第四章遙感圖像處理

1、第四章第四章 遙感圖像預處理遙感圖像預處理主講老師：劉玉杰主講老師：劉玉杰云南大學資環(huán)學院區(qū)域與資源規(guī)劃系云南大學資環(huán)學院區(qū)域與資源規(guī)劃系數(shù)據(jù)的輸入輸出數(shù)據(jù)的輸入輸出圖像顯示與分析圖像顯示與分析圖像預處理（幾何糾正、融合、鑲嵌等）圖像預處理（幾何糾正、融合、鑲嵌等）影像信息提?。ㄈ斯そ庾g、自動分類、特征提取、動態(tài)檢測等）影像信息提?。ㄈ斯そ庾g、自動分類、特征提取、動態(tài)檢測等）專題制圖專題制圖/ /三維可視化分析（集成三維可視化分析（集成GISGIS現(xiàn)有數(shù)據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)) )成果報告（成果報告（GISGIS分析分析/ /共享）共享）遙感圖像處理的一般流程遙感圖像處理的一般流程專題制圖專題制圖/ /三

2、維可視化分析（集成三維可視化分析（集成GISGIS現(xiàn)有數(shù)據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)) )第四章第四章 遙感圖像的預處理遙感圖像的預處理 1 1 輻射校正輻射校正 2 2 幾何校正幾何校正 3 3 鑲嵌處理鑲嵌處理 本章主要分析遙感數(shù)據(jù)本章主要分析遙感數(shù)據(jù) 獲取過程中產生的輻射畸變、獲取過程中產生的輻射畸變、幾何畸變的原因和校正的方法，幾何畸變的原因和校正的方法，多幅遙感數(shù)據(jù)的拼接處理方法。多幅遙感數(shù)據(jù)的拼接處理方法。數(shù)字圖像遙感數(shù)據(jù)的表示既有模擬圖像又有數(shù)字圖像。n 模擬圖像：灰度級或顏色連續(xù)變化的圖像。n 數(shù)字圖像：以數(shù)字形式表示的遙感影像以數(shù)字形式表示的遙感影像。 將模擬圖像分割成同樣形狀的小單元，以各個

3、小單元的平均亮度值或中心部分的亮度值作為該單元的亮度值進行數(shù)字化的圖像。模擬圖像與數(shù)字圖像的相互轉換模擬圖像與數(shù)字圖像的相互轉換模數(shù)轉換(A/D)o 空間離散化處理叫采樣（空間離散化處理叫采樣（sampling），），o 亮度值的離散化處理叫量化（亮度值的離散化處理叫量化（quantization），），o 以上兩種過程結合起來叫圖像的數(shù)字化以上兩種過程結合起來叫圖像的數(shù)字化（digitization）。）。 模數(shù)（模數(shù)（A/D）轉換）轉換數(shù)字圖像數(shù)字圖像模擬圖像模擬圖像數(shù)模（數(shù)模（D/A）轉換）轉換An image coordinate system空間采樣過程亮度值的量化過程數(shù)字圖像的性質

4、與特點o 像素（像元）是遙感數(shù)字圖像最基本的單位，是成像過程的采樣點，也是計算機圖像處理的最小單元。像素具有空間特征和屬性特征像素具有空間特征和屬性特征。o 空間特征：幾何位置及范圍空間位置離散化 ，對應的地面分辨率是不同的。o 屬性特征：亮度值灰度值離散化，在不同波段上，相同地點的亮度值可能是不同的，這是因為地物在不同波段上輻射電磁波的特征不同造成的。數(shù)字圖像的性質與特點數(shù)字圖像的性質與特點傳感器類型衛(wèi)星名稱有效量化級數(shù)信息量/bitMSSLandsat646TMLandsat2568HRV(S)Spot2568HRV(PA)Spot646AVHRRNOAA102410常用的遙感數(shù)字圖像有效

5、量化級數(shù)。多波段數(shù)字圖像存儲與分發(fā)的常用數(shù)據(jù)格式：（1）BSQ數(shù)據(jù)格式（Band sequential）；（2）BIP數(shù)據(jù)格式（Band interleaved by pixel）；（3）BIL數(shù)據(jù)格式（Band interleaved by line）； 輔助數(shù)據(jù)：數(shù)字圖像尺寸等各種參數(shù)遙感數(shù)字圖像的表示方法BSQ(Band sequential)數(shù)據(jù)格式：按波段順序依次排列，數(shù)據(jù)格式：按波段順序依次排列，1個文件，文件內劃分1-K段，第n段數(shù)據(jù)為第n波段的圖像數(shù)據(jù)M行N列。BSQ數(shù)據(jù)格式(按照波段記載數(shù)據(jù)文件)BIPBIP數(shù)據(jù)格式（數(shù)據(jù)格式（Band interleaved by pixe

6、l），），1個文件、M行N列格式，每個單元順序記錄K個波段的相應數(shù)據(jù)。BIP數(shù)據(jù)格式(按照像元順序交叉排列)o BIL數(shù)據(jù)格式（Band interleaved by line）， 1個文件，逐行按波段次序排列。第1波段的第1行、第2波段的第1行、第K波段的第1行；第1波段的第2行、第2波段的第2行、第K波段的第2行；BIL數(shù)據(jù)格式(按照波段順序交叉排列)直方圖的概念直方圖的概念o 反映一幅圖像中一幅圖像中各亮度值或亮度值區(qū)間像元出現(xiàn)頻率的分布圖，橫坐標是灰度值，縱坐標是像元，橫坐標是灰度值，縱坐標是像元的個數(shù)或者像元的百分比。的個數(shù)或者像元的百分比。o 直方圖反映灰度的總體結構，灰度級的等級

7、直方圖反映灰度的總體結構，灰度級的等級分布，不反映空間的分布分布，不反映空間的分布。圖像，統(tǒng)計表與直方圖圖像，統(tǒng)計表與直方圖A cumulative histogram 直方圖的作用直方圖的作用o 直方圖的作用:通過灰度直方圖可以直觀地了解圖像的亮度值分布范圍、峰值的位置、均值以圖像的亮度值分布范圍、峰值的位置、均值以及亮度值分布的離散程度及亮度值分布的離散程度等圖像特征，可以反映圖像的質量差異。正態(tài)分布：正態(tài)分布：反差適中，亮度分布均勻，層次豐富，圖像質量高。偏態(tài)分布：偏態(tài)分布：圖像偏亮或偏暗，層次少，質量較差。直方圖與圖像質量直方圖與圖像質量直方圖與圖像質量直方圖與圖像質量直直方方圖圖與與

8、圖圖像像質質量量從直方圖形態(tài)判斷圖像質量從直方圖形態(tài)判斷圖像質量輻射校正o 輻射校正（radiometric correction） ：消除輻射量失真o 利用遙感器觀測目標物輻射或反射的電磁能量時，從遙感器得到的測量值與目標物的光譜反射率或光從遙感器得到的測量值與目標物的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的譜輻射亮度等物理量是不一致的，這是因為測量值中包含太陽位置及角度條件、薄霧等大氣條件所引起的失真。為了正確評價目標物的反射特性及輻射特性，必須消除這些失真。o 引起輻射畸變的因素：引起輻射畸變的因素：遙感器的靈敏度特性、太陽高度角及地形、大氣大氣等。為什么要輻射校正吸收和散射作用直接降

9、低地物的輻射能量，引吸收和散射作用直接降低地物的輻射能量，引起輻射畸變。此外，大氣散射的部分輻射還會起輻射畸變。此外，大氣散射的部分輻射還會進入傳感器，成為目標地物的噪聲，降低了圖進入傳感器，成為目標地物的噪聲，降低了圖像的質量。像的質量。 大氣的主要影響是減少了圖像的對比度，使原大氣的主要影響是減少了圖像的對比度，使原始信號和背景信號都增加了因子。始信號和背景信號都增加了因子。 大氣校正概念：消除主要由大氣散射、吸收引起的輻射誤差的處理過程。（輻射校正的重要組成部分輻射校正的重要組成部分）何時需要進行大氣校正？何時需要進行大氣校正？定量信息提?。徊煌瑫r相間的定量比較；不同波段間的運算；o 圖

10、像某一剖面,在無大氣時（a)白處亮度值為50，黑處亮度值為0，則亮度對比C1 =（500）501。當有大氣影響時(b)，乘上透過率后假定減少10，亮度值減少到45，而由于L2和 Lp 存在，黑白處亮度均增加 10，這樣亮度對比變成 C2 =（55-10)/559/11。對比度減小，圖像質量下降大氣吸收和散射導致圖像質量下降公式法公式法: : 與衛(wèi)星掃描同步進行野外光譜測量，將地面測量將地面測量結果與衛(wèi)星影象對應像元亮度值進行回歸分析結果與衛(wèi)星影象對應像元亮度值進行回歸分析?；貧w方程為：Ri = a+bCiLAi =CiK+Lmin ， LAi = a1Ri +b1K=（Lmax-Lmin）/C

11、maxLAi 為衛(wèi)星觀測值（輻射亮度，輻射度）Ri 為地面反射率Ci灰度值輻射校正方法：輻射校正方法：o 直方圖最小值去除法:圖像中像元亮度值均圖像中像元亮度值均減去一個輻射偏置量，輻射偏置量等于圖像減去一個輻射偏置量，輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的亮度值。直方圖中最小的亮度值。o 基本思想在于一幅圖像中總可以找到某種或某幾種地物，其輻射亮度或反射率接近輻射亮度或反射率接近0，例如，地形起伏地區(qū)山的陰影處，反射率極低的深海水體處等，這時在圖像中對應位置的像元亮度值應為0。實測結果表明，這些位置上的像元亮度不為零。這個值就應該是大氣散射導致的程輻射度值。 輻射校正方法：輻射校正方法：輻射校正方

12、法一：直方圖最小值去除法 校正方法：首先要確定該圖像上確有輻射亮度或反射亮度應為零的地區(qū)，則亮度最小值亮度最小值必定是這一地區(qū)大氣影響的程輻射度增值必定是這一地區(qū)大氣影響的程輻射度增值。 校正時，將每一波段中每個像元的亮度值都校正時，將每一波段中每個像元的亮度值都減去本波段的最小值減去本波段的最小值。使圖像亮度動態(tài)范圍得到改善，對比度增強，從而提高了圖像質量。 輻射校正方法一：直方圖最小值去除法輻射校正方法一：直方圖最小值去除法 o 基本思想：假定某紅外波段某紅外波段，存在程輻射為主的大氣影響，并且亮度增值最小，接近于零，設為波段a?，F(xiàn)需要找到其他波段相應的最小值，這個值一定比a波段的最小值大

13、一些，設為波段b。 分別以a，b波段的像元亮度值為坐標，作二維光譜空間，兩個波段中對應像元在坐標系內用一兩個波段中對應像元在坐標系內用一個點表示個點表示。由于波段之間的相關性，通過回歸分析在眾多點中一定能找到一條直線與波段b的亮度Lb軸相交，且 aLLab輻射校正方法二：回歸分析法輻射校正方法二：回歸分析法輻射校正方法二：回歸分析法aLLababLLa2)()(aabbaaLLLLLL則為波段b的校正值a7TMbiaiTMi回歸法分析法校正前后直方圖對比思考題o 什么是直方圖？o 從直方圖中怎么初步鑒別圖像的質量？o 為什么要進行輻射校正？o 說出輻射校正的簡單方法幾何校正o 為什么要幾何校正

14、o 幾何校正的方法o 控制點在幾何校正中的作用o 實例講解幾何校正遙感影像變形的原因 n 遙感器的內部畸變：由遙感器結構引起的畸變。 n 遙感平臺位置和運動狀態(tài)變化的影響 n 地形起伏的影響n 地球表面曲率的影響n 大氣折射的影響n 地球自轉的影響 幾何校正中的幾個概念o 幾何校正幾何校正：糾正系統(tǒng)和非系統(tǒng)因素引起的幾何畸變糾正系統(tǒng)和非系統(tǒng)因素引起的幾何畸變。o 圖像配準（圖像配準（Registration）：同一區(qū)域里一幅圖像（基準圖像）對另一幅圖像校準，以使兩幅圖像中的同名像同名像素配準素配準。o 圖像糾正（圖像糾正（Rectification）：借助一組地面控制點，對一幅圖像進行地理坐標

15、的校正。又叫地理參照（Geo-referencing）o 圖像地理編碼（圖像地理編碼（Geo-coding）：特殊的圖像糾正方式，把圖像矯正到一種統(tǒng)一標準的坐標系。o 圖像正射校正（圖像正射校正（Ortho-rectification）：借助于地形高程模型（DEM），對圖像中每個像元進行地形的校正，使圖像符合正射投影的要求。幾何畸變校正o 基本思路 校正前的圖像看起來是由行列整齊的等間距像元點組成的，但實際上，由于某種幾何畸變，圖像中像由于某種幾何畸變，圖像中像元點間所對應的地面距離并不相等元點間所對應的地面距離并不相等（圖（圖a）。校正后的圖像亦是由等間距的網格點組成的，且以地面為標準，符合

16、某種投影的均勻分布（圖b），圖像中格網的交點圖像中格網的交點可以看作是像元的中心可以看作是像元的中心。 校正的最終目的是確定校正后圖像的行列數(shù)值，然后找到新圖像中每一像元的亮度值。 幾何校正的基本思路1.1. 坐標變換坐標變換: :建立校正前后圖像坐標（建立校正前后圖像坐標（x,yx,y) )與與(u,v(u,v) )的函數(shù)關系。的函數(shù)關系。 對每一個行列值對每一個行列值u u和和v, v, 求出對應的坐標值求出對應的坐標值x,yx,y( (一般不為整數(shù)）；一般不為整數(shù)）；2.2. 圖像灰度值的重采樣圖像灰度值的重采樣: :計算每一點的亮度值。計算每一點的亮度值。通過不同的鄰點間內插方法來計算

17、新的通過不同的鄰點間內插方法來計算新的x,yx,y位位置處的圖像亮度值。置處的圖像亮度值。坐標變換計算步驟一：建立二元二次多項式當n次多項式時：求得 x,y幾何校正的基本思路1.1. 建立校正前后圖像坐標（建立校正前后圖像坐標（x,yx,y) )與與(u,v(u,v) )的函數(shù)關的函數(shù)關系。系。 對每一個行列值對每一個行列值u u和和v, v, 求出對應的坐標值求出對應的坐標值x,yx,y( (一般不為整數(shù)）；一般不為整數(shù)）；2.2. 計算每一點的亮度值。通過不同的鄰點間內插方計算每一點的亮度值。通過不同的鄰點間內插方法來計算新的法來計算新的x,yx,y位置處的圖像亮度值。位置處的圖像亮度值。

18、計算步驟二：求亮度o 最近鄰法o 雙線性內插法o 三次卷積內插法最鄰近法（nearest neighbor）l 用距離投影點（采樣點）最近象元灰度值代替用距離投影點（采樣點）最近象元灰度值代替輸出象元灰度值輸出象元灰度值l 簡單、省時，保留原始圖像的值l 邊緣出現(xiàn)鋸齒狀取整運算，而不是四舍五入取整運算，而不是四舍五入最鄰近法原理最鄰近法原理雙線性內插法o 取(z，y)點周圍的4鄰點，在y方向(或x方向)內插二次，再在x方向(或y方向)內插一次，得到(x，y)點的亮度值f(x，y)，該方法稱雙線性內插法.三次卷積內插法（cubic convolution）l 取與投影點鄰近的16個象元灰度值（4

19、4） ，計算輸出象元的灰度值.取與計算點(x，y)則圍相鄰的16個點，與雙向線性內插類似，可先在在某一入向上內插，如先在x方向上，每4個值依次內插4次，再根據(jù)這四個計算結果在y方向上內插，得到f(x，y)。每一組4個樣點組成一個連續(xù)內插函數(shù)。實際上是一種卷積運算，也叫三次卷積內插。o 三種方法比較方法優(yōu)點缺點提醒最鄰近法簡單易用，計算量小處理后的圖像亮度具有不連續(xù)性，影響精確度雙線性內插法精度明顯提高，特別是對亮度不連續(xù)現(xiàn)象或線狀特征的塊狀化現(xiàn)象有明顯的改善。 計算量增加，且對圖像起到平滑作用，從而使對比度明顯的分界線變得模糊。 鑒于該方法的計算量和該方法的計算量和精度適中精度適中，只要不影響應用所需的精度，作為可取的方法而常被采用。 3次卷積內插更好的圖像質量，細節(jié)表現(xiàn)更為清楚。 計算量很大。欲以三次卷積內插獲得好的圖像效果，就要求位置校正過程更準確，即對控制點