数字图像处理重点内容提要

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1、1数字图像处理重点内容提要第一章 概述1.什么是图像？粗略地讲，图像是某一个二维或三维景物呈现在人们心目中的影像；确切地讲，图像是光辐射能量照在物体上，经过物体的反射或透射，或由发光物体本身发出的光能量，在人的视觉器官中所重现出的物体的视觉信息。2.数字图像：最小单位，两个特征（空间位置特征、属性特征）数字图像：用离散的数字表示的图像 I=I（r ，c ）在计算机中用二维矩阵来表示。把图像按行与列分成 mn 个网格,每个网格称为图像的一个像素。数字图像的最小单位是像素（像元）像素（像元）具有空间位置特征和属性特征【空间分辨率】：指在水平方向和垂直方向上共分为多少格（点） ，记为 MN。（同一幅

2、图像，分辨率越高，图像质量越好）【灰度分辨率】：指象元亮度（灰度）层次的多少，常称为灰度级，记为 2n，如 28=256 个灰度级。 （颜色数越多,用以表示颜色的位数越长, 图像颜色就越逼真。 ）【空间频率】：图象明暗变化的快慢，空间频率高表征图象的细微变化(细节) ，反之则表示图象中大的物体。本概念是图象处理中频域处理的基础。【数字图像的分类】： 按亮度等级：二值图像和灰度图像（二值图像灰度值仅有 0 和 1 组成） 按色调：黑白图象和彩色图象（彩色图像每一点的灰度值有好几个分量构成，如R、G、B；然后这几个分量的灰度值叠加形成彩色图像。黑白图像每一点的灰度值只有一个） 按内容和变化性质：静

3、止图像和活动图像 按所占空间维数：二维平面图像和三维、多维立体图像等。 从人的视觉效果分：可见图像（由可见光形成，能为人的视觉系统所直接感受）和不可见图像（不能为人眼所直接感受，但通过能量转换和相应的显示装置变换后，可以为人的视觉所感受。如 X 光透视图象、红外电视图象、微波辐射计以及 B 型超声诊断仪上所显示的图象等。 ）3.采样和量化的定义【模拟图像数字化】：包括采样和量化两个过程【采样】将空间上连续的图像变换成离散点的操作，即位置的离散化。将模拟图像按纵横两方向分割为若干个形状、大小相同的像元，各像元的位置由其所在的行和列表示。【量化】将像素灰度转换成离散的数值的过程，即灰度的离散化量化

4、参数灰度级数：一幅数字图像中不同灰度值的个数称为灰度级数，用 K 表示。一般来说，K=2 n。8 位灰度图像，有 256 个灰度级别。除了纯黑与纯白之外，其他颜色介于黑和白之间的灰色。4.数字图像处理过程的几个特点：信息量大、数据量大、重复性运算大、处理技术综合性强【图像处理】：为了从图像中观察到更多更清晰的信息，得到更好的利用，要对可能模糊不清或发生了畸变等等的原始影像进行技术上的处理，这种处理技术就称为图像处理。2光学图像处理，又称为模拟图像处理。数字图像处理，又称为自动图像处理，或计算机图像处理（发展趋势：数字图像处理）1) 利用计算机对数字图像进行各种目的的处理2) 将图像转化为另一种

5、加工的图像：图像到图像的过程3）将图像转化为非图像的表示：分析、识别与理解的过程5.什么是遥感？根据遥感平台，可以分为哪几类？【遥感图像处理】是数字图像处理中的特殊分支。数字图像处理中的常用处理和分析技术是遥感图像处理的基础。遥感图像由于其自身成像的特点和特殊的行业应用，又有许多独特的处理方法，如辐射校正、几何校正、融合、镶嵌和分类等。【遥感】遥远的感知在远离地面的不同运载工具上（高塔、气球、飞机、火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等） ，运用探测仪器（传感器） ，对地表各种物体的电磁波信息进行探测成像，并且经过信息数据的传输、处理、分析, 对地球资源与环境进行探测和监控的综合性技术。【根据遥

6、感平台分类】：遥感中搭载传感器的工具统称为遥感平台。地面平台：高度 0-50m 范围内，包括车、船、塔三脚架、遥感塔、遥感车等对地观测，研究中应用较少。航空平台：高度在 100m-10 多 km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等.航天平台：高度在 150km 以上。航天遥感平台目前发展最快，应用最广。根据航天遥感平台的服务内容，可以将其分为气象卫星系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列。【遥感成像原理】：遥感系统组成三要素：目标物体、从目标物体传过来的光线、感受光线的传感器【遥感图像的基本描述】：与采样相关： 谱分辨率：遥感器在接收目标辐射的光谱时，实际能分辨的最小波长间隔。3 频谱采样率：遥

7、感器在接收目标辐射时，对光谱进行采样时的最小波长间隔。与量化相关： 辐射分辨率：传感器在接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。 辐射采样率：对传感器接收信号进行量化时，每个像素所采用的比特数。第二章 遥感图像数据基础1.遥感图像的基本原理：反映地物的平均电磁波辐射水平、数值大小变化由于地物类型变化引起遥感图像反映了与之相对应的地面某一个区域内，地物的平均电磁波辐射水平，而地物反射或发射电磁波能量的大小又直接与地物的类型有关。遥感图像数据数值的大小及其变化，主要是由地物的类型及其变化所引起的。遥感的基本原理就是通过分析遥感图像数据数值的大小与变化规律，来有效地识别不同的地物。2.电磁波谱的定义电

8、磁波理论是遥感的物理基础。遥感中经常使用的可见光、微波以及红外线等都是电磁波。【电磁波谱】：不同的电磁波其波长各不相同，将各种电磁波按照波长的大小范围，依次排列成图谱，这个图谱就是所谓的电磁波谱。【电磁波段】：将连续的电磁波谱人为地划分成若干区段。波长由短到长依次为 射线、x 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。【紫外线】：大气吸收强烈，大气透过率低，不易于高空遥感；主要用于探测碳酸盐分布和油污染监测。可见光、红外线、微波是遥感中常用的三大波段。【可见光】：由红、橙、黄、绿、青、篮、紫色光组成。遥感的常用波段，作为鉴别物质特征的主要波段，既可采用摄影方式也可以用扫描方式记录地物的特征。【红

9、外线】：可分为近红外、中红外、远红外和超远红外 4 个光谱段。用于探测地物的热辐射（热污染、森林火灾） 。红外线在云、雾、雨中传播时，受到严重的衰减，因此红外遥感不是全天候遥感，不能在云、雾、雨中进行，但不受日照条件的限制。【微波】：（1mm1mm ）由于波长长，能穿透云、雾而不受天气影响，所以能全天侯全天时的遥感探测，常被用来探测被冰雪、植被、沙土所遮掩的地物。【大气对电磁波传播的影响】： 大气散射：悬浮在空气中的粒子（分子、尘埃、烟尘、水滴等直径不同的粒子） ，引起电磁波能量方向的改变，干扰了传感器的接接收。 大气吸收：主要是水汽、臭氧等有强烈吸收作用，结果造成遥感图象暗淡。 大气反射：电

10、磁波传播过程中，若通过两种介质的交界面，发生反射现象。地物反射或发射的电磁波在到达传感器之前，必须穿过大气层，并受到大气层的影响。因此，需要选择能穿过大气层的电磁波段。 大气窗口：电磁波的某些波段几乎全部或大部分被大气中各种分子吸收，而一些波段则较少的被大气所吸收，就像打开的窗子。通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收、散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。对于传感器而言，传感器选择的探测波段应包含在大气窗口之内。才具有观测意义。否则，地物反射、发射的电磁波在穿越大气时就被衰弱了，传感器根本捕捉不到。3.地物波谱曲线区分地物的原理【地物波谱的特征】：不同地物由于其结构和成分的差别，其波长和反

11、射率之间的关系不4同，这种关系称为地物的反射光谱特征。以波长为横坐标，反射率为纵坐标，绘成的曲线图称为地物反射波谱曲线。不同地物的波谱曲线形状不同。相同的地物在不同的波段具有不同的波谱反射率，因此同一地物的波谱曲线随波长而起伏变化，常有多个峰点和谷点。波谱曲线特征的不同正是遥感能够识别地物的重要理论前提。不同地物不同波段在遥感图像上呈现不同的色调，这就是判读和识别各种地物的基础和依据；是传感器波段选择的重要依据；成像原理研究的重要基础资料；图象处理方法和方案选择的重要依据。【常见地物反射波谱特征】：1、 水的光谱特征：低反射高透射，对光的主要作用是吸收，故在影象上一般都偏黑。自然界中的水体反射

12、率偏高，是因为水底和水中悬浮物藻类及泥沙的影响。雪是一种固态的水，其反射波谱曲线与水有很大的差异。2、 绿色植物光谱特征：可见光（0.4-0.76m）：可见光绿光波段 0.55m 附近绿光处有一小反射峰，两侧 0.45m 蓝和 0.67m 红是两个吸收带，所以叶片呈现绿色。进入近红外波段（ 0.7-0.8m）红外反射率急剧上升，在 0.8 微米达到顶峰，这区间反射率曲线很陡峻，几乎为近垂直的直线（植被红外陡坡效应） ，是植被独有的特征。到达顶峰后植被反射率变化平缓（0.8-1.2m） ，形成略有起伏的高平台（红外平台）1.4m 和1.9m 的近红外处是强烈的水吸收带，形成低谷。植被虽具有共同的

13、光谱特征，但是不同种属的植被在实际光谱曲线值上有差异。不同状态下同一类植物的光谱特征也会发生变化，比如正常绿色植物与衰老或病虫害植物的反射波谱曲线存在一定的差异。3、 土壤的波谱特征：其反射波谱特征受土壤的质地、氧化铁含量、有机质含量、湿度、颗粒大小、矿物成分、盐分和表土结构等因素影响，变化较大。但反射率总体是上升的。土壤反射特性取决于土壤的组成与表面状态（腐殖质含量越高，反射率越低，光谱曲线越低平；土壤湿度越大，反射率越低。 ）4、 城市地物波谱特征：城市建筑主要取决于建筑物顶所使用的材料。城市道路也决定于路面所使用的建筑材料。城市垃圾：包括工业垃圾和生活垃圾。【地物波谱特征总结】：时间效应

14、和空间效应 时间效应：指同一地区相同地物，其波谱特征随时间变化而产生的变化。 空间效应：同一时刻，同一类地物由于其所处的地理位置不同而引起的波谱特征的变化。利用波谱曲线识别地物：不同地物在相同波段具有不同的光谱反射率；相同的地物在不同的波段具有不同的光谱反射率，因此同一地物的光谱曲线随波长而起伏变化，常有多个峰点和谷点；同类地物反射率随入射波长变化的规律是相似的，即反射光谱相似，但是随着该地物的内在差异而有所变化；因而，可以根据传感器收到的电磁波反射光谱特征的差异来识别不同的地物。4.遥感数字图像的三大信息特征：时间特征、空间特征、光谱特征5【黑白图像】：物体的黑白代表了物体的光反射率的变化。

15、【对比度】：反应一幅图像中灰度方差的大小，对比度=最大灰度值/最小灰度值。【彩色的三特性】：（1 ）亮度：与光亮度以及物体表面的光反射率有直接关系。（2 ）色调：是彩色彼此相互区分的特征。（3 ）饱和度-是指彩色的纯洁性，单色光饱和度最高。【陆地卫星】：LANDSAT 系列（美国） 、SPOT 系列（法国） 、CBERS 系列（中国巴西） 、IKONOS（商用，美国） 、QuickBird（商用，美国）【遥感图像的分辨率】： 光谱分辨率：传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔，间隔越小，波段数越多，分辨率越高。 空间分辨率：像元所代表的相应地面范围的大小。表征图像分辨地面目标细节能力

16、的指标。如 MSS 图像的空间分辨率为 80m,TM 图像的空间分辨率为 30m，spot 图像的空间分辨率为 5m。 亮度分辨率：是指在一个波段中所记录的代表地物反射电磁波强度（表现为亮度或者灰度）的所有可能的数值。例如在字节长度为 8 位的文件中，像素的亮度值分为 256级，代表地物亮度的数值为 0-255 中的某一个值。 时间分辨率：对同一地点进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，即重访周期，能够提供地物动态变化的信息。【遥感图像 3 大信息内容】： 波谱信息：不同地物亮度值存在差异，同一地物在不同波段上的辐射值也存在差异，遥感图象上的这两种差异就构成了波谱特征信息，又称波谱信息。 空间（结构）信息：是亮度在空间上的变化特征，如图象上的点、线、边缘、纹理等，它们是地物识别的辅助标志。影响遥感图象空间信息的重要因素是遥感影象的几何分辨率，图象的几何分辨率越高，图象的纹理细节越清晰，图象的空间结构信息越丰富。 时间特征信息：不同时相遥感图象特征信