航空圖像

航空圖像的獲取主要是利用從目 標反射和輻射來的電磁波.用於接收從目標反射和輻射來的電磁波信息的設備稱為感測器, 其中一種主要的感測器是航空相機。

基本介紹

• 中文名：航空圖像
• 外文名：aerial image
• 特點：覆蓋範圍廣，包含巨大的信息量
• 歸屬：絕對圖像質量判別範疇
• 使用的感測器：航空相機
• 套用領域：計算機科學、航宇科學、電子科學

概述

定義及特徵

航空攝影是一種遠距離的、非接觸的目標探測技術和方法。通過對目標進行探測，獲取目標的信息，然後對所獲取的信息進行加工處理，從而實現對目標進行定位、定性或定量的描述。

航空圖像的獲取主要是利用從目標反射和輻射來的電磁波。用於接收從目標反射和輻射來的電磁波信息的設備稱為感測器，其中一種主要的感測器是航空相機。航空相機獲取目標信息的數據流程如圖所示。

航空相機獲取目標信息的數據流程

航空圖像覆蓋範圍廣，包含巨大的信息量；大多數航空圖像都沒有參考圖像，屬於絕對圖像質量判別範疇。

航空圖像中的陰影區域

陰影在航空圖像中十分常見, 是有高度目標的明顯證據。如果可以確定航空圖像中的陰影區域, 則它可以提供大量的關於目標形狀、相對位置、表面特性的相關信息。陰影對圖像的影響是使所投射地表的表面光照強度降低, 但不改變原有地表, 目標表面的光照特徵, 如紋理特徵及光照強度方向統計特徵等。陰影區域內的灰度方差一般小於其他非陰影區域, 不同陰影區域之間的灰度值具有較強的一致性。

直接用肉眼觀察圖像時比較容易確定陰影區域。

影響航空圖像質量的因素

影響航空圖像的主要因素有:大氣條件、像移補償殘差、離焦、曝光量偏差、CCD圖像感測器噪聲等。

像移的產生及影響

在航空攝影的曝光瞬間，影像在成像介質上的移動叫做影像位移，這裡簡稱為像移。像移可以使影像的形狀和色調發生變化，使影像的清晰程度降低，特別是當影像位移大時，圖像上的影像就會模糊。

像移不僅能引起影像形狀和色調的變化，而且還會使影像的清晰度降低，甚至使影像模糊。

• 像移使物體影像的外形變大
  在曝光瞬間，影像在成像介質上的位置不斷變化，而每個位置上的影像都被記錄在成像介質上，如圖中，方形物體的影像位置在由a移到a’的過程中，其影像都被記錄在成像介質上，位置的變化使方形物體的影像變成了長方形。
• 像移使影像的清晰度降低
  用兩個相同的被照物體的圖形來說明該問題。沒有影像位移時，影像和背景之間具有很大的亮度比，能夠清楚地看出是兩個物體的影像。如果產生了像移，則兩個影像的色調及其亮度分布將發生變化
• 像移使物體影像的色調發生變化
  圖2是影像位移對影像形狀的影響，圖3說明有影像位移時地面上一個白色物體在圖像上的色調，其色調呈現為中央淺，邊緣深;它的亮度分布則是中央大，邊緣小。這是因為影像從位置a移到a’的過程中成像介質兩個影像的重疊部分獲得的曝光量較大，而兩側獲得的曝光量較小。

圖2 影像位移對影像形狀的影響

有影像位移時影像的色調和亮度分布

離焦的產生及影響

環境條件的變化會造成航空相機光學焦面位置的前後移動。照相時，如果感光膠片或CCD接收面所處的位置不能隨之變化，或者兩者變化不匹配，將產生離焦現象。只有當物距為無窮遠時，像距才等於焦距。物距小於無窮遠時，像距則大於焦距，或者說焦面向遠離鏡頭的方向移動。照相時，如果焦平面的位置不能隨之變化，將引起離焦。

離焦對圖像質量的影響表現為：

• 離焦使圖像對比度下降。分析離焦圖像和正確對焦的圖像，可發現如下規律:正確對焦時，對比度最強;越偏離這個位置，對比度就越低。
• 離焦造成圖像模糊。正確對焦時，圖像清晰，輪廓清楚。而離焦時，圖像模糊，圖像邊緣相對平滑，高頻分量幅值減小。

曝光時間影響

曝光時間是指拍攝時膠片或CCD接收面見光的時間。它是決定影像質量的一個極為重要的條件。

影響曝光時間的因素航空攝影的曝光時間取決於很多因素，如膠片的感光度(或CCD的靈敏度和動態範圍)、景物的照度、景物的亮度係數、煙霧的亮度係數以及航空相機的光學特性等。但是，在影響曝光時間的諸因素中，膠片的感光度和景物的照度對曝光時間的影響最大，而且景物的照度還經常變化，比較難以掌握。在確定曝光時間時，要將景物的照度和膠片感光度作為主要影響因素

曝光時間對影像質量有很大的影響。曝光正常時，影像的色調能正確地反映被攝景物的各種亮度;曝光時間不正常時，其結果與此相反。

• 曝光正常時，景物的最大亮度範圍被容納在特性曲線的直線部分之內，特性曲線的直線部分能按比例地表現景物的各種亮度。所以，景物中各個部分上相同的相鄰亮度範圍反映在底片上則為相同的密度差，因而，影像密度適中，細部豐富，解析度高，其色調能正確反映景物的所有的亮度。
• 曝光過度時，膠片得到的曝光量較多，景物的明亮部分會反映在特性曲線的過度部分上，由於曲線過度部分的密度增值，隨著曝光量對數的增加而逐漸減小，因此，明亮部分的相鄰亮度範圍以減小的密度差表現出來，表現為影像密度過大，解析度降低，景物明亮部分的細部不能被正確地反映出來。
• 曝光不足時，膠片得到的曝光量少，景物的陰暗部分會反映在曲線的不足部分上。由於密度在不足部分的增量小於直線部分的增量，因此，景物陰暗部分的相鄰亮度範圍以較小的密度差表現出來。曝光不足的影像，密度過小，解析度降低，景物陰暗部分的細部不能被正確地反映出來。

CCD感測器的影響

CCD作為一種圖像感測器，無論是線陣還是面陣結構，其輸出信號都是一列離散的模擬信號，其中還混雜著各種噪聲和干擾信號。CCD感測器對圖像質量的影響主要是CCD感測器在工作過程中產生的各種噪聲。

從頻域來說，圖像的大部分有用信息集中在低頻部分，少量的細節信息集中在高頻部分，而噪聲一般集中在圖像的高頻部分，所以，噪聲的存在對圖像的高頻部分影響較大，也就是主要對圖像的細節信息有較大影響。

大氣環境的影響

大氣是光的一種媒質。太陽光射到地面和地面反射光射入航空相機先後兩次都要經過大氣，即大氣對光具有折射、吸收和散射的作用。大氣對光的折射能使光的傳播路程彎曲，從而引起像移和變形;大氣對光的吸收和散射，則可減弱射入相機的光量和降低影像的反差。

由於大氣光學不穩定性的存在，當透過大氣層觀測物體時會發現三種現象:

1. 物體亮度和顏色的瞬時變化(閃爍現象);
2. 物體形狀的瞬時變化(脈動現象);
3. 物體位置的瞬時變化(抖動現象)。

在航空攝影中，閃爍、脈動和抖動現象影響成像質量，會使像點產生位移，在許多情況下還會降低影像清晰度。低頻振盪只引起影像位移，而不會影響其清晰度，因為航空攝影的曝光時間大大短於這種振盪周期的四分之一高頻振盪既是產生像點位移的原因，又是降低清晰度的原因，這種情況多發生在攝影曝光時間等於或大於這種振盪周期的四分之一時。但是如果曝光時間小于振盪周期的四分之一，那么就不會引起影像清晰度的下降。