主题：【讨论】遥感图像处理随笔 -- 驿路梨花

此文的由来是这篇文章，尖石:【乱弹】嫦娥2号在月球背面发现疑似非自然遗迹，该文中共提到两个观点：第一，月球照片有一处疑似建筑物遗迹；第二，图像被虚化处理。第一个结论我不清楚，第二个结论我不赞成。作者认为图像被刻意虚化，并提出的依据是：这个模糊区域每帧的范围都不一样。

我们还是从最基本的原理开始谈起，来讨论这个观点是否正确。

对于遥感图像来说，他的成像机理是探测由目标物所发出（或者反射）的不同波长频率的电磁波，通过一系列电子、光学手段，来对目标物体进行成像。从广义概念上说，照相也是遥感成像的一种形式，因为光波和电磁波均属横波。事实上，在遥感成像过程中，往往使用多频段的电磁波，一般有可见光、红外、微波等等，其中可见光波段遥感技术最常用也最成熟。这里应指出的是，电磁波的范围远不止这些，还包括紫外线以及波长小于紫外线的各种射线粒子，由于这些电磁波的散射严重，所以不适与应用在遥感成像技术方面 —— 这里需要着重说明的是，这些不仅不合适在遥感成像技术中使用，而且会对成像的结果造成干扰。

我们把遥感图片相对于真实物体所存在的失真，称之为图像退化，即图像的品质下降。从理论上说，从目标物到成像点之间是一条直线，这条直线通过成像设备的对称轴中心（通俗的可以认为凸透镜和凹透镜的几何中心即对称轴中心，平面可认为是曲率无穷大的透镜），由于光路的可逆性，所以反过来，从成像点到目标物之间的直线和前者应重合，我们把这一点称之为傍轴条件。而在实际成像设备中，不可能存在这种傍轴条件，我们把实际成像系统的光路称之为非傍轴条件。傍轴和非傍轴之间即存在一个角度差，我们将这一点称之为像差 —— 像差会不可避免的引起图片退化。

但是，为什么我们通常看上去的图像并没有出现像差引起的模糊？一方面这是因为日常照相时物点和像点相近，像差引起的退化可以忽略；而另一方面更重要的是，在处理遥感图片的时候，首先是要对此进行补偿，我们把对这种由像差引起的图像退化的补偿称之为几何校准。几何校准分为粗校正和精校正两个步骤：粗校正主要在遥感图像传输前进行，其目的主要去除明显由噪声带来的干扰，其方法主要通过滤波实现 —— 这里应该注意的是：虽然粗校正可以去除明显的噪声，但也由于滤波的原因，有时在图像频率和噪声频率有重叠的情况下，会导致图像的损失，比如，实验室进行人工图片退化的实验往往就是利用低通滤波实现的。

而几何的精校正，其目的是消除图像的几何失真，或者称之为几何畸变 —— 就像哈哈镜一样。所引起的原因非常广泛，主要是两类：一方面是由于成像系统的像差畸变，比如地形的起伏，就需要逐个像点的进行调整，这是由于焦距焦点的原因引起的退化，一般称为焦点模糊；另一方面，由于成像设备自身的运动或者抖动或者转动，导致出现的图像退化，这点应该很好理解，拿着傻瓜相机拍夜景照就是这样效果，一般我们称之为运动模糊。

除了几何失真之外，还有一种是图像灰度值的不连续变化，我们称之为辐射失真。比如前文所提到的，一些散射粒子射线的干扰是原因之一 —— 对于地球卫星遥感来说，主要是大气散射影响，对于地外空间，可能主要是宇宙射线的影响或者地表某些放射性物质的影响。其他的因素，例如地形变化引起的辐射强度变化，例如太阳光与观测的夹角的变化，等等因素，都有可能导致辐射失真。

对于几何失真和辐射失真，我们分别采取几何校正和辐射校正的方法进行补偿。其步骤大致是，首先根据先验知识（例如对地面的遥感，我们可以知道大气的分布情况，地表的高度，太阳光射角和卫星姿态等参数，成像系统的具体参数等资料）建立成像系统的退化模型，根据该模型和得到的失真图像做逆退化的处理，即我们所说的图像复原 —— 这里最为关键的步骤就是，如何建立退化模型？

建立退化模型，是整个图像预处理或者图像复原过程中的核心，研究的最多，可参考的算法也多，但实际做起来也最复杂。虽然有统一的算法理论做参考，但具体各个项目的图像复原的算法各不一样，因为先验条件不同。对于已经运行了若干年的绕地卫星传来的遥感图片，我们用已有的经验退化模型做图像复原的时候，尚且会出现无法完全复原的像点（表现在胶片上的图像可能是白斑点，表现在预处理后的图像上是一个虚化点，表现在频域是一段强噪声），那么又怎能完全保证月球照片的完备呢？这些无法完全复原的像点，其原因往往是某些先验条件出现了变化所致，而这些，是预先建立退化模型无法预计到的 —— 我曾遇到过的事例：在一大片连绵山峦的一段出现了某个明显的断层（图片上显示一处黑斑条），并且用多帧插值的方法不灵，后来用其他波段抽象出该处的像素灰度值进行逐一复原，但最后的复原效果也不佳。

以上列举种种，只是遥感图像技术里难以避免的图像退化。然而，成像设备越精密，所建立的退化模型越完备，所得到的高分辨率的图片越多，那么图片的拟合度就越高。具体到嫦娥二号所公布的月球照片，即使目测判读也可以明显的分辨出地貌高度，我觉得这是一个很大成就，以往我们都是根据已有的地面高度数据做好相应的模型来克服遥感图片的二维性的缺点。但这并不意味着，这样可以完全避免遥感成像中所固有的一些缺陷。

引起图像退化的原因还很多，比如传输过程中数模模数的转换，编码解码误差等等，但不想写了，遥感图像的复原处理是一个专门的研究方向，国内外对此的研究都很深，但我接触的不深，主要还是研究项目中实际的一些经历，所以要往深里讲就写不下去了。这里对开头的那个结论做个总结吧：

我们看到的月球照片所出现的虚化模糊，其原因是没有对遥感图像的相应点像素做很好的复原处理。至于为什么，如前所述可能性很多，我猜想或者是因为卫星制动引起转向或者抖动，或者是该处有放射性物质，或者因为地形突变，或者因为你其他 —— 当然，我也是瞎猜。实在要认为是刻意模糊的，那就这么认为吧，我并没什么证据去证实或者证伪，但应该指出的是，在处理地面遥感图像时也曾遇到此类问题，即每帧都会出现同样的噪声点（如果不是每帧都出现，那么也就不易出现模糊虚化了，可以通过三次插值算法来建立退化点的先验模型）—— 那时，又是谁闲着去刻意模糊的呢？我相信嫦娥二号上面绝对不会就放了一台CCD相机，所以，会有足够的技术手段在随后的图像判研中对退化像素点做进一步的复原。

注1：此文杂乱无章，信手涂鸦，多有谬误，烦请指出，不胜感激。

注2：如果斑竹觉得此类随笔闲扯性质的文章放在科经版面不合适，移步水上乐园亦可。

【完，晚安，睡觉】