遥感数字图像处理笔记

目录

第一章绪论.......................................................................6

1.1图像......................................................................6

1.1.1图像和遥感数字图像.................................................6

1.1.2遥感数字图像.......................................................6

L2遥感数字图像处理..........................................................7

1.2.1遥感数字图像处理...................................................7

122遥感数字图像处理系统................................................7

1.3数字图像处理的发展和两个观点............................................7

第二章遥感数字图像的获取和存储.................................................8

2.1遥感图像的获取和数字化..................................................8

2.1.1遥感系统...........................................................8

2.1.2传感器.............................................................8

2.1.3传感器分类.........................................................9

2.1.4电磁波............................................................10

2.1.5传感器得分辨率..................................................11

2.1.6采样与量化......................................................13

2.2常用遥感平台及其传感器特征.............................................15

2.3遥感图像的类型........................................................15

2.4遥感数字图像的级别和数据格式..........................................15

2.4.1数据级别.........................................................15

2.4.2元数据............................................................15

2.4.3常用遥感图像数据格式.............................................16

2.4.4特殊遥感图像数据格式.............................................17

2.4.5图像文件的坐标..................................................18

2.4.6图像文件的大小..................................................18

2.5数字图像分辨率分辨率是指单位长度所表达或获取的像素数量。点的相关术语：

.......................................................................................................................................................................................1.8

第三章遥感数字图像的表示和统计描述...........................................19

3.1遥感图像模型..........................................................19

3.1.1遥感图像........................................................19

3.1.2遥感图像模型：..................................................19

3.1.3多源图像.........................................................19

3.1.4极化.............................................................20

3.1.5极化方式........................................................20

3.1.6图像函数........................................................20

3.1.7二维空间图像函数g(x,y)的特点......................................21

3.2遥感图像的数字表示....................................................21

3.2.1图像的确定性表示................................................21

3.2.2图像的统计特征..................................................22

3.3单波段图像的统计特征...................................................22

3.3.1基本统计特征....................................................22

3.3.2直方图............................................................22

3.3.3直方图性质......................................................22

3.3.4直方图的应用....................................................22

3.3.5累计直方图......................................................24

3.4多波段图像的统计特征...................................................24

341协方差.............................................................24

3.4.2相关系数..........................................................25

3.5窗口、邻域和卷积......................................................25

3.5.1窗口和邻域......................................................25

3.5.2邻域计算和卷积计算...............................................25

3.5.3滤波.............................................................26

3.6纹理...................................................................26

3.6.1定义.............................................................26

3.6.2分类.............................................................27

3.6.3空间自相关函数...................................................27

3.6.4灰度共生矩阵....................................................27

第四章图像显示与拉伸........................................................28

4.1数字图像的显示........................................................28

4.1.1图像增强.........................................................28

4.1.2数字图像的显示..................................................29

4.1.3颜色的特性......................................................29

4.1.4颜色的属性......................................................29

4.2图像的彩色合成........................................................30

4.2.1伪彩色合成......................................................30

4.2.2真彩色合成......................................................30

4.2.3假彩色合成......................................................30

4.2.4模拟真彩色合成...................................................30

4.3图像拉伸...............................................................31

4.3.1灰度拉伸.........................................................31

431.3灰度窗口切片...................................................32

4.3.2非线性拉伸......................................................33

4.3.3.多波段拉伸.......................................................33

4.3.4直方图修正法....................................................34

第五章图像校正................................................................35

5.1辐射传输...............................................................36

5.1.1基本概念........................................................36

5.1.2电磁波的大气传输................................................36

5.1.3可见光和红外传输................................................37

5.1.4热红外传输......................................................37

5.1.5辐射传输理论....................................................37

5.2辐射误差...............................................................38

5.3系统辐射误差校正......................................................40

5.4传感器端的辐射校正....................................................40

5.5大气校正...............................................................42

5.5.1统计学方法......................................................42

5.5.2辐射传递方程算法................................................42

5.5.3波段对比法......................................................43

5.6地面辐射校正..........................................................43

5.6.1太阳辐射校正....................................................43

5.6.2地形辐射校正....................................................44

5.6.3其他辐射误差校正.................................................44

5.7图像几何误差的主要来源.................................................45

5.8几何精校正............................................................46

5.8.1基本原理........................................................47

5.8.2几何精校正步骤..................................................47

5.8.3准备工作........................................................47

5.8.4图像中控制点(GCP).....................................................................................47

5.8.5地面控制点坐标的确定.............................................47

5.8.6地图投影........................................................47

5.8.7建立纠正变换函数................................................48

5.8.8重采样..........................................................48

5.8.9多图像几何配准...................................................49

第六章图像变换................................................................49

6.1傅里叶变换............................................................50

6.1.1基本概念........................................................50

6.1.2图像的傅里叶变换.................................................50

6.1.3快速傅里叶变换...................................................52

6.1.4频率域图像......................................................52

6.1.5傅里叶变换流程...................................................52

6.2主成分变换(K-L变换).................................................53

6.2.1基本算法........................................................53

6.2.2主成分变换基本性质...............................................54

6.2.3主成分分析的目的................................................54

6.2.4主成分变换流程..................................................54

6.2.5K-L变换的特点...................................................54

6.3缨帽变换...............................................................54

6.3.1基本原理.........................................................54

6.3.2MSS图像的缨帽变换...............................................56

6.4代数运算...............................................................56

6.4.1加法运算........................................................56

6.4.2减法运算........................................................56

6.4.3乘法运算........................................................57

6.4.5归一化指数.......................................................57

6.4.6植被指数........................................................57

6.4.7归一化植被指数..................................................58

6.5彩色变换...............................................................58

6.5.1HIS变换.........................................................58

6.5.2彩色变换的应用..................................................58

第七章图像滤波................................................................59

7.1概述...................................................................59

7.2空间域和频率域滤波....................................................60

7.2.1空间域滤波......................................................60

7.1.2频率域滤波......................................................61

7.3图像平滑...............................................................61

7.3.1图像噪声.........................................................61

7.3.2均值滤波.........................................................62

7.3.3中值滤波.........................................................62

7.4图像锐化...............................................................64

7.4.1图像锐化（边缘增强）.............................................64

7.4.2Sobel算子.......................................................66

743拉普拉斯算子（零交叉算子）.......................................66

7.4.4LOG算子——高斯拉普拉斯算子....................................67

7.4.5Prewitt算子.....................................................67

7.4.6Kirschoperator...............................................................................................68

7.5频率域滤波............................................................68

7.5.1,频率域增强原理..................................................68

7.5.2,频率域平滑滤波器（低通滤波）.......................................69

7.5.3,频率域锐化滤波器（高通滤波）.......................................71

7.5.4,同态滤波（改善图像质量）............................................71

7.5.5.频域技术与空域技术...............................................72

第八章图像分割................................................................74

8.1图像分割...............................................................74

8.1.1图像分割概念.....................................................74

8.1.2图像分割的基本策略...............................................74

8.1.3图像分割有三种不同的途径.........................................74

8.2灰度阈值法............................................................74

8.2.1直方图阈值法....................................................75

8.2.2自适应阈值法.....................................................75

8.2.3分水岭算法......................................................75

8.2.2边缘连接........................................................77

8.2.3梯度图像阈值化..................................................77

8.4区域生长方法......................................................78

8.4.1原理.............................................................78

8.5区域分割方法......................................................78

8.5.1简单区域扩张法...................................................78

8.5.2统计假说检测法...................................................79

8.5.3试探法............................................................79

8.6数学形态方法......................................................79

8.6.1基本概念........................................................79

8.6.2腐蚀与膨胀......................................................79

8.6.3开运算和闭运算..................................................80

8.6.4腐蚀与膨胀的变种.................................................81

8.6.5距离变换........................................................81

8.6.6边界曲率分析....................................................81

第九章遥感图像分类............................................................82

9.1概述...................................................................82

9.2相似性度量............................................................82

9.3工作流程...............................................................84

9.4非监督分类法..........................................................86

9.5监督分类法............................................................87

9.6其它分类方法..........................................................88

9.7分类精度评价与分类后处理..............................................88

9.8图像分类的相关问题....................................................89

第一章绪论

1.1图像

1.1.1图像和遥感数字图像

图像是对客观存在的物体的一种相似性的、生动的写真或描述（RC冈萨雷斯，2003）o

可见VHR.（国用、陶片、京描、油画♦》

.人眼梯豫的可视性不用光图*，C率外峋、红外罐、微装或微）

不可见图像

■anarjBr

不力见立*位分布图,压力好

声杳♦像

.r空间坐标和舞阳S

r堡报卬集"计算机无法纯现

(Analog)

圈你的明可见图像

空同色标L

惊字KI像空间坐标删MT不建矮

(Dlgltel)适宜计售机存储和舱理

I不H皿图・

模拟图像和数字图像

模拟图像（光学图像）：

空间坐标和明暗程度连续变化的、计算机无法直接处理的图像，属于可见图像。可以用连

续的数学函数来表达。>)

数字图像：

用计算机存储和处理的图像，空间坐标和灰度均不连续、以离散数学原理（矩阵）表达的

图像。在计算机内部，数字图像表现为二维阵列（网格），属于不可见图像。

一幅图像可定义为一个二维函数f（x,y）,其中x和y是空间（平面）坐标，而在任何一

对空间坐标（x,y）处的幅值f称为图像在该点处的强度或灰度。当x、y和灰度值f是有限的离

散数值时，我们称该图像为数字图像。

数字图像的矩阵表示单波段多波段——矩阵！!

1.1.2遥感数字图像

遥感数字图像（RemoteSensingDigitalImage）：指以数字形式表达的遥感影像。存储

在硬盘或光盘中，区别于以摄影胶片存储的遥感模拟图像（光学图像）。（像素值:亮度值，灰度

值QN值）。

###DN值（DigitalNumber）是遥感数字图像中的像素值，又称为亮度值或灰度值。

（无单位，是一个整数值，值大小与传感器的辐射分辨率、地物发射率、大气透过率和散射率

等有关）反映了传感器探测到的地物反射或辐射电磁波的强度。

同一物理过程获取的两景图像

DN值（如TM或SPOT获取的不同波段图像）

，经过标准化处理后的不同物理过程获取的两景图像

遥感数字图像及其特点

1）便于计算机存储和处理；

2）图像信息损失低（在获取、传输和分发过程中质量并不降低）；

3）抽象性强，用数字形式表示，便于建立分析模型，进行计算机解译和运用遥感图像

专家系统。

1.2遥感数字图像处理

索Ia«辄।

1.2.1遥感数字图像处理:利用计算机图像处理系统对遥感图像中的像素进行操作的过程。

遥感数字图像处理从信息处理、自动控制信息论、计算机科学、数据通讯、电视科学等学科

脱颖而出，成为遥感图像信息获取、传输、存储、变换、显示、判读与应用的一门新兴交叉

学科。

遥感数字图像处理的主要内容：

（1）图像增强

增强过程本身不会增加数据中原有的信息内容，仅仅是突出了特定的图像特征，使图

像更容易理解、解释和判读。

（2）图像校正（辐射校正、几何校正）

也称图像恢复、图像复原，主要包括辐射校正和几何校正。目的是使图像信息能够正

确地反应实际地物信息或物理过程。

（3）信息提取（图像分割、分类）

根据地物光谱特征和几何特征，确定不同地物信息的提取规则。在此基础上，利用该

规则从校正后的遥感数据中提取各种有用的地物信息。主要包括图像分割、分类等方法，处理

结果为分类专题图。

1.2.2遥感数字图像处理系统

硬件系统

>数字化器（数码相机、数码摄像机、扫描仪）

>大容量存储器（磁盘、光盘）

>显示与输出设备（打印机、绘图仪）

>操作台

软件系统

>ERDASIMAGE最突出的特色是专家模型系统、可视化建模工具以及与ArcGIS软件

的高度集成。

>ENVI（theenvironmentforvisualizingimage）最突出的特色是具有丰富的高光谱数

据处理工具和内嵌的IDL开发语言。

>TITANIMAGE北京东方泰坦科技股份有限公司

国内唯一的专业遥感空间信息软件平台。

1.3数字图像处理的发展和两个观点

（1）离散方法

•数字图像的存储和表示均为数字形式，数字是离散的。

•空间域（x,y）（点运算算法-灰度变换、直方图修正；邻域去噪算法-图像平滑、锐

化等）。

•以图像平面本身作为参考，直接对图像中的像素进行处理。

（2）连续方法

我们感兴趣的图像源自物理世界，服从可用连续数学描述的规律，具有连续性。

频率域（频率：像素值的变化程度）（高通滤波、低通滤波等）

基于傅里叶变换，频率域的图像处理是对傅里叶变换后产生的反映频率信息的图像

进行处理。

第二章遥感数字图像的获取和存储

2.1遥感图像的获取和数字化

2.1.1遥感系统

遥感是遥感信息的获取、传输、处理以及分析判断和应用的过程。

遥感系统主要由以下四大部分组成：

信息源；信息获取；信息处理；信息应用

1）信息源

信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电

磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性，这就为遥感探测

提供了获取信息的依据。

2）信息获取

信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。

信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。

遥感平台是用来搭载传感器的运载工具，常用的有气球、飞机和人造卫星等；

传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备，常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。

3）信息处理

指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技

术过程。

通过对遥感信息的校正、分析和解译处理，掌握或清除遥感原始信息的误差，梳理、

归纳出被探测目标物的影像特征，然后依据特征从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。

4）信息应用

专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。

遥感的应用领域十分广泛，最主要的应用有：军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地

图测绘、环境监测以及城市建设和管理等。

2.1.2传感器

传感器是收集、量测和记录遥远目标信息（电磁波辐射能量信息）的仪器，是遥感技术系统的

核心。

传感器一般由信息收集、探测系统、信息处理和信息输出4部分组成。

2.1.3传感器分类

1.按平台分：地面遥感、航空遥感、航天遥感数据。

2.按传感器的工作方式分：主动遥感、被动遥感数据。

被动遥感:不利用人工辐射源，而是直接接收与记录目标物反射的太阳辐射或者目标物

本身发射的热辐射和微波。

主动遥感：也称有源遥感，即遥感系统本身带有辐射源。利用人工辐射源从平台上先向目上

标发射电磁辐射，然后接收和记录目标物反射或散射回来的电磁波。遥感系统本身带有辐

射源

雷达成像（主动）

雷达发射机对地发射微波脉冲，接收机接收由地物反射回来的微波脉冲信号，并记录在胶

片或磁带上即形成雷达对地观测图像。

3.按数据的记录方式分：成像方式、非成像方式。

非成像传感器：记录目标物发射或反射的电磁辐射的各种物理参数，最后资料为数据或曲

线图。如激光测距仪、微波辐射计等

成像传感器：将接收的目标电磁辐射信号转换成图像，是目前最常见的传感器类型。4.

按成像原理分：摄影成像、扫描成像

1）摄影方式的传感器主要是摄影机。

如果用数码相机进行摄影，那么可以直接产生数字图像。

机理：卤化银物质在光照下会发生分解，地物明暗变化导致摄影图像上卤化银物质光化

分解程度的差异和金属银沉淀密度大小的差异；影像明暗变化和差异与地物反射或发射电磁

波强弱有密切关系。

2）扫描成像：扫描成像的传感器逐点逐行的收集信息。各点的信息按一定顺序先后

进入传感器，经一段时间才能收集完一幅图像的全部信息。

原理：通过探测器将扫描获得的地物电磁波辐射转变成电能，再由处理器对电能信号

（视频信号）进行放大、变换、校正、编辑等处理，再经过电-光变换记录在胶片上形成模

拟图像，或经过A/D转换、采样、量化、编码处理，记录在磁带上，形成数字图像。

2.1,3.4扫描成像分类

直接扫描成像：红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、多频段频谱仪

瞬间成像然后扫描：CCD扫帚式扫描仪、电视摄像机

按扫描方式又可分为：目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。

/1）目标面扫描的方式

目标面扫描的方式包括光学-机械扫描仪、成像雷达等，其收集系

统直接对目标面（一般是地面）扫描，一点一行顺序收集目标面上各单

元（可看成一点）的信息，然后拼成一幅图像.

，2）影像面扫描的方式耦合'

影像面扫描的方式包括电视摄像机和固体扫描仪等.这类传感器

的收集系统不直接对地面扫描，而是先用光学系统将目标的辐射佶息

在靶面上聚焦形成一幅影像，然后利用摄像管中的电子束对靶面扫描

来收集其数据，或依靠CCD（ChargeCoupledDevice,电荷祸合器件）

组成的阵列进行电子扫描来获得数据.

2.1.4电磁波

电磁波：当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发涡旋电场，变化的电场激发涡旋磁场，使电磁

振荡在空间传播。

电磁波谱：按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来。

可见光

紫外线：波长范围为0.01~0.38nm,太阳光谱'审波臾有

0.3~0.38|am波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。

可见光：波长范围：0.38~0.76um,人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重

要波段。

红外线：波长范围为0.76~1000Hm,根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。微

波：波长范围为1mm~1m,穿透性好，不受云雾的影响。

注意：

1.实际的波谱是连续的，波段的划分是相对的。

2.任何物体，只要温度大于绝对零度，都能反射、发射、吸收电磁波。（图见下页）

不同光谱波段的遥感应用

光谱波段(nm)应用

始色(450~500)水,土地利用，植被特性，泥沙

球色(500-600)健康植被

就色(600~700)红色,叶绿素吸收的楂被判别

个色(500~750)Mffl.I:地利Hl.立体相片

反射红外(760400)生物最.作物判别，上堰一作物，叱

地一水域的边界

中红夕M1.5X103T.75X103)植物,TY,云，雪一冰的判别

中红外(2.OX1O3~2.35X1O3)地原学应用，岩石

热”外(1.0X104~1.25X104)相对温度.热流量,植被分类，含水量

研究,热惯量

微波一短波(1.0X106-5.0X107)枳雪,韦深，植物含水量

微波一K波(5.0X107*2.4X108)融雪,土壤含水裁.水域一附地的边

界：穿透植被

2.1.5传感器得分辨率

2.1.5.1光谱分辨率：传感器记录的光谱中特定波长的范围和数量。

波长范围越窄，光谱分辨率越高；波段数越多，光谱分辨率越高，地物越容易被区分。

SpectralResolution

>no.ofspectralbands

.SPOTHRG.LandsatETM*and

TERRAASTER

B0MsHRGETM+ASTER

VrsiblfG.RB.GRG.R

mSEi

126~

Thermal15

JR

2.1.5.2空间分弗

遥感数据类型，分辨率/m，应用

1KONOS城市规划、土地管理。

SPOT-HRV1■“26宏观规划、国土资源P

SPOT-HRVPan-1(X立体量测，

ETM1-5,7。3d陆地资源调查n

ETM6.”6(K地面热性质调查,

ETMPam15，规划、管理。

Landsat-MSS4-7^8d陆地资源调查。

Radarsat-SAR-kP

Seasat-VIR^2a海洋调查.，

Seasat-SAR。16海洋调查J

P

JERS-VN即3。

P

JERS-SWR6a

NOAA-AVHRR.15。P

2.153辐射分辨率：传感器区分反射或发射的电磁波辐射强度差异的能力。

在遥感图像中，图像的量化位数可以看作是辐射分辨率的近似表述。

高辐射分辨率意味着可以区分信号强度的微小差异。

RadiometricResolution

RadiometricResolution

时间分辨率对于动态监测与预报尤为重要。应根据不同的目的，选择不同的时间分辨率。

RemoteSensorDataAcquisilicn

June1.2004■June17.2004.July3,2004

根据周期的长短，时间分辨率可分为3种：

超短(短)周期时间分辨率，可以观测到一天之内的变化，以小时为单位--气象监测。中

周期时间分辨率，可以观测到一年内的变化，以天为单位--植被动态监测。

长周期时间分辨率，一般以年为单位--自然现象演化化UCC)。

2.1.6采样与量化

概念：图像数字化的过程，就是把一幅遥感模拟图像划分成规整的格网单元或像素，并赋予每一

像素一整数值，以表征其灰度值的大小。

通过成像方式获取的图像是连续的，

豆数字化后才能产生数字图像：

传感器一采样一量化数字图像-----►地面站

l(x,y)=*g(x,y))

f：采样和量化函数

布的信息，所以采样是布乂轴和y钟亍向上进行。一般来讲,

两个方向的采样间隔相同。采样间隔越小，图像越接近真实，但采样成本及后期处理的成本也

越高，图像存储所需空间也越大。

模拟图象若在X方向采M个点，y方向采N个点，就可得到M*N个点的数字化图象的形式。

图像采样网格图

正三角脂点降

像无

/XAAA

正三角形点阵

（粗姻五三施制iftK）

（U）点方缗，依阵（f>J正A角彩点阵（<）正三角形点用

出埠采样点外形式

量化：以有限的整数值表示图像的灰度和灰阶数

二值图像：量化值只有0、1两个量（黑白图像）；

灰度图像：一般量化为256个灰阶，即0-255,单字节记录；

编码彩色图像：图像编码为256种彩色，即0~255,每一编码代表一种颜色；

真彩色图像：分别对应红、绿、蓝三个波段，每一波段有256个灰阶，最多允许的

色彩数224=1.67/107种

图像数据量：行数（M）x列数（N）x灰阶数（G）x波段数（D）

充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为8bit・化g

即用0-255描述“黑一自”.在3bit以下的量化，会出现伪轮廓现象。

量化级数越大，量化后的图像越接近于真实，但图像占用的存储空间也越大。