【学习课件】第四章遥感图像处理

1、第四章 遥感图像处理精选课件 本章主要介绍遥感光学影像和数字影像在分析、判读、理解、识别前的处理过程。首先介绍光学原理和光学处理方法。随着计算机硬件价格的降低和软件水平的提高，计算机图像处理越来越深入遥感领域，介绍计算机处理的原理和方法。后者分为：图像校正，可以认为是图像处理前的预处理部分；图像增强，为了突出影像中的某些特定信息而作的处理；最后介绍不同信息源数据的使用。精选课件第一节 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

2、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。 例如，在一块品红的背景卜放一小块白纸或灰纸，用眼睛注视白纸中心几分钟，白纸会表现出绿色。精选课件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。对于光源，发出的若是单色光就是最饱和的彩色，如激光，各种光谱色都足饱和色。

3、对于物体颜色，如果物体对光谱反射有很高的选择件，只反射很窄的波段则饱度高。精选课件精选课件精选课件精选课件 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。精选课件精选课件精选课件二、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、

4、红和青、绿和品红。色度图：可以直观地表现颜色相加的原理,更准确地表现颜色混合的规律.精选课件颜色相加实验加色法示意图精选课件3、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：蓝黄滤光片分别透过白光而将透过的光混合在白屏幕时，由于黄与蓝是互补色，因而当强度调整适当时，可以出现白色，这就是加色法原理，而白光依次透过黄、蓝滤光片后却得到绿色，这是减色法原理，前者是相加混合，后者是相减混合。减法三原色:黄、品红、青精选课件三、光学增强处理图像的光学增强

5、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。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。 当一幅图像的目视效果不太好，或者有用的信息突出不够时，就需要作图像增强处理。例如，图像对比度不够，或希望突出的某些边缘看不清。就可用计算机图像处理技术来改善图像质量。精选课件 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精选课件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

6、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精选课件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精选课件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，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

7、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精选课件图像的相加和相减 （ 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，则图像相减。HOME精选课件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

8、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精选课件第二节 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精选课件一、数字图像及其直方图数字图像：遥感数据有光学图像和数据图像之分。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：矩阵函数精选课件数字图象HOME精选课

9、件数字图像直方图：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。精选课件直方图精选课件The Image HistogramIn raw imagery, the useful data often populates

10、only a small portion of the available range of digital values (commonly 8 bits or 256 levels). Contrast enhancement involves changing the original values so that more of the available range is used, thereby increasing the contrast between targets and their backgrounds. The key to understanding contr

11、ast enhancements is to understand the concept of an image histogram精选课件A histogram is a graphical representation of the brightness values that comprise an image. The brightness values (i.e. 0-255) are displayed along the x-axis of the graph. The frequency of occurrence of each of these values in the

12、 image is shown on the y-axis. HOME精选课件二、辐射校正（Radiometric correction ）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。大气对辐射的影响精选课件Striping was common in early Landsat MSS data due to variations and drift in the response over time of the six MSS detect

13、ors. The drift was different for each of the six detectors, causing the same brightness to be represented differently by each detector. The corrective process made a relative correction among the six sensors to bring their apparent values in line with each other精选课件Dropped lines occur when there are

14、 systems errors which result in missing or defective data along a scan line. Dropped lines are normally corrected by replacing the line with the pixel values in the line above or below, or with the average of the two. 精选课件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

15、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: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。 精选课件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精选课件三、几何校正几何畸变：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。几何畸变是平移、缩放、旋转、偏扭

16、、弯曲等作用的结果。精选课件Geometric CorrectionAll remote sensing imagery are inherently subject to geometric distortions. These distortions may be due to several factors, including: the perspective of the sensor optics; the motion of the scanning system; the motion of the platform; the platform altitude, attitu

17、de, and velocity; the terrain relief; and, the curvature and rotation of the Earth. Geometric corrections are intended to compensate for these distortions so that the geometric representation of the imagery will be as close as possible to the real world. 精选课件The geometric registration process involv

18、es 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. latitude, longitude). The true ground coordinates are ty

19、pically measured from a map (B - B1 to B4), either in paper or digital format.精选课件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。精选课件遥感平台位置与运动状态改变对图像的影响精选课件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

20、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 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。 精选课件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。精选课件Spatial Feature 精选课件Image EnhancementEnhancements are used to make it easier for visual interpr

21、etation and understanding of imagery. The advantage of digital imagery is that it allows us to manipulate the digital pixel values in an imageThere are three main types of image enhancement:Contrast enhancementSpatial feature enhancementMulti-image enhancement精选课件第三节 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

22、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；彩色合成精选课件概念：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：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）精选课件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精选课件 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

23、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；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，以得到色彩影像，也会较一般黑白影像的目视效果好。精选课件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效果分析精选课件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

24、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：彩色合成图像分为真彩色图像和假彩色图像。方法演示精选课件Colour Composites精选课件Colour CompositesA colour composite is a colour image produced through optical combination of multiband images by projection through filters.True Colour Composite: A colour imaging process

25、 whereby the colour of the image is the same as the colour of 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). 精选课件精选课件精选课件TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7Landsat TM 5 sub-scene

26、 showing the region around the Alpinforschungszentrum Rudolfshtte精选课件TM7,4,1TM5,7,2TM5,4,3TM4,3,2精选课件3、HLS变换RGB模式与HLS模式RGB模式：用于定量处理色彩HLS模式：易于描述色彩，在彩色显示上容易实现。H:hue L: Lightness S:saturation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。精选课件精选课件二、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

27、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。精选课件从直方图形态判别图像质量精选课件二、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，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。精选课件线性变换变换前的亮度值xa变换后的亮度值Xb例：一幅图像其亮度值为015，现在欲将亮度值范围拉伸为030为此，设计一个线性变换函数(图右)，横坐标为变换前的亮度值，纵坐标，纵坐标为变换

28、后的亮度值。当亮度值xa从015变换成xb从030，变换函数在右图中是一条直线oo，方程式为精选课件 一般情况下，当线性变换时，变换前图像的亮度值范围xa为a1a2，变换后图像的亮度范围为xb为b1b2，变换关系是直线。精选课件线性变换结果变换前图像精选课件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 transformat

29、ion to stretch this range to fill the full range. 精选课件This graphic illustrates the increase in contrast in an image before (left) and after (right) a linear contrast stretch. 精选课件If the input range is not uniformly distributed. In this case, a histogram-equalised stretch may be better. This stretch

30、assigns more display values (range) to the frequently occurring portions of the histogram. In this way, the detail in these areas will be better enhanced relative to those areas of the original histogram where values occur less frequently精选课件This graphic illustrates the rather uneven increase in con

31、trast in an image before (left) and after (right) a histogram equalised stretch. 精选课件 非线性变换当变换函数是非线性时，即为非线性变换。变换函数有指数变换和对数变换。指数变换对数变换精选课件三、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。精选课件三、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

32、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。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。是在空间域上对图像作局部检测的运算，以实现平滑和锐化的目的。精选课件Spatial FilteringSpatial filtering encompasses another set of digital processing functions which are used to enhance the appearance of an image. Spatial filters are designed to

33、highlight or suppress（抑制） specific features in an image based on their spatial frequency. Spatial frequency is related to the concept of image texture, and refers to the frequency of the variations in tone that appear in an image精选课件A common filtering involves moving a window （活动窗口）of a few pixels i

34、n 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. 精选课件模板运动精选课件Image of CHURN FarmDaedalus 1268 ATM Channel 3精选课件A low-pass filter（低通滤波） is designed to empha

35、sise larger, homogeneous areas of similar tone and reduce the smaller detail in an image. Thus, low-pass filters generally serve to smooth（平滑） the appearance of an image. 精选课件A high-pass filter （高通滤波）does the opposite, and serves to sharpen the appearance of fine detail in an image. 精选课件Directional

36、or edge detecting filters highlight linear features, such as roads or field boundaries. Vertical edges（垂直边缘）精选课件Horizontal edgesDirectional Edge filters can also be designed to enhance features which are oriented in specific directions and are useful in applications such as geology, for the detectio

37、n of linear geologic structures. 精选课件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。精选课件比值平滑精选课件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。 锐化后的图像已不再具有原遥感图像的特征而成为边缘图像。罗伯特梯度：找到了梯度较大的位置，也就找到了边缘，用

38、不同的梯度值代替边缘处像元的值，也就突出了边缘。如湖泊、河流的边界，山脉和道路等。索伯尔梯度拉普拉斯算法定向检测精选课件Low- and High-Pass FilteringWhen we look at spatial structure, we can usually see a characteristic length scale (e.g. size of fields, width and length of roads, etc)Images usually have features on lots of different length scalesSometimes, i

39、nstead of talking about “length scale”, we talk instead about “spatial frequency”.High frequencies correspond to short distance scales; low frequencies correspond to long distance scalesWe can describe the action of some filters in this way.精选课件Edge Enhancementedge enhancement mathematically manipul

40、ates an image to provide a new image in which edges are made to stand out. 精选课件Smoothingsmoothing 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. 精选课件四、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。精选课件比值运算：两幅同样行、列数的图像，对