遥感导论 第四章

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1、第四章 遥感图像处理, 光学原理 数字图像的校正 数字图像增强 多源信息复合,1、光与色有什么不同？ 2、你知道的颜色模型有哪些？ 3、彩色变换的方法有哪些？,第一节 光学原理,1、光和颜色,光是色的源泉 色是光的表现,颜色是人的视觉系统对可见光的感知结果，感知到的颜色由光波的波长决定。,亮度对比：视场中对象与背景的亮度差与背景亮度之比 C=（L对象-L背景）/L背景,颜色视觉,颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色相互影响。,2、颜色模型（1）HLS,颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述 明度（Lightness, 强度, Intensity） 色调（Hue） 饱和度(Saturation)

2、,明度,彩色纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。,不完全饱和 完全饱和 不完全饱和,黑白色只用明度描述，不用色调、饱和度描述。,饱和度,HLS模型颜色立体 色调在0到360度的标准色轮上，色相是按位置计量的。 饱和度用色相中灰色成分所占的比例来表示，0%为纯灰色，100%为完全饱和。 明度是指颜色的相对明暗程度，0%定义为黑色，100%定义为白色。,颜色立体 任何颜色都可以用三个坐标值：色调、明度、饱和度表示。,2、颜色模型（2）RGB,加色法原理, 三原色： 红、绿、蓝。 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。,红绿黄 红蓝

3、品红 蓝绿青 红蓝绿白,RGB模型 (Red, Green, Blue),RGB模型为图像中每一个像素RGB分量分配一个0255范围内的强度值。例如： 纯红色R值为255，G值为0，B值为0； 纯绿色G值为0，G值为255，B值为0； 纯蓝色B值为0，G值为0 ，B值为 255 ； 灰色的R、G、B三个值相等（除了0和255）； 白色的R、G、B都为255； 黑色的R、G、B都为0。 RGB图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上重现16777216种颜色。,3、彩色变换,彩色的视觉分辨能力比黑白高，方法： 单波段的彩色：密度分割 多波段的彩色：彩色合成 HLS变换,概念：

4、单波段黑白遥感图像可按亮度分层，对每层赋予不同的色彩，使之成为一幅彩色图像。这种方法又叫密度分割。,（1）单波段彩色变换（假彩色密度分割）,分层方案的确定：分层方案与地物光谱差异对应合适，可以较好地区分地物类别。,以不同的色彩表示图像的色调变化，增强了图像的显示能力 同一地物或现象可能被分割成两种不同密度并以不同的颜色显示出来，或同一色彩却表示两种以上不同的地物，造成判读错误。,效果分析,（2）多波段色彩变换,概念： 依照加色法彩色合成原理，选择遥感影像的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三原色，合成彩色影像 合成方案：真彩色合成、假彩色合成,例如： TM：Band3、2、1 display as

5、 RGB，称为真彩色合成。 TM：Band4、3、2 display as RGB，称为标准假彩色合成。,多光谱TM影像 TM1：0.45-0.52微米，蓝波段 TM2：0.52-0.60微米，绿波段 TM3：0.63-0.69微米，红波段， TM4：0.76-0.90微米，近红外波段 TM5：1.55-1.75微米，中红外波段 TM6：10.4-12.5微米，热红外波段 TM7：2.08-2.35微米，中红外波段, HLS变换是从RGB模式转换到HLS模式，是颜色从RGB数学表达到另一种数学表达的定量化转换过程。,（3）HLS变换, RGB是从物理学角度出发描述颜色，HLS则是从人眼的主观感

6、觉出发描述颜色。该模型是目前使用较为广泛的融合方法。, 在HLS域，亮度L分量与地物表面粗糙度相对应，代表地物的空间几何特征，色调H分量代表地物的主要频谱特征，饱和度S表征色彩的纯度。,变换前红、绿、蓝各波段归一化0，1亮度值表示为：Lr、Lg、Lb，三者中最大为Lmax ，最小为Lmin,遥感影像色彩与反射率的对应 传感器接收电磁能量，用化学方法、光电转换 方法将能量记录下来。但是无论是胶片上各点 化学反应的程度、还是数字记录，人还是无法 直接从中快速获取信息。 因此，人们通过一定的规则：对记录介质上 的记录值与色彩之间建立对应关系.,遥感影像对应颜色的法则： 单个工作波段上的影像显示为黑白

7、影像: 反射率大明亮的白色，反射率小近黑色的灰色，反射率居中不同程度的灰色表示。 单个工作波段上的影像表示为某种不同明度的颜色:用某种颜色的不同明实现，明亮度反射率最低，明亮度大反射率高，不同程度明亮度代表中间过度的反射率。 单个工作波段上的影像表示为彩色: 反射率越大越明亮的色彩，反射率越小明亮度越小的色彩。 三个工作波段的影像可以叠加显示为彩色：利用三原色原理，三幅影像分别对应三原色叠加在一起。,1、卫星上的传感器所接受的信号除了地物直接反射的信息外，还混入了其他途径来的辐射，需要做辐射校正把它们去掉。请分析有几种其他辐射进入传感器。有哪些校正方法？ 2、介绍回归分析方法。 3、如果不作几

8、何校正，遥感影像有什么问题？ 几何校正分哪几步进行？ 4、什么是最小二乘法？,4.2.1 数字图像 4.2.2 辐射校正 4.2.3 几何校正,第二节 数字图像的校正,4.2.1数字图像,数字图像：光学图像是模拟量，经采样和灰度级量化后成为数字量数字图像。光学图像是连续的，而数字图像是离散的。 一般，灰度值从0到255，共有256级灰阶。 数字图像的表示：矩阵函数,数字图象,HOME,1,进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值（灰度值）。辐射强度大，亮度值（灰度值）就大。 该值主要受两个物理量影响：一是太阳辐射照射到地面的辐射强度，二是地物的光谱反射率。,4.2.2辐射校正（Radiome

9、tric correction ）,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。,传感器仪器本身产生的误差 仪器系统工作产生的误差导致了接收的图像不均匀，产生条纹和噪声。 主要表现：灰度失真疵点、离散的灰点、条状和环状干扰、亮度边缘值缺失等亮度失真。,大气对辐射的影响 由于大气吸收、散射作用，大气会消弱原信号强度；同时部分散射光、反射光直接或间接进入传感器，成为干扰信息。 最终表现为：减少了图像的对比度，图像具有灰雾状。,引起辐射畸变的原因：,1.大气影响的定量分析 ： 2.大气影响的粗略校正：,1.大气影响的定

10、量分析 对传感器接收影响较大的是吸收和散射。 到达传感器的辐射亮度： 太阳经大气衰减后照射到地面，经地面反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量； 透过率小于1（L1） 各个方向散射光又以漫入射照射地物，经地物反射进入传感器。(L2) 各个方向散射光直接进入传感器。(LP) 程辐射度 进入传感器的辐射能的组成： L=L1+L2+LP,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。,2.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:,数字图像直方图：以每个像元为单位，横坐

11、标代表像元灰度级，纵坐标代表每一灰度级内像素占总像素数的比例。 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。,直方图,（）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零的地区（阴影、深海水体），而事实上并不等于零,此值应该是程辐射度值。将每一波段中每个像元值都减去本波段的最小值可消除程辐射度影响。最小值从直方图中发现。,调整前直方图,调整后直方图,亮度值,亮度值,像元数百分比/%,像元数百分比/%,基本思想： 以红外波段最低值校正可见光波段。把红外图象当作无散射的标准图象。,一般来说，大气影响

12、散射主要影响短波部分，其强度随波长的增加而减小，到红外波段可能接近于零。把它作为无散射影响的标准图像，通过对不同波段图像的对比分析来计算大气影响。,（2）回归分析法,回归分析校正法,红 外 波 段,操作方法： 令红外波段为a波段，其他波段的最小值一定比a波段的大，设为b波段。两波段的像元亮度间具有相关性，以a波段亮度作为自变量、b波段亮度作为函数，作 2维散点图进行线性回归分析。所得的截距被当做为波段b中所具有的程辐射度。 回归方程为： y=a4+b4x；大气改正截距a4,所 求 波 段,思考 为什么要进行图象的几何处理? 几何处理的内容是什么?,4.2.3几何校正, 我们得到的图象一般是未经

13、几何处理的图象，不能直接应用，必须将其投影到需要的地理坐标系，对图象进行几何纠正和我们所需要的坐标系一致。研究遥感图像几何变形的前提是必须确定一个图像投影的参照系统，即地图投影系统。 遥感图像成图时，由于各种因素的影响，图像本身的几何形状与其对应的地物形状往往是不一致的。,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。 由于传感器自身的性能技术指标偏移标称数值所造成的。 2）地形起伏的影响：产生像点位移。 3）地球表面曲率的影响：像点位置的移动 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。,（1）、卫星姿态引起的图像变形

14、,位移变化,高度变化,速度变化,偏航变化,俯仰变化,侧翻变化,(d),(d ),(d ),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。h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。 地球曲率的变形图示,（3）地球表面曲率的影响,大气密度分布从下向上越来越小，折射率也不断变化，折射后的辐射传播不再是直线而变成了曲线，从而引起像点的位移。,（4）大气折射的影响,卫星自北向南运行的同时，地球自西向东自转，相对运动使卫星的星下点位置逐渐向西平移，最终使得图像发生扭曲。,（5）地球自转的影响,几何粗校正：针对卫星运行和成像过程中引起的几何畸变进行的校正，仅作系

15、统误差校正。 几何精校正：消除图像中的几何变形，产生一幅符合某种地图投影或图形表达要求的新图像,2 几何畸变校正,遥感图像的几何处理包括两个层次。 第一是遥感图像的粗加工处理； 第二是遥感图像的精加工处理。,精校正基本原理：利用图像坐标和地面坐标（另一图像坐标、地图坐标等）之间的数学关系，即输入图像和输出图像间的坐标转换关系实现。,具体步骤 ： 1）像素坐标的变换 （利用数学模拟多项式来描述） （从理论上讲，任何曲面都能用适当高次的多项式来拟合。） 2）计算每一点的亮度值。,1）数学模拟二元n次多项式, 需找6个已知对应点，这些已知坐标的对应点为控制点。 代入控制点求出坐标变换函数式的系数，确立坐标变换函数式,常采用：二元二次多项式,1）最近邻法：距离实际位置最近的像元的灰度值作为输出图像像元的灰度值,2）确定每点的亮度值原图像对应点的亮度,2）双线性内插：取采样点周围4个像元的值参与计算，先计算X方向（或Y方向）上线性内插，所得到的两个内插值再进行Y方向（X方向）上一次内插。,（g1）（ ）,3）三次卷积内插：取采样点周围16个像元的值参与计算，先对X方向上的像元值进行卷积运算，再对所得到的4个值进行Y方向上的卷积运算。,a=x-i,邻近点对投影点的权重，表示邻近点到投影点的距离, 最近邻法计算量最小，但处理后