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1、1接收预处理用户应用处理分析结果输出遥感成像遥感成像过程过程第第八八章章 遥感图像基本处理遥感图像基本处理电磁辐射与地电磁辐射与地电磁辐射与地电磁辐射与地物光谱特征物光谱特征物光谱特征物光谱特征2第八章第八章 遥感图像的基本处理遥感图像的基本处理遥感图像遥感图像的的基本处理基本处理数字图像校正数字图像校正数字图像增强数字图像增强多源信息复合多源信息复合数字图像数字图像辐射校正辐射校正几何校正几何校正38.1.1 模拟模拟图像与数字图像图像与数字图像光学图像（模拟图像）光学图像（模拟图像）连续图像连续图像照片照片 二维的连续的光密度函数。二维的连续的光密度函数。图像上的光密度随坐标图像上的光密度
2、随坐标x,y变化而变化，如果取一个方向的图像，则密变化而变化，如果取一个方向的图像，则密度随空间变化，是一条连续的曲线。度随空间变化，是一条连续的曲线。数字图像数字图像离散图离散图像像计算机存储计算机存储 指能够被计算机存储、处理和使用的图像。数字图像可以理解为多维数组。模拟图像与数字图像之间可通过模/数（A/D）转换。4照片照片照片上的手指照片上的手指QuickBirdQuickBird（校园）（校园）局部放大局部放大数字图像：数字图像：指能够被计算机存储、处理和使用的图像。指能够被计算机存储、处理和使用的图像。“离散离散化化”、二维矩阵：每个元素的取值是图像连续变化的灰度的离、二维矩阵：每
3、个元素的取值是图像连续变化的灰度的离散整数值。散整数值。51、离散化的单元像元值的涵义？代表什么？2、在计算机内是如何存储的（以什么数据类型）？3、图像所占存储空间如何计算？模拟图像模拟图像 （灰度、（灰度、颜色的连续颜色的连续分布分布）采采样样像元号像元号 像元像元 6不同反差特征的图像不同反差特征的图像图像直方图图像直方图 用平面直角坐标系表示一幅灰度范围为用平面直角坐标系表示一幅灰度范围为0-n的数字图像像元灰度分布状态，横轴表示灰的数字图像像元灰度分布状态，横轴表示灰度级，纵轴表示某一灰度级（或范围）的像度级，纵轴表示某一灰度级（或范围）的像元个数占像元总数的百分比。元个数占像元总数的
4、百分比。通过直方图可以直观地了解图像特征，以通过直方图可以直观地了解图像特征，以确定图像增强方案并了解图像增强后效果。确定图像增强方案并了解图像增强后效果。7遥感遥感图像处理系统图像处理系统遥感图像处理的主要内容：遥感图像处理的主要内容：校正、增强、变换及信息提取校正、增强、变换及信息提取-磁带机、数字化磁带机、数字化器等；打印机、器等；打印机、绘图仪、激光图绘图仪、激光图像记录仪像记录仪-图像计算机、图像计算机、阵列处理机阵列处理机-磁盘、磁带、磁盘、磁带、光盘光盘-系统软件、应用系统软件、应用软件（图像处理软件（图像处理软件）软件）88.1.2 遥感图像的辐射校正遥感图像的辐射校正由于由于
5、传感器传感器响应特性和响应特性和大气大气的吸收、散的吸收、散射及其它随机因素影响，导致图像模糊射及其它随机因素影响，导致图像模糊失真，造成图像分辨率和对比度相对下失真，造成图像分辨率和对比度相对下降。这些都需要通过辐射校正复原。降。这些都需要通过辐射校正复原。包括：包括：系统辐射校正、大气校正系统辐射校正、大气校正9一一、系统辐射校正、系统辐射校正（一）光学摄影机内部辐射误差校正（一）光学摄影机内部辐射误差校正 光学摄影机内部辐射误差主要是由镜头中心和边缘的透光学摄影机内部辐射误差主要是由镜头中心和边缘的透射光的强度不一致造成的，它使得在图像上不同位置的同射光的强度不一致造成的，它使得在图像上
6、不同位置的同一类地物有不同的灰度值。设原始图像灰度值一类地物有不同的灰度值。设原始图像灰度值g，校正的图，校正的图像灰度像灰度g,则有则有g=g/cos 为像点成像时光线与主光轴夹角。为像点成像时光线与主光轴夹角。（二）光电扫描仪内部辐射误差的校正（二）光电扫描仪内部辐射误差的校正 两类误差：两类误差：（1）光电转换误差；（）光电转换误差；（2）探测器增益变）探测器增益变化引起的误差。化引起的误差。10二、大气校正二、大气校正定义定义：指消除主要由大气散射引起的辐射误差的处理过程。指消除主要由大气散射引起的辐射误差的处理过程。（一）公式法（一）公式法 与卫星扫描同步进行野外波谱测试，将地面测量
7、结果与卫与卫星扫描同步进行野外波谱测试，将地面测量结果与卫星影像对应像元亮度值进行回归分析，回归方程为：星影像对应像元亮度值进行回归分析，回归方程为：式中，式中，LAi为卫星观测值；为卫星观测值；Ri为地面反射率；为地面反射率；a和和b为回归系数；为回归系数；系数系数a为大气散射引起对辐射的干扰部分为大气散射引起对辐射的干扰部分 a=SiLBi （式（式中，中，Si为系统增益因素；为系统增益因素；Lbi为大气路径为大气路径辐射率）辐射率）b表示辐射率表示辐射率Lai随地面反射率随地面反射率Ri递增而增长的程度大小；递增而增长的程度大小；Ti为大气透射率；为大气透射率；Hi为太阳辐照度；为太阳辐
8、照度；为太阳天顶角；为太阳天顶角；由于这个公式计算方法是对于各个波段分别进行的，所由于这个公式计算方法是对于各个波段分别进行的，所以以上各参数都带有以以上各参数都带有i，代表各波段的序号。将上式代入可，代表各波段的序号。将上式代入可得：得：上式说明决定上式说明决定Lai的因素比较复杂，用这一公式计算的因素比较复杂，用这一公式计算Lai时需要时需要获得当时具体气象参数获得当时具体气象参数。由前面的公式可得：由前面的公式可得：式中，式中，LAi即为校正后图像灰度值；即为校正后图像灰度值；a为大气附加辐射部分。为大气附加辐射部分。12（二）回归分析法（二）回归分析法 用长波数据来校正短波数。用长波数
9、据来校正短波数。作法：作法：在不受大气影响的波段（如在不受大气影响的波段（如TM5）和待校正）和待校正的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行将每一目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析。回归分析。例如例如：式中式中，为为TM5波段的亮度均值；波段的亮度均值；为为TM1亮度均值；亮度均值；13a1,b1计算如下：计算如下：T1、T5表示表示TM1与与TM5波段灰度值，波段灰度值，为TM1波段校正后的灰度值。14（三）直方图校正（三）直方图校正法法:通过灰度直方图对比找出校正通过灰度直
10、方图对比找出校正量量从图像像元亮度值中减去一个辐射偏置量（从图像像元亮度值中减去一个辐射偏置量（LP），辐射偏置），辐射偏置量等于图像直方图中最小的辐射亮度值。量等于图像直方图中最小的辐射亮度值。前提（假设）：前提（假设）：水体（或阴影）等物体的灰度值为水体（或阴影）等物体的灰度值为0，大气，大气散射导致图像上这些物体的灰度值不为散射导致图像上这些物体的灰度值不为0（辐射偏置量）（辐射偏置量）暗物体法（暗物体法（Dark-object method）15补充知识补充知识1：大气：大气影响的定量分析影响的定量分析地面上单位面积的辐照度为地面上单位面积的辐照度为 假假定定地地表表面面是是朗朗伯伯体
11、体，其其表表面面为为漫漫反反射射，则则某某方方向向物体的亮度为物体的亮度为 系统增益系数因子系统增益系数因子 ，进入传，进入传感器的亮度值感器的亮度值 无大气影响状况无大气影响状况16补充知识补充知识1：大气：大气影响的定量分析影响的定量分析受入射方向透过率受入射方向透过率 和反射和反射方向透过率方向透过率 的影响，进入的影响，进入传感器的亮度值为：传感器的亮度值为：漫入射辐照度为ED，反射后进入传感器的亮度值为：散射光直接进入传感器的辐射（程辐射亮度LP）17补充知识补充知识1：大气：大气影响的定量分析影响的定量分析大气的影响主要是减少了图像的对比度，使原始信号和背景信大气的影响主要是减少了
12、图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子。号都增加了因子。18补充知识补充知识1：大气：大气影响的粗略校正影响的粗略校正 通过比较简便的方法去掉上式中的通过比较简便的方法去掉上式中的LP，从而改善，从而改善图像质量。图像质量。问题：精确校正？问题：精确校正？19补充知识补充知识1：绝对校正示意图：绝对校正示意图20补充知识补充知识1：常用大气辐射校正模型：常用大气辐射校正模型21 地球旋转 地球曲率 传感介质的不均匀 地形起伏 传感器姿态变化 成像投影方式 8.1.3 8.1.3 遥感遥感影像变形的原因影像变形的原因22遥感影像变形的原因遥感影像变形的原因侧视雷达属斜距投影，侧视雷达属斜
13、距投影，其成像变形规律其成像变形规律红外机械全景扫描，红外机械全景扫描，其成像变形规律其成像变形规律（一）传感器成像几何形态影响（一）传感器成像几何形态影响传感器一般的成像几何形态有中心投影、全影投影、斜距传感器一般的成像几何形态有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等几种不同类型。投影以及平行投影等几种不同类型。23遥感影像变形的原因遥感影像变形的原因（二）传感器外方位元素变化畸变（二）传感器外方位元素变化畸变24（三）地球自转的影响（三）地球自转的影响地球自转对于瞬时光学成像遥感方式没有影响，对于扫描成像地球自转对于瞬时光学成像遥感方式没有影响，对于扫描成像则造成图像平行错动。则造成图
14、像平行错动。为图像错动量；为图像错动量；图幅地面长度；图幅地面长度；地球平均半径地球平均半径6378KM；卫星运行平均角卫星运行平均角速度；速度；25遥感影像变形的原因遥感影像变形的原因（四）地球表面（四）地球表面曲率的影响曲率的影响 像点位置的移动像元对应于地面宽度的不等26遥感影像变形的原因遥感影像变形的原因（五）地形（五）地形起伏影响起伏影响27遥感影像变形的原因遥感影像变形的原因（六）（六）大气折射大气折射的影响的影响 28二、遥感图像几何校正原理二、遥感图像几何校正原理 遥感图像几何校正包括遥感图像几何校正包括光学校正光学校正和和数字纠正数字纠正两种方法。两种方法。数字纠正数字纠正是
15、通过计算机对图像每个像元逐个地解析纠正处是通过计算机对图像每个像元逐个地解析纠正处理完成的，其包括两方面：一是理完成的，其包括两方面：一是像元坐标变换；像元坐标变换；二是二是像元灰度像元灰度值重新计算（重采样）。值重新计算（重采样）。（一）坐标变换的两种方案（一）坐标变换的两种方案 首先要确定原始图像和纠正后图像之间的坐标变换关系。首先要确定原始图像和纠正后图像之间的坐标变换关系。对其包括：对其包括：直接法：直接法：从原始图像阵列出发，依次对其中每一个像元分从原始图像阵列出发，依次对其中每一个像元分别计算其在输出（纠正后）图像的坐标，即：别计算其在输出（纠正后）图像的坐标，即：29式中，式中，
16、x,y为为P点原始图像的行数和列数；点原始图像的行数和列数；X，Y为为P在新图像中在新图像中的坐标（即地面坐标系），并把的坐标（即地面坐标系），并把P（x,y)的灰度值重新计算后送的灰度值重新计算后送到到P（X，Y）位置上去。）位置上去。间接法：间接法：从空白图像阵列出发，依次计算每个像元从空白图像阵列出发，依次计算每个像元P（X，Y）在原始图像中的位置）在原始图像中的位置P（x,y），然后把该点的灰度值计），然后把该点的灰度值计算后返送给算后返送给P(X,Y)。其纠正公式为：。其纠正公式为：30数字图像几何纠正的主要处理过程数字图像几何纠正的主要处理过程准备工作输入原始数字影像建立建立纠正纠
17、正变换变换函数函数确定确定输出输出影像影像范围范围像元像元坐标坐标变换变换像元像元亮度亮度值重值重采样采样输出纠正后的图像准备工作准备工作：图像、地图、大地测量资料、平台轨道参数、传感器参数、控制点的选择；（具体内容可选）纠正变换函数建立纠正变换函数建立：输入和输出图像间的坐标变换关系；如多项式法、共线方程法等。31(二）输出图像的边界大小二）输出图像的边界大小输出图像边界的输出图像边界的地面坐标值地面坐标值是由包括纠正后图像在内是由包括纠正后图像在内的最小长方形范围来确定的。的最小长方形范围来确定的。321、把原始图像的、把原始图像的4个角点按公式：个角点按公式：投影到输出坐标投影到输出坐标
18、系中来。系中来。2、获取各自的最大和最小值（、获取各自的最大和最小值（Xb、Yb和和Xa、Ya）；）；3、令地面上坐标（、令地面上坐标（Yb、Xa）和）和(Ya、Yb)的点（图像左上的点（图像左上角点）为输出图像的第一行第一列像元，以角点）为输出图像的第一行第一列像元，以dx和和dy划分网划分网格，每个网格代表输出图像的一个像元，在它输出图像阵格，每个网格代表输出图像的一个像元，在它输出图像阵列中的位置为：列中的位置为：式中，式中，X，Y为地面某网格中为地面某网格中心的坐标值；心的坐标值；I，J为该网格位为该网格位于输出图像阵列中的行列序于输出图像阵列中的行列序号；号；dx,dy为输出图像阵列
19、像为输出图像阵列像元的地面尺寸；元的地面尺寸；33（三）数字图像灰度值的（三）数字图像灰度值的重采样重采样 校正前后图像的分辨率变化、像元点位置相对变化引校正前后图像的分辨率变化、像元点位置相对变化引起输出图像阵列中的同名点灰度值变化。起输出图像阵列中的同名点灰度值变化。重采样：重采样：P的灰度值取决于周围列阵点上像元的灰度的灰度值取决于周围列阵点上像元的灰度值对其所作的贡献，这就是值对其所作的贡献，这就是灰度值重采样灰度值重采样三种插值方法：三种插值方法：最邻近法、双线性法、三次卷积法最邻近法、双线性法、三次卷积法341、最近邻法、最近邻法 用距离投影点最近像元灰度值代替输出像元灰度值。用距
20、离投影点最近像元灰度值代替输出像元灰度值。2、双线性内插法、双线性内插法 投影点周围投影点周围4个相邻像元灰度值，并根据各自权重计算个相邻像元灰度值，并根据各自权重计算输出像元灰度值，公式简述为：输出像元灰度值，公式简述为：353、双三次卷积法、双三次卷积法 获取与投影点邻近的获取与投影点邻近的16个像元灰度值计算输出像个像元灰度值计算输出像元灰度值，公式为：元灰度值，公式为：36最邻近采样法（最邻近采样法（最邻近采样法（最邻近采样法（Nearest neighbourNearest neighbourNearest neighbourNearest neighbour）37原始图像原始图像纠
21、正后图像（最邻近插纠正后图像（最邻近插值）值）38双线性内插采样法双线性内插采样法双线性内插采样法双线性内插采样法39双线性插值双线性插值原始图像纠正（双线性插值）40立方体卷积采样法立方体卷积采样法立方体卷积采样法立方体卷积采样法41原始图像原始图像几何纠正（三次卷积）几何纠正（三次卷积）42三、数字图像几何校正方法三、数字图像几何校正方法数字图像几何校正方法有数字图像几何校正方法有多项式纠正法多项式纠正法和和共线方程纠正法。前共线方程纠正法。前者常用。者常用。多项式纠正法多项式纠正法的基本思想：回避成像的空间几何过程，而的基本思想：回避成像的空间几何过程，而真接对图像变形的本身进行数学模拟
22、。常用的二元齐次多项式真接对图像变形的本身进行数学模拟。常用的二元齐次多项式纠正变换方程为：纠正变换方程为：式中，式中，x,y为某像元的原始图像坐标；为某像元的原始图像坐标；X,Y为纠正后同名点为纠正后同名点的地面（或地图）坐示；的地面（或地图）坐示；ai,bi为多项式系（为多项式系（i=0,1,243数字图像几何校正方法数字图像几何校正方法(函数的建立函数的建立)多项式纠正法多项式纠正法：常用的方法：常用的方法基本原理基本原理：不考虑成像的空间几何过程，而直接对图像不考虑成像的空间几何过程，而直接对图像变形的本身进行数学模拟。把遥感图像的总体变形看作变形的本身进行数学模拟。把遥感图像的总体变
23、形看作是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲及更高次的基是平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲及更高次的基本变形的综合作用结果，因此，将纠正前后图像相应点本变形的综合作用结果，因此，将纠正前后图像相应点间的坐标关系用一适当的多项式表达。间的坐标关系用一适当的多项式表达。一般取一般取2次，可以满足精度要求次，可以满足精度要求需要地面控制点需要地面控制点：分布、数量分布、数量44控制点的选择控制点的选择地面控制点地面控制点（GCP，Ground Control Point）:一些特定的像一些特定的像元，其地图坐标或其它输出坐标为已知元，其地图坐标或其它输出坐标为已知人工地物人工地物 线性地物交叉点线性
24、地物交叉点不易随时间变化的目标不易随时间变化的目标大比例尺的图像大比例尺的图像：道路交叉点、机场跑道、建筑物：道路交叉点、机场跑道、建筑物小比例尺的图像小比例尺的图像：城区、一些线性地物交叉点（河流、道路）：城区、一些线性地物交叉点（河流、道路）分布分布：较均匀分布与图像范围内，保证足够数量：较均匀分布与图像范围内，保证足够数量45控制点的选择控制点的选择注意问题注意问题：1.多项式纠正法的精度与地面控制点（多项式纠正法的精度与地面控制点（GCP）的精度、分布、）的精度、分布、数量及纠正范围有关；数量及纠正范围有关；GCP的位置精度越高，则几何纠正的精度越高；的位置精度越高，则几何纠正的精度越
25、高；GCP的个数的个数不少于多项式的系数个数；适当增加不少于多项式的系数个数；适当增加GCP的个数，可以提高的个数，可以提高几何纠正的精度。几何纠正的精度。20-30个个GCP，一般可以满足需求，一般可以满足需求2.GCP分布应尽可能在整幅图像内均匀分布，否则在分布应尽可能在整幅图像内均匀分布，否则在GCP密密集区精度较高，在集区精度较高，在GCP分布稀疏区出现较大分布稀疏区出现较大误差误差3.最小控制点的数量为最小控制点的数量为:(n+1)(n+2)/2,为多项式次数。为多项式次数。46四、遥感四、遥感图像配准图像配准47 影像配准影像配准影像配准影像配准 (Matching)(Matchi
26、ng)是将同一地区的不同特性的相是将同一地区的不同特性的相关影像关影像(如不同传感器，不同日期，不同波段或传感器在不如不同传感器，不同日期，不同波段或传感器在不同位置获取的同一地区地物同位置获取的同一地区地物)在几何上互相匹配，即实现影在几何上互相匹配，即实现影像与影像间地理坐标及像元空间分辨率上的统一。像与影像间地理坐标及像元空间分辨率上的统一。概念概念概念概念 相对配准相对配准相对配准相对配准 选择某一卫星数据作为参考图象，将其他卫星数据与之选择某一卫星数据作为参考图象，将其他卫星数据与之配准，简称图像对图像的配准。配准，简称图像对图像的配准。绝对配准绝对配准绝对配准绝对配准 将所有的图像
27、分别校正到地图坐标系下。将所有的图像分别校正到地图坐标系下。48精纠正后精纠正后SPOT配准后配准后TMDRGSPOTSPOTSPOTSPOT与与与与TMTMTMTM影像的配准影像的配准影像的配准影像的配准49已已已已有有有有高高高高精精精精度度度度纠纠纠纠正正正正结结结结果果果果时时时时：在在对对已已有有纠纠正正图图像像进进一一步步检检查查的的基基础础上上，以以纠纠正正好好的的、几几何何精精度度高高的的数数据据为为底底图图，进进行行配配准纠正。准纠正。监测范围较小时监测范围较小时监测范围较小时监测范围较小时：高几何分辨率全色高几何分辨率全色SPOT SPOT 先几何校正到地先几何校正到地 图
28、坐标系，再将图坐标系，再将TM TM 配准到全色配准到全色SPOTSPOT上。上。监测范围较大时监测范围较大时监测范围较大时监测范围较大时：先将高质量的某一时相先将高质量的某一时相TMTM数据进行几何纠数据进行几何纠 正，象元采样成正，象元采样成1010米的地面分辨率，作为标准影象地图；再米的地面分辨率，作为标准影象地图；再 将其余卫星数据以景为单元与其进行相对配准。将其余卫星数据以景为单元与其进行相对配准。配准模式配准模式配准模式配准模式50影像配准或校正影像配准或校正配准精度检查配准精度检查加密控制点加密控制点选取控制点选取控制点满足满足配准结束配准结束不满足不满足满足要求吗满足要求吗？配
29、准流程配准流程配准流程配准流程51 同名点的选取同名点的选取 人工目视 相关运算 采用的方法采用的方法一般多项式拟合法 图像配准中误差图像配准中误差一般地区不大于0.5个像元，平原地区严格控制在0.5个像元以内，山区适当放宽。52配配准准点点的的选选取取53快速融合结果快速融合结果局部放大局部放大对配准后数据进行快速融合处理，目视检查融合图对配准后数据进行快速融合处理，目视检查融合图是否有重影现象。是否有重影现象。配准精度检查配准精度检查配准精度检查配准精度检查54配准不合格，有重影的影像配准精度检查配准精度检查配准精度检查配准精度检查55透透明明叠叠加加检检查查利用图像处理软件的连接和分层交
30、互显示功能目视利用图像处理软件的连接和分层交互显示功能目视检查数据配准精度。检查数据配准精度。配准精度检查配准精度检查配准精度检查配准精度检查56五、图像五、图像镶嵌镶嵌57影像镶嵌影像镶嵌影像镶嵌影像镶嵌(Mosaicking)(Mosaicking)是将两幅或多幅影像拼在一是将两幅或多幅影像拼在一起，构成一幅整体影像的技术过程。起，构成一幅整体影像的技术过程。概念概念概念概念 数字镶嵌在理论和方法上与几何校正类似，有几点注意：数字镶嵌在理论和方法上与几何校正类似，有几点注意：1）、镶嵌要有足够宽的重叠区，最好不少于图像的）、镶嵌要有足够宽的重叠区，最好不少于图像的1/5。2）、相邻的图像色
31、调或灰度值应一致（通过）、相邻的图像色调或灰度值应一致（通过“直方图匹配直方图匹配”等方法）；等方法）；3）、最好依据地图投影方式先分幅校正，后镶嵌，以保证）、最好依据地图投影方式先分幅校正，后镶嵌，以保证较高的精度。较高的精度。58镶嵌过程镶嵌过程镶嵌过程镶嵌过程=+59没有经过色彩调节的拼接影像没有经过色彩调节的拼接影像色彩拼接色彩拼接色彩拼接色彩拼接60经过色彩调节的拼接影像经过色彩调节的拼接影像色彩拼接色彩拼接色彩拼接色彩拼接61几何位置发生错位的影像几何位置发生错位的影像几何错位改正后的影像几何错位改正后的影像色彩拼接色彩拼接色彩拼接色彩拼接62先镶嵌后校正先镶嵌后校正 优点：优点：快速、省力，一般适合于相邻图像重叠较大、像元间相对几何精度较高、以平原区为主的遥感图像的镶嵌。相邻图像重叠区选择控制点相对配准相邻图像镶嵌工作区所有图像镶嵌选取控制点生成带地理坐标的镶嵌图镶嵌图几何精校正镶嵌方案镶嵌方案镶嵌方案镶嵌方案63先校正后镶嵌先校正后镶嵌 优点：优点：对相邻图像的重叠度要求不高，避免局部地区精度不高对整体精度造成的不利影响。一般适合于涉及山区的SPOT数据的镶嵌。各景影像分别进行几何精校正带地理坐标的镶嵌图 镶嵌方案镶嵌方案镶嵌方案镶嵌方案64