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太舔理工大学硕士研究生学位论文 遥感图像镶嵌与色彩均衡的应用研究 摘要 遥感( r e m o t es e n s i n g 篱称r s ) 数字图像镶嵌与色彩均衡是遥感图 像预处理中不可或缺的重要组成部分。数字图像镶嵌( m o s a i c ) 是将两 幅或多幅数字影像( 它们有可能是在不同的摄影条件下获取的) 拼接在 一起，构成幅整体匿像的技术过程。在遥感应粥领域中，影像镶嵌有 着熏要的应用。 影像镶嵌的技术问题之一是如何将多幅影像从几何上拼接起来。几 何拼接的核心问题楚影像校正。影像镶嵌的技术闯题之二是如何使多幅 影像在拼接以后不出现明显的灰度和色彩拼接缝。因此建立遥感图像镶 嵌与色彩均衡处理系统在遥感图像处理工作中有着重要的意义。 本文主要研究了遥感阌像的镶嵌与色彩均衡处理。本文借浆了前人 舞究魏戒果，探讨“r 影像镶嵌豹处理方法，并着重研究了影像色彩均衡 处理与影像的平滑过渡问题。 本文运用多种算法来实现色彩均衡处理问题，主要采用了直方图匹 配算法对影像闯存在豹色彩差异进行均衡处理：同时还运用了多种平滑 处理算法来实现重叠区域的过渡处理。本文运用卷积运算模扳改进了影 像问的平滑处理算法，该算法耗时少、效率高、处理效果好。采用此算 法对影像重叠区域进行亮度平滑处理，达到了较高的精度要求和视觉效 太原臻工大学颈士研究生学位论文 暴。戴夕 本文还将耋方蚕溪瓤箕法成功地运用予影像的平滑过渡，戴静 算法处理效暴较一般；最后列震霞葱对象戆糕序设诗v i s u a ls t u d i o 。n e t 技术开发出了“遥感数字图像镶嵌与色彩均衡处理系统”。在实际应用中 对其中存在的翔题体了更深一步的研究，为默簸进一步完善遥感数字图 像处理软锌佟扔步准备。本谦题爨终完成的软件已能基本满足生产实际 应甩。 关键谲：图像镶嵌，毽彩均衡，。系统开发 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea p p l i e ds t u d yo nr e m o 琵 s e n s i n gi m a g em o s a i ca n d c o l o r e q u a l i z a t i o n a b s t r a c t d i g i t a li m a g em o s a i ca n dc o l o re q u a l i z a t i o na r ev e r yi m p o r t a n ti nt h e p r e c o n d i t i o no f r e m o t es e n s i n g d i g i t a li m a g em o s a i cm e a n sj o i n t i n gt w oo r m o r ed i g i t a li m a g e s ( m a y b et h e s ei m a g e sh a db e e no b t a i n e du n d e rd i f f e r e n t p h o t o g r a p h i cc o n d i t i o n ) a n dm a k i n gt h e ma so n ep i c t u r e i m a g em o s a i ch a s g r e a ti m p o r t a n c ei nt h ea p p l i c a f i 9 no f r e m o t es e n s i n g h o wt oj o i n ti m a g e si ng e o m e t r i e si st h ef i r s tp r o b l e mo fm o s a i c t e c h n i q u e 。t h ec o r ei s s u eo fg e o m e t r i cm o s a i ci si m a g ec o r r e c t i o n 。h o wt o a v o i dt h eo b v i o u sg a pi ng r a yo rc o l o ri st h es e c o n dp r o b l e m s o ，i th a s i m p o r t a n tm e a n i n g st o s e t u pt h es y s t e mo fi m a g em o s a i ca n dc o l o r e q u a l i z a t i o ni nt h el a t e rp r o c e s s i n go f r e m o t es e n s i n g t h e p a p e rm a i n l ys t u d i e do nt h ei m a g em o s a i ca n dc o l o re q u a l i z a t i o n o nt h eb a s eo fd r a w i n gl e s s o n sf r o mt h er e s e a r c hr e s u l t so f p r e d e c e s s o r st h e p a p e rd i s c u s s e d t h ep r o c e s s i n gm e t h o d so fi m a g em o s a i c ，a n dm a i n l y f o c u s e do ns t u d yt h ec o l o re q u a l i z a t i o na p p r o a c ha n dt h ep r o b l e mo fs m o o t h t r a n s i t i o no fi m a g e s i i i 奎基堡三查堂堡主翌窒生兰篁鲨塞 m a n ya l g o r i t h m sa r eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fc o l o re q u a l i z a t i o n h i s t o g r a mm a t c h i n ga l g o r i t h m sa r eu s e dt op r o c e s st h ec o l o rd i f f e r e n c e ，a n d m a n ys m o o t hp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa r ec a r r i e do u tt h et r a n s i t i o np r o c e s s i n g o fo v e r l a p p i n gp a r t s t h e p a p e rp u t sf o r w a r dt ot h ei m p r o v e ds m o o t h p r o c e s s i n ga l g o r i t h mb ym e a n so fc o n v o l u t i o nm e t h o d t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mc o n s u m e sl e s st i m e ，a n di th a st h eh i g h e re f f i c i e n c ya n dt h eb e 吐e r e f f e c t i v eh a n d l i n g 。t h ea l g o r i t h ma p p l y i n gb r i g h t n e s ss m o o t h h a n d l i n gt ot h e o v e r l a p p i n gp a r t so fi m a g e sh a sr e a c h e dah i g h e rl e v e lo f a c c u r a c yr e q u i r e d a n dv i s u a le f f e c t - i na d d i t i o n ，t h ep a p e r a p p l i e st h el o c a lh i s t o g r a mm a t c h i n g a l g o r i t h mt or e a l i z et h es m o o t ht r a n s i t i o no fi m a g e s ，b u tt h ee f f e c ti sn o t o b v i o u s ；f i n a l l yt h e a u t h o r u s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gv i s u a l s t u d i o n e td e v e l o p e dt h es y s t e mo ft h er e m o t es e n s i n gd i g i t a li m a g em o s a i c a n d - c o l o r e q u a l i z a t i o n a n dt h ep a p e rd o e sf u r t h e rs t u d yo ne x i s t i n gq u e s t i o n s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h e s ew i l ld ot h ei n i t i a l p r e p a r a t i o na f t e rf i n t h e r r e f i n e m e n to fr e m o t es e n s i n gf o rd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e t h e s o f t w a r eh a sm e tt h er e q u i r e m e n to f t h e a p p l i e dp r a c t i c eb a s i c a l l y k e y w o r d s ：i m a g em o s a i c ，c o l o re q u a l i z a t i o n ，s y s t e md e v e l o p m e n t 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 遥感发展概况 第一章绪论 1 1 1 国际遥感发展概况 1 9 5 7 年l o 月4 日前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，标志着遥感新时期 的开始。1 9 5 9 年前苏联宇宙飞船“月球3 号”拍摄了第一批月球像片。6 0 年代初 人类第一次实现了从太空观察地球的壮举，并取得了第一批从宇宙空间拍摄的地 球卫星图像。这些图像大大地开扩了人们的视野，引起了广泛关注。随着新型传 感器的研制成功和应用、信息传输与处理技术的发展，美国于2 0 世纪7 0 年代初 发射了用于探测地球资源和环境的地球资源技术卫星“e r t s 一1 ”，为航天遥感的发 展及广泛应用开创了一个新的局面。 至今世界各国共发射了各种人造地球卫星已超过3 0 0 0 颗，其中大部分为军 事侦察卫星( 约占6 0 。1 ) ，用于科学研究及地球资源探测和环境监测的有气象卫 星系列、陆地卫星系列、海洋卫星系列、测地卫星系列、天文观测卫星系列和通 讯卫星系列等。现代遥感技术的发展引起了世界各国的普遍重视，遥感应用的领 域及应用的深度在不断扩大和延伸，取得了丰硕的成果和显著的经济效益。国际 学术交流日益频繁，遥感的发展方兴未艾，前景远大。 当前，就遥感的总体发展而言，美国在运载工具、传感器研制、图像处理、 基础理论及应用等遥感各个领域( 包括数量、质量及规模上) 均处于领先地位， 体现了现今遥感技术发展的水平。前苏联也曾是遥感的超级大国，尤其在其运载 工具的发射能力上，以及遥感资料的数量及应用上都具有一定的优势。此外，西 欧、加拿大、日本等发达国家也都在积极地发展各自的空间技术，研制和发射自 己的卫星系统，例如法国的s p o t 卫星系列，日本的j e r s 和m o s 系列卫星等。许 多第三世界国家对遥感技术的发展也极为重视，纷纷将其列入国家发展规划中， 大力发展本国的遥感基础研究和应用，如中国、巴西、泰国、印度、埃及和墨西 太原理工大学硕士研究生学位论文 哥等，都已建立起专业化的研究应用中心和管理机构，形成了一定规模的专业化 遥感技术队伍，取得了一批较高水平的成果，显示出第三世界国家在遥感发展方 面的实力及其应用上的巨大潜力。 纵观遥感近3 0 年来的发展，总的看来，当前遥感仍处于从实验阶段向生产型 和商业化过渡的阶段，在其实时监测处理能力、观测精度及定量化水平以及遥感 信息机理、应用模型建立等方面仍不能或不能完全满足实际应用要求。因此，今 后遥感的发展将进入一个更为艰巨的发展历程，为此需要各个学科领域的科技人 员共同努力，深入研究和实践，共同促进遥感的更大发展。 1 1 2 我国遥感发展概况 2 0 世纪7 0 年代，随着国际上空间技术和遥感技术的发展，我国的遥感事业迎 来了一个新的发展时期。在1 9 7 0 年4 月2 4 日我国成功地发射了第一颗人造地球 卫星。继而，1 9 7 5 年1 1 月2 6 日我国发射的卫星在正常运行之后，按计划返回地 面，并获得了质量良好清晰的卫星像片“。随着美国陆地卫星图像以及数字图像 处理系统等遥感资料和设备的引进，特别是我国经济建设的恢复和发展需要，2 0 世纪8 0 年代遥感事业在我国空前地活跃起来。经8 0 年代及9 0 年代初的发展，我 国相继完成了从单一黑白摄影向彩色、彩红外、多波段摄影等多手段探测的航空 遥感的转变：特别是数项大型综合遥感试验和遥感工程的完成，使我国遥感事业 得到长足的发展，大大缩短了与世界先进水平的差距，有些项目已进入世界先进 水平行列。我国遥感事业的发展前途似锦。 纵观我国近年来遥感的发展，体现出以下主要特点： ( 1 ) 国家的重视和支持，以及实行集中统一领导和统一规划，为遥感的快速 发展奠定了基础。 ( 2 ) 集中人力、物力进行科技攻关，重点突破，为缩短我国与国际遥感先进 水平的差距，赶超国际先进水平打下了基础。 ( 3 ) 全国性、大区域遥感工程的实施完成，充分显示出我国遥感的特色和水 平。 2 0 世纪9 0 年代及今后我国遥感发展的前景将更为广阔，9 0 9 5 年期间，国 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 家重点科技攻关项目的遥感课题“自然灾害监测与评估和主要作物估产运行系统 的设计实验”的实施和运作；我国将积极参与地球系统全球宏观综合研究工作，以 及进行广泛的国际学术交流合作等，并将进一步证明我国在遥感技术领域具有参 与国际竞争，自立于世界民族之林的能力。 1 1 3 遥感图像镶嵌发展概况 1 9 8 6 年法国发射s p o t 系列高分辨率观测卫星，1 9 9 9 年美国s p a c e i m a g e 公司 发射i k o n o s 高分辨率商用卫星，近年中国和巴西联合研制的资源一号、二号卫星 发射成功，可为我国提供高分辨率卫星图像，越来越多的高分辨图像获得广泛应 用。但由于一幅卫星图像只能覆盖某一范围，需要将多幅图像无缝拼接成一幅完 整地图像，于是数字镶嵌技术发展起来了“1 。2 0 世纪7 0 年代中期，m i l g r a m 提出 根据某种误差准则( 如最小灰差和、最小代价途径原则) 来逐行( 列) 选择接缝 线开创了数字镶嵌技术“1 。到了8 0 年代，al 佐席里斯特等提出了陆地卫星数字 镶嵌的基本概念，并进行了镶嵌实验，虽然最终试验效果一般，但毕竟开创了数 字镶嵌的第一步“1 。 n 图像镶嵌的拼接部分，处理的时候既要顾及图像灰度曲面的光滑化，又要兼 顾图像的清晰度，武汉大学的王建忠利用小波变换解决了这个问题。但是该算法 没有给出多幅图像之间的拼接缝消除算法，只能两两进行处理。这使得后续工作 无法快速实旌”。中科院硕士蒋红成提出了重叠区域补偿均衡算法。该算法对存在 亮度差异的图像均衡时，效果要好于直方图规定效果，能够消除彩色不平衡的效 果。但是算法本身的可移植性没有得到保障，有待于继续改进“1 。杨文久、刘心季 采用递推式灰度调整、滑动窗口探测最佳拼接点及对其两侧作加权灰度圆滑方法 来消除被镶嵌图像之间因色调差异造成的接缝9 1 。 1 2 存在的问题 遥感图像镶嵌的实现算法很多，例如：重叠区域像元灰度值的线性加权、小波变 换算法、基于多尺度小波分解的图像镶嵌算法、蒋红成在其硕士论文中采用了重叠区 域补偿均衡算法。1 等等。对于像元灰度的线性加权来说算法实现简单，但是效果很差， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 几乎不能满足视觉要求：对于小波变换算法来说，该算法虽然能够很好的兼顾清晰度 和光滑度两个方面的要求，但是没有给出多幅图像之间的拼接缝消除算法，只能两两 进行处理，而且它是一种并行算法，对于实际生产中的大容量影像进行处理是不方便 的“1 。基于多尺度小波分解的图像镶嵌算法的效果与图像库的大小有关，即图像库过 小镶嵌效果较差，图像库过大，时间较长，需要正确理解该算法的好坏“。重叠区域 补偿均衡算法没有讨论消除图像错位拼接缝羽化算法，并且算法尽管实验效果尚可， 但还有待进一步检验”1 。 虽然各国所研发软件中的图像镶嵌功能已经很强大，但是在处理遥感图像镶嵌工 作时，都会在色彩处理上产生一定的困难，特别是对不同时相的遥感图像进行镶嵌工 作。因为在处理不同时相遥感图像的时候，由于图像获取的时间不同，对季节性十分 敏感的植被、水体等地物的色调和形态都会有所不同。这一系列变化必然会造成相邻 图像色调上的不一致和纹理上的不连续，致使它们在彼此镶嵌时，往往会出现明显的 缝隙。针对以上具体问题，本论文尝试在遥感图像数字镶嵌与色彩均衡问题上有所突 破，本论文也正是基于此目的提出并展开论述的。 1 3 本文研究的内容 在总结前人遥感图像镶嵌与色彩均衡处理方面所做的大量工作的基础上，本文主 要研究了以下内容： ( i ) 色调调整。对镶嵌的图像进行色彩均衡处理，主要包括匀色、匀光和色调 过渡处理。目前常采用的方法主要有：方差均值法、直方图匹配法。方差均值法是以 一幅图像像元灰度的均值和方差为参考标准，变换另一幅图像像元的灰度值，使它的 均值和方差与参考图像的均值和方差接近0 1 。直方图匹配法是指使一幅图像的直方图 变成规定形状的直方图而对图像进行变换的增强方法。1 。规定的直方图可以是一幅参 考图像的直方图，通过变换，使两幅图像的亮度变化规律尽可能地接近。本文在直方 图匹配法的基础上，对相邻图像色调一致性问题进行了一定的研究。在实际操作过程 中，考虑到遥感图像的数据特点，本文采用了色调调整批处理的方法来实现海量遥感 数据的色调一致性调整问题。这种处理方法操作简便、人为误差小、省时、省力。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 多幅遥感图像的数字镶嵌。目前大多采用简单的重叠区域像元灰度值的线 性加权“”和小波变换算法。本文作者采用卷积模板与距离加权相结合的算法，改进了 以往的像元灰度线性加权算法，并且文章中给出了该算法所需的距离权重和像元权重 的具体实现过程，并应用该算法来消除接缝区域的灰度差异，实现了多幅图像的拼接 功能。该算法思想简单，实现容易，速度快，效果好，能够达到精度要求。本文还将 局部直方图匹配算法应用于重叠区域的平滑过渡，但效果不是很明显。 ( 3 ) 裁剪感兴趣区域。本文给出了边缘裁剪功能模块和根据所选取矩形区域的 地理坐标来裁剪图像块的功能模块。 ( 4 ) 软件研发。基于v c n e t 软件开发平台，完成具有图像色彩均衡、图像镶嵌 以及图像裁剪等功能的计算机软件系统。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章遥感数字图像 2 1 图像与遥感数字图像 2 1 1 图像与遥感数字图像概念 图像是人们对客观世界中的景物的一种描述和记录“。图像包含很多信息，它 是人们传递信息的一种方式。客观世界在空间上是三维的，但一般从客观景物得到的 图像是二维的。 从人眼的视觉特点上可将图像分为可见图像和不可见图像”1 。可见图像有图 片、照片，用线条画的图和画，用透镜、光栅和全息技术产生的各种光图像。不可见 图像包括不可见光成像( 如紫外线、红外线、微波成像) 和不可见量( 如温度、压力、 人口密度等) 分布图。 根据波段的多少，图像可以分为单波段、多波段和超波段图像。单波段图像在 每个点只有一个亮度值：多波段( 也称多光谱) 图像上每个点不只有一个特性，例如 在彩色图像上，每个像元具有红、绿、蓝三个亮度值，这三个值表示在不同光波段上 的强度，人眼看来就是不同的颜色；超波段图像上每个点具有几十甚至几百个特性， 它已经超出了人眼的分辨能力。 按图像的明暗程度和空间坐标的连续性划分，图像可分为数字图像和模拟图像。 数字图像是指被计算机存储、处理和使用的图像，是一种空间坐标和灰度均不连续的、 用离散数学表示的图像，它属于不可见图像。模拟图像( 又称光学图像) 是指空间坐 标和明暗程度都连续变化的、计算机无法直接处理的图像，它属于可见图像。 随着计算机技术的发展，模拟图像与数字图像可以实现转换，把模拟图像变换成 数字图像成为模数转换，记作a d 转换；把数字图像变成模拟图像成为数模转换， 记作d a 转换。 遥感数字图像( d i g i t a li m a g e ) 是指以数字形式表述的遥感影像m 。遥感数字 图像最基本的单位是像素。像素是遥感成像过程的采样点，或者是在a d 转换中的取 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 样点，它也是计算机图像处理的最小单元。每个像素具有其空间位置特征和属性特征。 图像处理是指对图像进行变换、传送、存储、增强、复原、编码、显示、重建 等各种操作1 。图像处理技术分二大类：模拟图像处理和数字图像处理。数字图像处 理就是利用数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件，对从图像信息转换来的数 字电信号进行某些数字运算或处理，以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预 期的结果，所以又叫计算机图像处理。数字图像处理的优点是精度高，灵活性强，处 理内容丰富，以及可做非线性处理等，其缺点是速度太慢。 模拟图像与数字图像可以通过计算机处理系统进行相互转换。如图2 - 1 所示： 图2 - 1 模拟图像与数字图像相互转换示意图【7 】 f i g 2 1 t h es k e t c hm a po f t r a n s f o r mb e t w e e ns i m u l a t e di m a g ea n dd i g i t a li m a g e m 2 1 2 遥感数字图像的结构与数学表达 黑白图像可用二维函数f ( x ，y ) 表示，其中x ，y 是平面的二维坐标，f ( x ，y ) 表示 点( 五y ) 的亮度值( 灰度值) 1 1 o 对模拟图像来讲，f ( x ，力显然是连续函数。 像素的空间位置用离散的工值和y 值表示。一幅遥感图像可以表示为一个矩阵， 若x 方向有个像素( 样点) ，y 方向有m 个像素( 样点) ，则成为有m n 个像素的 矩阵函数，可以表示为 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 f ( x ，y ) = f ( o ，0 ) f ( 1 ，o ) f ( 2 ，o ) f ( m 一1 ，o ) f ( 0 ，n 一1 ) 厂( 1 ，n 1 ) f ( 2 ，n 一1 ) f ( g 一1 ，n 一1 ) 式中：m 表示行数；n 代表列数。m 、为正整数，矩阵中的每一个元素代表遥感 数字图像的像素，其大小相当于模拟图像分割取样的最小单元x ，】，。 本文作者在开发的遥感数字图像处理系统中，通过对每个波段的图像数据进行 单独处理的方法来实现图像数据的显示。图2 - 2 给出了图像块l 中波段1 ( 即蓝波段) 的遥感图像示例数据。 搿i 蛭e 撞l # 、 ， 、 一 。o 。 r i 瞄毫冀 ， 、为9 la l 氆划z 醴l2 5 3 i i 荫l2 鲒l 弼6| i ；一l 毋= ? + 言试 l 卸；l 趁l 押 i 。1 2 9 1 3 ll 为i1 4 6 i 营i 舒 l 弘1 1 5 噜 】1 5 1 1 1 日：1 1 4 1 3 2 ：1 2 9 il i 二_ 导国约1 1 7 ；1 1 2 8 1 j1 鹏 1 ：3 1 1 l 1 2 8 1 2 3 ；】1 2 1 一一0 1 j i 2 t 踅l1 1 9 1 3 3 12 t 2 l1 2 i i1 1 2 ：1 1 4 t t “- , a 1 51 1 5 l l z 7 | 1 加 l 蒉i _ 2 |1 2 3 ii t ；1 2 6 。燃蠕l 约li 烈 t 3 0 1 巧，1 2 7 it 1 6 1 2 2 ：u 9 赫- 燃3 - f 71 2 5 i 1 2 5i i 1 1 5 l1 2 1 1 ii 钉j1 2 5 j1 2 2 璐潮辅l 钉j 1 2 5 l1 1 9 i 1 1 8 l 1 2 2 i1 2 8 l1 2 f l l 1 i 日 赫薅锄自 1 2 1 l 1 1 8 【1 1 7 l 1 3 7 1 3 3 f1 2 i ii 1 1 2 女。搿l 露圣百1 3 5 f i 巧 1 2 噜li i 7 j 1 1 7 i1 2 5 i 1 2 9 ：1 2 2 臻镶鬻徽l i1 1 3 l1 2 0 j i 萏! t 舶l1 2 2 i1 2 4 i1 1 4 。j = 警稻醢1 2 2 i 1 2 4 l 巧l1 1 8 = 1 1 9 l1 3 1 l 1 2 1 ；i 拍 潼鞠潮i 舶 1 3 1 2 7 l 盈j 1 i b i1 2 f l |l ； 1 2 0 l 凌巷鞭i 1 2 ：t li 1 2 0 l !l 臼ii 捏1 复i1 挖 汹； 改巍璃蕊l 纠 i l 1 2 3 i1 2 4 l 拍|i 为li 亚； 1 ：t 2 _ 甓鬻溪晒蟊 1 1 2 i 1 1 5 t 荭i1 2 2 ：1 1 日；1 1 6 li 翌；1 3 1 ；为嬗琵z 1 2 6 l 1 3 6 i1 3 1 l 却r 1 1 7 i1 1 7 f1 1 日； 1 2 6 f 弱媾蕊瓣 1 1 6 f 1 4 7 l 1 3 4 1 科：1 2 ：1 |i 扭li 约1 3 1 1 嚣瀚 1 1 8 l 1 1 5 l1 2 3 l 弼- 1 2 1 1 1 2 _ |1 2 5 ；1 3 3 螫豢翳ai 拥li l1 4 4 l l1 3 3 l1 2 7 i1 2 3 ：1 1 7 麟繁8 i 烈fi 篱l1 髭j 1 斟一 l 墨i1 1 日i1 1 9 ：1 2 1 ：i 誊l ， ，1 一 夏建i 。 - 0 1 j ? ? 蔓 。露， 黧醚霪霉羞爹隧霪蒸鍪 图2 - 2 遥感数字图像数据 f i g 2 2 t h ed a t ao f d i g i t a li m a g eo f r e m o t es e n s i n g 2 1 3 遥感数字图像的基本特点与类型 2 1 3 1 遥感数字图像的基本特点“1 ( 1 ) 遥感数字图像便于计算机处理与分析。计算机是以二进制方式处理各种数 8 脚脚脚一 ) ) ) 1w 卜 脚删脚旷 太原理工大学硕士研究生学位论文 据的，而数字图像的行数、列数和灰度级别取值都采用了2 的整数幂，因此，与光学 图像处理方式相比，遥感数字图像是一种适用于计算机处理的图像表示方法。 ( 2 ) 图像信息损失低。由于遥感图像是用二进制表示的，因此在获取、传输和 分发过程中，不会因长期存储而损失信息，也不会因多次传输和复制而产生图像失真。 ( 3 ) 图像抽象性强。尽管不同类别的遥感数字图像有不同的视觉效果，对应不 同的物理背景，但由于它们都采用了数字形式表示，便于建立分析模型、进行计算 机解译和运用遥感图像专家处理系统。 ( 4 ) 图像保存方便。遥感数字图像一般存储与计算机上，也可以用计算机兼用 磁带、磁盘、光盘存储。存储形式多样，保存、携带方便。还可以利用网络技术发送 各地，供有关单位使用。 2 1 3 2 遥感数字图像的类型 遥感数字图像以二维数组表示。在数组中，每一个元素代表一个像素，像素的 坐标位置隐含，由这个元素在数组中的行列位置所决定。元素的值表示传感器探测到 像素对应地面面积上目标物的电磁辐射强度。 ：遥感数字图像”1 按灰度值可分为二值数字图像和多值数字图像两个类型。 二值数字图像：图像中每个像素灰度由0 或1 构成，在计算机屏幕上表示为黑白图像。 多值数字图像：图像中每个像素灰度值由0 - 1 5 或0 3 l 或0 - 6 3 或0 - 2 5 5 构成。0 表示黑，1 5 或3 1 或6 3 ，2 5 5 等表示白，其他值居中渐变。 遥感数字图像按波段量可分为单波段、彩色或多波段数字图像。 单波段数字图像：是指在某一个波段范围内工作的传感器获得的遥感数字图像。 例如，s p o t 卫星提供的1 0 m 分辨率全色波段图像，每景图像为6 0 0 0 行6 0 0 0 列的数 组，每个像素采用l 字节记录地物亮度值。数据显示为黑白或某一颜色。 彩色数字图像是由红、绿、蓝三个数字层构成的图像。在每个数字层中，每个 像素用1 字节记录地物的亮度值，数值范围一般介于0 - 2 5 5 。每个数字层的行、列数 取决于图像尺寸和数字化过程采用的光学分辨率。三层数据共同显示即为彩色图像。 多波段数字图像：是指利用多波段传感器对同一地区、同一时间获取的不同波 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 段范围的数字图像。例如，陆地卫星提供的m s s 图像包含有4 个波段的数据，提高的 t m 图像包含有7 个波段的数据。又如利用高光谱成像光谱仪，它包含了2 0 0 n 2 3 1 以上 波段的数据。 2 2 图像文件格式 2 2 1b m p 图像文件格式 随着w i n d o w s 的逐渐普及，b m p 图像越来越多地被各种应用软件所支持。这主要 是因为w i n d o w s 把b m p 作为其图像的标准格式，并且内含了一套支持b m p 图像处理的 a p i 函数。一个b m p 文件大体上分为以下四个部分“8 ”。2 “2 2 “： 图2 - 3w i n d o w s 住图文件结构示意图 f i g 2 - 3w i n d o w sb i t m a pf i l es t r u c t u r es k e t c hm a p 第一部分为位图文件头。b m p 文件头数据结构含有b m p 文件的类型、大小和打印 格式等信息，定义为： t y p e d e fs t r u c tt a g b i t m a p f i l e h e a d e r w o r d b f t y p e ： 位图文件的类型，必须为b m d w o h d b f s i z e ： 位图文件的大小，以字节为单位 w o r d b f r e s e r v e d l ：位图文件保留字，必须为0 w o r d b f r e s e r v e d 2 ；位图文件保留字，必须为0 d w o r d b f o f f b i t s ： 位图阵列的起始位置，以相对于位图文件头的偏 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 移量表示，以字节为单位 b i t m a p f i l e h e a d e r ： 第二部分为位图信息头。b m p 位图信息数据结构含有位图文件的尺寸和颜色等信 息。被定义为： t y p e d e fs t r u c tt a g b i t m a p i n f o d w o r d b i s i z e ：指定这个结构的长度，为4 0 个字节，固定不变。 l o n g b i w i d t h ；图像的宽度，单位是像素 l o n g b i h e i g h t ：图像的高度，单位是像素 w o r d b i p l a n e ：目标设备的级别，必须是l w o r db i b i t c o u n t ：指定表示颜色时要用到的位数，常用的值为1 ( 黑 e a - - 值图) 、4 ( 1 6 色图) 、8 ( 2 5 6 色图) 、2 4 ( 真彩色) d w o r d b i c o m p r e s s i o n ：图像的压缩类型 d w o r d b i s i z e l m a g e ： 图像大小，单位是字节 l o n g b i x p e l s p e r m e t e r ：目标设备的水平分辨率，单位是每米像素个数 l o n gb i y p e l s p e r m e t e r ；目标设备的垂直分辨率，单位是每米像素个数 d w o r d b i c l r u s e d ：图像实际使用的颜色表中钓颜色变址数 d w o r d b i c l r i m p o r t a n t ：图像显示过程中被认为重要颜色的变址数 ) b i t m a p i n f o h e a d e r ： - 。 第三部分为调色板( p a l e t t e ) 。有些位图需要调色板，有些位图，如真彩色图 不需要调色板，它们的b i t m a p i n f o h e a d e r 后面直接是位图数据。 调色板实际上是一个数组，共有b i c l r u s e d 个元素( 如果该值为零，则有2 的 b i b i t c o u n t 次幂个元素) 。数组中每个元素的类型是一个r g b q u a d 结构，占4 个字节， 定义如下： t y p e d e fs t r u c tt a g r g b q u a d b y t e r g b b l u e ： 该颜色的蓝色分量 b y t e r g b g r e e n ： 该颜色的绿色分量 b y t e r g b r e d ： 该颜色的红色分量 太原理二 大学硕士研究生学位论文 b y t e r g b r e s e r v e d ：保留值 r g b q u a d ： 第四部分就是实际的图像数据。对于用到调色板的位图，图像数据就是该颜色 在调色板中的索引值，对于真彩色图像，图像数据就是实际的r 、g 、b 值。对于真彩 色图，3 个字节才能表示1 个像素。 每一行的字节数必须是4 的整倍数，如果不是，则需要补齐。一般来说，b m p 文件的数据是从下到上，从左到右的。即从文件中最先读出的是图像最下面一行的左 边第一个像素，然后是左边第二个像素接下来是倒数第二行左边第一像素，左边第 二个像素一次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个像素。 2 2 2t l f f 图像文件格式 t i f f 文件是由许多的标签( t a g ) 组成，在a d o b e 的有关t i f f 6 0 的说明中，将( t a g ) 的解释成各种标签所对应的数值，而在文件中各个标签的实际入口称为( f i e l d ) ，暂 且称为域。t i f f 支持黑白、灰度、彩色的图像格式，同时还可以接受r g b 、c m y k 等 色彩系统，同时支持图像数据的l z w ，哈夫曼等压缩算法或者不压缩“8 ”1 。 t i f f 文件分为文件头和图像文件目录( i m a g ef i l ed i r e c t o r y ，简称i f d ) 两 部分，一个i f l ) 中存储了一幅图像的信息，i f d 可以由许多标签组成。在t i f f 6 0 文 件中，规定所有的标签必须以升序排列，通过这些标签所包含的信息，来处理文件中 的图像数据。 t i f f 文件头仅占8 字节，其数据结构如下： t y p e d e fs t r u c tt i f f h e a d e r w o r d w l m a g e t y p e ； w o r d w v e r s i o n ： l o n g 1 d i r o f f s e t ： ) t i f h e a d e r ： 其中，变量w l m a g e t y p e 是数据存储型态。其值可能是”i i ”或者”删”，分别代表 i n t e l 和m o r t o r o l a 存储数据的方式。”i i ”低位字节在前，高位字节在后；”删”高位 字节在前，低位字节在后“”。变量w v e r s i o n 存储t i f f 的版本编号，其值目前固定为 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 2 ( 考虑与过去版本的兼容问题) ，由于此值改变的机会并不大，因此可以根据 w l m a g e t y p e 和w v e r s i o n 两个域来判断是否为t i f f 图像文件。变量1 d i r o f f s e t 存储 图像文件目录在文件中的偏移量。表示从文件的起始位置到第一个i f d 的距离，根据 此域可找到第一个i f d 。 t i f f 的图像文件目录结构：i f d 是由连续的标签组成 o f f s e t ：o - 1i f d 中的标签数目 o f f s e t ：2 1 3 i f d 中的第一个标签 o f f s e t ：1 4 2 5i f d 中的第二个标签 o f f s e t ：2 + 1 2 * 标签数下一个i f d 的( 相对于文将) 偏移量，在一个t i f f 文件中可以 由多个i f d 用于存放多个图像，如果该数字为0 ，表示已经处理完所有的i f d 。t i f f 的标签皆为1 2 字节，其数据结构如下： ，：t y p e d e fs t r u c tt i f f t a g 二 w o r d w t a g ： 标签识别码，此值定义该标签所存放的信息 。 w o r d w t y p e ： 标签的数据型态 d w o r d d w c o u n t ：数据长度 u n i o n ( d w o r d d w o f f s e t ： d w o r d d w v a l u e ： s t r u c tv a l u e w o r d w v a l l ： w o r d w v a l 2 ： ) v a l u e ： ) v a l o f f ； t i f t a g ： 一个r g b 图像，每个像素由3 部分组成。r g b 在图像中没有c o l o r m a p 标签。在 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 处理t i f f 格式的r g b 全彩色图像( r g bf u l lc o l o ri m a g e ) 时，必须要包含如下表 2 的标签： 表2 - ir g b 图像标签 t a b l e2 - 1r g bi m a g el a b e l t a g 名称t a g 识别码数据形态数据内容 i m a g e w id t h 2 5 6 ( o x o l 0 0 )s h o r t 或l o n g i m a g e l e n g t h 2 5 7 ( 0 0 1 0 1 )s h o r t 或l o n g b i t p e r s a m p l e2 5 8 ( 0 0 1 0 2 ) s h o r t 8 ，8 ，8 c o m p r e s s i o n2 5 9 ( 0 0 1 0 3 ) s h o r t 1 ，5 或3 2 7 7 3 p h o t o m e t r i c i n t e r p e r t a t i o n2 6 2 ( 0 0 1 0 6 ) s h o r t2 s t r i p o f f s e t s2 7 3 ( o x 0 1 1 1 )s h o r t 或l o n g s a m p l e p e r p i x e l 2 7 7 ( 0 x0 1 1 5 )s h o r t3 或m o r e r o w s p e r s t r i p2 7 8 ( o x 0 1 1 6 )s h o r t 或l o n g s t r i p b y t e c o u n t s2 7 9 ( o x 0 1 1 7 )s h o r t 或l o n g x r e s o l u t i o n2 8 2 ( o x o l i a )r a t i o n a l y r e s o l u t i o n 2 8 3 ( o x 0 1 1 b ) r a t i o n a l r e s o l u t i o n u n i t 2 9 6 ( o x0 1 2 8 ) s h o r tl ，2 或3 在本文中，针对真彩色图像，在打开t i f f 图像时用t i f f g e t f i e l d ( ) 函数来获 取上述标签所含信息： t i f f g e t f i e l d ( m _ t i f ，t i f f t a g _ c o m p r e s s i o n ， & c o m p r e s s i o n ) ： t i f f g e t f i e l d ( mt i f ，t i f f t a g i m a g e w l d t h ， & w i d t h ) ： t i f f g e t f i e l d ( m _ t i f ，t i f f t a g i m a g e l e n g t h ，& h e i g h t ) ： t i f f g e t f i e l d ( m _ t i f ，t i f f t a g _ s a i i p l e s p e r p i x e