第四章遥感图像处理

第四章遥感图像处理第1页，课件共78页，创作于2023年2月§1数字图像遥感数据有光学图像和数字图像之分。光学图像:

又称模拟图像，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。数字图像：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。数字量和模拟量的本质区别：连续变量，离散变量。第2页，课件共78页，创作于2023年2月光学图象如一张正片，可以看成是一个二维的连续的光密度函数。第3页，课件共78页，创作于2023年2月数字图象数字图象是一个二维的离散的光密度函数。相对于光学图象，它在空间坐标（x，y）和密度上都已离散化。数字图像的表示：矩阵函数第4页，课件共78页，创作于2023年2月数字图像第5页，课件共78页，创作于2023年2月数字图象HOME第6页，课件共78页，创作于2023年2月数字图像的特点便于计算机处理与分析图像信息损失低图像抽象性强图像保存方便数字图像的类型按灰度值可分为：二值数字图像和多值数字图像按波段数可分为：单波段、彩色、多波段数字图像

第7页，课件共78页，创作于2023年2月光学图象变为数字图象（图象数字化）数字化：将连续的图像变化，作等间距的采样和量化。通常是以像元的亮度值矩阵表示。采样：空间坐标数字化。量化：图象灰度的数字化。第8页，课件共78页，创作于2023年2月数字图像直方图直方图：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。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。第9页，课件共78页，创作于2023年2月直方图第10页，课件共78页，创作于2023年2月Ahistogramisagraphicalrepresentationofthebrightnessvaluesthatcompriseanimage.Thebrightnessvalues(i.e.0-255)aredisplayedalongthex-axisofthegraph.Thefrequencyofoccurrenceofeachofthesevaluesintheimageisshownonthey-axis.

第11页，课件共78页，创作于2023年2月第12页，课件共78页，创作于2023年2月§2几何校正

一、遥感图像的几何变形的原因

图像中所包含的几何畸变可以表示为图像上各像元的位置坐标与地图坐标系中的目标地物坐标的差异。

Tobecontinued…第13页，课件共78页，创作于2023年2月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。地形起伏的影响。地球表面曲率的影响。大气折射的影响。地球自转的影响。第14页，课件共78页，创作于2023年2月1、卫星姿态引起的图像变形Tobecontinued…§2几何校正位移变化高度变化速度变化偏航变化俯仰变化侧翻变化(dα)

(dω)

(dκ)

第15页，课件共78页，创作于2023年2月2、地形起伏的影响Tobecontinued…§2几何校正第16页，课件共78页，创作于2023年2月3、地球曲率

地球是球体，严格说是椭球体，因此地球表面是曲面。这一曲面的影响主要表现在两个方面，一是像点位置的移动，二是像元对应于地面宽度的不等。Tobecontinued…§2几何校正第17页，课件共78页，创作于2023年2月地球曲率引起的像点位移类似于地形起伏引起的像点位移。Δh看作是一种系统的地形起伏，就可以利用像点位移公式来估计地球曲率所引起的像点位移。Tobecontinued…§3几何校正第18页，课件共78页，创作于2023年2月像元对应地面宽度不等是由于传感器通过扫描取得数据，在扫描过程中每一次取样间隔是星下视场角的等分间隔。Tobecontinued…§2几何校正第19页，课件共78页，创作于2023年2月全景畸变Tobecontinued…§2几何校正第20页，课件共78页，创作于2023年2月4、大气折射

整个大气层不是一个均匀的介质，因此电磁波在大气层中传播时的折射率也随高度的变化而变化，使电磁波传播的路径不是一条直线而变成了曲线，从而引起像点的位移，这种像点移位就是大气折光差。

Tobecontinued…§2几何校正第21页，课件共78页，创作于2023年2月5、地球自转的影响卫星前进过程中，传感器对地面扫描获得图像时，地球自转影响较大，会产生影像偏离。

Tobecontinued…§2几何校正第22页，课件共78页，创作于2023年2月极轨卫星（太阳同步）第23页，课件共78页，创作于2023年2月扫描带第24页，课件共78页，创作于2023年2月扫描带与全球覆盖第25页，课件共78页，创作于2023年2月二、几何变形的校正图像的几何校正是指从具有几何畸变的图像中消除畸变的过程。几何粗校正:是针对卫星运行和成像过程中引起的几何畸变进行的校正，即卫星姿态不稳、地球自转、地球曲率、地形起伏、大气折射等因素引起的变形。几何精校正：利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正。Tobecontinued…§2几何校正第26页，课件共78页，创作于2023年2月数字图像纠正的处理过程框图准备工作

输入原始数字图像

建立纠正变换函数

影像范围确定输出

逐个像素的几何位置变换像素亮度值重采样

输出纠正后的图像

Tobecontinued…第27页，课件共78页，创作于2023年2月Tobecontinued…§2几何校正基本思路：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一像元的亮度值。基本环节1）像素坐标变换:计算校正后每一点所对应原图中的位置；2）像素亮度重采样:计算每一点的亮度值。第28页，课件共78页，创作于2023年2月Tobecontinued…§2几何校正1）像素坐标变换:第29页，课件共78页，创作于2023年2月2）重采样的方法有两种：(1)对输入图像的各个像元在变换后的输出图像坐标系上的相应位置进行计算，把各个像元的数据投影到该位置上。(2)对输出图像的各个像元在输入图像坐标系的相应位置进行逆运算，求出该位置上的像元数据。该方法是通常采用的方法。Tobecontinued…§2几何校正第30页，课件共78页，创作于2023年2月数字图像纠正的处理过程框图Tobecontinued…第31页，课件共78页，创作于2023年2月重采样的具体计算方法：（1）最近邻法Tobecontinued…§2几何校正第32页，课件共78页，创作于2023年2月重采样的具体计算方法：（2）双线性内插法Tobecontinued…§2几何校正第33页，课件共78页，创作于2023年2月练习已知f(m,n)=54,f(m,n+1)=87,f(m+1,n)=98,f(m+1,n+1)=36,分别利用最近邻法、双线性内插法求f(m+0.4,n+0.6)第34页，课件共78页，创作于2023年2月重采样的具体计算方法：（3）三次卷积内插法Tobecontinued…§2几何校正第35页，课件共78页，创作于2023年2月控制点的选取数目的确定:最小数目实际中往往取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。第36页，课件共78页，创作于2023年2月§3辐射校正一、辐射校正的含义辐射误差：传感器观测目标的反射或辐射能量时，所得到的测量值与目标的光谱发射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差值称为辐射误差，或辐射畸变。辐射校正:消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程。

Tobecontinued…第37页，课件共78页，创作于2023年2月§3辐射校正二、遥感图像的辐射误差主要有两个因素传感器的影响（…)大气的影响(…)如传感器在光电变换的过程中造成辐射畸变，探测器增益变化引起的误差，另外，传感器的光学镜头的非均匀性，会引起边缘减光，也会造成图像辐射的畸变。

地物（目标物）的辐射（反射）经过大气层时，与大气层发生散射作用和吸收作用。吸收作用直接降低地物的辐射能量，引起辐射畸变。散射作用除降低地物的辐射能量外，大气散射的部分辐射还会进入传感器，直接叠加在目标地物的辐射能量之中，成为目标地物的噪声，降低了图像的质量。

Tobecontinued…第38页，课件共78页，创作于2023年2月第39页，课件共78页，创作于2023年2月遥感器接收信号路径1为太阳光谱入照经过大气的衰减后到达传感器IFOV部分与太阳天顶角有关，到地表的太阳辐射是特定天顶角下大气透过率的函数路径2为太阳入射被大气散热后没有到达地表（目标）而直接到达传感器的部分（大气的上行反射辐射）可见光波段以蓝光的瑞利散射为主路径3为太阳辐射在经过各种散射、吸收后达到地表的部分（大气的下行辐射）路径4为临近目标的反射或散射到达目标所在IFOV的部分路径2和4总称为程辐射路径5为临近目标反射到大气的能量被大气散射后又到达目标的部分第40页，课件共78页，创作于2023年2月三、大气校正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。

大气校正就是指消除由大气散射引起的辐射误差的处理过程。大气校正的方法:野外现场波谱测试；利用辐射传递方程进行大气校正；波段对比分析（回归分析法、直方图法）。Tobecontinued…§3辐射校正第41页，课件共78页，创作于2023年2月辐射传输模型辐射传输模型进行大气校正：计算出气体分子、水蒸汽、气溶胶等大气成分的吸收与散射的影响，进而恢复地物原来光谱性质的过程利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对每个像元值消除大气散射和吸收影响后得到大气校正后影像具有高的校正精度辐射传输模型法算法在原理上基本相同，差异在于不同的假设条件和适用的范围第42页，课件共78页，创作于2023年2月辐射传输模型目前很多可选择的大气较正模型，其中应用广泛的就有近30个

LOWTRAN模型(LowResolutionTransmission)MORTRAN模型(ModerateResolutionTransmission)如ENVI-Flaash模块6S模型(SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)ATCOR模型,如ERDAS、PCI模块……第43页，课件共78页，创作于2023年2月辐射传输模型-所需信息 大多数基于辐射传输模型的大气校正算法需要提供研究区状况（高程等）所校正影像的中心经纬度、传感器类型、传感器高度、采集日期及时间、像元大小等参数（影像头文件）辐射定标的辐亮度数据遥感器观测时刻的大气属性信息…………第44页，课件共78页，创作于2023年2月第45页，课件共78页，创作于2023年2月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。回归分析法直方图最小值去除法第46页，课件共78页，创作于2023年2月回归分析法Tobecontinued…回归分析校正法第47页，课件共78页，创作于2023年2月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。第48页，课件共78页，创作于2023年2月直方图法Tobecontinued…调整前直方图

亮度值亮度值调整后直方图像元数百分比/%像元数百分比/%第49页，课件共78页，创作于2023年2月§4遥感数据的镶嵌处理数字影像镶嵌(Mosaicing)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)拼在一起，构成一幅整体图像的技术过程。在遥感应用中，影像镶嵌有着重要的应用。Tobecontinued…第50页，课件共78页，创作于2023年2月数字影像镶嵌原理影像镶嵌的原理是：如何将多幅影像从几何上拼接起来，这一步通常是先对每幅图像进行几何校正，将它们规划到统一的坐标系中，然后对它们进行裁剪，去掉重叠的部分，再将裁剪后的多幅影像装配起来形成一幅大幅面的影像。Tobecontinued…§4遥感数据的镶嵌处理第51页，课件共78页，创作于2023年2月第52页，课件共78页，创作于2023年2月第53页，课件共78页，创作于2023年2月第54页，课件共78页，创作于2023年2月第55页，课件共78页，创作于2023年2月新疆石河子地区CBERS-1(19.5m)第56页，课件共78页，创作于2023年2月§5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。第57页，课件共78页，创作于2023年2月第58页，课件共78页，创作于2023年2月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。第59页，课件共78页，创作于2023年2月第60页，课件共78页，创作于2023年2月第61页，课件共78页，创作于2023年2月第62页，课件共78页，创作于2023年2月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；颜色离开中央轴的水平距离代表饱和度的变化。第63页，课件共78页，创作于2023年2月第64页，课件共78页，创作于2023年2月二、色光加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。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。第65页，课件共78页，创作于2023年2月色光三原色：红（R）、绿（G）、蓝（B）。第66页，课件共78页，创作于2023年2月从物理特性考虑:白光第67页，课件共78页，创作于2023年2月从人眼的视觉特性考虑第68页，课件共78页，创作于2023年2月色光三原色的选择色光三原色可随意选择，选红、绿、蓝、为色光三原色原因有是：（1）红、绿、蓝三色相互独立，（2）红、绿、蓝可匹配出的色域最大，（3）可与人眼视神经细胞中的感红、感绿和感蓝细胞相匹配。第69页，课件共78页，创作于2023年2月色光加色法

两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短的时间内连续刺激人的视觉器官,使人产生一种新的色彩感觉。

第70页，课件共78页，创作于2023年2月++=+=+=+=红+绿+蓝=白红+蓝=品红红+绿=黄绿+蓝=青第71页，课件共78页，创作于2023年2月2.色光加法的基本规律将三原色光等