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1、第五章第五章 遥感数字图像预处理遥感数字图像预处理 5.1 遥感图像几何校正 5.2 遥感图像辐射校正 5.3 遥感图像增强与变换 5.4 遥感图像中的特征提取 概述概述5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 图像增强与变换图像增强与变换的的目的是突出相关的专题目的是突出相关的专题信息，提高图像的视觉信息，提高图像的视觉效果，使分析者更容易效果，使分析者更容易识别地物，更易于从图识别地物，更易于从图像中提取有用的定量化像中提取有用的定量化信息。信息。图像增强和变换通图像增强和变换通常都在图像校正后进行，常都在图像校正后进行，必须要消除图像的各种必须要消除图像的各种噪声，否则分析者
2、面对噪声，否则分析者面对的只是各种增强的噪声。的只是各种增强的噪声。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 对比度拉伸对比度拉伸是遥感数字图像处理中最基本最常是遥感数字图像处理中最基本最常用的增强技术，主要通过改变灰度分布态势，扩展用的增强技术，主要通过改变灰度分布态势，扩展灰度分布区间，达到增强反差的目的。是一种直接灰度分布区间，达到增强反差的目的。是一种直接改变像元的灰度值来改变图像像元对比度，从而改改变像元的灰度值来改变图像像元对比度，从而改善图像质量的方法。善图像质量的方法。其处理方式是主要是点运算，其处理方式是主要是点运算，即对于一幅图像，即对于一幅
3、图像，处理后输出图像的灰度值仅由相应输入像元的灰度处理后输出图像的灰度值仅由相应输入像元的灰度值决定，与周围的像元不发生直接联系。值决定，与周围的像元不发生直接联系。常用的方法常用的方法是线性变换、非线性变换和直方图是线性变换、非线性变换和直方图调整。调整。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 1 1、线性变换、线性变换 为了改变图像的对比度，必须改变图像像元的为了改变图像的对比度，必须改变图像像元的灰度值，这种改变的本质是构建变换函数。当函数灰度值，这种改变的本质是构建变换函数。当函
4、数是线性或分段线性时，就称为线性变换。是线性或分段线性时，就称为线性变换。线性变换线性变换也叫也叫“线性拉伸线性拉伸”，目的是将像元值，目的是将像元值的变动范围按线性关系扩展到指定范围。的变动范围按线性关系扩展到指定范围。函数符合以下线性关系：函数符合以下线性关系：对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 直线与横轴的夹角大于直线与横轴的夹角大于4545时，图像被拉伸，时，图像被拉伸，灰度动态范围扩大；反灰度动态范围扩大；反之，图像被压缩，灰度之，图像被压缩，灰度范围缩小。范围缩小。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 低反射
5、率图象低反射率图象高反射率图象高反射率图象对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 2 2、分段线性变换、分段线性变换 有时为了更好地调节图像对比度，需要在一些有时为了更好地调节图像对比度，需要在一些灰度段拉伸，而在另一些灰度段压缩，这种变换称灰度段拉伸，而在另一些灰度段压缩，这种变换称为为分段线性变换分段线性变换。分段线性变换时，变换函数不同，。分段线性变换时，变换函数不同，在变换坐标系中成为折线，间断点的位置根据需要在变换坐标系中成为折线，间断点的位置根据需要决定。决定。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 第一、三段亮度
6、值变第一、三段亮度值变小；第二段间隔变大。小；第二段间隔变大。可见，改变换突出了可见，改变换突出了原灰度值原灰度值6-116-11这部分这部分信息。信息。注：小数四舍五入。注：小数四舍五入。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 3 3、非线性变换、非线性变换 当函数为非线性时，即为非线性变换。非线性当函数为非线性时，即为非线性变换。非线性变换的函数很多，常用的是指数和对数函数变换。变换的函数很多，常用的是指数和对数函数变换。（1 1）指数函数：）指数函数：对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 在灰度较高的部分扩在灰度较高的
7、部分扩大灰度间隔和范围，大灰度间隔和范围，属于拉伸；而在灰度属于拉伸；而在灰度较低的部分缩小灰度较低的部分缩小灰度间隔，属于压缩。间隔，属于压缩。指数函数指数函数对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 （2 2）对数函数：）对数函数：对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 与指数函数相反，在与指数函数相反，在灰度较低的部分拉伸，灰度较低的部分拉伸，而在灰度较高的部分而在灰度较高的部分压缩。压缩。对数函数对数函数对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 4 4、直方图调整、直方图调整 大多数遥感图
8、像由于其灰度分布集中在较窄的大多数遥感图像由于其灰度分布集中在较窄的范围内，使图像的细节不够清晰，对比度较低。为范围内，使图像的细节不够清晰，对比度较低。为了使图像的灰度范围拉开或使灰度均匀分布，从而了使图像的灰度范围拉开或使灰度均匀分布，从而增大反差，图像细节清晰，通常采用直方图调整。增大反差，图像细节清晰，通常采用直方图调整。包括三种方法：包括三种方法：（1 1）直方图均衡化）直方图均衡化 直方图均衡化又叫拉平扩展，是直方图均衡化又叫拉平扩展，是将随机分布的将随机分布的直方图修改成均匀分布的直方图的方法直方图修改成均匀分布的直方图的方法。其实质是。其实质是对原图像进行重新分配图像的像元灰度
9、值，使一定对原图像进行重新分配图像的像元灰度值，使一定灰度范围内的像元数量大致相等。灰度范围内的像元数量大致相等。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 从数学的观点看，就是把一个概率密度函数从数学的观点看，就是把一个概率密度函数通过某种变换变成均匀分布的随机概率密度函数。通过某种变换变成均匀分布的随机概率密度函数。可以从下面的数学过程进行理解：可以从下面的数学过程进行理解：对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 原始图像原始图像a a的直方图可以用一维数组表示：的直方图可以用一维数组表示：均衡后图像均衡后图像b b的直方图也
10、用一维数组表示：的直方图也用一维数组表示：其中：其中：m m为均衡后的直方图灰度级，因此直方图为均衡后的直方图灰度级，因此直方图均衡必须实现确定均衡后的灰度级均衡必须实现确定均衡后的灰度级m m。由直方。由直方图定义可知：图定义可知：对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 综上可得：综上可得：。因此可以通过累积直方图曲线作为均衡化因此可以通过累积直方图曲线作为均衡化的基本变换函数，如下图所示：的基本变换函数，如下图所示：对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 均衡化后，原直方图均衡化后，原直方图灰度分布较密集的部灰度分布较密集
11、的部分被拉伸，反之被压分被拉伸，反之被压缩。意味着原图像中缩。意味着原图像中等亮度的区域对比度等亮度的区域对比度得到扩展，两端亮度得到扩展，两端亮度区域相对压缩，从而区域相对压缩，从而使得图像的总体对比使得图像的总体对比度得以提高。度得以提高。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 直接从图像上看，直方图均衡化的效果：直接从图像上看，直方图均衡化的效果：a a、各灰度级所占的图像面积近似相等，因、各灰度级所占的图像面积近似相等，因为某些灰度级出现频率高的像元灰度不可能被分为某些灰度级出现
12、频率高的像元灰度不可能被分割；割；b b、原图像上频率小的灰度级被合并，频率、原图像上频率小的灰度级被合并，频率高的灰度级被保留，因此可以增强原图像上大面高的灰度级被保留，因此可以增强原图像上大面积地物与周围地物的反差；积地物与周围地物的反差；c c、如果输出数据分段级（即、如果输出数据分段级（即m m）较小，则会）较小，则会产生一些大类地物的近似轮廓。产生一些大类地物的近似轮廓。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 （2 2）直方图正态化）直方图正态化 直方图正态化直方图正态化是将随机分布的原图像直方是将随机分布的原图像直方图变成高斯（正态）分布的直方图，
13、又叫高斯图变成高斯（正态）分布的直方图，又叫高斯扩展。其方法与均衡化类似，也采用累加的方扩展。其方法与均衡化类似，也采用累加的方法。如图所示：法。如图所示：注：若原图像某一灰度频率很高，勉强变换后使其对注：若原图像某一灰度频率很高，勉强变换后使其对应的灰度频率降低，造成对该部分压缩而丧失信息。应的灰度频率降低，造成对该部分压缩而丧失信息。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换 （3 3）直方图匹配）直方图匹配 直方图匹配直方图匹配也叫直方图规定化，指把原图也叫直方图规定化，指把原图像的直方图变换为某种指定形态的直方图或某像的直方图变换为某种指定形态的直方图或某一参考图像的直方图，然后按照已知直方图调一参考图像的直方图，然后按照已知直方图调整原图像各像元的灰度值，最后得到一幅直方整原图像各像元的灰度值，最后得到一幅直方图匹配的图像。图匹配的图像。因此，正态化是匹配的特列。因此，正态化是匹配的特列。作用：主要用于图像的拼接和目标地区的作用：主要用于图像的拼接和目标地区的动态监测。动态监测。要求：两幅图像的直方图形状应相似、黑要求：两幅图像的直方图形状应相似、黑亮特征相同、空间分辨率最好相同、地物类型亮特征相同、空间分辨率最好相同、地物类型应相同。应相同。对比度拉伸对比度拉伸5.3 5.3 遥感图像增强与变换遥感图像增强与变换