39遥感图像处理

二、彩色变换亮度值的变化可以改善图像的质量，但就人眼对图像的观察能力而言，一般正常人眼只能分辨20级左右的亮度级，而对彩色的分辨能力则可达100多种，远远大于对黑白亮度值的分辨能力。不同的彩色变换可大大增强图像的可读性，在此介绍常用的三种彩色变换方法。–单波段彩色变换–多波段色彩变换–HLS变换1.单波段彩色变换单波段黑白遥感图像可按亮度分层，对每层赋予不同的色彩，使之成为一幅彩色图像。这种方法又叫密度分割，即按图像的密度进行分层，每一层所包含的亮度值范围可以不同。例如，亮度0～10为第一层，赋值1，11～15为第二层，赋值2，16～30为第三层，赋值3，等等，再给1，2，3等分别赋不同的颜色，于是生成一幅彩色图像。目前计算机显示彩色的能力很强，理论上完全可以将256层的黑白亮度赋予256种彩色，因此彩色变换很有前景。对于遥感影像而言，将黑白单波段影像赋上彩色总是有一定目的的，如果分层方案与地物光谱差异对应得好，可以区分出地物的类别。例如在红外波段，水体的吸收很强，在图像上表现为接近黑色，这时若取低亮度值为分割点并以某种颜色表现则可以分离出水体；同理砂地反射率高，取较高亮度为分割点，可以从亮区以彩色分离出砂地。因此，只要掌握地物光谱的特点，就可以获得较好的地物类别图像。当地物光谱的规律性在某一影像上表现不太明显时，也可以简单地对每一层亮度值赋色，以得到彩色影像，也会较一般黑白影像的目视效果好。2.多波段彩色变换根据加色法彩色合成原理，选择遥感影像的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种原色，就可以合成彩色影像。根据原色的选择与原来遥感波段所代表的真实颜色是否相同，可分为真彩色合成和假彩色合成。彩色合成的原理图反射率ρ/%λ真彩色图像真彩色图像上影像的颜色与地物颜色基本一致。利用数字技术合成真彩色图像时，是把红色波段的影像作为合成图像中的红色分量、把绿色波段的影像作为合成图像中的绿色分量、把蓝色波段的影像作为合成图像中的蓝色分量进行合成的结果。如TM321分别用RGB合成的图像。假彩色图像假彩色图像是指图像上影像的色调与实际地物色调不一致的图像。遥感中最常见的假彩色图像是彩色红外合成的标准假彩色图像。它是在彩色合成时，把近红外波段的影像作为合成图像中的红色分量、把红色波段的影像作为合成图像中的绿色分量、把绿色波段的影像作为合成图像中的蓝色分量进行合成的结果。如TM432用RGB合成的图像为标准假彩色图像。多波段影像合成时，方案的选择十分重要，它决定了彩色影像能否显示较丰富的地物信息或突出某一方面的信息。以陆地卫星Landsat的TM影像为例，TM的7个波段中，第2波段是绿色波段（0．52～0．60μm），第4段波段是近红外波段（0．76～0．90μm。当4，3，2波段被分别赋予红、绿、蓝色时，即绿波段赋蓝，红波段赋绿，红外波段赋红时，这一合成方案被称为标准假彩色合成，是一种最常用的合成方案。实际应用时，应根据不同的应用目的经实验、分析，寻找最佳合成方案，以达到最好的目视效果。通常，以合成后的信息量最大和波段之间的信息相关最小作为选取合成的最佳目标，例如，TM的4，5，3波段依次被赋予红、绿、蓝色进行合成，可以突出较丰富的信息，包括水体、城区、山区、平原及线性特征等，有时这一合成方案甚至优于标准的4，3，2波段的假彩色合成TM标准假彩色合成图像TM7(R)、4(G)、2(B)TM3(R)、2(G)、1(B)TM4(R)、5(G)、3(B)3.HLS变换HLS代表色调、饱和度和明度（hue，lightness,saturation）。这种色彩模式可以用近似的颜色立体来定量化。如图所示，颜色立体曲线锥形改成上下两个六面金字塔状。环绕垂直轴的圆周代表色调（H），以红色为0o，逆时针旋转，每隔60o改变一种颜色并且数值增加1，一周360o刚好6种颜色，顺序为红、黄、绿、青、蓝、品红。垂直轴代表明度（L），取黑色为0，白色为1，中间为0.5。从垂直轴向外沿水平面的发散半径代表饱和度（S），与垂直轴相交处为0，最大饱和度为1。根据这一定义，对于黑白色或灰色，即色调H无定义，饱和度S＝0，当色调处于最大饱和度时S＝l，这时I＝0．5。从常用的红绿蓝表达方式到HSI表达方式，有专门的算法进行转换，常用的图像处理软件系统均有此项功能。三、多源信息复合1.信息复合的概念定义：信息复合是同一区域内遥感信息之间或遥感信息与非遥感信息之间的组合匹配的技术。内容：它包括空间配准和内容复合两个方面，从而在统一地理坐标系统下，构成一组新的空间信息、一种新的合成图象。目的：突出有用的专题信息，消除或抑制无关的信息，以改善目标识别的图像环境。多种遥感信息各具有一定的空间分辨率、波谱分辨率与时间分辨率，各有其主要的应用对象和特色，同时又有其在实际应用中的局限性。如果将各种遥感数据进行复合与综合分析，便可弥补单一信息的不足，以达到多种信息源的相互补充、相互印证。这样，不仅扩大了各信息的应用范围，而且大大提高了分析精度。信息复合的信息源可以是多种的，其复合并非几种信息的简单叠加，往往可以得到原来几种单个信息所不能提供的新信息。所以，信息复合十分有助于地学分析提取特定的信息，有助于更可靠地阐述自然环境各要素的相互关系、赋存与演变规律，满足地学分析及各种专题研究的需要。因此，信息复合方法具有广泛的实用意义。它是遥感地学分析中很重要的一种手段，也是目前遥感应用分析的前沿。信息复合的发展–起初是进行同种遥感信息多波段、多时相的信息复合，以提高遥感解译能力和进行动态分析。–后来发展到不同类型遥感数据的复合，如陆地卫星与气象卫星、陆地卫星MSS与航天飞机成象雷达SIR－A、陆地卫星MSS与海洋卫星侧视雷达SAR，以及陆地卫星MSS与RBV等，以扩大应用范围，提高分析精度，获得更好的遥感应用效果。–与此同时，人们越来越感到由于遥感本身以及实际应用中的局限性，要真正认识事物，并非遥感独家所能完成。它需要其它学科的支持，只有遥感与非遥感信息的复合，如与气象、水文信息，与重力、磁力等地球物理信息，与地球化学勘探信息，与专题地图信息，以及与数字地形模型（DTM）等信息复合，进行综合分析，才能更好地发挥作用。2.遥感信息的复合遥感信息的复合主要指不同传感器的遥感数据的复合，以及不同时相的遥感数据的复合。复合方式的确定应根据目标空间分布、光谱反射特性及时相规律方面的特征选择不同的遥感图像信息，它们在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率方面相互补充，以形成一个更有利的识别环境，来识别所要识别的目标或类型。(1)不同传感器的遥感数据复合例如TM影像有7个波段，光谱信息丰富，特别是5和7波段,SPOT数据就没有，但SPOT数据分辨率高，全色波段可达10m，比TM的30m和SPOT多光谱传感器的20m都高，两者复合既可以提高新图像的空间分辨率又可以保持较丰富的光谱信息。复合后的图像既保留了SPOT的空间分辨率，又保留了TM的光谱分辨率。SPOT10mTM742与SPOT复合再如，侧视雷达图像可以反映地物的微波反射特性，地物的介电常数越大，微波反射率越高，色调越发白，这种特性对于反映土壤、水体、山地、丘陵、居民点，以及道路、渠道等线性地物明显优于陆地卫星影像，因此如将雷达影像与陆地卫星影像复合，可以既反映出可见光，近红外的反射特性，又可以反映出微波的反射特性，有利于综合分析。针对具体问题常常有不同的复合方案。比如研究洪水监测，可选择的遥感信息源有TM图像、侧视雷达图像、气象卫星图像等。用每一种图像单独分析时都有不理想之处。实验表明，复合后的图像实用性大大增强。因为从不同信息源来看，多时相的NOAA气象卫星图像地面分辨率低（1.1km），但时间分辨率高，信息及时，可昼夜获取，同步性强，有利于动态监测；TM图像光谱信息丰富，几何性能好，空间分辨率较高，有利于分析洪水信息；侧视雷达图像较易观察水体和线性地物，并且可全天候获取信息，有利于实地监测洪峰。将TM与侧视雷达图像复合，既可获得洪水、水田、旱地情况，也可获得大堤、水渠等线性地物情况；将TM与气象卫星图像复合，可以克服云层影响和气象卫星分辨率低的不足。因此复合图像在洪水监测中更具实用意义。不论是哪种信息源复合方案，首先要解决的问题就是匹配问题。由于影像所对应的地面范围不同，分辨率不同，地物反射的亮度变化规律不同，为了实现匹配常常需要对每一种信息源作预处理，但不论采取什么处理方法，都需包括配准和复合两个步骤。配准：为了使两幅图像所对应的地物吻合，分辨率一致，必须先完成配难。方法是采用几何校正，分别在不同数据源的影像上选取控制点，用双线性内插或三次卷积内插运算等对分辨率较小的图像进行重采样，完成配准。复合：诸多复合方案中，彩色合成方法的效果比较明显。所以应尽可能生成三幅新图像，分别赋予红、绿、蓝色，进行假彩色合成。具体做法举例：将TM与SPOT复合，选取TM三个波段4，3，2和SPOT全色波段共4个波段，复合方法1：每幅TM图像均与SPOT图像作逐点运算，如相加、相减或相乘，或其他运算方案，生成三幅图像，进行彩色合成，生成复合图像。复合方法2：设LRTM、LGTM、LBTM分别为TM4,3,2波段的亮度值，LSPOT为SPOT全色波段的亮度值，A为权函数，则生成三幅新图像亮度值L复为：LR复＝A·LSPOT·LRTM/（LRTM+LGTM+LBTM）LG复＝A·LSPOT·LGTM/（LRTM+LGTM+LBTM）LB复＝A·LSPOT·LGTM/（LRTM+LGTM+LBTM）将新生成的图像LR复、LG复、LB复分别赋予红、绿、蓝色，合成后生成复合图像。复合方法3：代换法。对TM的所有波段进行主成分变换，然后用SPOT的高分辨率全色波段代换变换后的TM第1主成分。将代换后的所有波段再做一次主成分变换的反变换。这种处理方法既保持了原有TM数据的光谱分辨率，又增加了SPOT的高空间分辨率的特点。大大提高了数据质量。对假彩色合成的任意三个波段实行HSI变换，然后用SPOT的高分辨率全色波段代换变换后的明度成分，将代换后的三个波段再做HSI到RGB的反变换，生成新的彩色合成图大大提高了空间分辨率。(2)不同时相的遥感数据复合在观测地物的类型、位置、轮廓及动态变化时，常需要不同时相遥感数据的复合。复合的步骤为：a.配准：利用几何校正的方法做位置匹配。b.直方图调整：将配准后的图像尽可能地调整成一致的直方图，使图像亮度值趋于协调，以便于比较。c.复合：不同时相的图像复合主要用来研究时间变化所引起的各种动态变化。采用的复合方法主要有：–彩色合成方法，通过颜色对比表现变化；–差值方法，差值后可设定适当阈值，获得只有0与1的二值图像，以突出变化（变化部分为1，非变化部分为0，或相反）；–比值方法，也可设定阈值，类别不变的地物一定接近于1，因此同样可利用二值图像突出变化。2.遥感与非遥感信息的复合遥感信息来源于地球表面物体对太阳辐射的反射（被动遥感），某些波段还具有一定的穿透能力，由此可得到具有一定地表深度的信息。通过不同地物的相关性，还可间接地获得信息，例如植被和土壤相关，通过覆盖在土壤上的植被信息，可间接地分析出土壤的情况。还可通过不同遥感信息源的优势互补，进行复合增加信息量。尽管如此，仅通过遥感手段获取信息仍感到不够，不能解决遇到的全部问题，因此将地形、气象、水文等专题信息，行政区划、人口、经济收入等人文与经济信息作为遥感数据的补充，可有助于综合分析问题，发现客观规律，提高解译的效果，因此遥感数据与地理数据的复合也是遥感分析过程中不可缺少的手段。遥感数据是以栅格格式记录的，而地面采集的地理数据常呈现出多等级，多量纲的特点，数据格式也多样化。因此，为了使各种地理数据能与遥感数据兼容，首先需要将获取的非遥感数据按照一定的地理网格系统重新量化和编码，以完成各种地理数据的定量和定位，产生出新的数据格式。甚至可以将其制作成与遥感数据类似的若干独立的波段，以便和遥感数据复合。这样，遥感数据与非遥感数据可在空间上对应一致，又可在成因上互