遥感图像处理实例分析01(算法、图像增强).doc

图像处理（Image processing）基本概念数字图像处理（digital image processing）指的是使用计算机巧妙处理以数字格式存储图像数据的过程。其目的是提高地理数据质量，使其对使用者更有意义，并能提取定量信息，解决问题。数字图像（digital image）的存储是以二维数组或网格的形式保存像素值，每个像素在空间上对应着地表一块小面积。数组或网格又称光栅，所以图像数据经常叫着光栅数据。光栅数据的排列是这样：水平行叫着线（lines），垂直列叫着样品（samples）（如图1-1）。图像光栅数据的每个像素代表着是数字（digital number），简称DN。图1-1 光栅数据图像数字DNs在不同的数据源中，代表着不同的数据类型。如对Landsat、SPOT卫星数据，DNs代表的是地物在可见光、红外或其它波段的反射强度。对雷达图像，DNs代表的是雷达脉冲返回到天线的强度。对数字地形模型（DTMs），DNs代表的是地形高程。通过应用数学变换，图像转化为数字图像。ER Mapper可以增强数字图像，突出和提取传统手工方法难以得到的细小信息。这就是为什么图像处理能成为所有地球科学应用的强大工具的原因多光谱数据（multispectral data）指的是多波段数据，图像数据中含有多个波段的反射强度。图像处理技术随着合并不同波段的信息而发展，突出了一些特别类型的信息，如植被指数、水质量参数、地表矿物出现类型等。图像处理广泛应用在地球科学的制图、分析和模型应用上。主要有：土地利用/土地覆盖制图和变迁勘察（land use/land cover mapping and change detection）、农业评价和监测（agricultural assessment and monitoring）、海岸线和海洋资源管理（coastal and marine resource management）、矿产勘查（mineral exploration）、石油和天然气勘查（oil & gas exploration）、森林资源管理（forest resource management）、城市规划和变迁勘察（urban planning and change detection）、无线通讯定点和规划（telecommunications siting and planning）、海洋物理学（physical oceanography）、地质和地形制图（geology and topographic mapping）、冰川探测和制图（sea ice detection and mapping）等。ER Mapper图像处理特点：发展了一个全新的方法，叫算法，将许多处理过程合并成简单的一步，没有原始数据的复制存储，只将处理步骤保存在算法文件中（如图1-2）。处理结果在屏幕上实时显示。取代了传统的图像处理中的每步文件保存的方法。图1-2 ER Mapper图像处理方法示意图ER Mapper中算法可用于数据简单浏览、多图像的复杂处理和模型操作、数据转换、不同类型数据叠加等，将图像融合、镶嵌、各种类型的数学变换如波段比、主成分分析等变得更加容易。图像处理任务：从数据输入到最终结果输出，图像处理的主要任务可概括为一个流程图，如图1-3。数据读入图像显示图像校正图像镶嵌图像增强动态连接注释图件数据输出图1-3 ER Mapper图像处理流程示意图数据读入（Data read/import）“数据读入”是图像处理的第一步。ER Mapper中基本的数据类型有二种，为光栅数据(.ers)和矢量数据(.erv)。光栅图像数据是常用的输入数据类型。主要来源有：卫星图像、数字航空相片、数字地形模型和地球物理、地震勘测数据。ER Mapper可以直接读取的数据格式有：ER Mapper Raster Dataset (.ers)、ER Mapper compressed image (.ecw)、ESRI BIL and GeoSPOT (.hdr)、Windows BMP (.bmp)、GeoTIFF/TIFF (.tif)、JPEG (.jpg)、USGS Digital Ortho Quad (.doq)、RESTEC/NASDA CEOS (.dat)。其它格式的数据需要经过ER Mapper的数据转换。矢量数据是保存线、点、多边形的数据。矢量数据是许多地理系统保存数据的一个格式。在图像处理中，有时在卫星图像上叠加公路网格的矢量数据是很有用的。“图像显示”（Image display）输完数据，接下来一步就是将图像在监视器上显示出来。显示的方法有：简单黑白或假彩色显示、RGB （red-green-blue）或HSI（hue-saturation-intensity）彩色合成显示，可以通过图形形式如直方图、散点图、剖面图等查看图像数据的统计信息。“图像校正”（Image geocoding）多数情况下，光栅图像数据是以原始状态提供的，包含着几何误差。无论何时，精确的地区、方向和距离测量是必需的。原始图像数据必须进行处理，消除几何误差或校正图像到真实的世界坐标系统。注册（Registration）是几何校正图像的过程，允许图像被分层或覆盖。校正（Rectification）是几何矫正光栅图像的过程，使图像对应真实世界地图和坐标系统（如Latitude/Longitude or Eastings/Northings）。正射投影校正（Orthorectification）是更精确的校正方法，它考虑了地形和传感器校准数据。高级的正射投影校正还用到平台位置资料。图像镶嵌（Image mosaicing）镶嵌是指将两副或多副有重叠的图像拼接成一副连续地区的图像。已校正的图像可以参照同样的处理算法，ER Mapper将自动完成图像镶嵌的建立。每个图像在镶嵌中都是一个独立的实体，保存数据时无须将所有图像存入一个大文件中。图像增强（Image enhancement）图像增强通常用于数字图像处理，是为了提高使用者对图像的可视化解释或提取定量信息而进行的多种类型的图像处理操作。许多人认为“图像增强”就是“图像处理”，其实不然。 典型的图像增强操作包括：图像融合（Image merging or data fusion），合并不同质量的图像，来帮助解释。例如融合Landsat TM 和 SPOT Pan 图像，即将SPOT Pan 空间详细数据合并到Landsat TM图像上。彩色覆盖（Colordraping），将一种类型的数据覆盖到另一种类型的数据上，建立合并显示，允许分析2个或3个变量。例如将由卫星数据得到的植被图覆盖到同地区的空间磁场图像上，检测它们的相关性。对比度增强（Contrast enhancements），最大化图像黑白区的对比度，提高图像的表达。或突出某特定数据范围或空间区域的图像。滤波（Filtering），增强边界、平滑噪音，或突出或压制图像中的线性或空间特性。例如应用一个方向递度滤波，可以突出南北方向的线性特征。公式处理（Formula processing），应用数学操作来合并多波段图像数据，推出特殊专题信息。如阀值、不同波段比值、主成分分析和空间模型。分类（Classification），将图像数据的统计组或群定义为专题类或特性类。例如在Landset卫星图像上分类出土地覆盖类型的专题图。彩色平衡（Color balancing），平衡不同航空相片镶嵌的色彩，建立它们之间的无缝连接。动态连接层（Dynamic Link layers）ER Mapper提供了与外界产品或文件格式进行连接的动态连接方式，建立的连接数据放在光栅图像数据的头文件中。主要的连接类型有：与GIS产品连接（Links to GIS products），提取和显示ARC/INFO 软件的GIS产品，如覆盖GIS矢量数据，如公路网、行政边界或土地利用分类。与数据库连接（Links to database products），提取和显示象Oracle数据库中的表格数据，如覆盖地理参照点符号数据，如城市、井点位置或地表样品点位置。与外界文件格式连接（Links to external file formats），显示专业化注释、矢量数据或以PostScript, DXF, DGN等格式保存的数据文件。图件制作（Map composition） ER Mapper提供注释和写作工具，用户可以在图像上输入文字、线条、图案等内容。还可以设计图像输出的大小和比例尺等要求。数据输出（Data save/export and hardcopy）ER Mapper可以支持200多种硬件输出设备，保存的光栅图像格式有：ER Mapper Raster Dataset (.ers)、ER Mapper compressed format (.ecw)、ER Mapper Virtual dataset (.ers)、ESRI BIL and GeoSPOT (.hdr)、Windows BMP (.bmp)、GeoTIFF/TIFF (.tif)、JPEG (.jpg)、UDF (.ers and .hdr)。一、 认识ER Mapper界面及菜单、窗口操作ER Mapper界面基础（interface basics）：ER Mapper用户物理界面GUI（graphical user interface）设计简单、易学易操作。ER Mapper运行后，GUI界面出现在屏幕右上角。主要由两部分组成：一是主菜单，二是工具条，如图1-4。主菜单是由各执行命令名按任务性质分类组织而成。工具条则是由一系列快速执行命令的功能按钮行组成。一行工具条，包含着某一研究领域的方法按钮，如GIS工具条包含着GIS的许多功能按钮、DEM工具条包含着DEM的许多功能按钮，每行工具条的增减通过主菜单项Toolbars选项完成。图1-4 ER Mapper主菜单无论进行菜单选项，还是工具按钮的选定，ER Mapper都会出现对话框或图像窗口、算法窗口等界面。如在选定主菜单项File中的Open子菜单，“文件选择器”对话框出现。，如图1-5。选定Open子菜单，“打印”对话框出现，如图1-6。图1-5 “文件选择器”对话框图1-6 “打印”对话框但在ER Mapper中，每种界面的使用，主要是通过鼠标的指向和单击、双击鼠标左右键来实现的。很少用到键盘。ER Mapper中鼠标的设计内容非常丰富。不同的界面，鼠标指针的符号不同，作用不一样（如表1-1）。需要在今后的实践中，体会和掌握。表1-1 鼠标指针符号及功能鼠标指针符号屏 幕 位 置功 能菜单栏、按钮或图像窗口选择菜单命令和按钮，指向图像，查看数据和坐标。文本域输入文本或重新设置插入点当前图像窗口放大图像当前图像窗口拖拉矩形框，放大图像当前图像窗口在图像窗口内平移图像选中注释工具栏后，在图像窗口中的显示画线和制作目范围实习目的：掌握ER Mapper菜单和工具条的基本操作。实习步骤：（一）、使用菜单和工具条（Using menus and toolbars）1移动ER Mapper主菜单将鼠标指针指向ER Mapper主菜单标题条上，主菜单可以拖动到屏幕的任何位置，一般推荐主菜单安放在屏幕的右上角。2 打开菜单，显示命令 选定View菜单按钮，可以查看其下的子菜单。在子菜单Quick Zoom 和Statistics按钮中，还可以看到其下的子菜单。在主菜单外，单击鼠标，可以退出菜单选择。选定打印命令从主菜单File选项中选取Print，或从标准工具条上选定Print按钮，效果是一样的。显示或隐藏工具条从主菜单Toolbar选项中选取Forestry菜单，ER Mapper在标准工具条和公用功能按钮下增添行Forestry应用功能按钮。选取其它菜单，可以增添其它功能按钮。重复选取菜单，可以隐藏选取的功能按钮。（二）、打开图像窗口和图像处理算法（Opening windows and algorithms）打开一个空的图像窗口从主菜单File选项中选取New菜单。屏幕的左上角显示空的图像窗口，没有图像和算法执行显示。打开一个图像处理算法从主菜单File选项中选取Open菜单。屏幕出现“文件选择器对话框”，输入美国加利福利亚洲圣地亚哥地区Landsat 专题图像的RGB彩色合成算法文件examples Data_TypesLandsat_TMRGB_321.alg。或从标准工具条中选定Open按钮，打开上述图像处理算法文件，效果是一样的。（三）、设置图像窗口（Resizing windows and zooming/panning）1标准工具条中选定Zoom Tool按钮，放大器图标出现在图像窗口中。在窗口中心位置，点击鼠标左键，图像放大50%，同时按下键盘“Ctrl”键，图像缩小50%。向下拖移鼠标指针，图像放大，向上拖移，图像缩小。2从标准工具条中选定ZoomBox Tool按钮，用鼠标定义一个矩形框，局部放大图像。3从标准工具条中选定Hand Tool按钮，移动鼠标指针，图像跟着移动。4从主菜单View中选定Quick Zoom菜单，再选择Zoom to All Datasets项，图像回到初始状态。5从主菜单View中选定Geoposition菜单，屏幕出现“Algorithm Geoposition Extents”对话框，如图1-7。图1-7 “Algorithm Geoposition Extents”对话框在该对话框中，包含有许多图像缩放、平移按钮，如放大2倍图像的“Zoom in 100%”按钮，缩小一半图像的“Zoom out 50%”按钮。右移一半的“Pan left”按钮，左移一半的“Pan right”按钮，右下角移动一半的“Pan upper-left”按钮，左上角移动一半的“Pan upper-right”按钮等。选定“All Datasets”按钮，图像回到初始状态。 选定“Close”，关闭该对话框。（四）、管理多副图像（Managing multiple image windows）1从主菜单File中，选择New子菜单，建立第二个空的图像窗口。2从主菜单File中，选择Open子菜单，输入该地区SPOT全色灰度算法图像文件：examplesData_TypesSPOT_PanchromaticGreyscale.alg。3 测2个图像窗口，标题中含有3个星符号（*）图像窗口为当前激活窗口。鼠标指针的符号是，而在另一个窗口的符号是指示手。在任一窗口中，点击鼠标，都可以成为当前激活窗口。关闭二窗口。思考问题：1如何修改ER Mapper搜索数据文件的目录？（选定Edit菜单按钮中的“Preferences”项，可以修改主菜单参数，如搜索文件目录等。）2打开一个图像算法文件，从主菜单项File选项中选取Open子菜单和从标准工具条中选定Open按钮，操作效果是一样的吗？二、建立一个算法（Creating an algorithm）算法概念：算法是Earth Resource Mapping公司发展起来的一种新的图像处理技术。 简单地说，算法是ER Mapper在将原始数字图像转换为最终增强图像的过程中，所进行的操作步骤或指令的集合。算法文件包含的内容主要有： 图像数据集文件名（Names of image dataset(s) to be displayed） 经过窗口缩放后的图像数据集子区间（Subsets of the image dataset(s) to be processed (zoomed areas)） 图像处理波段（Bands in the image dataset(s) to be processed） 亮度和对比度增强变换（Brightness and contrast enhancements (Transforms)） 滤波（Filtering to be applied to the data (Filters)） 公式（Equations and combinations of bands or images used to create the output image (Formulae) 图像显示模式（Color mode used to display the data (Pseudocolor, Red Green Blue, or Hue Saturation Intensity)） 矢量图像、专题颜色和绘图作文层（Any vector images, thematic color, or map composition layers to be displayed over the raster image data） 页面设计（Definition of a page size and margins (used for positioning the image on a page for creating maps and printing)）ER Mapper优点主要有： 可以随时查看、修改、保存和装入。 算法将一些列操作步骤，作为一个实体，使图像处理简单化。 节省大量存储空间，算法文件不保存中间处理数据。 算法可以作为模板，应用到不同图像数据的相同处理上。算法文件的建立，是通过算法窗口来实现的。选定主菜单项View中的Algorithm子菜单，或从工具条上选定Edit Algorithm按钮，打开算法窗口。算法窗口上含有大量的功能按钮，如图1-8。需要在实习中不断掌握。图1-8 算法窗口实习目的：理解ER Mapper算法概念，建立和编辑一个简单算法文件。实习步骤：（一）、装入和显示图像（Loading and displaying images1从主菜单项View中选定Algorithm子菜单。算法窗口打开，窗口左边显示一个缺省的假彩色层（Pseudo Layer）。2装入一个光栅图像到假彩色层 选定装入数据集Load Dataset按钮， 输入Landset卫星图像数据文件：examplesShared_DataLandsat_TM_year_1985.ers，3选择和显示不同波段图像 打开波段列表栏，选择不同的波段图像装入假彩色层。图像窗口更新图像。 选定Surface标签，Color Mode 选为假彩色，打开Color Table 列表，可以为假彩色层设置不同的颜色，如绿色、棕绿色、灰度等。（二）处理图像1装入植被指数公式 选定Layer标签，再选定公式编辑器按钮，公式编辑器对话框出现。 从菜单项Ratios中，选择Landsat TM NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）NDVI= (I1 - I2) / (i1 + i2) =(B4-B3)/(B4+B3) 当图像以灰度模式显示时，整个图像都很暗。公式处理使像素值的取值区间变得很窄（-1，1），可进行图像增强处理。 选定“Close”，关闭公式窗口。调整图像对比度 在算法窗口中，选定Layer标签，再选定公式右边变换按钮，变换窗口出现。 从Limis菜单中，选择Limits to Actual项。灰度直方图的X轴的取值区间变为到0.6，图像的植被区域明显增亮，无植被区域显示很暗。 在变换窗口中，选择建立修剪变换按钮，图像的明暗对比度进一步增强，浓密的植被区域，显示最亮，为白色。无植被区域，显示最暗，为黑色。 选定“Close”，关闭变换窗口。标注和保存算法图像增强（Enhancing image contrast）（一）浏览图像直方图1装入和显示灰度图像在标准工具栏中，选中“算法编辑”按钮，屏幕上出现一个“图像显示”窗口和“算法”对话框。在算法对话框中，选中“数据装载”按钮，屏幕上出现“光栅数据”文件选择对话框。从目录菜单中，选择文件examplesShared_DataSPOT_Pan.ers。ER Mapper装入SPOT Pan图像在假彩色层Pseudo Layer中，并在图像窗口中显示出来。在Surface 标签上，打开“色彩表”选择栏，选中greyscale项。SPOT Pan图像将以灰度方式重新显示。图像有些地方很暗，下面将进行对比度增强处理。2浏览SPOT Pan图像直方图在算法对话框中，选择“公式”按钮右边的“变换界限编辑”按钮，“变换”对话框被打开。SPOT Pan图像直方图显示在对话框中。从SPOT Pan图像直方图（图1-1）上，可以看出，统计像素的灰值变化在0到255之间，直方图的峰值，分布在像素值较小的地方，这些信息指示着图像的某些特性。 图1-1 SPOT Pan图像直方图 图1-2 SPOT Pan灰度图像（二）、线性变换1打开“变换”对话框在算法对话框中，选择“公式”按钮右边的“变换界限编辑”按钮，“变换”对话框被打开。2建立图像增亮效果图将直方图左边峰谷点，拖至左边垂直轴上值为100的位置，如图1-3。其意思是将灰值的取值区间从0-255变化为100-255，如图1-4。图1-5为变化后的直方图，未充填颜色的直方图代表转变后的直方图分布。图1-6为变换后的增亮的图像。选定“建立线性变换缺省”按钮，直方图回到初时状态。 图1-3 直方图变换示意图 图1-4 灰度变化图 图1-5 直方图变换图 图1-6 增亮的图像效果图 图1-10 增暗的图像效果图3建立图像增暗效果图将直方图右边峰谷点，拖至右边垂直轴上值为200的位置，如图1-7。其意思是将灰值的取值区间从0-255变化为0-200，如图1-8。图1-9为变化后的直方图，未充填颜色的直方图代表转变后的直方图分布。图1-10为变换后的增暗的图像。选定“建立线性变换缺省”按钮，直方图回到初时状态。4线性对比度拉伸，增强图像将直方图右边峰谷点，拖至上方水平轴上值为170的位置，如图1-11。其意思是将灰值的取值区间0-170变化为0-255，如图1-12。图1-13为变化后的直方图，未充填颜色的直方图代表转变后的直方图分布。该变换是将主要的像素分布值区域，进行了拉伸。图1-14为拉伸变换后的图像，图像明显变得清晰多了。选定“建立线性变换缺省”按钮，直方图回到初时状态。 图1-7 直方图变换示意图 图1-8 灰度变化图 图1-9 直方图变换图 图1-11直方图变换示意图 图1-12灰度变化图 图1-13 直方图变换图 图1-14 拉伸变换的图像 （三）、分段线性变换1最大对比度变化将直方图左边峰谷点，拖至下方水平轴上值为30的位置，右边峰谷点，拖至上方水平轴上值为45的位置，如图1-15。其意思是将灰值的取值区间30-45变化为0-255，如图1-16。图1-17为变化后的直方图，未充填颜色的直方图代表转变后的直方图分布。该变换主要是将低值像素点分布区域，进行了拉伸显示。图1-18为拉伸变换后的图像，低值区域海洋部分显示增强。如果增强陆地部分图像显示，可以根据同样的方法，将灰值的取值区间45-160变化为0-255，效果图如图1-19。选定“建立线性变换缺省”按钮，直方图回到初时状态。 图1-15直方图变换示意图 图1-16灰度变化图 图1-17 直方图变换图 图1-18 海洋区域增强显示 图1-19陆地区域增强显示（四）修改数据边界1 使用“Limits to Actual”在“变换”窗口中，从“界限”Limits菜单中，选择“Limits to Actual”项。ER Mapper将缺省的像素值区间0-255，转变为图像实际的区间范围22-254，图像以实际像素值显示，较变化前图像要亮些。2使用“Input Limits to 99% Histogram”同上，在“变换”窗口中，从“界限”Limits菜单中，选择“Input Limits to 99% Histogram”项。ER Mapper将缺省的像素值区间0-255，转变为34-151。意思是切除了1%的数据，低值区占0.5%，高值区占0.5%。如图1-1，切除的1%的数据落在24-34 和 151-254两个区间内，0.5%的低值像素显示白色，0.5%的高值像素显示黑色，整个图像更加清晰了，如图1-2。 图1-1 直方图区间变化 图1-2 选择“Input Limits to 99% Histogram”图像显示。3 定义像素值显示范围 在上述2的基础上，观察直方图左边高而窄的峰值变化。水平方向X值的变化范围大致为34-50。 将X轴的像素最大值154改为50，直方图发生了变化，如图1-3。海洋区域的图像得到明显增强，大于50的像素显示为白色，如图1-4。 在算法窗口中，从彩色表菜单中，选定“rainbow”，可以改变图像的显示颜色。4 定义精确的输出范围 在“变换”窗口中，从“界限”Limits菜单中，选择“Limits to Actual”项。 垂直方向Y轴，最小值0调整为200，如图1-5。图像显示出黄、橙、红色，如图1-6，因为这些颜色是在彩虹色表上对应的值在200-255，为黄、橙、红色。 将Y轴最小值调整为50，最大值调整为150。图像显示出青、绿色，因为这两种颜色在彩虹色表上对应的值在50-150，为青、绿色。 图1-3 自定义区间值 图1-4 海洋区域图像增强 图1-5 自定义Y轴区间值 图1-6 黄、橙、红色显示图像（五）使用ER Mapper“自动变换”功能1将上述图像直方图的垂直轴（Y轴）的设置为缺省值。打开“变换”窗口，设置垂直方向Y轴，最小值0，最大值为255。在“算法”窗口中，从“彩色表”菜单中，选定“greyscale”，图像以灰度显示。2 应用“自动修剪”变换 打开“变换”窗口，选中“Create autoclip transform”按钮。ER Mapper自动更新直方图和图像，如图1-7、8。 双击“Create autoclip transform”按钮，自定义“自动修剪”百分率，如百分率为95。5%的数据自动剪切掉，低值区和高值区各为2.5%。图像亮和暗的对比度更大，如图1-9、10。一般情况下，百分率大于90%，可以得到好的视觉效果。百分率等于99%是常规选择，也可以选定标准工具栏“99% Contrast enhancement”按钮 。 图1-7 修剪百分率为95的直方图 图1-8 修剪百分率为95的图像 图1-9 “自动修剪”变换直方图 图1-10 “自动修剪”变换图像3 应用“直方图均衡化”变换打开“变换”窗口，选中“Histogram equalize”按钮。ER Mapper进行了“直方图均衡化”变换，更新了直方图和图像，如图1-11、12。“直方图均衡化”变换是一种复杂的分段线性变换，也称“统一分布拉伸”变换。该变换自动调整变换线，根据像素值出现的概率，分配像素。直方图中频率发现高的部分，分配显示值越多。直方图的峰值位置，对比度增强最大。“直方图均衡化”变换