遙感概論：第四章 遙感圖像處理1

1、第四章 遙感圖像處理第四章 遙感圖像處理 本章提要 第一節(jié) 光學(xué)原理與光學(xué)處理 第二節(jié) 數(shù)字圖像的校正 第三節(jié) 數(shù)字圖像增強(qiáng) 第四節(jié) 多源信息復(fù)合 第一節(jié) 光學(xué)原理與光學(xué)處理第一節(jié) 光學(xué)原理與光學(xué)處理一、顏色視覺(jué)1、亮度對(duì)比和顏色對(duì)比（1）亮度對(duì)比：對(duì)象相對(duì)于背景的明亮程度。改變對(duì)比度，可以提高圖象的視覺(jué)效果。（2）顏色對(duì)比：在視場(chǎng)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(jué)效果。 2、顏色的性質(zhì)： 所有顏色都是對(duì)某段波長(zhǎng)有選擇地反射而對(duì)其他波長(zhǎng)吸收的結(jié)果。 顏色的性

2、質(zhì)由明度、色調(diào)、飽和度來(lái)描述。 （1）明度：是人眼對(duì)光源或物體明亮程度的感覺(jué)。 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(zhǎng)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)；圓周上的半徑大小代表飽和度。（2）孟賽爾顏色立體：中軸代表無(wú)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、加色法與減色法顏色相加原理三原色：若三種顏色，其中的任一種都不能由其余二種顏色混合相加產(chǎn)生，這三種顏色按一定比例混合，可以形成各種色調(diào)的顏色，則

3、稱之為三原色。紅、綠、藍(lán)。互補(bǔ)色：若兩種顏色混合產(chǎn)生白色或灰色，這兩種顏色就稱為互補(bǔ)色。黃和藍(lán)、紅和青、綠和品紅。色度圖：可以直觀地表現(xiàn)顏色相加的原理,更準(zhǔn)確地表現(xiàn)顏色混合的規(guī)律.2. 色度圖根據(jù)色彩計(jì)量學(xué)的研究，劃定人眼識(shí)別范圍等能量點(diǎn)是白光點(diǎn)，靠近邊界，顏色飽和度越高邊界沿順時(shí)針?lè)较蚴撬{(lán)、綠、紅顏色根據(jù)色度圖可以粗略推算兩種顏色相混合得到的中間色過(guò)等能量點(diǎn)的直線，與曲線邊界相交的兩點(diǎn)是互補(bǔ)色3、顏色相減原理減色過(guò)程:白色光線先后通過(guò)兩塊濾光片的過(guò)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(guò)每一濾光片時(shí)都減掉一部分輻射，最后通過(guò)的光是經(jīng)過(guò)多次減法的結(jié)果.加色法與減色法的區(qū)別:

4、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(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，有逐步取代光學(xué)方法的趨勢(shì)。1. 利用加色法和減色法實(shí)現(xiàn)彩色合成加色法：合成儀法、分層曝光法減色法：染印法、印刷法、重氮法2. 光學(xué)增強(qiáng)處理相關(guān)掩膜處理方法改變對(duì)比度顯示動(dòng)態(tài)變化邊緣突出3. 光學(xué)信息處理圖像的相加和相減：光柵濾波法遙感黑白影像的假彩色編碼：相位介質(zhì)的色散、假彩色的編碼過(guò)程第二節(jié) 數(shù)字圖像的校正遙感數(shù)字圖像處理：利用計(jì)算機(jī)對(duì)遙感圖像及其資料進(jìn)行的各種技術(shù)處理。數(shù)字圖像處理的優(yōu)點(diǎn)快

5、捷、準(zhǔn)確、客觀地提取遙感信息適應(yīng)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展一、數(shù)字圖像及其直方圖數(shù)字圖像：遙感數(shù)據(jù)有光學(xué)圖像和數(shù)據(jù)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)遙感數(shù)字圖像及其特點(diǎn)數(shù)字圖像是指能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理利使用的圖像。遙感數(shù)據(jù)的表示既有光學(xué)圖像又有數(shù)字圖像。遙感數(shù)字圖像是以數(shù)字形式表示的遙感影像。遙感數(shù)字圖像最基本的單位是像素。像素是成像過(guò)程的采樣點(diǎn)，也是計(jì)算機(jī)圖像處理的最小單元。 數(shù)字化將連續(xù)的圖像變化，作等間距的抽樣和量化。

6、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。連續(xù)圖象數(shù)字圖象離散化目的：便于計(jì)算機(jī)處理。量化數(shù)字圖像舉例遙感數(shù)字圖像的特點(diǎn)便于計(jì)算機(jī)處理與分析：計(jì)算機(jī)是以二進(jìn)制方式處理各種數(shù)據(jù)的。采用數(shù)字形式表示遙感圖像，便于計(jì)算機(jī)處理。因此，與光學(xué)圖像處理方式相比，遙感數(shù)字圖像是一種適于計(jì)算機(jī)處理的圖像表示方法。圖像信息損失低：由于遙感數(shù)字圖像是用二進(jìn)制表示的，因此在獲取、傳輸和分發(fā)過(guò)程中，不會(huì)因長(zhǎng)期存儲(chǔ)而損失信息，也不會(huì)因多次傳輸和復(fù)制而產(chǎn)生圖像失真。而模擬方法表現(xiàn)的遙感圖像會(huì)因多次復(fù)制而使圖像質(zhì)量下降。抽象性強(qiáng)：盡管不同類別的遙感數(shù)字圖像，有不同的視覺(jué)效果，對(duì)應(yīng)不同的物理背景

7、，但由于它們都采用數(shù)字形式表示，便于建立分析模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)解譯和運(yùn)用遙感圖像專家系統(tǒng)。遙感數(shù)字圖像的表示方法遙感數(shù)字圖像以二維數(shù)組來(lái)表示。在數(shù)組中，每個(gè)元素代表一個(gè)像素，像素的坐標(biāo)位置隱含，由這個(gè)元素在數(shù)組中的行列位置所決定。元素的值表示傳感器探測(cè)到像素對(duì)應(yīng)面積上的目標(biāo)地物的電磁輻射強(qiáng)度，采用這種方法，可以將地球表面一定區(qū)域范圍內(nèi)的目標(biāo)地物信息記錄在一個(gè)二維數(shù)組(或二維矩陣)中。數(shù)字圖象HOME按波段數(shù)量，遙感數(shù)字圖像可分幾種類型：二值數(shù)字圖像：圖像中每個(gè)像素由0或1構(gòu)成，在計(jì)算機(jī)屏幕上表示為黑白圖像。單波段數(shù)字圖像：在某一波段范圍內(nèi)工作的傳感器獲取的遙感數(shù)字圖像。彩色數(shù)字圖像：是由紅、綠、

8、藍(lán)三個(gè)數(shù)字層構(gòu)成的圖像。在每一個(gè)數(shù)字層中，每個(gè)像素用1字節(jié)記錄地物亮度值，數(shù)值范圍一般介于0255。每個(gè)數(shù)字層的行列數(shù)取決于圖像的尺寸或數(shù)字化過(guò)程中采用的光學(xué)分辨率。三層數(shù)據(jù)共同顯示即為彩色圖像。多波段數(shù)字圖像：是傳感器從多個(gè)波段獲取的遙感數(shù)字圖像。多波段數(shù)字圖像的存貯與分發(fā)，通常采用三種數(shù)據(jù)格式 ：BSQ、BIP、BIL1）BSQ(Band sequential)： 是一種按波段順序依次排列的數(shù)據(jù)格式。 2）BIP(Band interleaved by pixel)： 每個(gè)像元按波段次序交叉排列 3）BIL(Band interleaved by line)： 是逐行按波段次序排列的格式

9、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。小結(jié) 圖像直方圖是描述圖像質(zhì)量的可視化圖表。在圖像處理中，可以通過(guò)調(diào)整圖像直方圖的形態(tài)，改善圖像顯示的質(zhì)量，以達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。直方圖The Image HistogramIn raw imagery, the useful data often populates only a sm

10、all portion of the available range of digital values (commonly 8 bits or 256 levels). Contrast enhancement involves changing the original values so that more of the available range is used, thereby increasing the contrast between targets and their backgrounds. The key to understanding contrast enhan

11、cements is to understand the concept of an image histogramA histogram is a graphical representation of the brightness values that comprise an image. The brightness values (i.e. 0-255) are displayed along the x-axis of the graph. The frequency of occurrence of each of these values in the image is sho

12、wn on the y-axis. HOME二、輻射校正（Radiometric correction ）輻射畸變： 地物目標(biāo)的光譜反射率的差異在實(shí)際測(cè)量時(shí)，受到傳感器本身、大氣輻射等其他因素的影響而發(fā)生改變。這種改變稱為輻射畸變。影響輻射畸變的因素傳感器本身的影響：導(dǎo)致圖像不均勻，產(chǎn)生條紋和噪音。大氣對(duì)輻射的影響Striping was common in early Landsat MSS data due to variations and drift in the response over time of the six MSS detectors. The drift was di

13、fferent for each of the six detectors, causing the same brightness to be represented differently by each detector. The corrective process made a relative correction among the six sensors to bring their apparent values in line with each otherDropped lines occur when there are systems errors which res

14、ult in missing or detective data along a scan line. Dropped lines are normally corrected by replacing the line with the pixel values in the line above or below, or with the average of the two. 大氣對(duì)輻射的影響大氣影響：大氣的主要影響是減少了圖像的對(duì)比度，使原始信號(hào)和背景信號(hào)都增加了因子，圖像質(zhì)量下降。大氣影響的粗略校正：通過(guò)簡(jiǎn)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

15、最小值去除法回歸分析法直方圖最小值去除法基本思路:每幅圖像上都有輻射亮度或反射亮度應(yīng)為0的地區(qū)，而事實(shí)上并不等于0,說(shuō)明亮度最小值必定是這一地區(qū)大氣影響的程輻射度增值。校正方法:將每一波段中每個(gè)像元的亮度值都減去本波段的最小值。使圖像亮度動(dòng)態(tài)范圍得到改善，對(duì)比度增強(qiáng)，從而提高了圖像質(zhì)量。HOME原理：根據(jù)波段間的相關(guān)性，由一已知波段的程輻射推斷其余波段程輻射假定某紅外波段，存在程輻射為主的大氣影響，且亮度增值最小，接近于零，設(shè)為a波段。直方圖最小值比較回歸分析法方法：建立直線回歸方程將波段b中每個(gè)像元的亮度值減去，來(lái)改善圖像，去掉程輻射。三、幾何校正幾何畸變：遙感圖像的幾何位置上發(fā)生變化，產(chǎn)生

16、諸如行列不均勻，像元大小與地面大小對(duì)應(yīng)不準(zhǔn)確，地物形狀不規(guī)則變化等變形。幾何畸變是平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、偏扭、彎曲等作用的結(jié)果。1、遙感影像變形的原因遙感平臺(tái)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的影響： 航高、航速、俯仰、翻滾、偏航。地形起伏的影響：產(chǎn)生像點(diǎn)位移。地球表面曲率的影響：一是像點(diǎn)位置的移動(dòng)；二是像元對(duì)應(yīng)于地面寬度不等，距星下點(diǎn)愈遠(yuǎn)畸變愈大，對(duì)應(yīng)地面長(zhǎng)度越長(zhǎng)。大氣折射的影響：產(chǎn)生像點(diǎn)位移。地球自轉(zhuǎn)的影響：產(chǎn)生影像偏離。2、幾何畸變校正基本思路：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。The geometric registration process invo

17、lves identifying the image coordinates (i.e. row, column) of several clearly discernible points, called ground control points (or GCPs), in the distorted image (A - A1 to A4), and matching them to their true positions in ground coordinates (e.g. latitude, longitude). The true ground coordinates are

18、typically measured from a map (B - B1 to B4), either in paper or digital format.具體步驟 1)選取控制點(diǎn) 2)計(jì)算校正后每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)原圖中的位置；3)計(jì)算每一點(diǎn)的亮度值。計(jì)算方法 1）建立兩圖像像元點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 2）求出原圖所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亮度：最近鄰法、雙線性內(nèi)插法、三次卷積內(nèi)插法。 幾何精校正位置計(jì)算 精校正的第一步工作是按校正后圖像中的每一點(diǎn)找到校正前圖像的對(duì)應(yīng)位置。兩個(gè)圖像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般描述為數(shù)學(xué)關(guān)系：這個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系常表示為二元多項(xiàng)式一次、二次、三次或更高次表達(dá)式，其中二元二次多項(xiàng)式可以表示為：首先尋找兩

19、個(gè)圖像已知的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，稱作控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)在兩個(gè)圖像上的坐標(biāo)分別已知。用最小二乘法和已知控制點(diǎn)坐標(biāo)求出未知的系數(shù)aij和bij ，于是找到了兩種圖像間數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式的具體表示。然后，依次代入校正后圖像的每個(gè)像元點(diǎn)的坐標(biāo)，求出相應(yīng)的X和Y值，完成位置計(jì)算。2、幾何畸變校正控制點(diǎn)(GCP)的選取數(shù)目的確定:最小數(shù)目；6倍于最小數(shù)目。選擇的原則在幾何校正中，GCP點(diǎn)的選擇是最重要，也是工作量最大的，對(duì)于一個(gè)精確的校正必須使用精確的地面控制點(diǎn)，圖像中所有其它點(diǎn)的校正坐標(biāo)均由地面控制點(diǎn)外推所得。被定位的地面控制點(diǎn)必須散布在整幅圖像上，GCP點(diǎn)分布越均勻，數(shù)量越多，校正的可靠性越高。GCP 同時(shí)也可以有選

20、擇的去除一些效果不好的控制點(diǎn)，以達(dá)到最佳效果，因此在選擇控制點(diǎn)時(shí)，遵照以下準(zhǔn)則：l所選的點(diǎn)比較均勻的遍布校正的整個(gè)區(qū)域；l所選的點(diǎn)在圖像上要容易辨認(rèn)，地面可以實(shí)測(cè)，具有較固定的特征；要便于實(shí)行和可重復(fù)操作。 l低精度圖像應(yīng)與高精度圖像配準(zhǔn)（在高精度圖像上選GCP）。l影像分辨率與相應(yīng)比例尺的地形圖配準(zhǔn)。AVHRR， 1:250,000地形圖Landsat TM，1:100,000地形圖SPOT ， 1:24,000地形圖RMS誤差 RMS誤差（均方根）是GCP的輸入（原位置）和逆轉(zhuǎn)換的位置之間的距離或者說(shuō)，是在用轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)一個(gè)GCP作轉(zhuǎn)換時(shí)，所期望輸出的坐標(biāo)與實(shí)際輸出的坐標(biāo)之間的偏差。RMS誤差用計(jì)算距離的方程求得： xi和yi是輸入的原坐標(biāo)； xr和yr是逆變換后的坐標(biāo)。 RMS誤差以坐標(biāo)系統(tǒng)的距離來(lái)表示。如果原坐標(biāo)是數(shù)據(jù)文件坐標(biāo)，那么RMS誤差是用像元數(shù)的距離。例如，RMS誤差是2意味著參考像元與逆轉(zhuǎn)換像元之間的距離是2個(gè)像元。RMS誤差的容忍取決于數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用目的。 Landsat TM 一般控制在1個(gè)像元，30m以內(nèi)。 AVHRR一般控制在1.5個(gè)像元，1.5Km以內(nèi)。計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣和RMS誤差后，可能的