遙感圖像輻射增強與光譜增強.doc

遙感圖像輻射增強與光譜增強一、實驗目的與要求輻射增強處理是通過對單個像元的灰度值進行變換處理來增強處理，如直方圖匹配、直方圖拉伸、去除條帶噪聲處理。光譜增強是基于多光譜數(shù)據(jù)對波段進行變換達到圖像增強的處理。通過此次上機實驗，要求同學們：1、 掌握交互式直方圖拉伸的方法和過程，理解圖像直方圖變化與圖像亮度變化之間的關(guān)系。2、 理解主成分分析、櫻帽變換、色彩空間變換、色彩拉伸方法和操作步驟。3、 掌握利用特征空間視圖進行遙感影像分析。二、實驗內(nèi)容與方法1 實驗內(nèi)容（1） 交互式互式直方圖拉伸l Linear（線性拉伸）l Equalization（直方圖均衡化拉伸）l Gaussion （高斯拉伸）l Square Root （平方根拉伸）l Logarithmic （對數(shù)拉伸）（2） 主成分分析（3） 櫻帽變換。（4） 色彩空間變換（5） 色彩拉伸2 實驗方法（1） 交互式互式直方圖拉伸將一個多光譜圖像打開并顯示在視窗中，在主菜單中，選擇DisplayCustom Stretch（或在工具箱中單擊）就可以打開交互式直方圖拉伸操作面板。在進行直方圖拉伸時，可選擇直方圖統(tǒng)計的數(shù)據(jù)范圍為全圖統(tǒng)計或者當前視圖范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。（2） 主成分分析多光譜圖像的各個波段之間經(jīng)常是高度相關(guān)的，它們的DN值以及顯示出來的視覺效果往往很相似。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）就是一種去除波段之間的多余信息、將多波段的圖像信息壓縮到比原來波段更為有效的少數(shù)幾個轉(zhuǎn)換波段的方法。一般情況下，第一主成分（PCI）包含了所有波段中80%的方差信息，前三個主成分包含了所有波段中95%以上的信息量。由于各波段之間的不相關(guān)，主成分波段可以生成更多顏色、飽和度更好的彩色合成圖像。ENVI中提供主成分正變換和主成分逆變換。當使用主成分正變換是，ENVI可以通過計算新的統(tǒng)計值，或者根據(jù)已經(jīng)存在的統(tǒng)計值進行主成分正變換。（3） 櫻帽變換。一種特殊的主成分變換。其中， X=x1,x2,x3,x4,x5,x7T,，對應于TM影像的1、2、3、4、5、7波段。變換后得到：Y=y1,y2,y3,y4,y5,y7T ,這六個分量相互正交，前四個分量意義明確：y1代表亮度分量，是TM六個波段亮度值的加權(quán)和，反映了總體的亮度變化；y2代表綠度分量，與亮度分量垂直，是近紅外與可見光波段的對比；又稱為綠度植被指數(shù)（GVI）；y3代表黃度或濕度分量，主要與土壤濕度/水分狀況有關(guān)；y4對于MSS數(shù)據(jù)沒有意義，而對于TM數(shù)據(jù)代表霾，大氣輻射衰減效應。（4） 色彩空間變換通過對同一幅影像的不同色彩系別之間的轉(zhuǎn)換，從多角度來尋找更適合人眼對顏色的敏感和識別程度，凸顯或減弱某些地物的邊界的對比，從而幫助對影像的分析。ENVI支持將三波段紅、綠、藍（RGB）圖像變換到一個特定的彩色空間，并且能從所選彩色空間變換回RGB。兩次變換之間包括“色度、飽和度、顏色亮度值（HSV）”、“色度、亮度、飽和度（HLS）”、HSV（USGS Munsell）。其中，色度代表像元的顏色，取值范圍為0-360；飽和度代表顏色的純度，取值為0-1；顏色亮度值為顏色的亮度，取值范圍為0-1；亮度表示整個圖形的明亮程度，取值范圍為0-1 。其中，HSV（USGS Munsell）彩色系統(tǒng)被土壤科學家和地質(zhì)學家用于描述土壤和巖石的顏色特征。這套彩色系統(tǒng)已經(jīng)被美國地質(zhì)勘測部門做了修訂，以描繪數(shù)字圖像的顏色。USGS Munsell變換將RGB坐標變換成了色彩坐標（色調(diào)、飽和度和顏色亮度值）。色度變化范圍為0-360，這里0和360代表藍，120代表綠，240代表紅。飽和度變化范圍為0-208，值越高代表顏色越純。顏色亮度值的變化范圍大致為0-512，較高的值代表較量的顏色。（5） 色彩拉伸ENVI提供的色彩拉伸有：去相關(guān)拉伸、Photographic拉伸和飽和度拉伸。三、實驗設(shè)備與材料1 實驗設(shè)備裝有ENVI的計算機2 實驗材料資源一號02C多光譜數(shù)據(jù)南京市Landsate5號衛(wèi)星上傳感器獲得的一景編號為LT51200382010231BJC00的TM影像四、實驗步驟1 交互式互式直方圖拉伸（1） 打開一個多光譜圖像并顯示在視窗中，在主菜單中，選擇DisplayCustom Stretch（或在工具箱中單擊），打開交互式直方圖拉伸操作面板。（2） 在面板右側(cè)可以根據(jù)需要選擇R，G，B 3個波段之一，這里以R波段為例。（3） 在交互式直方圖拉伸操作面板下方的下拉列表中，可以選擇不同的拉伸方法。l Linear（線性拉伸）l Equalization（直方圖均衡化拉伸）l Gaussion （高斯拉伸）l Square Root （平方根拉伸）l Logarithmic （對數(shù)拉伸）圖1 交互式直方圖拉伸操作面板單擊面板右下方按鈕，可以恢復拉伸方法到打開此面板之前的狀態(tài)。2 主成分分析1) 打開圖像文件2) 在Toolbox工具箱中，雙擊Transform/PCA Rotation/Forward PCA Rotation New Statistics and Rotate 工具。在Principal Components Input File 對話框中，選擇圖像文件3) 在Forward PCA Parameters對話框中，在Stats X/Y Resize Factor文本框中鍵入小于等于1的調(diào)整系數(shù)，用于計算統(tǒng)計值時的數(shù)據(jù)二次采樣。鍵入小于1的調(diào)整系數(shù)，將會提高統(tǒng)計計算速度。例如使用一個0.1的調(diào)整系數(shù)，在統(tǒng)計計算中將只用到十分之一的像元。選擇默認值為1。圖1 主成分分析對話框4) 鍵入一個輸入統(tǒng)計路徑及文件名。使用箭頭切換按鈕，選擇Covariance Matrix（協(xié)方差矩陣）或根據(jù)Correlation Matrix（相關(guān)系數(shù)矩陣）計算主成分波段。一般來說，計算主成分時選擇使用協(xié)方差矩陣。當波段之間數(shù)據(jù)范圍差異較大時，選擇相關(guān)系數(shù)矩陣。5) 選擇輸出的路徑及文件名，輸出數(shù)據(jù)類型為Floating Point。6) 單擊Select Subset from Eigenvalues 標簽右側(cè)的箭頭切換按鈕，選擇“EYS”。統(tǒng)計信息將被計算，并出現(xiàn)Sele Output PC Bands對話框，列出每個波段機器相應的特征值；同時，也會列出每個主成分波段中包含的數(shù)據(jù)方差的累計百分比。如果選擇“NO”,則系統(tǒng)會計算特征值并顯示供選擇輸出的波段數(shù)。7) 輸出波段數(shù)（Number of Output PC Bands）選擇默認值（輸入文件的波段數(shù)）。8) 單擊OKENVI處理完畢后，將會出現(xiàn)PC Eigenvalues繪圖窗口。可以看到，第一、二、三分量具有很大差異的特征值。主成分波段被導入可用波段列表中，選擇PC1, PC2,PC3合成RGB顯示，色彩非常飽和。選擇PC4, PC5,PC6合成RGB顯示，可以看到很多噪聲。在Toolbox工具箱中，雙擊Statistics/View Statistics File 工具，打開主成分分析中得到的統(tǒng)計文件，可以得到各個波段的基本統(tǒng)計值、協(xié)方差矩陣、相關(guān)系數(shù)矩陣和特征向量矩陣。在Toolbox工具箱中，雙擊Transform/PCA Rotation/Inverse PCA Rotation 工具可以執(zhí)行主成分逆變換。圖2 主成分分析特征值窗口圖3 主成分分析得到的個波段統(tǒng)計值3 櫻帽變換1) 打開一個Landsat5 TM數(shù)據(jù)2) 在Toolbox工具箱中，雙擊Transform/Tassaled Cap工具。在Tasseled Cap Transform Input File對話框中，選擇輸入Landsat5 TM 數(shù)據(jù)，單擊OK3) 在Tasseled Cap Transform Parameters 面板中。選擇Input File Type選項中的” Landsat5 TM”4) 選擇輸出的路徑及文件名，單擊OK.圖4 Tasseled Cap Transform Parameters面板4 色彩空間變換色彩空間變換操作比較簡單，下面以從RGB到HSV為例介紹操作過程，其他色彩空間變換操作過程類似。1 打開一個至少含3個波段的圖像文件，顯示RGB彩色圖像。2 在Toolbox工具箱中，雙擊Transform/Color Trandsform/RGB to HSV Color Trandsform工具。在RGB to HSV Input Bands對話框中，可以從可用波段列表中選擇3個波段進行變換。3 在RGB to HSV Parameters 對話框中，選擇輸出路徑及文件名，單擊OK。、5 色彩拉伸1) 去相關(guān)拉伸去相關(guān)拉伸處理可以消除多光譜數(shù)據(jù)各波段間的高度相關(guān)性，從而生成一幅色彩亮麗的彩色合成圖像。它首先是對圖像做主成分分析，并對主成分圖像進行對比度拉伸處理，然后再進行主成分逆變換，將圖像恢復到RGB彩色空間，達到圖像增強的目的。在Toolbox 工具箱中，雙擊Transform/Decorrelation Stretch工具。在Decorrelation Stretch Input Bands對話框中，從可用波段列表中選擇3個波段作為輸入。在Decorrelation Stretch Parameters對話框中選擇輸出路徑及文件名。2) Photographic 拉伸Photographic 拉伸可以對一幅真彩色輸入圖像進行增強，從而生成一幅與目視效果良好吻合的RGB圖像。其結(jié)果與現(xiàn)實彩色照片類似。這種拉伸方法對真彩色輸入圖像的波段進行非線性縮放，然后將它們疊加。在Toolbox工具箱中雙擊Transform/Photographic Stretch工具。在RGB Photographic Stretch Input Bands輸入對話框中，從可選用波段列表中選擇3個波段作為輸入。在Photographic Stretch Parameters對話框中選擇輸出路徑及文件名。3) 飽和度拉伸飽和度拉伸是對輸入的3波段圖像進行彩色增強，生成具有較高顏色飽和度的波段。輸入的數(shù)據(jù)由紅、綠、藍（RG