第6章遙感圖像輻射處理

1、本章內(nèi)容： 輻射校正（1） 輻射增強(qiáng)（1） 圖像平滑（2） 圖像銳化（2） 圖像融合（3）重點(diǎn)內(nèi)容： 圖像增強(qiáng)處理 多源圖像融合第六章 遙感圖像輻射處理圖像預(yù)處理的內(nèi)容1/17 概念： 利用傳感器觀測(cè)目標(biāo)輻射或反射電磁能量時(shí)，從傳感器得到的測(cè)量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的，稱為光譜亮度失真。這種消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度里的各種失真的過程稱為輻射校正。 完整的輻射校正包括傳感器校正、大氣校正、太陽高度及地形校正。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正2/173/171、傳感器校正 畸變來源：光學(xué)系統(tǒng)、光電變換系統(tǒng)。 校正方法：陸地衛(wèi)星系列通過飛行前實(shí)地測(cè)量，預(yù)先測(cè)出

2、各波段的輻射值（L)和記錄值（DN）之間的校正乘系數(shù)（記為A)和校正加系數(shù)（記為B),其糾正公式為：L=A*DN+B A和B在使用期限內(nèi)是固定不變的。 此過程又稱為傳感器輻射定標(biāo)第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正4/172、大氣校正 大氣影響比較復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于任何一幅圖像，大氣數(shù)據(jù)幾乎永遠(yuǎn)是變化的。 方法一：從圖像本身來估計(jì)大氣參數(shù)，然后以一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，反復(fù)運(yùn)用大氣模擬模型來修正這些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的校正。 方法二：利用地面實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。利用預(yù)先設(shè)置的反射率已知的標(biāo)志，把地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來消除大氣的影響。該方法僅適用于特定的地區(qū)及時(shí)

3、間。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正5/173、太陽高度和地形校正 太陽高度角引起的輻射畸變校正是將太陽光線傾斜照射時(shí)獲取的圖像校正為太陽光垂直照射是獲取的圖像，因此在做輻射校正時(shí)，需要知道成像時(shí)刻的太陽高度角。太陽高度角可以根據(jù)成像時(shí)刻的時(shí)間、季節(jié)和地理位置確定。 具有地形坡度的地面，對(duì)進(jìn)入遙感器的太陽光線的輻射亮度有影響，地形坡度引起的輻射校正需要知道成像地區(qū)的DEM，校正不方便。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正6/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正7/17 地面輻射校正場(chǎng) 當(dāng)遙感數(shù)據(jù)輻射校正后，需要通過地面輻射校正場(chǎng)來對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正。 世界典型的輻射場(chǎng)

4、有：1979年美國新墨西哥州白沙地面輻射定標(biāo)場(chǎng)、1987年法國馬賽西北La Crau沙地面輻射定標(biāo)場(chǎng)。 中國的輻射場(chǎng)：敦煌西戈壁輻射校正場(chǎng)（可見和紅外）、青海湖輻射校正場(chǎng)（熱紅外和紅外）。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正8/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.2輻射增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)目的： 增強(qiáng)感興趣目標(biāo)與周圍目標(biāo)的反差，突出目標(biāo)，消弱某些不需要的信息。 圖像增強(qiáng)手段： 空間域 頻率域 灰度直方圖（會(huì)計(jì)算）),()(),(),(yxfFgvuFyxf01231232232132109/17各種圖像直方圖10/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.2 輻射增強(qiáng) 圖像反差調(diào)整1、線性變換：在曝光不足

5、或過度的情況下，圖像灰度會(huì)局限在一個(gè)較小范圍內(nèi)，圖像沒有灰度層次。采用線性變換對(duì)每一個(gè)像素灰度做線性拉伸，有效改善視覺效果。 分段線性變換),(),(ajifababajig11/1712/172、直方圖均衡化 將原始直方圖修改為近似均勻分布直方圖，從而拉開灰度間距，增大反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到增強(qiáng)目的。第六章 遙感圖像輻射處理 6.2 輻射增強(qiáng)13/17 6.2 輻射增強(qiáng)1列出原始圖像的灰度級(jí)k=0,1,7012345672統(tǒng)計(jì)原始直方圖各灰度級(jí)像素7901023850656329245122813計(jì)算原始直方圖0.190.250.210.160.080.060.030.024計(jì)算累計(jì)直方

6、圖T0.190.440.650.810.890.950.9815對(duì)(N-1)*T四舍五入取整(t)135667776確定映射對(duì)應(yīng)關(guān)系(k-t)0-11-32-53,4-65,6,7-77統(tǒng)計(jì)新直方圖各灰度級(jí)像素79010238509854488計(jì)算新直方圖0.190.250.210.240.1114/17直方圖均衡化計(jì)算步驟示意圖15/1716/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.2 輻射增強(qiáng)3、直方圖正態(tài)化4、直方圖匹配 通過非線性變換使得一個(gè)圖像的直方圖與另一個(gè)圖像直方圖類似。5、圖像灰度反轉(zhuǎn)（獲得相反圖像） 方法一：條件反轉(zhuǎn) 方法二：簡(jiǎn)單反轉(zhuǎn)11 . 0,/1 . 01 . 00, 1in

7、ininoutDDDD當(dāng)當(dāng)inoutDD 25517/17 本節(jié)主要內(nèi)容 一種劃分方式：空間域增強(qiáng)（包括平滑和銳化） 頻率域增強(qiáng)（包括平滑和銳化） 另一種劃分方式：圖像平滑（空間域和頻率域） 圖像銳化（空間域和頻率域） 本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容 空間域平滑/銳化 頻率域平滑/銳化第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)1/10一、空間域平滑 目的： 1、鄰域平均法（模板法、掩模法） 基本掩模 其他掩模 問題1：模板全部權(quán)系數(shù)和應(yīng)為1，為什么 問題2：鄰域平均法有何缺點(diǎn)？ 思考：能否自己編程實(shí)現(xiàn)鄰域平均法 第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)2/10一、空間域平滑 2、中值濾波法 對(duì)一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)的

8、全部像素灰度值排序，用其中值代替窗口中心像素的原來灰度值。（非線性） 中值濾波的例子第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)3/10 總結(jié)：中值濾波的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)是去噪（特別是脈沖或椒鹽噪聲）同時(shí)較好地保持了邊緣，缺點(diǎn)是對(duì)點(diǎn)、細(xì)線等細(xì)節(jié)較多的圖像不大適合。 演示：基于MATLAB的中值濾波程序第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)4/10二、空間域銳化 目的：增強(qiáng)圖像的邊緣或輪廓。 圖像平滑與銳化比較：模糊邊緣/突出邊緣 積分運(yùn)算/微分運(yùn)算 模板和1/模板和0 空間域銳化的方法與邊緣檢測(cè)方法一致！ 常用的算子有：（見本PPT的127頁） Roberts算子 Prewitt/Sobel

9、算子 Laplacian算子 第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)5/10 頻率域增強(qiáng)基本思想：（理解公式含義） 關(guān)鍵是H(u,v)的選擇三、頻率域平滑（低通濾波） 原理： 常見低通濾波器有： 1、理想低通濾波器（缺點(diǎn)） 2、Butterworth低通濾波器 3、指數(shù)濾波器 4、梯形低通濾波器（優(yōu)點(diǎn)）第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)6/107/10四、頻率域銳化（高通濾波） 原理：圖像的邊緣、細(xì)節(jié)主要在哪里體現(xiàn)？為了突出邊緣，則采用高通濾波器讓高頻成分通過，消弱低頻成分，在通過傅立葉逆變換得到邊緣銳化后的圖像。 1、理想高通 2、Butterworth高通 3、指數(shù)高通 4、梯

10、形高通程序演示第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)8/10第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)五、帶阻濾波 1、對(duì)稱點(diǎn) 遙感圖像傳到地面時(shí)常有網(wǎng)絡(luò)狀干擾圖像，其頻率圖形一般是對(duì)稱點(diǎn)。在頻率域設(shè)法把這對(duì)點(diǎn)去掉或阻擋掉，再反變換到空間域，就可以把網(wǎng)絡(luò)圖形干擾去掉，這叫做帶阻濾波。9/1010/10主要內(nèi)容 圖像融合概況（概念、目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)） 圖像融合方法（彩色技術(shù)、算術(shù)運(yùn)算、圖像變換） 融合效果評(píng)價(jià)（定性、定量評(píng)價(jià)）重點(diǎn)內(nèi)容 圖像融合概念及目標(biāo) 基于主分量變換方法 第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合1/16一、圖像融合概況1、概念: 多源遙感數(shù)據(jù)間融合 遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)融

11、合 又稱為“信息融合”、”數(shù)據(jù)整合“結(jié)合”“疊合” 圖像融合是對(duì)多傳感器的圖像數(shù)據(jù)和其它信息處理過程，生成一幅具有新的空間、波譜、時(shí)間特征的合成圖像。 融合可在3個(gè)層次上進(jìn)行：像素、特征、決策層第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合2/16 （1）基于像素的圖像融合 關(guān)鍵問題：幾何糾正像素重采樣 （2）基于特征的圖像融合 從初始影像中提取特征，然后對(duì)特征進(jìn)行匹配 優(yōu)點(diǎn)：針對(duì)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量小、分類精度高 （3）基于決策層的圖像融合 在圖像理解和模式識(shí)別基礎(chǔ)上的融合。 在特征提取的基礎(chǔ)上，直接面向應(yīng)用進(jìn)行融合第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合3/16 圖8.14/162、圖像融合具體目標(biāo)

12、 （1）提高圖像空間分辨率（圖像銳化） （2）改善圖像幾何精度 （3）增強(qiáng)特征顯示能力 （4）改善分類精度 （5）提供變換檢測(cè)能力（什么樣的數(shù)據(jù)？） （6）修補(bǔ)圖像數(shù)據(jù)的缺陷第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合5/163、圖像融合的關(guān)鍵技術(shù) 涉及的領(lǐng)域：信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別、最優(yōu)化技術(shù)、圖像處理、人工智能以及地學(xué)知識(shí)。 （1）遙感數(shù)據(jù)的空間配準(zhǔn) 不同平臺(tái)數(shù)據(jù)其幾何特征相差很大 達(dá)到同一區(qū)域不同圖像地理坐標(biāo)的統(tǒng)一。 （2）建立合適的融合模型 首先明確融合的目的選擇合適模型 （3）選擇恰當(dāng)?shù)娜诤戏椒ǖ诹?遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合6/16 圖8.27/16二、圖像融合方法

13、1、彩色技術(shù) 彩色圖像兩種表達(dá)方式： RGB混色系統(tǒng)：紅、綠、藍(lán)三原色坐標(biāo)系統(tǒng) IHS顯色系統(tǒng)：亮度、色調(diào)、飽和度坐標(biāo)系統(tǒng)。 彩色技術(shù)指采用不同的彩色坐標(biāo)系統(tǒng)，把多源遙感數(shù)據(jù)融合起來，產(chǎn)生彩色合成圖像。 （1）RGB彩色合成 指定3個(gè)波段圖像分別賦予RGB三原色進(jìn)行彩色合成，人為指定水為藍(lán)色、裸地為綠色、植被為紅色第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合8/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合 （2）IHS變換 R、G、B呈非線性關(guān)系IHS系統(tǒng) IHS彩色變換指將標(biāo)準(zhǔn)RGB圖像分離為I、H、S 變換公式為： 目前，IHS變換已成為彩色增強(qiáng)、特征增強(qiáng)、改善空間分辨率、融合分離的數(shù)據(jù)等

14、圖像處理和分析的一種有效方法被廣泛應(yīng)用。IBISBIBGHBGRI/ )3()3/()(BGRvvI02121626161313131212221121);(tanvvSvvH9/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合 （3）照度色度（YIQ） Y：圖像亮度，是RGB信號(hào)的組合 I：紅色減去青色 Q：品紅色減去綠色2、算術(shù)運(yùn)算 （1）加乘運(yùn)算 （2）差值與比值圖像 對(duì)變化檢測(cè)很有效，差值可抑止背景，比值可消除地形坡度引起的輻射變化、乘法性噪聲影響。BDNDNADNBDNWDNWADNbafbaf)(2110/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合 （3）混合運(yùn)算 采用加減乘除運(yùn)

15、算可部分消除大氣影響。 為實(shí)現(xiàn)空間增強(qiáng)，常用高分辨率的全色圖像（P）與多光譜圖像（S）融合，常用的方法有： 此法既保留了輻射數(shù)據(jù)完整性，又增加空間分辨率hfspspfDNDNDNDNDNDNDNDNDNDN3211/11/163、圖像變換（1）主成分分析（PCA） 方法1：用一幅高分辨圖像代替多波段圖像的第一主成分PC1,然后進(jìn)行主成分逆變換，得到融合圖像 方法2：將高分辨圖像作為一個(gè)波段和多光譜圖像組合一起進(jìn)行PCA，生成一幅圖像，以減少數(shù)據(jù)的冗余度，如PC123、TM17的最佳波段選擇等。（2）相關(guān)系數(shù)法 基于對(duì)被融合圖像之間波譜特性的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合

16、12/16 公式如下： A、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，a，b為權(quán)重系數(shù)，分別表示兩個(gè)被融合圖像在融合中的貢獻(xiàn)大小，可由相關(guān)系數(shù)rij確定。 例：SPOT影像的“P+XS”模式 10米分辨率全色（P)+20米分辨率多光譜（XS）增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的同時(shí)，又保留了多光譜信息。該融合圖像被廣泛應(yīng)用于城市遙感。BbIaIAIjiij)(第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合13/16（3）空間濾波法（多用于不同分辨率圖像融合） 對(duì)高分辨率圖像（如SPOT-P）作高通濾波處理，得到高頻數(shù)據(jù)，然后加到低分辨圖像（如TM）中。 例：中巴資源1號(hào)衛(wèi)星的多光譜數(shù)據(jù)（20米）與SPOT-P，經(jīng)高通濾波融合的結(jié)果。（4）小波變換 經(jīng)小波變換可將圖像分解為具有不同空間分辨率、頻率特征的子圖像，比如低頻圖像和高頻圖像。 具體方法：用低分辨率（TM）圖像的低頻代替高分辨率（SPOT-P)的低頻，然后新SPOT-P進(jìn)行小波逆變換，得到融合后的圖像。第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合14/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合三、融合效果評(píng)價(jià)1、定性評(píng)價(jià) 目視判讀，主觀2、定量評(píng)價(jià) 從信息量、清晰度、逼真度、分類精度四方面評(píng)價(jià) （1）基于信息量的評(píng)價(jià) 熵評(píng)價(jià)信息量的重要指標(biāo) （2）基于清晰度的評(píng)