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1、第四章 遥感图像处理,一、遥感光学原理与光学处理,人对光的感应靠的是眼睛，在光亮条件下，人眼能分辨各种颜色，当光谱亮度降低到一定程度，人眼的感觉便是无彩色的，光谱变成不同明暗的灰带。,电磁波谱中0.38m0.76m波段能够引起人的视觉。,1、亮度对比和颜色对比,亮度对比：视场中对象与背景的亮度差与背景亮度之比。,选择适宜的对象及背景的亮度，可以提高对比，从而提高视觉效果,1、亮度对比和颜色对比,颜色对比：相邻区域不同颜色的相互影响,如品红的背景上放一块白纸，会感觉白纸呈绿色，如背景是黄色，白纸会呈现蓝色。,2、颜色的性质,颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述 色调（Hue）（相互区分）(红橙黄
2、绿青蓝紫） 明度（Lightness）（明亮程度，遥感影像中反映物体的反射率） 饱和度（Saturation）（纯洁程度）（波长是否窄，频率是否单一，是否混有杂光） 激光,改变像素的色彩值：色调,色彩三要素： H色调、S饱和度、 L明度,原图,H 色调Hue,改变像素的色彩值：饱和度,色彩三要素： H色调、S饱和度、 L明度,原图,S 饱和度：灰阶鲜艳,改变像素的色彩值：明度,色彩三要素： H色调、S饱和度、 L明度,原图,L明度 (lightness)：很暗 很亮,不同色调的亮度变化,相同色调的亮度变化,最亮,最暗,亮,暗,3、颜色空间,RGB空间 CMYK空间 颜色立体（HLS空间）,（1
3、）RGB空间,R：700nm，G：546.1nm，B：435.8nm 可生成256256256种颜色； 与显示器和扫描仪等设备密切相关,（2）CMYK空间,是彩色胶片的染料和油墨所形成的空间 CMYK空间覆盖的颜色范围比RGB空间窄，但有些却超出了RGB空间范围。,RGB空间,CMY颜色模型,（3）颜色立体（HLS空间）,明度为竖轴 饱和度为横轴 色调圈 （顺时针依次为红橙黄绿青蓝紫）,孟赛尔颜色立体,三原色：若三种颜色任何一种都不能由其它两种混合产生，这三种颜色按一定比例混合，可以形成各种颜色，则称之为三原色。（红绿蓝）,互补色：若两种颜色混合产生白色或灰色，这两种颜色称为互补色。绿是品红的
4、补色，蓝是黄的补色，红是青的补色,加色法：采用红、绿、蓝三种色光为基色，按比例混合叠加产生其它色彩的方法。,减色法：从自然光（白光）中减去一种或两种基色光而产生色彩的方法。,4、加色法与减色法,加色法三原色,减色法三原色,黑白图像,彩色图像,TM,TM1 蓝波段,TM2 绿波段,TM3 红波段,TM4 近红外波段,TM5 近红外波段,TM7 近红外波段,真彩色？：TM321,假彩色,TM432 TM741,色度图,色度图由 1931年国际色度学学术会议上确立，称作 CIE 1931 系统 如图：x轴(色度坐标)相当于红原色的比例，y轴(色度坐标)相当于绿原色的比例，图中没设蓝色度坐标z，因为x
5、yz1，所以知道了x和y，z便已知。 图中的弧形曲线代表光谱，线上每一点代表一种波长和光谱颜色，中心C点是白光点，即x=y=z=0.33，相当于正午太阳光。,色度图,（1）马蹄形范围内所包含的各点的颜色均可由真实光线叠加产生。,（2）任何颜色在色度图中都有确定的位置。,（3）周边代表色调，其他中间各点与中心C的连线表示饱和度。,（4）连接中心点c和M点并延长之与光谱轨迹相交，即为M的色调,（5）M与N连线上的点可由M和N两种颜色混合得到，K点颜色取决于 M和N的比例。 （6）过c点的直线与马蹄边缘交于m和n两点，则两点对应的光谱颜色互补,4、彩色的分解和还原 彩色分解就是对同一目标（或图像）分
6、别采用不同的滤光系统而得到不同波段（分光）图像的过程。 彩色的还原即彩色分解的逆过程，就是将分光底片通过不同的滤光系统，并准确地套合而得到彩色象片。,数字图像：能够被计算机存储、处理和使用的图像。 原理：将某一特定波长范围内地物的发射或反射能量做等间隔的量化，形成的一幅以数字形式表示每个像元明暗特征的图像。 数字图像直方图：以每个像元为统计单元，表示图像中各亮度值或亮度区间出现频率的分布图。,二、数字图像与数字图像直方图,直方图,数字图像,1、数字图像,图像信息 头文件信息（记录数据的属性，如行列数、波段数、数据获取时间、轨道参数等）,头文件信息,多波段图像的存储和分发方式： 按波段顺序(BS
7、Q). Band sequential 逐行按波段次序(BIL). Band interleaved by line 每个像元按波段次序(BIP) Band interleaved by pixel,光学图像与数字图像,光学图像又称作模拟量，数字图像又称作数字量，它们之间的转换称模-数转换(A/D转换），反之称数-模转换（D/A转换）。,模-数转换： 模拟量是个连续变量，在计算机上是不能被识别和处理，可通过数字化进行模-数转换。 可分为空间位置数字化和灰度值数字化两个步骤。,空间位置数字化（1-n）行（1-m) 列，灰度值取值(1-256),数字图像的特点就是其空间坐标和灰度取值都被离散化了，
8、即只能取确定的值，并且这些取值都只能是有限个值中的一个。 离散和有限，反映了数字图像的特征。,2、图像直方图表示图像亮度值和像元数关系。,特点 只反映各亮度值像元数，不能反映分布情况 一幅图像只能对应一幅直方图，一幅直方图可能会对应多幅图像。 可分区统计 可表现景物反差及景物反射率。,由直方图可以判断影像质量,三、辐射校正,进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值(灰度值)。辐射强度越大，亮度值(灰度值)越大。 该值主要受两个因素的影响：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。,辐射畸变,引起影像辐射畸变主要有两方面原因： （1）传感器本身产生的误差 由生产单位进行校正 （2
9、） 大气对辐射的影响。 用户校正,辐射畸变,1 大气的吸收和散射，减弱了原信号的强度。 2 散射光直接进入传感器程辐射度。 3 散射光经地物反射后进入传感器。 大气影响使图像对比度下降，影响图像质量,用户辐射校正通常是消除程辐射度的影响（粗略校正）,大气产生的影响,大气影响的粗略校正（数字图像的辐射校正）, 校正目的：消除程辐射度的影响 程辐射度主要来自米氏散射，在同一幅图像有限像元内是常数。 散射强度随波长增大而减小，到红外波段接近于零 校正方法 (1) 直方图法（最小值去除法）： 在一幅图像中总可以找到某种地物或某几种地物，其反射率接近于0，也就是说其像元值为0(山的阴影处，深海处的水体等
10、)。而在图像上其像元值不为0，这个值就是程辐射度的影响。将影像所有像元值减去这个值，就消除了程辐射度的影响。,（2）回归分析法 大气的散射对短波段的影响大，对长波段的影响小。对于红外波段而言受大气散射的影响很小，我们可以认为其不受大气散射的影响。 由于同一地区，不同波段影像的灰度值之间存在着线性相关的关系，这样，我们就可以以红外波段的影像为参考，通过分析来模拟出红外波段与其他波段影像灰度值之间的线性函数。,回归分析法：将影像范围内各个像元在可见光与红外波段的亮度值为纵横坐标，建立回归方程，其截距即为b波段应减去的亮度值。,红外波段,四、遥感数字图像的几何校正,当遥感图像在几何位置上发生了变化，
11、产生诸如行列不均匀，像元大小与地面大小对应不准确，地物形状不规则变化等畸变时，即说明遥感影像发生了几何畸变。,1 .遥感影像几何变形的原因,(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,俯仰,翻滚,偏航,(2)地形起伏引起的影响,(3)地球表面曲率的影响,(4)大气折光引起的影响,因为多数卫星在轨 道运行的降段接收图像，即卫星自北向南运动，这时地球自西向东自转。相对运动的结果，使卫星的星下位置逐渐产生偏离。偏离方向如图所示，所以卫星图像经过校正后成为图C的形态。,(5)地球自转引起的影响,(a)获得图像,（b）实际对应的 地面位置,（c）影像变形,2.遥感图像几何纠正,
12、基本思路 （1）校正前的图像看起来是由行列整齐、像元等间距，但实际上，由于某种几何畸变，图像中像元点间所对应的地面距离并不相等。 （2）校正后的图像亦是由等间距的网格点组成的，且以地面为标准，符合某种投影的均匀分布 （3）校正的最终目的是确定校正后图像的行列数值，然后找到新图像中每一像元的亮度值。,48,遥感数字图像的几何处理过程,校正函数以多项式方法最为普遍,49,确定纠正的多项式模型 选择若干个控制点，利用有限个地面控制点的已知坐标，解求多项式的系数 将各像元的坐标代入多项式进行计算，便可求得纠正后的坐标 位置进行变换，变换的同时进行灰度重采样 对结果进行精度评定,遥感图像多项式纠正的步骤
13、,直接法,间接法,3 - 多项式法纠正原理,建立变换前后两图像像元坐标之间的关系,(x,y)为纠正前影像的图像坐标，(u,v)为纠正后影像的像元坐标(地理坐标） 例：二次多项式：,选取原则 控制点应在图像上均匀分布 控制点在图像上应能精确定位 特征变化较大的区域应多选些 图像边缘部分一定要选取控制点，以避免外推,选择控制点(GCP),控制点具有双重坐标,-地面测量获得 。,-一般先在影像上选明显特征点，然后实地测量其地理坐标，最后用两套坐标求解前面多项式系数 。,求解方程的所需的控制点数：NUM(n+1)(n+2)/2 - n：二元多项式的次数 控制点选择应大于最小控制点数,利用最小二乘法求解
14、方程组,真值与变换值之差的平方和为最小,为使 最小，根据数值分析中求极值原理，需用上式对各个未知参数求偏导数。,经整理得6个联立得方程组(式1）,写成矩阵形式为,解方程，可以得出 的值。同理可以解出 的值。,一般 都不是整数，需插值,逐行计算纠正后图像中每个像素所对应原图中位置,最临近法,式中int为取整（非四舍五入）。,双线性内插法,双线性内插比最临近法虽然计算量增加，但精度明显增加,图像重采样,原始影像 纠正后影像,五 遥感数据的镶嵌处理,数字影像镶嵌(Mosaicking)是将两幅或多幅数字影像拼在一起，构成一幅整体图像的技术过程。,（1）每幅图像几何校正，规划至统一坐标系 （2）图像裁剪，去掉重叠部分 （3）拼接,1. 数字影像镶嵌步骤：,
