遥感图像处理

第四章遥感图像处理在遥感信息获取的过程中，电磁波受到很多因素的干扰，再加上遥感平台和传感器稳定性的原因，我们所获取的信息，多少与地面实际情况有所偏差。光学图象处理数字图象处理几个重要概念图象格式（IMAGEFORMAT）波段象元（PIXEL）灰度值（GRAY，GREY）直方图（HISTOGRAM）分辨率（几何、光谱、时间）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①三原色：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。②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。③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.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: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。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1.彩色合成加色法彩色合成减色法彩色合成2.光学增强处理3.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1.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。2.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。3.数字图像的表示：矩阵函数数字方法表示图像：O图像xy(x,y)表示像元的位置；f(x,y)表示（x,y)位置上的对应地物电磁辐射强度。对于模拟图像,x,y,f(x,y)的取值是连续的。O图像xy1234213456Pixel要经过“离散化”取样才能变成计算机可存储和运算的数字图像。函数f(x,y)的取值：离散整数取样是根据需要，将灰度空间分成2n级（目前n的取值有1、4、7、8，甚至更多），然后根据方格内电磁辐射强弱取其平均值整数作为函数f(x,y)的值。一幅模拟图像表示为数字图像其实质是一个数字矩阵。),()2,()1,f(N),2f()2,2()1,2(),1()2,1()1,1(),(NMfMfMffNfffyxf数字矩阵可以计算机里进行存储和运算。4.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。5.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。（三）灰度直方图用平面直角坐标系表示一幅灰度范围为0-n数字图像像元灰度分布状态。横轴表示灰度级，纵轴（Pi=mi/M)表示灰度级为gi的像元个数mi占像元总数Ｍ的百分比。将2n个Pi绘于图上，所形成的统计直方图叫灰度直方图。通过灰度直方图可以直观地了解图像增强的效果。二、辐射校正（Radiometriccorrection）1.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。2.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•StripingwascommoninearlyLandsatMSSdataduetovariationsanddriftintheresponseovertimeofthesixMSSdetectors.•The'drift'wasdifferentforeachofthesixdetectors,causingthesamebrightnesstoberepresenteddifferentlybyeachdetector.•Thecorrectiveprocessmadearelativecorrectionamongthesixsensorstobringtheirapparentvaluesinlinewitheachother•Droppedlinesoccurwhentherearesystemserrorswhichresultinmissingordefectivedataalongascanline.•Droppedlinesarenormally'corrected'byreplacingthelinewiththepixelvaluesinthelineaboveorbelow,orwiththeaverageofthetwo.3.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。4.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: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。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、弯曲等作用的结果。1、遥感影像变形的原因①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。②地形起伏的影响：产生像点位移。③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。④大气折射的影响：产生像点位移。⑤地球自转的影响：产生影像偏离。2、几何畸变校正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。③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。2、几何畸变校正④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。5.3几何校正的原理与方法几何畸变：遥感图像在获取过程中由于多种原因导致景物中目标物相对位置的坐标关系图像中发生变化。一、遥感图像几何畸变来源（一）传感器成像几何形态影响传感器一般的成像几何形态有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等几种不同类型。1、全景投变形红外机械扫描仪、CCD线阵推帚式传感器。2、斜距投影变形侧视雷达属斜距投影，其成像变形规律如图（二）传感器外方位元素变化畸变（三）地球自转的影响地球自转对于瞬时光学成像遥感方式没有影响，对于扫描成像则造成图像平行错动。eetyeyetLR为图像错动量；扫描整景图像时间；该纬度的地球自转线速度；图幅地面长度；地球平均半径6378KM；卫星运行平均角速度；（四）地球曲率影响1、在星下点视场角较小，曲率影响可忽略。2、产生的误差原理与航空像片像点位移相同。二、遥感图像几何校正原理遥感图像几何校正包括光学校正和数字纠正两种方法。数字纠正是通过计算机对图像每个像元逐个地解析纠正处理完成的，其包括两方面：一是像元坐标变换；二是像元灰度值重新计算（重采样）。（一）坐标变换的两种方案首先要确定原始图像和纠正后图像之间的坐标变换关系。对其包括：直接法：从原始图像阵列出发，依次对其中每一个像元分别计算其在输出（纠正后）图像的坐标，即：),(),(yxFXFYxyxy式中，x,y为P点原始图像的行数和列数；X，Y为P在新图像中的坐标（即地面坐标系），并把P（x,y)的灰度值重新计算后送到P（X，Y）位置上去。间接法：从空白图像阵列出发，依次计算每个像元P（X，Y）在原始图像中的位置P（x,y），然后把该点的灰度值计算后返送给P(X,Y)。其纠正公式为：),(),(YXGxYXGyyx(二）输出图像的边界大小输出图像边界的地面坐标值是由包括纠正后图像在内的最小长方形范围来确定的。1、把原始图像的4个角点按公式：),(),(yxFXFYxyxy投影到输出坐标系中来。2、获取各自的最大和最小值（Xb、Yb和Xa、Ya）；3、令地面上坐标（Yb、Xa）和(Ya、Yb)的点（图像左上角点）为输出图像的第一行第一列像元，以dx和dy划分网格，每个网格代表输出图像的一个像元，在它输出图像阵列中的位置为：1)(1)(dyYYIdxXXJba式中，X，Y为地面某网格中心的坐标值；I，J为该网格位于输出图像阵列中的行列序号；dx,dy为输出图像阵列像元的地面尺寸；（三）数字图像灰度值的重采样校正前后图像的分辨率变化、像元点位置相对变化引起输出图像阵列中的同名点灰度值变化。重采样：P’的灰度值取决于周围列阵点上像元的灰度值对其所作的贡献，这就是灰度值重采样1、最近邻法用距离投影点最近像元灰度值代替输出像元灰度值。2、双线性内插法投影点周围4个相邻像元灰度值，并根据各自权重计算输出像元灰度值，公式简述为：4141432144332211''iiiiiyxpgpppppgpgpgpgpg为输出像元灰度值''yxg的灰度值为邻近点igi离表示邻点到投影点的距重为邻近点对投影点的权iiiiddpp,/13、双三次卷积法获取与投影点邻近的16个像元灰度值计算输出像元灰度值，公式为：161161''iiiiiyxpgPg为输出像元灰度值''yxg的灰度值为邻近点igi离表示邻点到投影点的距重为邻近点对投影点的权iiiiddpp,/1三、数字图像几何校正方法数字图像几何校正方法有多项式纠正法和共线方程纠正法。前者常用。多项式纠正法的基本思想：回避成像的空间几何过程，而真接对图像变形的本身进行数学模拟。常用的二元齐次多项式纠正变换方程为：)()()(3928273625123210YaXYaYXaXaYaXYaXaYaXaax)()()(3928273625423210YbXYbYXbXbYbXYbXbYbXbby式中，x,y为某像元的原始图像坐标；X,Y为纠正后同名点的地面（或地图）坐示；ai,bi