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1、第四章 遥感图像处理第一节第一节 光学原理与光学处理光学原理与光学处理一、颜色视觉一、颜色视觉1、亮度对比和颜色对比、亮度对比和颜色对比（1）亮度对比：对象相对于背景的）亮度对比：对象相对于背景的的光明程度。变更对比度，可以提的光明程度。变更对比度，可以提高图象的视觉效果。高图象的视觉效果。（2）颜色对比：在视场中，相邻区）颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响叫做颜色域的不同颜色的相互影响叫做颜色对比。两种颜色相互影响的结果，对比。两种颜色相互影响的结果，使每种颜色会向其影响色的补色变使每种颜色会向其影响色的补色变更。在两种颜色的边界，对比现象更。在两种颜色的边界，对比现象更为明显
2、。因此，颜色的对比会产更为明显。因此，颜色的对比会产生不同的视觉效果。生不同的视觉效果。2 2、颜色的性质：、颜色的性质：全部颜色都是对某段波长有选择地反射全部颜色都是对某段波长有选择地反射而对其他波长吸取的结果。而对其他波长吸取的结果。颜色的性质由明度、色调、饱和度来描颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。述。（1 1）明度：是人眼对光源或物体光明程）明度：是人眼对光源或物体光明程度的感觉。度的感觉。物体反射率越高，明度就越高。物体反射率越高，明度就越高。（2 2）色调：是色调彼此相互区分的特性。）色调：是色调彼此相互区分的特性。（3 3）饱和度：是色调纯净的）饱和度：是色调纯净的 程度，即
3、光程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。3 3、颜色立体、颜色立体（1 1）颜色立体：中间垂直轴代表明度）颜色立体：中间垂直轴代表明度 ；中间水平面的圆周代表色调；圆周上的中间水平面的圆周代表色调；圆周上的半径大小代表饱和度。半径大小代表饱和度。（2 2）孟赛尔颜色立体：中轴代表无色调的）孟赛尔颜色立体：中轴代表无色调的明度等级；在颜色立体的水平剖面上是明度等级；在颜色立体的水平剖面上是色调；颜色历代中心轴的水平距离代表色调；颜色历代中心轴的水平距离代表饱和度的变更。饱和度的变更。二、加色法与减色法1.颜色相加原理颜色相加原理三原色：若三种颜色，
4、其中的任一种三原色：若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二种颜色混合相加产生，都不能由其余二种颜色混合相加产生，这三种颜色按确定比例混合，可以形这三种颜色按确定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。成各种色调的颜色，则称之为三原色。红、绿、蓝。红、绿、蓝。互补色：若两种颜色混合产生白色或互补色：若两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色就称为互补色。黄灰色，这两种颜色就称为互补色。黄和蓝、红和青、绿和品红。和蓝、红和青、绿和品红。色度图：可以直观地表现颜色相加的色度图：可以直观地表现颜色相加的原理原理,更精确地表现颜色混合的规律更精确地表现颜色混合的规律.3 3、颜色相减原理、颜色相
5、减原理l减色过程减色过程:白色光线先后通过两块滤白色光线先后通过两块滤光片的过程光片的过程.l颜色相减原理颜色相减原理:当两块滤光片组合产当两块滤光片组合产生颜色混合时生颜色混合时,入射光通过每一滤光入射光通过每一滤光片时都减掉一部分辐射，最终通过片时都减掉一部分辐射，最终通过的光是经过多次减法的结果的光是经过多次减法的结果.l加色法与减色法的区分加色法与减色法的区分:l减法三原色减法三原色:黄、品红、青黄、品红、青三、光学增加处理图像的光学增加处理方法具有精度高，反映目标地物更真实，图像目视效果等优点，是遥感图像处理的重要方法之一。计算机图像处理的优点在于速度快、操作简洁、效率高等优点，有逐
6、步取代光学方法的趋势。三、光学增加处理1.彩色合成彩色合成2.加色法彩色合成加色法彩色合成3.减色法彩色合成减色法彩色合成4.光学增加处理光学增加处理5.光学信息的处理光学信息的处理6.图像的相加和相减图像的相加和相减7.遥感黑白影象的假彩色编码遥感黑白影象的假彩色编码其次节 数字图像的校正遥感数字图像处理：利用计算机对遥感图像及其资料进行的各种技术处理。数字图像处理的优点快捷、精确、客观地提取遥感信息适应地理信息系统的发展一、数字图像及其直方图一、数字图像及其直方图1.数字图像：遥感数据有光学图像和数字图像：遥感数据有光学图像和数据图像之分。数字图像是能被计数据图像之分。数字图像是能被计算机
7、存储、处理和运用的用数字表算机存储、处理和运用的用数字表示的图像。示的图像。2.数字化：将连续的图像变更，作等数字化：将连续的图像变更，作等间距的抽样和量化。通常是以像元间距的抽样和量化。通常是以像元的亮度值表示。的亮度值表示。数字量和模拟量的数字量和模拟量的本质区分：连续变量，离散变量。本质区分：连续变量，离散变量。3.数字图像的表示：矩阵函数数字图像的表示：矩阵函数4.4.数字图像直方图：以每个像元为单位，表数字图像直方图：以每个像元为单位，表示图像中各亮度值或亮度值区间像元出现示图像中各亮度值或亮度值区间像元出现的频率的分布图。的频率的分布图。5.5.直方图的作用：直观地了解图像的亮度值
8、直方图的作用：直观地了解图像的亮度值分布范围、峰值的位置、均值以及亮度值分布范围、峰值的位置、均值以及亮度值分布的离散程度。直方图的曲线可以反映分布的离散程度。直方图的曲线可以反映图像的质量差异。图像的质量差异。6.6.正态分布：反差适中，亮度分布匀整，层正态分布：反差适中，亮度分布匀整，层次丰富，图像质量高。次丰富，图像质量高。7.7.偏态分布：图像偏亮或偏暗，层次少，质偏态分布：图像偏亮或偏暗，层次少，质量较差。量较差。小结 图像直方图是描述图像质量的可视化图表。在图像处理中，可以通过调整图像直方图的形态，改善图像显示的质量，以达到图像增加的目的。二、辐射校正二、辐射校正（Radiomet
9、ric correction）1.1.辐射畸变：辐射畸变：地物目标的光谱反射率的差异地物目标的光谱反射率的差异在实际测量时，受到传感器本身、大气辐在实际测量时，受到传感器本身、大气辐射等其他因素的影响而发生变更。这种变射等其他因素的影响而发生变更。这种变更称为辐射畸变。更称为辐射畸变。2.2.影响辐射畸变的因素影响辐射畸变的因素3.3.传感器本身的影响：导致图像不匀整，产传感器本身的影响：导致图像不匀整，产生条纹和噪音。生条纹和噪音。4.4.大气对辐射的影响大气对辐射的影响 Striping was common in early Striping was common in early La
10、ndsatLandsat MSS data due to variations and drift in the MSS data due to variations and drift in the response over time of the six MSS response over time of the six MSS detectors.detectors.The drift was different for each of the six The drift was different for each of the six detectors,causing the s
11、ame brightness to detectors,causing the same brightness to be represented differently by each detector.be represented differently by each detector.The corrective process made a relative The corrective process made a relative correction among the six sensors to bring correction among the six sensors
12、to bring their apparent values in line with each their apparent values in line with each otherother Dropped lines occur when there are systems errors which result in Dropped lines occur when there are systems errors which result in missing or defective data along a scan line.missing or defective dat
13、a along a scan line.Dropped lines are normally corrected by replacing the line with the pixel 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.values in the line above or below,or with the average of the two.3.
14、3.大气影响的定量分析大气影响的定量分析 ：大气的主要影响是削减：大气的主要影响是削减了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子，图像质量下降。加了因子，图像质量下降。4.4.大气影响的粗略校正：通过简洁的方法去掉程大气影响的粗略校正：通过简洁的方法去掉程辐射度（散射光干脆进入传感器的那部分），辐射度（散射光干脆进入传感器的那部分），从而改善图像质量。从而改善图像质量。5.5.直方图最小值去除法直方图最小值去除法6.6.回来分析法回来分析法:校正的方法是将波段校正的方法是将波段b b中每个像元的中每个像元的亮度值减去亮度值减去a a，来改善图像，去
15、掉程辐射。，来改善图像，去掉程辐射。三、几何校正三、几何校正l几何畸变：遥感图像的几何位置上发生变更，产生诸如行列不匀整，像元大小与地面大小对应不精确，地物形态不规则变更等变形。l几何畸变是平移、缩放、旋转、偏扭、弯曲等作用的结果。Geometric Correctionl lAll remote sensing imagery are inherently subject to All remote sensing imagery are inherently subject to geometric distortions.geometric distortions.l lThese di
16、stortions may be due to several factors,These distortions may be due to several factors,including:including:the perspective of the sensor optics;the perspective of the sensor optics;the motion of the scanning system;the motion of the scanning system;the motion of the platform;the motion of the platf
17、orm;the platform altitude,attitude,and velocity;the platform altitude,attitude,and velocity;the terrain relief;and,the curvature and rotation of the Earth.the terrain relief;and,the curvature and rotation of the Earth.l lGeometric corrections are intended to compensate for Geometric corrections are
18、intended to compensate for these distortions so that the geometric representation of these distortions so that the geometric representation of the imagery will be as close as possible to the real world.the imagery will be as close as possible to the real world.The geometric registration process invo
19、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 typically measu
20、red from a map(B-B1 to B4),either in paper or digital format.1、遥感影像变形的缘由、遥感影像变形的缘由遥感平台位置和运动状态变更的影响：航高、航速、俯仰、翻滚、偏航。地形起伏的影响：产生像点位移。地球表面曲率的影响：一是像点位置的移动；二是像元对应于地面宽度不等，距星下点愈远畸变愈大，对应地面长度越长。大气折射的影响：产生像点位移。地球自转的影响：产生影像偏离。2、几何畸变校正几何畸变校正基本思路：把存在几何畸变的图像，订正成符基本思路：把存在几何畸变的图像，订正成符合某种地图投影的图像，且要找到新图像中每合某种地图投影的图像，且要
21、找到新图像中每一像元的亮度值。一像元的亮度值。具体步骤具体步骤 1）计算校正后每一点所对应原图中的位置；）计算校正后每一点所对应原图中的位置；2）计算每一点的亮度值。）计算每一点的亮度值。计算方法计算方法 1）建立两图像像元点之间的对应关系；）建立两图像像元点之间的对应关系；2）求出原图所对应点的亮度：最近邻法、双线性求出原图所对应点的亮度：最近邻法、双线性内插法、三次卷积内插法。内插法、三次卷积内插法。2、几何畸变校正几何畸变校正限制点的选取限制点的选取数目的确定数目的确定:最小数目；最小数目；6 6倍于最小数目。倍于最小数目。选择的原则选择的原则易辨别、易定位的特征点：道路的交叉口，易辨别
22、、易定位的特征点：道路的交叉口，水库坝址，河流弯曲点等。水库坝址，河流弯曲点等。特征变更大的地区应多选些。特征变更大的地区应多选些。尽可能满幅匀整选取。尽可能满幅匀整选取。Image Enhancementl lEnhancements are used to make it easier for visual Enhancements are used to make it easier for visual interpretation and understanding of imagery.interpretation and understanding of imagery.l lT
23、he advantage of digital imagery is that it allows us to The advantage of digital imagery is that it allows us to manipulate the digital pixel values in an imagemanipulate the digital pixel values in an imagel lThere are three main types of image enhancement:There are three main types of image enhanc
24、ement:Contrast enhancementContrast enhancement Spatial feature enhancementSpatial feature enhancement Multi-image enhancementMulti-image enhancement第三节 遥感数字图像增加一、彩色变换一、彩色变换把数字图像组合转换成彩色图形，或者把各把数字图像组合转换成彩色图形，或者把各种增加或分类图像组合叠加，以彩色图种增加或分类图像组合叠加，以彩色图像显示出来。（彩色的视觉辨别实力比像显示出来。（彩色的视觉辨别实力比黑白高）黑白高）方法：假彩色密度分割；彩色合
25、成方法：假彩色密度分割；彩色合成概念：单波段黑白遥感图像可按亮度分层，概念：单波段黑白遥感图像可按亮度分层，对每层赐予不同的色调，使之成为一幅彩对每层赐予不同的色调，使之成为一幅彩色图像。这种方法又叫密度分割。色图像。这种方法又叫密度分割。分层方案的确定：分层方案与地物光谱差分层方案的确定：分层方案与地物光谱差异对应合适，可以较好地区分地物类别。异对应合适，可以较好地区分地物类别。处理过程处理过程效果分析效果分析1、单波段彩色变换（假彩色密度分割）、单波段彩色变换（假彩色密度分割）2、多波段色调变换l概念：利用计算机将同一地区不同波段的图像存放在不同通道的存储器中，并依照彩色合成原理，分别对各
26、通道的图像进行单基色变换，在彩色屏幕上进行叠置，从而构成彩色合成图像。l合成方案：彩色合成图像分为真彩色图像和假彩色图像。l方法演示Colour Compositesl lA colour composite is a colour image produced A colour composite is a colour image produced through optical combination of multiband through optical combination of multiband images by projection through filters.ima
27、ges by projection through filters.l lTrue Colour Composite:True Colour Composite:A colour imaging A colour imaging process whereby the colour of the image is the process whereby the colour of the image is the same as the colour of the object imaged.same as the colour of the object imaged.l lFalse Co
28、lour Composite:False Colour Composite:A colour imaging A colour imaging process which produces an image of a colour process which produces an image of a colour that does not correspond to the true colour of that does not correspond to the true colour of the scene(as seen by our eyes).the scene(as se
29、en by our eyes).TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7Landsat TM 5 sub-scene showing the region around the Alpinforschungszentrum RudolfshtteTM7,4,1TM5,7,2TM5,4,3TM4,3,2ERDAS彩色彩色合成演示合成演示3 3、HLSHLS变换变换lRGB模式与HLS模式l将RGB模式转换成HLS模式，对于定量地表示色调特性，以及在应用程序中实现两种表达方式的转换具有重要意义。二、对比度变换二、对比度变换l直方图与图像的质量l概念：是一种通过变更图像像元的亮度值来变更图像像元对
30、比度，从而改善图像质量的图像处理方法。将图像中过于集中的像元分布区域（亮度值分布范围）拉开扩展，扩大图像反差的对比度，增加图像表现的层次性。又叫辐射增加。l方法：对比度线性变换和非线性变换。二、对比度变换二、对比度变换1.线性变换：在改善图像对比度时，假如线性变换：在改善图像对比度时，假如接受线性或分段线性的函数关系，那么接受线性或分段线性的函数关系，那么这种变换就是线性变换。这种变换就是线性变换。2.调整线性参数，变更变换效果调整线性参数，变更变换效果3.分段式线性变换分段式线性变换4.非线性变换：变换函数为非线性函数时，非线性变换：变换函数为非线性函数时，即为非线性变换。即为非线性变换。A
31、 linear stretch involves identifying lower and upper bounds from the histogram(usually the minimum and maximum brightness values in the image)and applying a transformation to stretch this range to fill the full range.This graphic illustrates the increase in contrast in an image before(left)and after
32、(right)a linear contrast stretch.If the input range is not uniformly distributed.In this case,a histogram-equalised stretch may be better.This stretch assigns more display values(range)to the frequently occurring portions of the histogram.In this way,the detail in these areas will be better enhanced
33、 relative to those areas of the original histogram where values occur less frequentlyThis graphic illustrates the rather uneven increase in contrast in an image before(left)and after(right)a histogram equalised stretch.三、空间滤波l以重点突出图像上某些特征为目的。l滤波增加的原理:任何一个困难的波形曲线都可以分解成具有不同频率（波长）的较为简洁的波形曲线。l概念:依据须要，舍弃
34、不须要的频率曲线，选择适宜和须要的频率波形曲线，重新构成新的图像，使一些地物或现象得到突出显示。三、空间滤波l空间滤波：以突出图像上的某些特征为空间滤波：以突出图像上的某些特征为目的，通过像元与四周相邻像元的关系，目的，通过像元与四周相邻像元的关系，实行空间域中的邻域处理方法进行图像实行空间域中的邻域处理方法进行图像增加方法。增加方法。l图像卷积运算：在图像的左上角开一个图像卷积运算：在图像的左上角开一个与模板同样大小的活动窗口，图像窗口与模板同样大小的活动窗口，图像窗口与模板像元的亮度值相乘再相加，得到与模板像元的亮度值相乘再相加，得到新像元的灰度值。新像元的灰度值。Spatial Filt
35、eringl lSpatial filteringSpatial filtering encompasses another set of digital encompasses another set of digital processing functions which are used to enhance the processing functions which are used to enhance the appearance of an image.appearance of an image.l lSpatial filters are designed to high
36、light or suppressSpatial filters are designed to highlight or suppress（抑制）（抑制）specific features in an image based on their specific features in an image based on their spatial frequencyspatial frequency.l lSpatial frequency is related to the concept of image Spatial frequency is related to the conce
37、pt of image texture,and refers to the frequency of the variations texture,and refers to the frequency of the variations in tone that appear in an imagein tone that appear in an imageA common filtering involves moving a window（活动窗口）of a few pixels in dimension(e.g.3x3,5x5,etc.)over each pixel in the
38、image,applying a mathematical calculation using the pixel values under that window,and replacing the central pixel with the new value.Image of CHURN FarmDaedalus 1268 ATM Channel 3A low-pass filter（低通滤波）（低通滤波）is designed to emphasise larger,homogeneous areas of similar tone and reduce the smaller de
39、tail in an image.Thus,low-pass filters generally serve to smooth（平滑）（平滑）the appearance of an image.A high-pass filter（高通滤波）does the opposite,and serves to sharpen the appearance of fine detail in an image.Directional or edge detecting filters highlight linear features,such as roads or field boundari
40、es.Vertical edges（垂直边缘）Horizontal edgesDirectional Edge filters can also be designed to enhance features which are oriented in specific directions and are useful in applications such as geology,for the detection of linear geologic structures.1 1、平滑、平滑-图像中出现某些亮度值过大图像中出现某些亮度值过大的区域，或出现不该有的亮点时，接的区域，或出现不
41、该有的亮点时，接受平滑方法可以减小变更，使亮度平受平滑方法可以减小变更，使亮度平缓或去掉不必要的亮点。缓或去掉不必要的亮点。比值平滑：比值平滑：将每个像元在以其为中心的区域内，取平均值来代替该像元值，以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目的。中值滤波：中值滤波：将每个像元在以其为中心的邻域内，取中间亮度值来代替该像元值，以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目的。2 2、锐化、锐化突出图像的边缘、线性目标突出图像的边缘、线性目标或某些亮度变更率大的部分。或某些亮度变更率大的部分。罗伯特梯度：找到了梯度较大的位置，也就找到了边缘，用不同的梯度值代替边缘处像元的值，也就突出了边缘。索伯尔梯度拉普拉斯算法
42、定向检测Low-and High-Pass FilteringlWhen we look at spatial structure,we can usually see a characteristic length scale(e.g.size of fields,width and length of roads,etc)lImages usually have features on lots of different length scaleslSometimes,instead of talking about“length scale”,we talk instead about“
43、spatial frequency”.lHigh frequencies correspond to short distance scales;low frequencies correspond to long distance scaleslWe can describe the action of some filters in this way.Edge Enhancementedge enhancement mathematically manipulates an image to provide a new image in which edges are made to st
44、and out.Smoothingsmoothing averages the values of the pixel and its neighbors.If there is noise in the image(random pixel with random values)the smoothing process will remove these.四、图像运算四、图像运算l概念：两幅或多幅单波段影像，完成空间配准后，通过一系列运算，可以实现图像增加，达到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目的。l原理：地物不同波段的光谱差异。1.比值运算：两幅同样行、列数的图像，对应像元的亮度值相除
45、（除数不为0）就是比值运算。该运算常用于突出遥感影像中的植被特征、提取植被类型或估算植被生物量，这种算法的结果称为植被指数。常用算法：近红外波段/红波段;或（近红外-红）/（近红外+红）.对于区分和增加光谱亮度值虽不明显，而不同波段的比值差异较大的地物有明显效果。2.典型例子3.比值处理的方式：依据实际状况，实行加、减、乘、除四则运算。4.差值运算：两幅同样行、列数的图像，对应像元的亮度值相减就是差值运算。五、多光谱变换五、多光谱变换多光谱变换:针对多光谱影象存在的确定程度上的相关性以及数据冗余现象，通过函数变换，达到保留主要信息，降低数据量,增加或提取有用信息目的的方法。其变换的本质:对遥感
46、图像实行线性变换，使光谱空间的坐标按确定规律进行旋转。1 1、K-LK-L变换变换l离散变换的简称，又称主成分变换。它是对某一多光谱图像X.利用K-L变换矩阵A进行线性组合,而产生一组新的多光谱图像Y.lK-L变换的特点:变换后的主重量空间与变换前的多光谱空间坐标系相比旋转了一个角度。新坐标系的坐标轴确定指向数据量较大的方向。可实现数据压缩和图像增加。2 2、K-TK-T变换变换lK-T变换l 是kauth-Thomas变换的简称，也称缨帽变换.是一种坐标空间发生旋转的线性变换，旋转后的坐标轴指向与地面景物有亲密关系的方向lK-T变换的应用:主要针对TM图像数据和MSS数据.对于扩大陆地卫星T
47、M影像数据分析在农业方面的应用有重要意义.第四节 多源信息复合l多种信息源的复合:是将多种遥感平台，多时相遥感数据之间以及遥感数据与非遥感数据之间的信息组合匹配的技术。l多源信息复合的意义:发挥不同遥感数据源的优势,弥补某种遥感数据的不足,提高遥感数据的应用性;还有利于综合分析和深化理解遥感数据.第四节 多源信息复合一、遥感信息的复合一、遥感信息的复合1.不同传感器的遥感数据复合2.不同时相的遥感数据复合二、遥感与非遥感信息的复合一、遥感信息的复合一、遥感信息的复合1、不同传感器的遥感数据复合（1）配准：接受几何校正，分别在不同数据源的影像上选取限制点，用双线性内插或三次卷积内插运算等对辨别率
48、较小的图像进行重采样，完成配准。（2）复合：彩色合成、代换法。2、不同时相的遥感数据复合（1）配准：利用几何校正的方法进行位置 配准。（2）直方图调整：调整成一样的直方图，是图像的亮度趋于一样，便于比较。（3）复合：彩色合成法、差值法、比值法。二、遥感与非遥感信息的复合 主要步骤：1、地理数据的网格化（1）网格数据生成（2）与遥感数据配准2、最优遥感数据的选取3、配准复合（1）栅格数据与栅格数据（2）栅格数据与矢量数据。2、不同时相的遥感数据复合观测地物的类型、位置、轮廓及动态变更是常用。（1）配准：利用几何校正的方法。（2）直方图调整：将配准后的直方图调整成一样的直方图，使图像亮度值趋于协调，以便于比较。（3）复合：彩色合成法、差值法、比值法。二、遥感与非遥感信息的复合二、遥感与非遥感信息的复合1、地理数据的网格化（1）网格数据生成；（2）与遥感数据配准。2、最优遥感数据的选取。3、配准复合：（1）栅格数据与栅格数据；（2）栅格数据与矢量数据。