遙感圖像處理

1、第四章遙感圖像處理目的與要求：熟悉光學(xué)遙感圖像處理的原理；掌握數(shù)字圖像處理的工作原理、工作流程；掌握幾何校正、輻射校正的原理重點(diǎn)及難點(diǎn)：遙感圖像的幾何糾正、輻射校正。教學(xué)法：講授法、演示法教學(xué)過程：第一節(jié)遙感數(shù)字圖像的校正一、數(shù)字圖像及其直方圖1 數(shù)字圖像數(shù)字圖像：遙感數(shù)據(jù)有光學(xué)圖像和數(shù)字圖像之分。數(shù)字圖像是能被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和使用的用數(shù)字表示的圖像。數(shù)字化：將連續(xù)的圖像變化，作等間距的抽樣和量化。通常是以像元的亮度值表示。數(shù)字量和模擬量的本質(zhì)區(qū)別：連續(xù)變量，離散變量。數(shù)字圖像的表示：矩陣函數(shù)2 數(shù)字圖像直方圖數(shù)字圖像直方圖：以每個(gè)像元為單位，表示圖像中各亮度值或亮度值區(qū)間像元出現(xiàn)的頻率的分

2、布圖。直方圖的作用：直觀地了解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。直方圖的曲線可以反映圖像的質(zhì)量差異。正態(tài)分布：反差適中，亮度分布均勻，層次豐富，圖像質(zhì)量高。偏態(tài)分布：圖像偏亮或偏暗，層次少，質(zhì)量較差。二、輻射校正1、遙感圖像的輻射誤差主要有三個(gè)因素傳感器的光電變換大氣的影響光照條件2、大氣散射校正2.1 大氣影響的定量分析2.2 大氣影響的粗略校正通過簡單的方法去掉程輻射度（散射光直接進(jìn)入傳感器的那部分），從而改善圖像質(zhì)量。直方圖最小值去除法回歸分析法三幾何校正1、遙感圖像的幾何變形有兩層含義衛(wèi)星在運(yùn)行過程中，由于姿態(tài)、地球曲率、地形起伏、地球旋轉(zhuǎn)、大氣折射、以及

3、傳感器自身性能所引起的幾何位置偏差。圖像上像元的坐標(biāo)與地圖坐標(biāo)系統(tǒng)中相應(yīng)坐標(biāo)之間的差異。2、衛(wèi)星姿態(tài)引起的圖像變形3、地形起伏的影響4、地球曲率5、大氣折射6、地球自轉(zhuǎn)的影響7、遙感圖像幾何校正方法幾何粗校正：這種校正是針對(duì)引起幾何畸變的原因進(jìn)行的，地面接收站在提供給用戶資料前，已按常規(guī)處理方案與圖像同時(shí)接收到的有關(guān)運(yùn)行姿態(tài)、傳感器性能指標(biāo)、大氣狀態(tài)、太陽高度角對(duì)該幅圖像幾何畸變進(jìn)行了校正。幾何精校正：利用地面控制點(diǎn)進(jìn)行的幾何校正稱為幾何精校正。2.1 、基本思路：把存在幾何畸變的圖像，糾正成符合某種地圖投影的圖像，且要找到新圖像中每一像元的亮度值。2.2 、具體步驟步驟一：選取控制點(diǎn)(1)

4、地面控制點(diǎn)在圖像上有明顯的、清晰的定位識(shí)別標(biāo)志，如道路交叉點(diǎn)、河流叉口、建筑邊界等。(2) 地面控制點(diǎn)上的地物不隨時(shí)間而變化地面控制點(diǎn)應(yīng)當(dāng)均勻地分布在整幅圖像內(nèi)，且要有一定的數(shù)量保證。地面控制點(diǎn)的數(shù)量、分布和精度直接影響幾何糾正的效果。步驟二：數(shù)據(jù)的空間變換(1)二元多項(xiàng)式近似的基本原理設(shè)兩幅圖像坐標(biāo)系統(tǒng)間幾何畸變關(guān)系可描述為：x=h1(x,y)y=h2(x,y)在未知情況下，h1(x,y)和h2(x,y)可用二元多項(xiàng)式來近似(2)空間坐標(biāo)的計(jì)算問題向前映射法(直接法)向后映射法(間接法)兩種映射方法的對(duì)比對(duì)于向前映射：每個(gè)輸出象素的灰度要經(jīng)過多次運(yùn)算；對(duì)于向后映射：每個(gè)輸出象素的灰度只要經(jīng)過

5、一次運(yùn)算。步驟三：像元灰度插值插值方法(1)最近鄰插值在待求像素的四個(gè)鄰近像素中，輸出象素的灰度等于離它所映射位置最近的輸入象素的灰度值。(2)雙線性插值利用待求像素四個(gè)鄰近像素的灰度在兩個(gè)方向作線性內(nèi)插；問題描述：單位正方形頂點(diǎn)已知，求正方形內(nèi)任一點(diǎn)的f(x,y)值。假設(shè)f(0,0)=2,f(1,0)=3,f(0,1)=1,f(1,1)=4則f(x,y)=x-y+2xy+2對(duì)(i,j+v)，f(i,j)到f(i,j+1)的灰度變化為線性關(guān)系，有f(i,j+v)=f(i,j+1)-f(i,j)v+f(i,j)同理，對(duì)(i+1,j+v)有f(i+1,j+v)=f(i+1,j+1)-f(i+1,j

6、)v+f(i+1,j)從f(i,j+v)到f(i+1,j+v)的灰度變化也為線性關(guān)系待求像素(任一點(diǎn)像素)的計(jì)算式為雙線性插值需要得到四個(gè)未知參數(shù)利用四個(gè)已知點(diǎn)雙線性插值特點(diǎn)計(jì)算中較為充分的考慮相鄰各點(diǎn)的特征，具有灰度平滑過渡特點(diǎn)一般情況下可得到滿意結(jié)果具有低通濾波特性，使圖像輪廓模糊平滑作用使圖像細(xì)節(jié)退化，尤其在放大時(shí)不連續(xù)性會(huì)產(chǎn)生不希望的結(jié)果(3) 三次內(nèi)插法(高階插值)利用待插值點(diǎn)周圍的16個(gè)鄰點(diǎn)像素值三次內(nèi)插法算法特點(diǎn)可使待求點(diǎn)的灰度值范圍更好的模擬實(shí)際可能值可取得更好的視覺效果三次內(nèi)插法突出的優(yōu)點(diǎn)是高頻信息損失少，可將噪聲平滑計(jì)算量大為增加2.3 、內(nèi)插方法的選擇內(nèi)插方法的選擇除了考

7、慮圖像的顯示要求及計(jì)算量，還要考慮內(nèi)插結(jié)果對(duì)分類的影響當(dāng)紋理信息為主要信息時(shí)，最鄰近采樣將嚴(yán)重改變?cè)瓐D像的紋理信息但當(dāng)灰度信息為主要信息時(shí)，雙線性內(nèi)插及三次內(nèi)插法將減少圖像異質(zhì)性，增加圖像同質(zhì)性，其中，雙線性內(nèi)插方法使這種變化更為明顯四遙感數(shù)據(jù)的鑲嵌處理數(shù)字影像鑲嵌是將兩幅或多幅數(shù)字影像(它們有可能是在不同的攝影條件下獲取的)拼在一起，構(gòu)成一幅整體圖像的技術(shù)過程。在遙感應(yīng)用中，影像鑲嵌有著重要的應(yīng)用。數(shù)字影像鑲嵌原理：影像鑲嵌的原理是：如何將多幅影像從幾何上拼接起來，這一步通常是先對(duì)每幅圖像進(jìn)行幾何校正，將它們規(guī)劃到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，然后對(duì)它們進(jìn)行裁剪，去掉重疊的部分，再將裁剪后的多幅影像裝配起

8、來形成一幅大幅面的影像。第二節(jié)遙感數(shù)字圖像的增強(qiáng)處理目的：采用一系列技術(shù)去改善圖圖象保真象的視覺效果，或?qū)D象轉(zhuǎn)換成一種更適合于人或機(jī)器進(jìn)行分析處理的形式。圖象增強(qiáng)并不以為準(zhǔn)則，而是有選擇地突出某些對(duì)人或機(jī)器分析有意義的信息，抑制無用信息，提高圖象的使用價(jià)值。方法:空間域處理全局運(yùn)算：在整個(gè)圖象空間域進(jìn)行。局部運(yùn)算：在與象素有關(guān)的空間域進(jìn)行。點(diǎn)運(yùn)算：對(duì)圖象作逐點(diǎn)運(yùn)算。頻域處理在圖象的Fourier變換域上進(jìn)行處理。一、輻射增強(qiáng)1線性變換假定原圖像f(i,j)的灰度范圍為a,b,希望變換后圖像g(i,j)的灰度范圍擴(kuò)展至a',b'2.非線性灰度變換(1)對(duì)數(shù)變換低灰度區(qū)擴(kuò)展，高灰

9、度區(qū)壓縮。(2)指數(shù)變換高灰度區(qū)擴(kuò)展，低灰度區(qū)壓縮。3、直方圖均衡?直方圖均衡化技術(shù)要點(diǎn)：-公理：直方圖p(rk)為常數(shù)的圖像對(duì)比度最好-目標(biāo)：尋找一個(gè)灰度級(jí)變換T(r),使結(jié)果圖像的直方圖p(sk)為一個(gè)常數(shù)4.直方圖匹配修改一幅圖象的直方圖，使得它與另一幅圖象的直方圖匹配或具有一種預(yù)先規(guī)定的函數(shù)形狀。目標(biāo)：突出我們感興趣的灰度范圍，使圖象質(zhì)量改善。二、空間增強(qiáng)?目的：突出圖像的整體特征或有目的的去除某些特征?處理結(jié)果：可能與原圖像差異較大?處理方法：鄰域處理(局部處理)-在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，某一像元處理后的值g(i,j)由處理前該像元f(i,j)的小鄰域N(i,j)中的像元值確定1 .圖像

10、平滑?(1)均值平滑?(2)中值濾波?中值濾波就是用一個(gè)奇數(shù)點(diǎn)的移動(dòng)窗口，將窗口內(nèi)的數(shù)值按從小到大進(jìn)行排序，把窗口中心點(diǎn)的值用窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值代替。?假設(shè)窗口內(nèi)有五點(diǎn)，其值為80、90、200、110和120，那么此窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值即為110。2 .圖像銳化?圖象經(jīng)轉(zhuǎn)換或傳輸后，質(zhì)量可能下降，難免有些模糊。?圖象銳化目的：加強(qiáng)圖象輪廓，使圖象看起來比較清晰。三、頻率域增強(qiáng)1、低通濾波?頻域低通過濾的基本思想G(u,v)=F(u,v)H(u,v)-F(u,v)是需要平滑圖像的傅立葉變換形式-H(u,v)是選取的一個(gè)過濾器變換函數(shù)-G(u,v)是通過H(u,v)減少F(u,v)的高頻部分，來得到的

11、結(jié)果-運(yùn)用傅立葉逆變換得到平滑后的圖像2、高通濾波?頻域高通過濾的基本思想-G(u,v)=F(u,v)H(u,v)-F(u,v)是需要銳化圖像的傅立葉變換形式。一目標(biāo)是選取一個(gè)過濾器變換函數(shù)H(u,v),通過它減少F(u,v)的低頻部分來得到G(u,v)。-運(yùn)用傅立葉逆變換得到銳化后的圖像。四、彩色增強(qiáng)1 、偽彩色處理：一把黑白圖象處理成偽彩色圖象。-密度分割是偽彩色處理技術(shù)中最簡單的一種。2 假彩色增強(qiáng)?把真實(shí)的自然彩色圖象或遙感多光譜圖象處理成假彩色圖象。?用途：- (1)景物映射成奇異彩色，比本色更引人注目。- (2)適應(yīng)人眼對(duì)顏色的靈敏度，提高鑒別能力。- (3)遙感多光譜圖象處理成假

12、彩色，以獲得更多信息。五、圖像運(yùn)算?概念：兩幅或多幅單波段影像，完成空間配準(zhǔn)后，通過一系列運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)，達(dá)到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目的。?原理：地物不同波段的光譜差異。差值運(yùn)算：兩幅同樣行、列數(shù)的圖像，對(duì)應(yīng)像元的亮度值相減就是差值運(yùn)算。比值運(yùn)算：兩幅同樣行、列數(shù)的圖像，對(duì)應(yīng)像元的亮度值相除（除數(shù)不為0）就是比值運(yùn)算。六、多光譜變換多光譜變換:針對(duì)多光譜影象存在的一定程度上的相關(guān)性以及數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，通過函數(shù)變換，達(dá)到保留主要信息，降低數(shù)據(jù)量,增強(qiáng)或提取有用信息目的的方法。其變換的本質(zhì):對(duì)遙感圖像實(shí)行線性變換，使光譜空間的坐標(biāo)按一定規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。1、K-L變換?離散變換的簡稱

13、，又稱主成分變換。它是對(duì)某一多光譜圖像X.利用K-L變換矩陣A進(jìn)行線卜t組合，而產(chǎn)生一組新的多光譜圖像Y.?K-L變換的特點(diǎn)：變換后的主分量空間與變換前的多光譜空間坐標(biāo)系相比旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。新坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸一定指向數(shù)據(jù)量較大的方向。?目的：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮和圖像增強(qiáng)。2、K-T變換?K-T變換也稱纓帽變換.是一種坐標(biāo)空間發(fā)生旋轉(zhuǎn)的線性變換，旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)軸指向與地面景物有密切關(guān)系的方向?K-T變換的應(yīng)用：主要針對(duì)TMK像數(shù)據(jù)和MSS：據(jù).對(duì)于擴(kuò)大陸地衛(wèi)星TMM象數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用有重要意義.五、多源信息復(fù)合1、遙感數(shù)據(jù)之間的融合:（1） 不同傳感器數(shù)據(jù)的復(fù)合：配準(zhǔn)、復(fù)合（3種方法）（2） 不同

14、時(shí)相數(shù)據(jù)的復(fù)合：配準(zhǔn)、直方圖調(diào)整、復(fù)合（彩色合成、差值、比值）2、遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)的復(fù)合網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成、遙感數(shù)據(jù)選取、配準(zhǔn)復(fù)合（柵格與柵格、柵格與矢量、綜合分類分析）§2常用遙感圖像處理軟件目前國內(nèi)常用的遙感圖像處理軟件有：?Erdas：美國亞特蘭大ERDA公司集遙感和GIS于一身的軟件。?Envi：美國BetterSolutionsConsulting有限公司開發(fā)的遙感圖像處理軟件。?PCI:加拿大PCI公司的產(chǎn)品，處理遙感圖像。第三節(jié)光學(xué)原理與光學(xué)處理顏色視覺加色法與減色法光學(xué)增強(qiáng)處理一、顏色視覺1、亮度對(duì)比和顏色對(duì)比（1）亮度對(duì)比：對(duì)象相對(duì)于背景的的明亮程度。改變對(duì)比度，可以

15、提高圖象的視覺效果。（2）顏色對(duì)比：在視場中，相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響叫做顏色對(duì)比。兩種顏色相互影響的結(jié)果，使每種顏色會(huì)向其影響色的補(bǔ)色變化。在兩種顏色的邊界，對(duì)比現(xiàn)象更為明顯。因此，顏色的對(duì)比會(huì)產(chǎn)生不同的視覺效果。2、顏色的性質(zhì)：所有顏色都是對(duì)某段波長有選擇地反射而對(duì)其他波長吸收的結(jié)果。顏色的性質(zhì)由明度、色調(diào)、飽和度來描述。（1）明度：是人眼對(duì)光源或物體明亮程度的感覺。物體反射率越高，明度就越高。（2）色調(diào)：是色彩彼此相互區(qū)分的特性。（3）飽和度：是色彩純潔的程度，即光譜中波長段是否窄，頻率是否單一的表示。3、顏色立體（1）顏色立體：中間垂直軸代表明度；中間水平面的圓周代表色調(diào)；圓周上的

16、半徑大小代表飽和度。（2）孟賽爾顏色立體：中軸代表無色彩的明度等級(jí)；在顏色立體的水平剖面上是色調(diào)；顏色歷代中央軸的水平距離代表飽和度的變化。二、加色法與減色法1 顏色相加原理CIE色度圖2 顏色相減原理減色過程:白色光線先后通過兩塊濾光片的過程.顏色相減原理:當(dāng)兩塊濾光片組合產(chǎn)生顏色混合時(shí),入射光通過每一濾光片時(shí)都減掉一部分輻射，最后通過的光是經(jīng)過多次減法的結(jié)果.加色法與減色法的區(qū)別:減法三原色:黃、品紅、青三、光學(xué)增強(qiáng)處理圖像的光學(xué)增強(qiáng)處理方法具有精度高，反映目標(biāo)地物更真實(shí)，圖像目視效果好等優(yōu)點(diǎn)，是遙感圖像處理的重要方法之一。計(jì)算機(jī)圖像處理的優(yōu)點(diǎn)在于速度快、操作簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，有逐步取代

17、光學(xué)方法的趨勢。彩色合成加色法彩色合成減色法彩色合成光學(xué)增強(qiáng)處理光學(xué)信息的處理圖像的相加和相減遙感黑白影象的假彩色編碼加色法彩色合成合成儀法：是將不同波段的黑白透明片分別放入有紅、綠、藍(lán)濾光片的光學(xué)投影通道中精確配準(zhǔn)和重疊，生成彩色影像的過程。分層曝光法：指利用彩色膠片具有的三層乳劑，使每一層乳劑依次曝光的方法。減色法彩色合成染印法：是一種使用特別浮雕片、接受紙和沖顯染印藥制作彩色合成影像的方法。印刷法：利用普通膠印設(shè)備，直接使用不同波段的遙感底片和黃、品紅、青三種油墨，經(jīng)分色、加網(wǎng)、制版，套印成彩色合成圖像。重氮法：利用重氮鹽的化學(xué)反應(yīng)處理彩色單波段影像透明片的方法。光學(xué)增強(qiáng)處理相關(guān)掩膜處理方法：把幾何位置完全配準(zhǔn)的原片，制成不同密度、不同反差的正片或負(fù)片，通過它們的各種不同疊加方案改變?cè)杏跋竦娘@示效果，達(dá)到信息增強(qiáng)目的的方法。改變對(duì)比度：使用兩張同波段同地區(qū)的負(fù)片（或正片）進(jìn)行合成，一張反差適中，另一張反差較小，合成后反差一般加大，從而提高了對(duì)比度；光學(xué)增強(qiáng)處理顯示動(dòng)態(tài)變化：不同時(shí)相同一地區(qū)的正負(fù)片影像疊合掩膜，當(dāng)被疊合影像反差相同時(shí)，凡密度發(fā)生變化的部分就是動(dòng)態(tài)變化的位