第四章__遥感图像处理

第四章遥感图像处理授课科目：遥感原理与方法授课内容：遥感图像处理授课对象：地信专业授课时数：2学时授课地点：成信航空港校区授课时间：教案作者：仙巍目的与要求：熟悉光学遥感图像处理的原理；掌握数字图像处理的工作原理、工作流程；掌握几何校正、辐射校正的原理重点及难点：遥感图像的几何纠正、辐射校正。教学法：讲授法、演示法教学过程：第一节遥感数字图像的校正一、数字图像及其直方图1数字图像数字图像：遥感数据有光学图像和数字图像之分。数字图像是能被计算机存储、处理和使用的用数字表示的图像。数字化：将连续的图像变化，作等间距的抽样和量化。通常是以像元的亮度值表示。数字量和模拟量的本质区别：连续变量，离散变量。数字图像的表示：矩阵函数2数字图像直方图数字图像直方图：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的频率的分布图。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的离散程度。直方图的曲线可以反映图像的质量差异。正态分布：反差适中，亮度分布均匀，层次丰富，图像质量高。偏态分布：图像偏亮或偏暗，层次少，质量较差。二、辐射校正1、遥感图像的辐射误差主要有三个因素传感器的光电变换大气的影响光照条件2、大气散射校正2.1大气影响的定量分析2.2大气影响的粗略校正通过简单的方法去掉程辐射度（散射光直接进入传感器的那部分），从而改善图像质量。直方图最小值去除法回归分析法三几何校正1、遥感图像的几何变形有两层含义卫星在运行过程中，由于姿态、地球曲率、地形起伏、地球旋转、大气折射、以及传感器自身性能所引起的几何位置偏差。图像上像元的坐标与地图坐标系统中相应坐标之间的差异。2、卫星姿态引起的图像变形3、地形起伏的影响4、地球曲率5、大气折射6、地球自转的影响7、遥感图像几何校正方法几何粗校正：这种校正是针对引起几何畸变的原因进行的，地面接收站在提供给用户资料前，已按常规处理方案与图像同时接收到的有关运行姿态、传感器性能指标、大气状态、太阳高度角对该幅图像几何畸变进行了校正。几何精校正：利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正。2.1、基本思路：把存在几何畸变的图像，纠正成符合某种地图投影的图像，且要找到新图像中每一像元的亮度值。2.2、具体步骤步骤一：选取控制点(1)地面控制点在图像上有明显的、清晰的定位识别标志，如道路交叉点、河流叉口、建筑边界等。(2)地面控制点上的地物不随时间而变化地面控制点应当均匀地分布在整幅图像内，且要有一定的数量保证。地面控制点的数量、分布和精度直接影响几何纠正的效果。步骤二：数据的空间变换（1）二元多项式近似的基本原理设两幅图像坐标系统间几何畸变关系可描述为：x’=h1(x,y)y’=h2(x,y)在未知情况下，h1(x,y)和h2(x,y)可用二元多项式来近似（2）空间坐标的计算问题向前映射法（直接法）向后映射法（间接法）两种映射方法的对比对于向前映射：每个输出象素的灰度要经过多次运算；对于向后映射：每个输出象素的灰度只要经过一次运算。步骤三：像元灰度插值插值方法（1）最近邻插值在待求像素的四个邻近像素中，输出象素的灰度等于离它所映射位置最近的输入象素的灰度值。（2）双线性插值利用待求像素四个邻近像素的灰度在两个方向作线性内插；问题描述：单位正方形顶点已知，求正方形内任一点的f(x,y)值。假设f(0,0)=2,f(1,0)=3,f(0,1)=1,f(1,1)=4则f(x,y)=x-y+2xy+2对(i,j+v)，f(i,j)到f(i,j+1)的灰度变化为线性关系，有f(i,j+v)=[f(i,j+1)-f(i,j)]v+f(i,j)同理，对(i+1,j+v)有f(i+1,j+v)=[f(i+1,j+1)-f(i+1,j)]v+f(i+1,j)从f(i,j+v)到f(i+1,j+v)的灰度变化也为线性关系待求像素（任一点像素）的计算式为双线性插值需要得到四个未知参数——利用四个已知点双线性插值特点计算中较为充分的考虑相邻各点的特征，具有灰度平滑过渡特点一般情况下可得到满意结果具有低通滤波特性，使图像轮廓模糊平滑作用使图像细节退化，尤其在放大时不连续性会产生不希望的结果(3)三次内插法（高阶插值）利用待插值点周围的16个邻点像素值三次内插法算法特点可使待求点的灰度值范围更好的模拟实际可能值可取得更好的视觉效果三次内插法突出的优点是高频信息损失少，可将噪声平滑计算量大为增加2.3、内插方法的选择内插方法的选择除了考虑图像的显示要求及计算量，还要考虑内插结果对分类的影响当纹理信息为主要信息时，最邻近采样将严重改变原图像的纹理信息但当灰度信息为主要信息时，双线性内插及三次内插法将减少图像异质性，增加图像同质性，其中，双线性内插方法使这种变化更为明显四遥感数据的镶嵌处理数字影像镶嵌是将两幅或多幅数字影像(它们有可能是在不同的摄影条件下获取的)拼在一起，构成一幅整体图像的技术过程。在遥感应用中，影像镶嵌有着重要的应用。数字影像镶嵌原理：影像镶嵌的原理是：如何将多幅影像从几何上拼接起来，这一步通常是先对每幅图像进行几何校正，将它们规划到统一的坐标系中，然后对它们进行裁剪，去掉重叠的部分，再将裁剪后的多幅影像装配起来形成一幅大幅面的影像。第二节遥感数字图像的增强处理目的：采用一系列技术去改善图图象保真象的视觉效果，或将图象转换成一种更适合于人或机器进行分析处理的形式。图象增强并不以为准则，而是有选择地突出某些对人或机器分析有意义的信息，抑制无用信息，提高图象的使用价值。方法:空间域处理全局运算：在整个图象空间域进行。局部运算：在与象素有关的空间域进行。点运算：对图象作逐点运算。频域处理在图象的Fourier变换域上进行处理。一、辐射增强1．线性变换假定原图像f(i,j)的灰度范围为［a,b］，希望变换后图像g(i,j)的灰度范围扩展至[a´,b´]2.非线性灰度变换（1）对数变换低灰度区扩展，高灰度区压缩。（2）指数变换高灰度区扩展，低灰度区压缩。3、直方图均衡•直方图均衡化技术要点：–公理：直方图p(rk)为常数的图像对比度最好–目标：寻找一个灰度级变换T(r)，使结果图像的直方图p(sk)为一个常数4.直方图匹配修改一幅图象的直方图，使得它与另一幅图象的直方图匹配或具有一种预先规定的函数形状。目标：突出我们感兴趣的灰度范围，使图象质量改善。二、空间增强•目的：突出图像的整体特征或有目的的去除某些特征•处理结果：可能与原图像差异较大•处理方法：邻域处理（局部处理）–在对图像进行处理时，某一像元处理后的值g(i,j)由处理前该像元f(i,j)的小邻域N(i,j)中的像元值确定1.图像平滑•（1）均值平滑•（2）中值滤波•中值滤波就是用一个奇数点的移动窗口，将窗口内的数值按从小到大进行排序，把窗口中心点的值用窗口内各点的中值代替。•假设窗口内有五点，其值为80、90、200、110和120，那么此窗口内各点的中值即为110。2.图像锐化•图象经转换或传输后，质量可能下降，难免有些模糊。•图象锐化目的：加强图象轮廓，使图象看起来比较清晰。三、频率域增强1、低通滤波•频域低通过滤的基本思想G(u,v)=F(u,v)H(u,v)–F(u,v)是需要平滑图像的傅立叶变换形式–H(u,v)是选取的一个过滤器变换函数–G(u,v)是通过H(u,v)减少F(u,v)的高频部分,来得到的结果–运用傅立叶逆变换得到平滑后的图像2、高通滤波•频域高通过滤的基本思想–G(u,v)=F(u,v)H(u,v)–F(u,v)是需要锐化图像的傅立叶变换形式。–目标是选取一个过滤器变换函数H(u,v)，通过它减少F(u,v)的低频部分来得到G(u,v)。–运用傅立叶逆变换得到锐化后的图像。四、彩色增强11、、伪伪彩彩色色处处理理：：–把黑白图象处理成伪彩色图象。––密度分割是伪彩色处理技术中最简单的一种。2假彩色增强••把真实的自然彩色图象或遥感多光谱图象处理成假彩色图象。••用用途途：：–（1）景物映射成奇异彩色，比本色更引人注目。–（2）适应人眼对颜色的灵敏度，提高鉴别能力。–（3）遥感多光谱图象处理成假彩色，以获得更多信息。五、图像运算•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，可以实现图像增强，达到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目的。•原理：地物不同波段的光谱差异。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。比值运算：两幅同样行、列数的图像，对应像元的亮度值相除（除数不为0）就是比值运算。六、多光谱变换多光谱变换:针对多光谱影象存在的一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,增强或提取有用信息目的的方法。其变换的本质:对遥感图像实行线性变换，使光谱空间的坐标按一定规律进行旋转。1、K-L变换•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.•K-L变换的特点:变换后的主分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。新坐标系的坐标轴一定指向数据量较大的方向。•目的：实现数据压缩和图像增强。2、K-T变换•K-T变换也称缨帽变换.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密切关系的方向•K-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TM影像数据分析在农业方面的应用有重要意义.五、多源信息复合1、遥感数据之间的融合:(1)不同传感器数据的复合：配准、复合（3种方法）(2)不同时相数据的复合：配准、直方图调整、复合(彩色合成、差值、比值)2、遥感数据与非遥感数据的复合网格数据生成、遥感数据选取、配准复合(栅格与栅格、栅格与矢量、综合分类分析)§2常用遥感图像处理软件目前国内常用的遥感图像处理软件有：•Erdas：美国亚特兰大ERDAS公司集遥感和GIS于一身的软件。•Envi：美国BetterSolutionsConsulting有限公司开发的遥感图像处理软件。•PCI:加拿大PCI公司的产品，处理遥感图像。第三节光学原理与光学处理颜色视觉加色法与减色法光学增强处理一、颜色视觉1、亮度对比和颜色对比（1）亮度对比：对象相对于背景的的明亮程度。改变对比度，可以提高图象的视觉效果。（2）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化。在两种颜色的边界，对比现象更为明显。因此，颜色的对比会产生不同的视觉效果。2、颜色的性质：所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其他波长吸收的结果。颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述。（1）明度：是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。物体反射率越高，明度就越高。（2）色调：是色彩彼此相互区分的特性。（3）饱和度：是色彩纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。3、颜色立体（1）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；圆周上的半径大小代表饱和度。（2）孟赛尔颜色立体：中轴代表无色彩的明度等级；在颜色立体的水平剖面上是色调；颜色历代中央轴的水平距离代表饱和度的变化。二、加色法与减色法1颜色相加原理CIE色度图2颜色相减原理减色过程:白色光线先后通过两块滤光片的过程.颜色相减原理:当两块滤光片组合产生颜色混合时,入射光通过每一滤光片时都减掉一部分辐射，最后通过的光是经过多次减法的结果.加色法与减色法的区别:减法三原色:黄、品红、青三、光学增强处理图像的光学增强处理方法具有精度高，反映目标地物更真实，图像目视效果好等优点，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、操作简单、效率高等优点，有逐步取代光学方法的趋势。彩色合成加色法彩色合成减色法彩色合成光学增强处理光学信息的处理图像的相加和相减遥感黑白影象的假彩色编码加色法彩色合成合成仪法：是将不同波段的黑白透明片分别放入有红、绿、蓝滤光片的光学投影通道中精确配准和重叠，生成彩色影像的