遙感數(shù)字圖像處理課件-2016dipa

遙感數(shù)字影像處理

劉勇蘭州大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所

17十二月202212月-22遙感數(shù)字影像處理2第2章遙感影像基本操作影像顯示影像統(tǒng)計反差增強影像信息查詢、特征量測常用操作2.1.影像顯示影像顯示是數(shù)字影像處理系統(tǒng)的基本功能。通過影像顯示，用戶可以對數(shù)字影像所蘊含的地理信息有一個基本的了解，進(jìn)而監(jiān)視影像數(shù)據(jù)的處理、分析過程，評價不同的處理分析方案所獲得的結(jié)果。影像顯示的實質(zhì)就是從不可見的數(shù)字影像中恢復(fù)出可見影像，實現(xiàn)從數(shù)字影像到模擬影像轉(zhuǎn)換的過程（DA轉(zhuǎn)換）。數(shù)據(jù)影像的顯示必須符合人眼的視覺要求，使明暗、色彩變化處于人眼視覺閾值范圍之內(nèi)。如果必要的話，還需要做顯示增強處理。12月-22遙感數(shù)字影像處理3遙感數(shù)字影像處理4數(shù)字影像顯示基本原理單色顯示——采用一個波段的影像數(shù)據(jù)彩色顯示——根據(jù)三原色彩色合成原理，采用三個波段的影像數(shù)據(jù)GraphicalAdapterMonitor影像顯示2022年12月17日遙感數(shù)字影像處理5單色顯示彩色顯示影像的彩色合成為什么需要彩色合成？人眼對黑白（或全色）影像的分辨能力十分有限，大約10個灰階人眼對彩色影像的分辨能力大大提高，可以達(dá)到數(shù)百種顏色12月-22遙感數(shù)字影像處理6影像的彩色合成真彩色合成（truecolorcomposition）：分別采用多光譜影像中的紅、綠、藍(lán)波段賦予對應(yīng)的顏色通道，產(chǎn)生的彩色影像與實際觀察到的自然顏色近似，這種合成方式即稱為真彩色合成。由于大氣散射效應(yīng)，特別是對藍(lán)光波段的顯著影響，通常難以從多光譜影像中合成真彩色合成影像。假彩色合成（falsecolorcomposition）：從多光譜影像中隨機選取三個波段分別賦予紅、綠、藍(lán)三個通道，所生成的一幅與真實地物的顏色特征有顯著差異的彩色影像。偽彩色合成（pseudocolorcomposition）：將單波段灰度影像按照特定的函數(shù)關(guān)系變換成彩色，然后進(jìn)行彩色顯示的方法，又稱為密度分割方法。模擬真彩色（simulatingcolorcomposition）：通過綠、紅和近紅外波段的特定代數(shù)運算形式重新得到三個波段數(shù)據(jù)，再經(jīng)過彩色合成產(chǎn)生接近真彩色效果的影像。12月-22遙感數(shù)字影像處理72022年12月17日遙感數(shù)字影像處理影像類型與灰度、顏色、波段之間的關(guān)系二值影像：一個波段，像元的量化值1bit，即只有0、1兩個取值；黑白影像（或稱灰階影像、全色影像，panchromaticimage）：一個波段，一般量化為256個灰階，即0~255，以單字節(jié)記錄，亦即1Byte；量化為10、11、12bits的單波段、高輻射分辨率影像通常以雙字節(jié)整型數(shù)加以存儲（2Bytes）彩色影像：可分解為紅、綠、藍(lán)三個波段。若每一波段有256個灰階，則理論上最多可達(dá)到的色彩數(shù)為224=1.67×107種編碼彩色影像（indexedcolorimage）：影像編碼為256種彩色，取值0~255，每一編碼代表一種可辨別的顏色；需要引入顏色查找表（LUT），用以表達(dá)編碼值與實際顯示紅、綠、藍(lán)三色之間的對應(yīng)關(guān)系2022年12月17日遙感數(shù)字影像處理數(shù)字影像、編碼彩色影像每個像元具有單一的顏色值或者RGB組合真彩色與假彩色合成影像假彩色合成影像標(biāo)準(zhǔn)彩色合成方法遙感器合成類型真彩色（紅：綠：藍(lán)）彩紅外（近紅外：紅：綠）EO-1ALI4:3:25:4:2TerraASTERNA3:2:1AVIRIS30:20:945:30:20Hyperion30:21:1043:30:21Terra/AquaMODIS13:12:916:13:12LandsatMSSNA4:2:1SPOTHRVNA3:2:1LandsatTM,ETM+3:2:14:3:2Landsat8彩色合成方法

方法RGBNaturalColor432FalseColor(urban)764ColorInfrared(vegetation)543Agriculture652AtmosphericPenetration765HealthyVegetation562Land/Water564NaturalWithAtmosphericRemoval753ShortwaveInfrared754VegetationAnalysis654()ENVI彩色合成操作方法12月-22遙感數(shù)字影像處理1412月-22遙感數(shù)字影像處理152.2.影像統(tǒng)計目的：查看像元值計算基本統(tǒng)計量查看影像直方圖中某個亮度值出現(xiàn)的頻率多元統(tǒng)計分析以確定波段間的相關(guān)性判斷影像數(shù)據(jù)中是否存在異常值前提影像數(shù)據(jù)的像元值為整型數(shù)，否則不能進(jìn)行頻率統(tǒng)計12月-22遙感數(shù)字影像處理16影像統(tǒng)計參數(shù)最小值最大值均值方差協(xié)方差協(xié)方差矩陣12月-22遙感數(shù)字影像處理17影像統(tǒng)計協(xié)方差/協(xié)方差矩陣對于一個四波段的影像：ENVI影像統(tǒng)計功能2022年12月17日遙感數(shù)字影像處理18散點圖2022年12月17日遙感數(shù)字影像處理1912月-22遙感數(shù)字影像處理20散點圖與多元統(tǒng)計描述波段無關(guān)波段相關(guān)影像波段相關(guān)分析的意義：反映多光譜影像波段之間光譜特征的相似性12月-22遙感數(shù)字影像處理21散點圖與多元統(tǒng)計描述相關(guān)系數(shù)復(fù)相關(guān)系數(shù)反映影像數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。兩個波段相關(guān)性越高，則所含影像信息的重復(fù)度越高。在實際問題的分析過程中則可舍棄其中之一，從而減少工作量。12月-22遙感數(shù)字影像處理22多光譜影像彩色合成方案優(yōu)選最佳指示因子（OptimumIndexFactor,OIF）謝菲爾德指數(shù)（SheffieldIndex,SI）大小為p的子集的協(xié)方差矩陣的行列式。這里設(shè)定p=3。12月-22遙感數(shù)字影像處理23直方圖(Histogram)

直方圖，又稱柱狀圖，由一系列高度不等的縱向條紋或線段表示數(shù)據(jù)分布的情況。在影像處理中，以橫軸表示灰度級，以縱軸表示每一灰度級所具有的像元總數(shù)，反映像元數(shù)隨灰度級分布的狀況。條件：DN值為整型數(shù)。1789101114526714121534786911214788984591112108101115161013136916131210灰級12345678910111213141516像元數(shù)2213234655433222直方圖統(tǒng)計表直方圖的性質(zhì)反映影像的明暗程度規(guī)律12月-22遙感數(shù)字影像處理24偏暗直方圖的性質(zhì)直方圖是影像像元值頻率統(tǒng)計信息的圖形化表達(dá)方式，直方圖上面的各個峰通常可對應(yīng)于某一地表覆蓋（Landcover）類型縱軸若表示各個灰級上的像元百分比，則直方圖可以看成是離散概率分布，進(jìn)而可用于影像信息量的度量12月-22遙感數(shù)字影像處理2512月-22遙感數(shù)字影像處理26南卡萊羅娜州Charleston地區(qū)LandsatTM波段4影像的直方圖及其對應(yīng)地物特征a:開闊水域b:海岸帶濕地c:丘陵地12月-22遙感數(shù)字影像處理27LandsatTM熱紅外影像所反映的污水排放情況a:河流水面b:水流高溫區(qū)c:熱廢水流（最高溫）直方圖12月-22遙感數(shù)字影像處理28直方圖特征度量參數(shù)離散度——標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)差小，則說明觀測值比較緊密地集中在均值附近；相應(yīng)地，影像中的地物類型比較單調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)差大，則表示觀測值偏離均值，比較分散。相應(yīng)地，影像中的地物類型比較豐富。偏度反映直方圖不對稱性標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布偏度為0正偏度反映較高的峰值負(fù)偏度反映較低的峰值峰度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的峰度系數(shù)為0峰度系數(shù)為正，反映直方圖分布峰值的高度峰度系數(shù)為負(fù)，反映直方圖分布的平緩程度遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布模式及假設(shè)正態(tài)分布假設(shè)：對于單一類型的地物的大量樣本而言，其影像直方圖服從或接近正態(tài)分布，即12月-22遙感數(shù)字影像處理29在ENVI中使用直方圖12月-22遙感數(shù)字影像處理3012月-2231累積直方圖累計直方圖代表影像組成成分在灰度級的累計像元數(shù)，或者累積百分比的分布情況。每一個概率值代表小于等于此灰度值的概率。累積直方圖上縱坐標(biāo)的值隨著灰度值自左至右單調(diào)遞增。影像直方圖如果呈正態(tài)分布，則其累積直方圖近似一條直線。2022年12月17日322.3.反差增強/反差拉伸

（ContrastEnhancement/Stretch）概念：通過調(diào)整影像像元顯示亮度值的方法來改變影像對比度，從而改善影像視覺效果的處理方法，亦稱為輻射增強(RadiometricEnhancement)。背景：原始遙感影像的灰度值范圍一般都比較窄，以致肉眼難以辨別。直接顯示的結(jié)果往往過亮或過暗，不利于影像信息提取與分析。反差增強實質(zhì)上就是基于某一線性或非線性函數(shù)逐一完成像元值的變換，從而得到一景新的影像。并且，新影像灰度動態(tài)度（值域）原則上要大于原影像灰度的動態(tài)度。廣泛用于各種類型的影像處理（如Photoshop，CorelPhoto-Paint），也是遙感影像處理系統(tǒng)的基本功能模塊之一。2022年12月17日33線性反差拉伸概念：等比例擴大原始灰度級的范圍使變換后影像最小、最大灰階達(dá)到顯示極值，以充分利用顯示設(shè)備的動態(tài)范圍。實現(xiàn)方法：最小值—最大值反差拉伸b1=aminb2=amax線性百分比和標(biāo)準(zhǔn)差反差拉伸b1=在累積直方圖中從最小灰度級開始起算，小于某一百分比或x倍標(biāo)準(zhǔn)差的像元總數(shù)的對應(yīng)灰度級b2=在累積直方圖中從最高灰度級開始起算，小于某一百分比或x倍標(biāo)準(zhǔn)差的像元總數(shù)的對應(yīng)灰度級線性關(guān)系式的斜率，決定拉伸或壓縮，通常要大于1(a2-a1)>(b2-b1)最小—最大值反差拉伸線性百分比和標(biāo)準(zhǔn)差反差拉伸反差拉伸處理效果LandsatTMBand4原圖最小—最大值反差拉伸±1σ拉伸Savannah河熱紅外影像反差拉伸原圖最小—最大值反差拉伸±1σ拉伸2022年12月17日影像增強37分段線性拉伸將1~255整個灰級區(qū)間分成若干直線段，每一個直線段都有一個局部的線性變換關(guān)系。線段的分段連接點稱為斷點，兩個相鄰的斷點就組成斷點對。對于多峰值影像進(jìn)行分段線性拉伸會取得理想的效果2022年12月17日影像增強38分段線性拉伸與灰度窗口切片2022年12月17日影像增強39非線性拉伸指數(shù)變換：輸出影像像元灰度值與對應(yīng)的輸入影像像元值之間為指數(shù)變換關(guān)系。其結(jié)果使得影像的低灰度區(qū)間被壓縮，高灰度區(qū)間被拉伸。對數(shù)變換：輸出影像像元灰度值與對應(yīng)的輸入影像像元值之間為對數(shù)變換關(guān)系。其結(jié)果使得影像的低灰度區(qū)間被拉伸，高灰度區(qū)間被壓縮。ENVI5.0反差拉伸12月-22遙感數(shù)字影像處理4041直方圖均衡化

（HistogramEqualization)原理：針對原始影像數(shù)據(jù)往往相對比較集中地分布在局部一些灰階的特點，利用累積直方圖作為影像變換函數(shù)，將大約相等數(shù)量的像元分配到各個輸出灰度級上，實現(xiàn)影像信息的均衡顯示。42計算實例原灰級12345678910111213141516像元數(shù)統(tǒng)計2213234655433222累積像元數(shù)2458101317232833374043454749累積像元百分比0.71.31.62.63.34.25.67.59.110.812.113.114.014.715.316新灰級11233468911121314151516新像元數(shù)4015034655433402設(shè)原影像的最小灰度值為0，最大灰度值為l-1；均衡化后影像的最小灰度值為0，最大灰度值為L-1?？傁裨獢?shù)最大灰度值2022年12月17日43直方圖均衡化實際效果：各灰度級出現(xiàn)的頻率近似相等；原影像上頻率小的灰度級被合并、壓縮頻率高的灰度級被拉伸，使亮度集中于中部的影像得到改善。直方圖匹配（HistogramMatch)概念：使一幅影像的直方圖變成規(guī)定形狀的直方圖而對影像進(jìn)行的影像變換操作，由此產(chǎn)生的影像與供提取規(guī)定形狀直方圖的參考影像在灰階/色調(diào)特征上更加接近。規(guī)定直方圖的形式：一幅參考影像的直方圖；特定函數(shù)形式的直方圖。方法：對兩個直方圖都做均衡化，變成相同的歸一化形式的均勻直方圖。以此均勻直方圖為基準(zhǔn)變換關(guān)系式，再對待變換的影像做均衡化的逆運算。目前主要用于影像鑲嵌與制圖。2022年12月17日影像增強45計算實例百分比原灰級1/162/163/164/165/166/167/168/169/1610/1611/1612/1613/1614/1615/161像元數(shù)統(tǒng)計2213234655433222累積像元統(tǒng)計0.040.080.100.160.200.270.350.470.570.670.760.820.880.920.961與參考影像累積直方圖的匹配0.060.060.060.180.180.330.330.510.510.670.820.820.920.921.001.00新灰級9/1610/1611/1612/1613/1614/1615/161新像元數(shù)557115754ENVI直方圖均衡化與匹配12月-22遙感數(shù)字影像處理4612月-22遙感數(shù)字影像處理472.4.影像信息查詢、特征量測內(nèi)容：點信息查詢；距離、面積、形狀分析ENVI5.0點信息查詢12月-22遙感數(shù)字影像處理4812月-22遙感數(shù)字影像處理49影像顯示操作影像縮放、漫游：影像數(shù)據(jù)矩陣大小與顯示器柵格陣列很少保持一致縮小放大漫游剖面繪制空間剖面（地形剖面）光譜剖面