各个波段的区域中位响应由大到小排列，得到rk的波段排列；

38、对tk内各像素归一化波段比例向量的第c个分量取中位数，得到rk的区域归一化波段比例：

39、；

40、式中，为rk内第c个波段的区域归一化波段比例，表征rk内可信像素处第c个波段响应占全部波段总响应的典型比例；

41、与共同构成地物区域rk的谱序锚点；

42、将每个地物区域的谱序锚点赋予该地物区域内的像素，得到与低光遥感图像空间尺寸一致的锚点广播图；

43、当中相邻两个波段的区域中位响应之差小于预设稳定性阈值时，将该相邻波段对标记为弱约束波段对，在加权单调投影中不强制该相邻波段对的排序；

44、当tk中的像素数量小于预设数量阈值时，不强制使用rk的谱序锚点，对该地物区域内的像素不执行加权单调投影，直接保留初始增强图像的各波段取值。

45、作为本发明的优选方案，所述的s3中，辐射校正模型输出单通道的原始增益参数，以此得到共享增益场：

46、；

47、式中，为像素p处的共享增益，对同一像素p的全部波段共同作用；gmax为允许的最大增益；为辐射校正模型在像素p处输出的原始增益参数；

48、全部像素处的共享增益构成共享增益场。

49、作为本发明的优选方案，所述的s4中，得到初始增强图像的方式为：

50、；

51、式中，为初始增强图像在像素p处第c个波段的取值；表示将取值限制在输出有效动态范围内的饱和函数；

52、由全部像素、全部波段的构成初始增强图像。

53、作为本发明的优选方案，所述的s4中，得到增强遥感图像的过程为：

54、对于属于rk的像素p，若初始增强图像在像素p处的波段顺序在弱约束波段对之外均满足，则直接以初始增强图像的取值作为输出；若存在波段顺序违序，则求解以下加权单调投影：

55、；

56、约束条件为：

57、；

58、式中，为像素p处谱序校正后的光谱向量；z为待求解的光谱向量，zc为z的第c个波段的分量；为第c个波段的投影权重，依据tk内第c个波段取值的离散程度设置；为中第c顺位的波段索引；为z在中第c顺位波段上的分量取值；

59、加权单调投影采用相邻违序合并方式求解：按排列初始增强图像在像素p处的各波段取值并逐波段形成初始块，当相邻两个块的加权均值违反单调关系时，合并相邻两个块并重新计算加权均值，以合并后的加权均值替换块内各元素；重复上述合并过程直至所有相邻块满足单调关系；最后，对于中的第c顺位，将该顺位的取值赋给z的第个分量，得到求解后的光谱向量；

60、将求解得到的光谱向量作为像素p处谱序校正后的光谱向量，以的各波段分量替换初始增强图像在像素p处的各波段取值；对于未发生波段顺序违序的像素，保留初始增强图像的各波段取值；由全部像素的最终取值构成增强遥感图像。

61、作为本发明的优选方案，所述的s5中，组合约束函数l包括参考重建损失lrec、区域谱比例损失lrat、邻域亮度次序损失lrank以及边界感知增益平滑损失lgain：

62、；

63、式中，、、、分别为lrec、lrat、lrank、lgain的损失权重；

64、lrec约束增强遥感图像与对应正常照度参考图像之间的像素差异，具体为：

65、；

66、式中，h、w分别为低光遥感图像的高和宽；为增强遥感图像在像素p处第c个波段的取值；为正常照度参考图像在像素p处第c个波段的取值；

67、lrat约束增强遥感图像在各地物区域内的归一化波段比例向量接近对应谱序锚点的区域归一化波段比例，具体为：

68、；

69、式中，n为参与统计的像素波段项总数；为增强遥感图像在像素p处的归一化波段比例向量的第c个分量；

70、lrank约束同一地物区域内可信相邻像素的相对亮度次序在增强前后保持一致，具体为：

71、；

72、式中，p为同一地物区域内归一化亮度之差超过预设亮度差稳定性阈值、且两像素的辐射可信权重均高于预设次序可信阈值的相邻像素对集合；为集合p中像素对的数量；spq为低光遥感图像中像素p与像素q的归一化亮度之差的符号；、分别为增强遥感图像在像素p、q处的归一化亮度；为预设的次序间隔；

73、lgain在同一地物区域内部抑制共享增益场的突变，并在结构边界处降低平滑权重，具体为：

74、；

75、式中，e为相邻像素对集合；为集合e中像素对的数量；ke为边界衰减系数；为低光遥感图像在像素q处的归一化亮度；为像素q处的共享增益。

76、作为本发明的优选方案，所述的s5中，训练辐射校正模型的过程为：

77、将成对匹配的低光遥感图像和正常照度参考图像组成训练样本，并划分训练集和验证集；对每个训练样本依次执行步骤s1至s4，得到增强遥感图像，并根据增强遥感图像与对应的正常照度参考图像计算组合约束函数，采用梯度反向传播更新辐射校正模型的可学习参数；

78、当验证集上的组合约束函数值在连续预设训练轮次内不再下降时，保存辐射校正模型的参数，完成训练。

79、本发明所具有的有益效果是：

80、本发明通过辐射可信分区将增强强度与当前图像自身的辐射可信程度相联系，过暗区域获得较大的可用增益范围，高亮保护区域的增益自动趋近于1，暗区提亮与高亮保护由同一增益调制结构实现，无需额外语义标签；同时，谱序锚点取自同一地物区域内部的可信像素，利用地物区域内部的稳定观测为暗像素增强提供来自当前图像自身的波段关系参照，避免将整幅图像的全局颜色统计强制施加到不同地物上。

81、本发明将亮度恢复限制为对同一像素各波段共同作用的共享增益，使初始增强阶段在不发生饱和截断时保持输入像素的波段比例；对于暗区噪声导致的局部波段顺序异常，仅对与区域谱序锚点不一致的像素执行加权单调投影，并在满足波段顺序约束的结果中选取加权改变量最小的结果，校正对原始辐射观测的扰动较小。此外，本发明不进行光照-反射分解，不生成虚拟曝光序列，也不依赖频域分支或语义分割结果，可在不同波段数的遥感输入上按同一流程实现。