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1、第四章 遥感图像处理,第一节 光学原理与光学处理,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
2、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；颜色离中央轴的水平距离代表饱和度的变化。,二、加色法与减色法,颜色相加原理,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，这三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。红、绿、蓝。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。黄和蓝、红和青、绿和品红。色度图：可以直观地表现颜色相加的原理,更准确地
3、表现颜色混合的规律.,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，图像目视效果等优点，是遥感图像处理的重要方法之一。遥感图像光学增强处理的方法有边缘突出、改变对比度、相关掩膜处理、显示动态变化。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。,三、光学增强处理,彩色合成加色法彩色合成减色法彩色合成光学增强处
4、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，生成彩色影像的过程。分层曝光法：指利用彩色胶片具有的三层乳剂，使每一层乳剂依次曝光的方法。,HOME,减色法彩色合成,染印法：是一种使用特别浮雕片、接受纸和冲显染印药制作彩色合成影像的方法。印刷法：利用普通胶印设备，直接使用不同波段的遥感底片和黄、品红、青三种油墨，经分色、加网、制版，套印成彩色合成图像。重氮法：利用重氮盐的化学反应处理彩色单波段影像透明片的方法。,HOME,光学增强处理,相关掩膜处理方法：把几何位置完全配准的原片
5、，制成不同密度、不同反差的正片或负片，通过它们的各种不同叠加方案改变原有影像的显示效果，达到信息增强目的的方法。改变对比度：使用两张同波段同地区的负片（或正片）进行合成，一张反差适中，另一张反差较小，合成后反差一般加大，从而提高了对比度；显示动态变化：不同时相同一地区的正负片影像叠合掩膜，当被叠合影像反差相同时，凡密度发生变化的部分就是动态变化的位置。边缘突出：先将两张反差相同的正片和负片叠合，叠合配准后，再沿希望突出的线形特征的垂直方向错位。目的在于突出线形特征。,HOME,图像的相加和相减（光栅滤波法）,两个图像所发出的光波在空间重叠并且同位相，则图像相加。如果两列光波在空间重叠且反相，则
6、图像相减。,HOME,遥感黑白影象的假彩色编码,将黑白图像经过光栅进行依次编码处理，将振幅型编码图像转换成位相型编码图像。将位相介质片放入非相干光信息处理系统的输入平面，经过白光照射，在输出平面上获得等密度的假彩色图像。假彩色编码处理卫星图像可以使单波段影像彩色化，实现图像增强效果。,HOME,第二节 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、准确、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,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
7、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,数字图象,HOME,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。,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，以达到图像增强的目的。,直方图
8、,HOME,二、辐射校正（Radiometric correction）,影响遥感图像亮度值的两个主要物理量是太阳辐射照射到地面的辐射强度和地物的光谱散射率。辐射畸变：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、大气辐射等其他因素的影响而发生改变。这种改变称为辐射畸变。影响辐射畸变的因素传感器仪器本身的影响：导致图像不均匀，产生条纹和噪音。大气对辐射的影响,大气影响的定量分析：大气的主要影响是减少了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子，图像质量下降。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
9、法:校正的方法是将波段b中每个像元的亮度值减去a，来改善图像，去掉程辐射。,直方图最小值去除法,基本思路:每幅图像上都有辐射亮度或反射亮度应为0的地区，而事实上并不等于0,说明亮度最小值必定是这一地区大气影响的程辐射度增值。校正方法:将每一波段中每个像元的亮度值都减去本波段的最小值。使图像亮度动态范围得到改善，对比度增强，从而提高了图像质量。,HOME,三、几何校正,遥感影像变形的原因包括遥感平台位置和运动状态变化以及地球自转、大气折射、地形起伏、地球表面曲率的影响。几何畸变：遥感图像的几何位置上发生变化，产生诸如行列不均匀，像元大小与地面大小对应不准确，地物形状不规则变化等变形。几何畸变是平
10、移、缩放、旋转、偏扭、弯曲等作用的结果。,The geometric registration process involves 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.latitud
11、e,longitude).The true ground coordinates are typically measured from a map(B-B1 to B4),either in paper or digital format.,1、遥感影像变形的原因,遥感平台位置和运动状态变化的影响：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。,卫星姿态引起的图像变形,位移变化,高度变化,速度变化,偏航变化,俯仰
12、变化,侧翻变化,(d),(d),(d),动态扫描图像的变形,地球曲率的变形图示,地球曲率引起的像点位移类似于地形起伏引起的像点位移。h看作是一种系统的地形起伏，就可以利用像点位移公式来估计地球曲率所引起的像点位移,大气折光差,整个大气层不是一个均匀的介质，因此电磁波在大气层中传播时的折射率也随高度的变化而变化，使电磁波传播的路径不是一条直线而变成了曲线，从而引起像点的位移，这种像点移位就是大气折光差,2、几何畸变校正,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。具体步骤 1）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。计算方法
13、 1）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、双线性内插法、三次卷积内插法。,2、几何畸变校正,控制点的选取数目的确定:最小数目；6倍于最小数目。选择的原则易分辨、易定位的特征点：道路的交叉口，水库坝址，河流弯曲点等。特征变化大的地区应多选些。尽可能满幅均匀选取。,第三节 遥感数字图像增强,一、彩色变换把数字图像组合转换成彩色图形，或者把各种增强或分类图像组合叠加，以彩色图像显示出来。（彩色的视觉分辨能力比黑白高）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，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。分层方案的确定：
14、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。处理过程效果分析,1、单波段彩色变换（假彩色密度分割）,处理过程,输入图像,显示直方图,确定分割的等级数，并计算分割的间距,像元亮度值转换,为像元新值赋色,HOME,以不同的色彩表示图像的色调变化，增强了图像的显示能力同一地物或现象可能被分割成两种不同密度并以不同的颜色显示出来，或同一色彩却表示两种以上不同的地物，造成判读错误。,HOME,效果分析,2、多波段色彩变换,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。合成方案
15、：彩色合成图像分为真彩色图像和假彩色图像。方法演示,彩色合成演示,Colour Composites,Colour Composites,A colour composite is a colour image produced through optical combination of multiband images by projection through filters.True Colour Composite:A colour imaging process whereby the colour of the image is the same as the colour of
16、 the object imaged.False Colour Composite:A colour imaging process which produces an image of a colour that does not correspond to the true colour of the scene(as seen by our eyes).,TM1,TM2,TM3,TM4,TM5,TM6,TM7,Landsat TM 5 sub-scene showing the region around the Alpinforschungszentrum Rudolfshtte,TM
17、7,4,1,TM5,7,2,TM5,4,3,TM4,3,2,3、HLS变换,RGB模式与HLS模式将RGB模式转换成HLS模式，对于定量地表示色彩特性，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,直方图与图像的质量概念：是一种通过改变图像像元的亮度值来改变图像像元对比度，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，增强图像表现的层次性。又叫辐射增强。方法：对比度线性变换和非线性变换。,二、对比度变换,线性变换：在改善图像对比度时，如果采用线性或分段线性的函数关系，那么这种变换就是线性变换。调整线性参数
18、，改变变换效果分段式线性变换非线性变换：变换函数为非线性函数时，即为非线性变换。,A 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
19、 contrast in an image before(left)and after(right)a linear contrast stretch.,If the input range is not uniformly distributed.In this case,a histogram-equalized stretch may be better.This stretch assigns more display values(range)to the frequently occurring portions of the histogram.In this way,the d
20、etail in these areas will be better enhanced relative to those areas of the original histogram where values occur less frequently,This graphic illustrates the rather uneven increase in contrast in an image before(left)and after(right)a histogram equalized stretch.,三、空间滤波,以重点突出图像上某些特征为目的。滤波增强的原理:任何一个
21、复杂的波形曲线都可以分解成具有不同频率（波长）的较为简单的波形曲线。概念:根据需要，舍弃不需要的频率曲线，选择适宜和需要的频率波形曲线，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,空间滤波：以突出图像上的某些特征为目的，通过像元与周围相邻像元的关系，采取空间域中的邻域处理方法进行图像增强方法。遥感图像处理方法中“空间滤波”主要包括平滑和锐化。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，图像窗口与模板像元的亮度值相乘再相加，得到新像元的灰度值。,A common filtering involves moving a window（活动窗口）of a few
22、pixels in dimension(e.g.3x3,5x5,etc.)over each pixel in the image,applying a mathematical calculation using the pixel values under that window,and replacing the central pixel with the new value.,A low-pass filter（低通滤波）is designed to emphasise larger,homogeneous areas of similar tone and reduce the s
23、maller detail in an image.Thus,low-pass filters generally serve to smooth（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.,1、平滑-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，采用平滑方法可以减小变化，使亮度平缓或去掉不必要的亮点。,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
24、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：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、锐化突出图像的边缘、线性目标或某些亮度变化率大的部分。,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定向检测,Edge Enhancement,edge enhancement mathematically manipulates an image to provide a new image in which edges are made to st
25、and out.,Smoothing,smoothing 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,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。,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
26、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）.对于区分和增强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。比值处理的方式：根据实际情况，采取加、减、乘、除四则运算。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,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
27、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。可实现数据压缩和图像增强。,2、K-T变换,K-T变换 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.,第四节 多源信息复合,多种
28、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。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入理解遥感数据.,一、遥感信息的复合不同传感器的遥感数据复合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,1、不同传感器的遥感数据复合（1）配准：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。（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
29、置 配准。（2）直方图调整：调整成一致的直方图，是图像的亮度趋于一致，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、轮廓及动态变化是常用。（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致的直方图，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,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。,
