机载数据图像复原技术研究

(地质矿产部航空物探遥感中心研究所，北京)

文摘:介绍了一种独特的机载数据图像复原方法。该方法的主要技术关键是:(1)提出机载数据图像复原的原理和理论基础；建立机载数据的图像复原处理流程；制定重建数据网格文件的方法；对航空数据图像进行了复原效果和误差评估。

关键词:机载数据、大气背景、图像处理、图像恢复技术。

一.导言

自20世纪70年代初方柱NaI晶体进入机载综合航空站以来，航空放射性测量的灵敏度和有效性显著提高，地质和地球物理勘探界对航空放射性测量的需求发生了根本性变化。

在近20年的应用实践中，大气氡背景校正困难，一直是困扰该方法应用效果的主要难点。结果是在图纸上出现条带，这严重影响了图纸的可用性和方法的效果。原因【1】可以总结为:空气中测得的放射性不仅来自地下，还受到飞机硬件环境、宇宙射线、大气中氡及其子体的影响。后者称为大气背景干扰，受气候、风、风向、温度、季节以及一天中什么时候测量的影响。大气背景干扰的主要表现是出动架次之间背景水平不同。铀通道受到的干扰最大，其次是钾通道。钍通道和总通道虽小，但不可忽视(见色板图7图3、图4)。由于这种噪声，来自地质体的信息经常淹没在噪声中。图3a(彩色版附图7)是哈密丘测区K(红色)、Th(绿色)和U(蓝色)的三元素复原图像，图3b是该测区航空原始数据的合成图像，图4a(彩色版附图7)显示了每次飞行的早期和晚期校准读数，图4b是总航迹原始数据图像。带状噪声的存在可以比作悬挂在有用信息图像前面的彩色窗帘。带状噪声的严重性使得无法从该工作区的原始航空数据中绘制等值线图。

空中捆绑的问题是一个“世界性”的问题[2]。在加拿大，利用分散的湖泊、河流等水域上空的测量结果进行背景校正，得到了较好的结果，不使用向上探头[1]。美国Geometrics公司等航空物探公司依靠向上探头测量作为背景校正的基础[3]。Grasty[4]在1986中提出，当测区没有湖泊时，可以用测线上无异常面积的平均值代替背景。

本文介绍的方法与世界上采用的所有方法完全不同。这种方法可以称为数字图像处理中的航空图像复原技术。图像恢复技术的主要目的是改善给定的图像。复原是试图利用退化的一些先验知识来重建或恢复退化图像的过程。因此，恢复技术是对退化进行建模，并利用相反的过程在一定程度上恢复原始图像。

Cannon博士[5]研究了一种图像恢复技术或图案去除技术，适用于:从规则图案(如纺织品)中提取指纹图案，改善散焦图像，消除卫星图像探测器之间的噪声，使曝光过程中由于相机或物体平移而模糊的图像变得清晰。Srinivasan也报道了这类研究[6]。张玉军等人研究了深海锰结核照片中光照不均等退化现象的图像恢复[7]。航空数据的图像复原处理是数字图像复原技术在地学中成功应用的又一个例子，但航空数据图像的退化问题与上述例子不同。研究成功后，该方法已在六个测区得到验证。

二、航空数据图像恢复技术的原理和理论基础

航拍测得的是一幅退化像G(x，y)，可以看作实像F(x，y)和干涉像η(x，y)的叠加，简化退化过程，如图1所示。航空影像退化的先验知识来源于对航空测量过程和原始影像的分析。在测量过程中，来自地质体的有用信息并不随时间转移。干扰本质上是随时间变化的，但是它已经成为图像中(x，y)的函数，因为:

张玉军论地质勘探新方法

图1航空射线数据图像退化示意图

η的变化可分为架次间的跳跃和架次内的渐变，如图4所示(彩色版附图7)。在每条测线中，这种干扰近似为常数。如果X(即图像上的柱)表示垂直于测线的方向，则η(x，y)简化为η(x)，有

张玉军论地质勘探新方法

航拍图像复原的目的是尽量逼近η(x)，从而逼近F(x，y)。由于这个原因，原始图像沿着测量线方向被多次列出。

多线窄长窗口卷积；

张玉军论地质勘探新方法

其中w是卷积模板和由加权因子组成的矩阵。卷积过程是线性运算，其算子h不随空间变化。因为算子是线性的，所以两个输入之和的响应等于两个响应之和。

张玉军论地质勘探新方法

由于假设η仅与X相关，并且卷积窗是单列，因此有:

张玉军论地质勘探新方法

现在，分析HF(x，y)的性质。由于沿Y方向的多次移动平均，局部异常被“淹没”在近场特征中，表现为沿测线低而平缓的变化。如果f(x，y)用于表示局部异常，L(x，y)用于表示近场场，则:

张玉军论地质勘探新方法

然后进行如下处理

张玉军论地质勘探新方法

从等式(9)可以看出，原始图像减去噪声图像后，恢复图像f(x，y)从局部异常角度接近真实图像，误差取决于减去的“近区背景值”在测线方向的波动范围。

第三，机载数据图像恢复的过程

机载数据图像复原技术的研究是以多元统计为基础，以图像处理为工具，体现了图像处理快速直观的特点，其流程图如图2所示。

图2航空摄影数据图像复原处理流程

在这种方法中，假设机载放大器的噪声本底为常数或沿测线方向线性变化。通过沿测线多次移动平均，使局部异常逐渐淹没在噪声背景中，得到一幅与噪声背景线性相关的噪声图像。噪声图像仍然需要边缘效应补偿；去噪后的图像最终通过空间变量的中值滤波和对比度增强得到恢复。这个恢复过程如图2的左半部分所示。

图2右半部分是数据网格文件的重建过程，对于实际应用来说必不可少。分类分区后，得到复原前后各类别的均值向量，通过最小二乘拟合得到复原图像的元素含量或计数率值，重新建立在主计算机上绘制等值线图的网格文件。

本研究采用沿测线的平均值作为噪声级，结果不如上述方法理想。

四、效果和误差评价

1.机载数据图像复原的效果

(1)绘图视觉效果的改善。

可以形象地说，航拍影像的复原就像是用布条把一个幕布拉开，让原本透过这个幕布隐约可见的影像露出了真面目，如图3a所示(彩色版附图7)。图纸视觉效果的提高还表现在消除了定位问题造成的岩石边界上的锯齿状噪声，如图5所示(彩板附图7)。图5是总轨迹对比度图像，5a是原始数据，5b是噪声图像，5c是去噪图像，5d是恢复图像。

(2)用恢复的数据制作的等高线图是真实的。

以哈密丘测区为例，由于原始数据的条带干扰，在主计算机上无法绘制钾、钍、铀通道的等值线图，仅提供平面剖面图；只有主轨迹提供了等高线图，但是条纹的影响还是可以看出来的。

对网格文件进行图像恢复和重构后，反馈到主计算机后绘制TC、K、Th和U等值线。现在以图6(彩色版附图7)中K个恢复数据的等值线为例。与地质图对比，异常与地质体对应良好，各种岩性的放射性趋势也一致，证实了这些等值线的可靠性。利用复原图像制作的分类图也印证了这一点，如图7所示(彩色版附图7)。图7中的数字是:①超基性岩；②基性岩；③花岗岩；④闪长岩；⑤变质岩；⑥混合岩；⑦第四纪沉积；(8)第三纪和第四纪沉积物；⑨第三纪矿床。

(3)增加了有用信息。

本研究采用多元统计方法对航空影像复原效果进行定量评估。可以通过由有用信息组成的方差值的大小来定量评估图像。所以我们要计算一个像素的整个图的总变差的平均值，也就是平均变差值。用c，c？和c”分别表示原始图像中有用信息的平均变化值、原始图像中干扰信息的平均变化值和最终恢复图像中有用信息的平均变化值。g中的统计？(x，y)近似表示η(x)；用[G(x，y)-G？(x，y)]近似表示f (x，y)；最终恢复的图像用P(x，y)表示，假设没有干扰。

张玉军论地质勘探新方法

公式中，字母加“-”表示平均值；m和n是图像的行数和列数。

表1是哈密土墩调查区航空数据影像按上述类别定量评价的统计结果。

表1

从表1可以看出，图像复原后K、Th、U、TC的有用信息有了明显的增加。就本工区而言，TC和K原始图像相对质量较好，而Th和U较差。

2.复原图像的精度和误差评估

恢复图像的主要误差来源是由多个移动平均形成的“近区背景值”L(x，y)。通过对干涉图像的轮廓数据进行统计，得到如下精度评价:

K 0.16%%(绝对含量)；th+2.1 PP m；

u 0.15 ppm；TC 869.6计数。

动词 （verb的缩写）结论

(1)本文介绍的方法是国内外首次提出的独特的机载数据和图像复原技术，其可靠性和实用性已在多个工区得到验证。

(2)该技术可以基本消除大气背景和阈值变化引起的条带现象，基本还原航拍图像的真实面貌，为进一步的图像处理(如求导、增强、分类、逻辑运算等)做准备。)，所以这种技术也是一种快速的预处理方法。

(3)该方法改善了飞行定位位移引起的某些地质体边缘锯齿状的图像噪声问题。

(4)本研究建立了“有用信息的平均方差值”作为定量评价机载数据图像复原效果的度量。作为预处理过程，还讨论了可能引入元素含量值的绝对误差或方法的准确度。

参考

[1]Grasty，R.L,《铀矿勘探中的伽马射线光谱测定法——理论和操作程序，金属矿勘探中的地球物理学和地球化学》, GSC，渥太华，147-162，1977。

[2]screen，A.A.《利用通道间相关信息调平航空伽马辐射数据》,地球物理学，52，1557-1562，1987。

[3]Foote，R.S,《通过消除环境和土壤辐射变化改进空中伽马辐射数据分析》,载于《核技术在矿物资源勘探和开发中的应用:国际地球科学会议，2002年》。原子能机构Mtg。，布宜诺斯艾利斯，187-196，1968。

[4]Grasty，R.L,《计算在线大气背景的自动系统》, GSC论文，1-52，1987。

[5]Cannon，m .，Lehar，a .和Preston，f .，通过功率谱滤波去除背景图案，应用光学，22，777-779，1983。

[6]Srinivasan，r .，软件图像恢复技术，数字设计，16，4，27-34，1986。

石建文张玉军。深海多金属结核照片的图像复原和图像处理技术研究。物化探，1989，(13): 435 ~ 441。

感谢林振民同志对本文的宝贵意见。石建文同志参加了重复工区测试，同志和同志分别编制了网格文件转换和最小二乘拟合程序，杨同志拍摄了屏幕画面，水恩海同志收集了测试工区的标定数据。谢谢你。

航空辐射数据图像复原技术研究

张

(地质矿产部航空地球物理与遥感中心研究所，北京)

摘要

本文提出了一种恢复航空辐射数据图像的具体方法。本研究涉及的主要技术关键是:原则和理论的先进性；加工流程图的建立；制定重建网格化数据文件的方法；对恢复结果和恢复处理所涉及的误差的评估。

关键词航空辐射数据，大气背景，图像处理，图像恢复技术。

地球物理学杂志，1990，第33卷，第4期。