第4章遥感图像数字处理的基础知识

1、河北联合大学河北联合大学第四章第四章 遥感图像数字处理的基础知识遥感图像数字处理的基础知识 内容提纲内容提纲图像的表示形式图像的表示形式 遥感数字图像的存贮遥感数字图像的存贮 遥感数字图像处理系统遥感数字图像处理系统彩色的基本原理彩色的基本原理4.1 图像的表示形式图像的表示形式v遥感图像的表示形式遥感图像的表示形式：遥感传感器记录地物遥感传感器记录地物电磁波的形式电磁波的形式 光学图像光学图像：胶片或其它光学成像载体形式胶片或其它光学成像载体形式 数字图像数字图像：数字形式数字形式 1.1.光学图像光学图像 v 一个二维的连续的光密度（透过率）函数一个二维的连续的光密度（透过率）函数 v 像

2、片上的密度随坐标像片上的密度随坐标x,yx,y变化而变化变化而变化 2.2.数字图像数字图像v 一个二维的离散的光密度（或亮度）函数一个二维的离散的光密度（或亮度）函数v 以矩阵以矩阵f fi,j i,j ( i=0,1,( i=0,1,m-1;j=0,1, ,m-1;j=0,1, ,n-1),n-1)表表示数字图像示数字图像v 空间坐标（空间坐标（x,yx,y）和密度上都已离散化）和密度上都已离散化2.2.数字图像数字图像 0123456n-1 x016141082313022241815 116166128643232404545 2161614141115172424323438 316

3、161616141481622242836 41594161517171412101222 513712151619181614121418 6121011141387161081426 36302828303030 161626248 34363224222222 282424206 m-136322020262826 2622242022 3.3.光学图像与数字图像的转换光学图像与数字图像的转换 v光学图像变成数字图像光学图像变成数字图像 把一个连续的光密度函数变成一个离散的光密度把一个连续的光密度函数变成一个离散的光密度函数函数 空间坐标离散化空间坐标离散化采样采样 幅度（光密度）离散化

4、幅度（光密度）离散化 量化量化 整个过程称为整个过程称为图像数字化图像数字化 v数字图像变成光学图像数字图像变成光学图像 两种输出方式两种输出方式 通过显示终端设备显示出来通过显示终端设备显示出来：其设备包括显示器、：其设备包括显示器、电子束或激光束成像记录等，这些设备输出光学电子束或激光束成像记录等，这些设备输出光学图像的基本原理是通过数模转换设备，将数字信图像的基本原理是通过数模转换设备，将数字信号以模拟方式表现。如显示器。号以模拟方式表现。如显示器。 通过照相或打印的方式输出通过照相或打印的方式输出：如彩色喷墨打印机。：如彩色喷墨打印机。采样采样v空间坐标数字化空间坐标数字化 v采样间隔

5、采样间隔X X、Y Y的大小，取决于图像的频的大小，取决于图像的频谱。如果抽样间隔满足谱。如果抽样间隔满足 则图像能完整地恢复则图像能完整地恢复。f fc c为截止频率。为截止频率。cf21量化量化v 图像图像灰度的数字化灰度的数字化v 在连续灰度的极限取值范围内离散化，即将它分成若在连续灰度的极限取值范围内离散化，即将它分成若干个灰度等级值，像元灰度处于某两个相邻划分值之干个灰度等级值，像元灰度处于某两个相邻划分值之间时，用所对应的最靠近的一个灰度级值代替间时，用所对应的最靠近的一个灰度级值代替v 用二进制位数（用二进制位数（bitbit数）编码数）编码255 0 采样和量化过程采样和量化过

6、程4.4.图像的频谱表示图像的频谱表示 v 任何信号均可由多次谐波任何信号均可由多次谐波叠加叠加而成而成 v 将图像从空间域变入频率域是采用将图像从空间域变入频率域是采用傅立叶变换傅立叶变换 谐波叠加谐波叠加（1 1）周期信号的频谱）周期信号的频谱v1919世纪初叶世纪初叶, ,法国数学家吉法国数学家吉傅里叶证明傅里叶证明: :任何正任何正常的周期为常的周期为T T的函数的函数f(t)f(t)都可分解为无限个正弦都可分解为无限个正弦和余弦函数的代数和，通常称为和余弦函数的代数和，通常称为傅里叶级数傅里叶级数。111( )sin(2)cos(2)2nnnnf tcanftbnft2020202(

7、 )sin(2)2( )cos(2)2( )nnaf tnf dtTbf tnf dtTcf t dtT（2 2）非周期信号的频谱）非周期信号的频谱v非周期信号可视为周期足够长的周期信号来处非周期信号可视为周期足够长的周期信号来处理。因此理。因此, ,我们可以从周期信号的频谱分析来推我们可以从周期信号的频谱分析来推测非周期信号的频谱。测非周期信号的频谱。( )( )1( )( )2j tj tFf t edtf tFed0tg(t)(a)1/ 2 / 202/2 /(b)F()（2 2）非周期信号的频谱）非周期信号的频谱图像的傅里叶变换图像的傅里叶变换亮度表示相应频率上振幅大小，亮度表示相应频

8、率上振幅大小，可用离散傅立叶系数表示可用离散傅立叶系数表示4.2 遥感数字图像的存贮遥感数字图像的存贮v存储介质存储介质v存储格式存储格式4.2.1 存贮介质存贮介质v磁带磁带v磁盘磁盘v光盘光盘v闪存闪存 4.2.2 存贮格式存贮格式vBSQ（Band SeQuential）：按照波段顺序依：按照波段顺序依次记录各波段的图像次记录各波段的图像vBIL（Band Interleaved Line）：逐行按波段：逐行按波段次序排列次序排列vBIP（Band Interleaved by Pixel）：每个像元：每个像元按波段次序交叉排序按波段次序交叉排序v其他常见图像数据格式：其他常见图像数据格

9、式：BMP, TIFF, GIF, PCX, PSD, MrSID, HDF, BILR R R R R R R R RG G G G G G G G GB B B B B B B B B R R R R R R R R RG G G G G G G G G B B B B B B B B BBIPR G B R G B R G BR G B R G B R G BR G B R G B R G BR G B R G B R G BR G B R G B R G BR G B R G B R G BBSQR R R R R R R R RR R R R R R R R RG G G G G G

10、 G G GG G G G G G G G GB B B B B B B B BB B B B B B B B BBMPBMPv BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占文件所占用的空间很大。用的空间很大。v BMP文件的图像深度可选文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit及及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右

11、、从下到上的顺序。右、从下到上的顺序。 图像数据图像数据调色板调色板文件头文件头TIFFTIFFv 标签化图象文件格式，标签化图象文件格式，Taggen-Image File Format (TIFF)v 由由Aldus公司与公司与Microsoft公司共同开发设计的图像文公司共同开发设计的图像文件格式。件格式。TIFF格式可以存储多幅图像，格式可以存储多幅图像，TIFF图像数图像数据可分割成几个部分分别存档，还能够提供多种不同据可分割成几个部分分别存档，还能够提供多种不同的压缩数据的方法。的压缩数据的方法。JPGJPGv JPEG是是Joint Photographic Experts Gr

12、oup(联合图像联合图像专家组专家组)的缩写，文件后辍名为的缩写，文件后辍名为“jpg”或或“jpeg” v 支持多种压缩级别，压缩比率通常在支持多种压缩级别，压缩比率通常在10：1到到40：1之之间间 GIFGIFv GIF （Graphics Interchange Format）的原义是）的原义是“图图像互换格式像互换格式“ v 基于基于LZW算法的连续色调的无损压缩格式。其压缩算法的连续色调的无损压缩格式。其压缩率一般在率一般在50左右，最高压缩比可达到左右，最高压缩比可达到3：1 v GIF的图像深度支持从的图像深度支持从lbit到到8bitHDFHDFv HDF(Hierarchi

13、cal Data Format)，层次型数据格式。，层次型数据格式。v 可以存储不同类型的图像和数码数据的文件格式，并可以存储不同类型的图像和数码数据的文件格式，并且可以在不同类型的机器上传输，同时还有统一处理且可以在不同类型的机器上传输，同时还有统一处理这种文件格式的函数库。这种文件格式的函数库。 4.2.3 遥感数字图像处理系统遥感数字图像处理系统 v硬件系统硬件系统v软件系统软件系统4.2.3.1 遥感数字图像处理的硬件系统遥感数字图像处理的硬件系统4.2.3.2 遥感数字图像处理的软件系统遥感数字图像处理的软件系统vENVIENVIvERDASERDASvPCIPCIENVIENVIv

14、The Environment for Visualizing Images v美国美国ITT Visual Information Solutions公司的公司的旗舰产品旗舰产品vIDL（接口定义语言）开发（接口定义语言）开发v常规处理、几何校正、定标、多光谱分析、常规处理、几何校正、定标、多光谱分析、高光谱分析、雷达分析、地形地貌分析、矢高光谱分析、雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域分析、量应用、神经网络分析、区域分析、GPS联联接、正射影象图生成、三维图像生成、丰富接、正射影象图生成、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、数据的可供二次开发调用的函数库、制

15、图、数据输入输入/输出输出 ENVIENVI矢量矢量 GIS 数据数据打印打印2D 和和 3D 影像显示影像显示配准和正射校正配准和正射校正影像裁剪及镶嵌影像裁剪及镶嵌影像信息提取影像信息提取制图制图网上发布网上发布归档归档界面改进界面改进二次开发二次开发IDL 开发开发3D 可视分析可视分析高程数据高程数据航空、航天、雷达影像航空、航天、雷达影像GPS 数据数据ERDAS IMAGINEERDAS IMAGINE v美国美国ERDAS公司开发公司开发 v现由现由Leica收购收购v模块化模块化PCIPCIv 加拿大加拿大PCI公司开发公司开发v 模块化模块化常规处理模块，几何校正、大气校正，

16、多光常规处理模块，几何校正、大气校正，多光谱分析，高光谱分析，摄影测量，雷达成像谱分析，高光谱分析，摄影测量，雷达成像系统，雷达分析，极化雷达分析，干涉雷达系统，雷达分析，极化雷达分析，干涉雷达分析，地形地貌分析，矢量应用，神经网络分析，地形地貌分析，矢量应用，神经网络生成，区域分析，生成，区域分析，GIS联接，正射影象图生成联接，正射影象图生成及及DEM提取（航片，光学卫星，雷达卫星），提取（航片，光学卫星，雷达卫星），三维图像生成等。三维图像生成等。 4.3 彩色的基本原理彩色的基本原理4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩v可见光可见光：电磁辐射中能引起视觉反应的波段。：电磁辐射中能引起视

17、觉反应的波段。波长：波长：380-760nm，是一种复合光。，是一种复合光。红（红（Red）：760nm630nm 橙（橙（Orange） ：630nm600nm黄（黄（Yellow）： 600nm570nm 绿（绿（Green）： 570nm500nm 青（青（Cyan） ：500nm470nm 蓝（蓝（Blue）： 470nm420nm 紫（紫（Violet） ：420nm380nm 4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩单色光单色光：不能被棱镜再分解的光。：不能被棱镜再分解的光。光谱仪（光谱仪（Spectrometer）：将包含多种波长的：将包含多种波长的复合光分解为的科学仪器，根据分解的

18、程度：复合光分解为的科学仪器，根据分解的程度：多光谱仪和高光谱仪。多光谱仪和高光谱仪。分解仪器分解仪器：棱镜或衍射光栅技术。：棱镜或衍射光栅技术。衍射光栅衍射光栅：通常在：通常在1cm成千上万条狭缝。分为：成千上万条狭缝。分为：透射光栅和反射光栅。透射光栅和反射光栅。4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩透射光栅透射光栅 反射光栅反射光栅4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩1. 人眼的视觉人眼的视觉（1）人眼的结构）人眼的结构视锥细胞视锥细胞：明视觉，感觉颜色；：明视觉，感觉颜色；视杆细胞视杆细胞：暗视觉，感觉光线明暗。：暗视觉，感觉光线明暗。（2）人眼对颜色的分辨能力）人眼对颜色的分辨能力 在

19、光亮的条件下，能分辨各种颜色，在亮度降到一定在光亮的条件下，能分辨各种颜色，在亮度降到一定程度，呈现明暗不同的灰阶带。程度，呈现明暗不同的灰阶带。 正常人眼可分辨的正常人眼可分辨的颜色种类可达几十万种颜色种类可达几十万种以上。对于以上。对于灰度图像，一般人眼能分辨的灰度图像，一般人眼能分辨的灰度级灰度级仅为仅为1525种。种。 2.色色彩概念彩概念 v色调（色调（H：Hue）：色彩相互区分的特性。：色彩相互区分的特性。v明度明度（L：Lightness）：光作用于人眼时引起的明亮程度：光作用于人眼时引起的明亮程度的的感觉，范围为从黑到白。感觉，范围为从黑到白。v亮度亮度（V：Value或或I：

20、Intensity）：颜色的相对明暗：颜色的相对明暗程度，程度，范围为灰色部分，小于明度的范围。范围为灰色部分，小于明度的范围。v饱和度饱和度（S：Saturation）：彩色浓淡的程度，即渗白程度：彩色浓淡的程度，即渗白程度。4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩v人眼对光谱的分辨（色调）人眼对光谱的分辨（色调）对于不同波长的光人眼的敏感度是不同的。对于不同波长的光人眼的敏感度是不同的。 例如：对于波长为例如：对于波长为585 nm的光，当颜色变化大于的光，当颜色变化大于1nm时，人眼就可以感觉到。而对于波长为时，人眼就可以感觉到。而对于波长为650 nm的红光，的红光，当颜色变化在当颜色变化

21、在3nm的时候，人眼才能察觉到。的时候，人眼才能察觉到。人眼能识别人眼能识别23nm的波长改变的波长改变，大约能识别，大约能识别一百多种光一百多种光谱谱。 （0.76-0.38）/0.003127,（0.76-0.38）/0.002=1904.3.1 可见光与色彩可见光与色彩v人眼对明度的分辨（灰度）人眼对明度的分辨（灰度）对于不同颜色，人眼对明度的分辨能力是不同的。对于不同颜色，人眼对明度的分辨能力是不同的。 例如：对于黄色，能分辨出例如：对于黄色，能分辨出23种明度；对于蓝色，种明度；对于蓝色，能分辨出能分辨出16种明度。种明度。人眼能分辨的人眼能分辨的明度明度级别仅为级别仅为1525级级

22、。 4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩R=255, G=255, B=255Data=19看到的值：看到的值：0255R=19, G=19, B=19Data=19实际图像的值：实际图像的值：831v人眼对饱和度的分辨人眼对饱和度的分辨指色彩的纯度，纯度越高，表现越鲜明，纯度较低，表指色彩的纯度，纯度越高，表现越鲜明，纯度较低，表现则较黯淡，现则较黯淡， Saturation和和Chroma。人眼能分辨人眼能分辨130种饱和度等级。种饱和度等级。 4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩 人眼分辨的颜色种类：人眼分辨的颜色种类： 色调色调明度明度 饱和度饱和度 = 12715130=247650

23、种。种。 4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩3. 物体物体的颜色的颜色（1）消色物体）消色物体 从白到黑组成的系列颜色的物体。从白到黑组成的系列颜色的物体。（2）彩色物体）彩色物体物体选择性吸收和反射入射光，形成物体的颜物体选择性吸收和反射入射光，形成物体的颜色。色。物体没有固定的颜色，物体随着光源成分的不物体没有固定的颜色，物体随着光源成分的不同，可呈现不同的颜色。同，可呈现不同的颜色。4.3.1 可见光与色彩可见光与色彩4.3.2 颜色视觉理论颜色视觉理论v互补色：互补色：若两种若两种色光色光以适当地比例混合产生白以适当地比例混合产生白色或灰色，这两种颜色成为互补色。色或灰色，这两种颜色

24、成为互补色。 例如红色光和青色光，绿与品红、蓝与黄互补例如红色光和青色光，绿与品红、蓝与黄互补色。色。v三原色（又称为加法三原色）三原色（又称为加法三原色）：若三种颜色按：若三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，其一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，其中任一种都不能由其余两种颜色混合相加产生，中任一种都不能由其余两种颜色混合相加产生，这三种颜色称之为三原色。这三种颜色称之为三原色。v能量相同的加法三原色混合成白色。能量相同的加法三原色混合成白色。 例如：三原色：红（例如：三原色：红（R）、绿（）、绿（G）、蓝（）、蓝（B）；）；橙，绿，紫。橙，绿，紫。4.3.2 颜色视觉理论颜色视

25、觉理论v颜色相加颜色相加：两种或两种以上的颜色相混合，得：两种或两种以上的颜色相混合，得到一定的颜色。到一定的颜色。v 例如：例如： 两种颜色相加：两种颜色相加： red+green=yellow green+blue=cyan red+blue=magenta 三种颜色相加：三种颜色相加： 红绿蓝白（红绿蓝白（White) 。v颜色相减颜色相减：从复色光中有选择性吸收某些色光，：从复色光中有选择性吸收某些色光，从而得到所需要的颜色。从而得到所需要的颜色。 v颜色对比颜色对比：相邻区域的不同颜色的相互影响。：相邻区域的不同颜色的相互影响。相邻的颜色相互影响其结果，使每种颜色向其相邻的颜色相互影

26、响其结果，使每种颜色向其影响色的补色变化。影响色的补色变化。4.3.2 颜色视觉理论颜色视觉理论彩色合成彩色合成单波段图像单波段图像TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7波段组合波段组合TM3TM4TM5通道通道通道TM 5+4+3多波段图像多波段图像TM7,4,1TM5,7,2TM5,4,3TM4,3,2通道通道通道242562544.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用4.3.3.1单波段彩色变换单波段彩色变换v伪彩图像伪彩图像（也称为（也称为密度分割密度分割：Density Slice）：单波段黑白遥感图像可按照灰）：单波段黑白遥感图像可按照灰度范围分段，对每段赋予不同的

27、色彩，度范围分段，对每段赋予不同的色彩，使之成为彩色图像。使之成为彩色图像。minmaxminijijdddndd 灰色图像灰色图像按照灰度范围分段按照灰度范围分段按照灰度范围分段按照灰度范围分段伪彩变换伪彩变换4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用4.3.3.2多波段彩色变换多波段彩色变换v真彩图像真彩图像：选择遥感影像的红、绿、蓝三个波：选择遥感影像的红、绿、蓝三个波段，对应赋予红、绿、蓝三种颜色，合成的彩段，对应赋予红、绿、蓝三种颜色，合成的彩色图像。色图像。 例：例：TM影像真彩合成波段：影像真彩合成波段： R: 3（0.66m） G: 2（0.56m） B: 1（0.4

28、85m）4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用v假彩图像假彩图像：根据加色法彩色合成原理，选择遥：根据加色法彩色合成原理，选择遥感影像任意的三个波段，分别赋予红、绿、蓝感影像任意的三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种颜色，合成的彩色图像。三种颜色，合成的彩色图像。 由于三种颜色与遥感波段所代表的真实波段由于三种颜色与遥感波段所代表的真实波段颜色不同，因此合成的颜色不是真实地物的颜颜色不同，因此合成的颜色不是真实地物的颜色，这种合成称为色，这种合成称为假彩合成假彩合成。 例：例：TM影像标准假彩合成：影像标准假彩合成： 方案方案1：R:4，G:3，B:2（彩红外彩红外CIR） 方案方案

29、2：R:4，G:5，B:3总结：总结：遥感彩色图像包括：遥感彩色图像包括：真彩、假彩、伪彩真彩、假彩、伪彩。4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用4.3.3.3彩色空间变换彩色空间变换1. 概念概念 v色彩空间：色彩空间：RGB，HLS，HSV（HIS）。色调色调（H：Hue）：0-359。明度（明度（L：Lightness）：0-1，0为黑色，为黑色，1为白色。为白色。亮度亮度（V：Value或或I：Intensity）：0-1，为，为0时，颜色变暗，时，颜色变暗，为为1时，颜色变浅时，颜色变浅。饱和度（饱和度（S：Saturation）：0-1，即渗白程度，即渗白程度。4.3

30、.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用2. 色彩空间色彩空间vRGB4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用vHLSvHSV（HIS）vHLS与与HSV（HIS）的区别）的区别4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用3. RGB到到HLS、HSV的变换的变换 v归一化处理归一化处理 对红、绿、蓝，进行归一化处理：对红、绿、蓝，进行归一化处理：Rnor =R/255，Gnor =G/255，Bnor =B/255， 结果在结果在01之间，其最大值为：之间，其最大值为：max，其最，其最小值为小值为min。4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用(max

31、 min)/ 2L maxmin60()/(max-min) max,60()/(max-min) +360 max,60()/(max-min)+120 max60()/(max-min)+240 nornornornornornornornornornornornornornornornoifGBif RGBGBif RGBHBRif GRGif B 无无定定义义maxr 4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用0maxmin(max min)/(max min)0.5(max min)/(2(max min)0.5ifSif Lif L vRGB到到HLS的变换的变换vRGB到到HSV的变换的变换 H同上（同上（RGB到到HLS变换）变换） 0max0(max min)/ maxmax0ifSif maxv 4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用4. HLS到到RGB变换变换v当当S=0，则：，则：R= G=B=255* L；v当当S0*(1)0.5(*)0.5LSif LpLSLSif L 2*qLp4.3.3 彩色变换在遥感的应用彩色变换在遥感的应用v目标目标H