遙感圖像處理

第五章

遙感圖像處理

遙感圖像處理:把由遙感器接收到的原始遙感信息作適當(dāng)?shù)募夹g(shù)加工,制作成有一定精度和質(zhì)量的圖像，以及從中提取有用信息的過程。預(yù)處理〔輻射、幾何矯正〕把原始遙感數(shù)據(jù)加工處理成有一定精度和質(zhì)量、可供用戶使用的圖像或數(shù)字磁帶，現(xiàn)主要由接收遙感信息的部門承擔(dān)。分析判讀處理對預(yù)處理產(chǎn)品進(jìn)行再加工，以提高其分辨效果或提取對特定專業(yè)有用的專題信息，遙感地質(zhì)研究所涉及的主要是后者。遙感圖像處理技術(shù)手段目前使用較多的是通過光學(xué)途徑實(shí)現(xiàn)的光學(xué)圖像處理和以數(shù)字產(chǎn)品通過運(yùn)算變換實(shí)現(xiàn)的數(shù)字圖像處理。1編輯ppt第一節(jié)

光學(xué)圖像處理

光學(xué)圖像處理：指以膠片方式記錄的遙感影像或由數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)換來的影像膠片為處理對象，通過光學(xué)或電子一光學(xué)儀器的加工改造，對遙感圖像進(jìn)行變換和增強(qiáng)的一種圖像處理技術(shù)。光學(xué)處理的儀器和技術(shù)手段：攝影處理、光電處理和相干光處理等等。處理方法：密度分割、彩色合成、邊緣增強(qiáng)、反差增強(qiáng)、光學(xué)圖像比值、光學(xué)變換、光學(xué)編碼等，其中最常用的是假彩色等密度分割和假彩色合成。2編輯ppt

一、光學(xué)等密度分割處理(一)影像密度的概念：對于黑白膠片，影像密度通常以膠片透光率(T)倒數(shù)的對數(shù)表示。即影像密度D=log1/T1影像密度代表地物反射或發(fā)射輻射的強(qiáng)弱：在各類負(fù)片中，D與輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)，正片那么相反。不同遙感方式的影像膠片，其密度D的物理意義不同。全色攝影反映了地物在整個可見光范圍內(nèi)反射太陽光的強(qiáng)度，多波段掃描是地物在不同光譜段的反射強(qiáng)弱。熱紅外是地物熱輻射的大小。3編輯ppt2影像密度構(gòu)成空間幾何特征：如影像密度構(gòu)成的各個地物目標(biāo)形狀、大小、圖案、紋理結(jié)構(gòu)以及相互間的位置關(guān)系。3影像密度構(gòu)成時間特性：由同一地區(qū)同類遙感在不同時間獲得的影像表現(xiàn)出來。光學(xué)圖像處理就是通過光學(xué)途徑人為地改變膠片的影像密度，擴(kuò)大不同局部的密度差異，或者以不同色彩顯示影像密度的細(xì)微變化，用以壓抑“噪聲〞，強(qiáng)調(diào)或突出目標(biāo)信息，增強(qiáng)人們對細(xì)微密度差異的判讀和識別能力。

4編輯ppt(二)假彩色等密度分割

密度分割：任何一幅遙感圖像都可以看作是地物電磁波輻射強(qiáng)度的二維分布函數(shù)。對于膠片影像。可用影像密度值的二維分布來表征，對于像片，那么為灰度值的二維分布。與地形圖的等高線相仿，照例可按一幅圖像中密度(或灰度)值的變化范圍，將其劃分為假設(shè)干個等級，以等值面對影像密度(或灰度)函數(shù)進(jìn)行分層，用等值線圖來表示圖像各局部的密度(灰度)差異變化。在遙感圖像處理中稱此為密度分割，或密度分割技術(shù)。5編輯ppt假彩色等密度分割：即通過光電儀器將膠片上不同的密度等級以色彩的變化顯示成彩色的圖像。這種儀器通常稱彩色等密度分割儀，一般將膠片的影像密度分割為8、12、24、32，64等級，不同密度級的色別可在64色內(nèi)任意選調(diào)變換，并在數(shù)秒鐘內(nèi)顯示在彩色監(jiān)視器的屏幕上，通過反復(fù)調(diào)節(jié)變換色彩，選擇最正確的處理結(jié)果。(三)假彩色等密度分割的地學(xué)應(yīng)用

在地學(xué)應(yīng)用中，該增強(qiáng)處理方法比較適用于輪廓簡單，背景單調(diào)、目標(biāo)特性與影像密度有明確對應(yīng)關(guān)系的地面景況的分析判讀。如入海泥沙，河，湖，海水的水深、混濁度，地?zé)岙惓?，污染源及污染分布等?編輯ppt二、光學(xué)彩色合成處理

彩色合成：將二個或三個波段的黑白圖像分別賦以紅、綠，藍(lán)三原色或黃、品紅，青三補(bǔ)色，并使之精確疊合，從而生成色彩豐富的彩色圖像。多波段遙感生成不同光譜段的黑白圖像是色光別離的過程，彩色合成那么反過來，是色光相混復(fù)原的過程。1加色合成方法：1〕光學(xué)投影法：

借助配有紅，綠、藍(lán)等濾色片的光學(xué)投影系統(tǒng)將不同波段的黑白透明正片(一般用三張)置于其中，經(jīng)光源照射投影到同一個屏幕上，合成顯示為彩色圖像。既可以直接觀察分析，也可以曬印或翻拍成彩色像片。7編輯ppt2〕照相放大法：

通過常規(guī)的照相放大裝置放大曬印成彩色像片。一般用幾張多光譜分色負(fù)片，依次變換負(fù)片和紅、綠、藍(lán)濾色片，分次(多為三次)曝光在同一張彩色相紙上。即所謂分層曝光法，近年來，也常采用將三個波段的影像分色掃描到一張彩色負(fù)片上，再由放大機(jī)一次放大曝光到彩色相紙上。2減色合成方法：

1〕染印法

將多波段黑白負(fù)片通過放大拷制成浮雕模片(正片)，然后用三補(bǔ)色染液分別染色，再依次疊印在空白接印紙上，印得彩色圖像，也可分色染底片浮雕片印成單色透明正片，然后置于透圖臺上疊合顯示成彩色圖像。片基8編輯ppt

2〕印刷法：

按彩色印刷工藝將各波段的圖像分別制成印刷板，然后用二色、三色(黃、晶紅、青)、四色(黃、晶紅、青、黑)逐一套印，制成紙質(zhì)的彩色圖片。3〕重氮法：

方法原理與染印法類似，即用分色的重氮片，經(jīng)與多波段負(fù)片接觸曬印，再用氨熏成單色透明正片，而后置于透圖臺上疊合顯示出彩色圖像。

上述各種方法，合成儀法速度快，可靈活調(diào)選最正確色彩，像質(zhì)也較好，但儀器較昂貴，各類減色法，簡便價廉，但信息損失較大，像質(zhì)一般不高，而照相放大法，雖操作技術(shù)要求較高，但彩色像片的分辨率和色彩效果卻是其他方法所無法比較的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，包括數(shù)字圖像處理的各種結(jié)果，差不多都采用彩印放大成彩色照片的方法。9編輯ppt彩色合成的影像特點(diǎn)很大程度上取決于波段—濾光片組合。對于陸地衛(wèi)星的MSS和TM來說，除了TM321為近似真彩色外，其他均為假彩色，故彩色合成常常被稱作假彩色合成。經(jīng)驗(yàn)說明，由于MSS7和TM4波段受植被高反射的影響，圖像的亮度水準(zhǔn)一般比其他波段要高得多，因此，它們置于哪個濾光片通道，將決定合成圖像總體偏于哪種彩色色調(diào)。10編輯ppt三，其他光學(xué)圖像處理

對遙感影像母片作不同的曝光處理可制成影像密度各不相同的正、負(fù)模片(拷貝)。同一地區(qū)可以有不同遙感器，不同波段以及不同時間等各種模片。對不同組合的相關(guān)模片進(jìn)行處理可獲得不同增強(qiáng)效果的新圖像。上述彩色合成即是其中最常用的方法。此外，還常采用以下幾種處理方法。

1反差增強(qiáng)：

通常是利用高反差的感光材料和沖洗液作反復(fù)拷貝，來擴(kuò)大原模片中的影像密度差異。它有利于增強(qiáng)一些低反差的地物影像，突出大的輪廓，也可使彩色合成獲得更豐富的層次，但同時會喪失局部細(xì)節(jié)，故處理時要適可而止。

11編輯ppt2邊緣增強(qiáng)：

取同一母片的正，負(fù)拷貝，使之精確重疊，當(dāng)二片的沖印處理?xiàng)l件相同，由于密度相反，影像相互抵消，假設(shè)將二者作微小錯位，再作曝光沖印，地物邊緣局部因密度差改變，不再相互抵消而突現(xiàn)出來，呈現(xiàn)為一條亮線。這種方法可用來增強(qiáng)線性構(gòu)造和地質(zhì)體的形態(tài)輪廓，除了和錯位方向平行的那一組線性特征外，其余方向都會得到增強(qiáng)。3光學(xué)比值增強(qiáng)：同一景圖像二個不同波段的模片相掩。負(fù)片的透過率；T負(fù)∝1/ρ(地物反射率)正片的透過率；T正∝ρ(地物反射率)12編輯ppt取一正一負(fù)(如4波段為正片，7波段為負(fù)片)，經(jīng)光束照射，

生成新圖像的物理含義便為：i0*T4正*T7負(fù)∝ρ4/ρ7這種處理常具有消除原圖像中局部干擾因素，突出某些地物的作用，從而到達(dá)一定的圖像增強(qiáng)意義。i0i0*T4正i0*T4正*T7負(fù)T4正T7負(fù)13編輯ppt4影像相減：

同一地區(qū)前后兩個時相，同波段但符號相反的模片相掩，假設(shè)兩次成像的光照水準(zhǔn)相同，那么正、負(fù)相疊，影像相互抵消。但如果其中某一局部或某一地物目標(biāo)，前后發(fā)生了變化或位移，那末，這局部影像便不能抵消，而在發(fā)生變化的背景中突現(xiàn)了出來。故這種方法適用于遙感動態(tài)研究。四、光學(xué)變換處理各種地物出現(xiàn)的頻率不同〔如溝谷、山脊、斷層、節(jié)理等〕在遙感圖象上，各種信息錯綜復(fù)雜，使解譯對象不宜突出出來，使用濾波〔去掉某些頻率〕的方式可突出要解譯的地物。14編輯ppt第二節(jié)

數(shù)字圖像處理

一、數(shù)字圖像處理的根本概念(一)數(shù)字圖像數(shù)字圖像又稱數(shù)字化圖像，是一種以二維數(shù)組(矩陣)形式表示的圖像。該數(shù)組由對連續(xù)變化的空間圖像作等間距抽樣所產(chǎn)生的抽樣點(diǎn)——像元組成。像元的量值，通常為抽樣區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化之量物的均值化量值，一般稱作亮度值或灰度值，它們的最大、最小值區(qū)間代表該數(shù)字圖像的動態(tài)范圍。在數(shù)字圖像中，像元是最根本的構(gòu)成單元。每一個像元的位置可由行、列(x、y)坐標(biāo)確定，亮度值通常以0(黑)到255(白)為取值范圍。因此，任何一幅數(shù)字圖像都可以通過X、Y、Z的三維坐標(biāo)系表示。15編輯ppt

數(shù)字圖像可以有各種不同的來源：衛(wèi)星影像：如MSS等，地面景像的遙感信息都直接記錄在數(shù)字磁帶上，有關(guān)的接收系統(tǒng)均可提供相應(yīng)的計(jì)算機(jī)兼容數(shù)字磁帶(CCT)及其記錄格式。只要按記錄格式將CCT數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，即可獲得數(shù)字圖像。膠片影像：那么可通過專門儀器〔透射密度計(jì)、飛點(diǎn)掃描器，鼓形掃描器及攝像掃描器等〕，將影像密度轉(zhuǎn)換為數(shù)值，進(jìn)而形成數(shù)字圖像。非遙感的地學(xué)圖件：(如地形圖、地質(zhì)圖、航磁圖、重力圖、化探元素異常圖等等〕，也可通過數(shù)字化儀，轉(zhuǎn)換為數(shù)宇圖像。與光學(xué)圖像相比，數(shù)字圖像量化等級高(256級)、失真度小，不同圖像的配準(zhǔn)精度高，可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理，便遙感圖像獲得更好的判讀、分析等應(yīng)用效果。16編輯ppt

(二)數(shù)字圖像處理

所謂數(shù)字圖像處理是將數(shù)字圖像以不同亮度值像元的行、列矩陣構(gòu)造各種數(shù)字模型和相應(yīng)的算法，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算(矩陣變換)處理，進(jìn)而獲得更加有利于實(shí)際應(yīng)用的輸出圖像及有關(guān)數(shù)據(jù)和資料。故數(shù)字圖像處理通常也稱為計(jì)算機(jī)增強(qiáng)處理。

數(shù)字圖像處理在算法上根本可歸為兩類：一類為點(diǎn)處理：即施行圖像變換運(yùn)算時只輸入圖像空間上一個像元點(diǎn)的值，逐點(diǎn)處理，直到所有點(diǎn)都處理完畢，如反差增強(qiáng)、比值增強(qiáng)等。另一類為鄰域處理；即為了產(chǎn)生一個新像元的輸出，需要輸入與該像元相鄰的假設(shè)干個像元的數(shù)值。這類算法一般用作空間特征的處理，如各種濾波處理。17編輯ppt目前遙感數(shù)字圖像處理主要包括以下四方面的內(nèi)容

1．圖像恢復(fù)處理：改正或補(bǔ)償成像過程中的輻射失真、幾何畸變，各種噪聲以及高頻信息的損失等。屬預(yù)處理范疇，一般包括輻射校正、數(shù)字放大，數(shù)字鑲嵌等。2．圖像增強(qiáng)處理：對經(jīng)過恢復(fù)處理的數(shù)據(jù)通過某種數(shù)學(xué)變換，擴(kuò)大影像間的灰度差異，以突出目標(biāo)信息或改善圖像的視覺效果，提高可解譯性。主要包括有反差增強(qiáng)，彩色增強(qiáng)、運(yùn)算增強(qiáng)，濾波增強(qiáng)、變換增強(qiáng)等方法。18編輯ppt3．圖像復(fù)合處理：對同一地區(qū)各種不同來源的數(shù)字圖像按統(tǒng)一的地理坐標(biāo)作空間配準(zhǔn)疊合，以進(jìn)行不同信息源之間的比照或綜合分析。通常也稱多元信息復(fù)合，既包括遙感與遙感信息的復(fù)合，也包括遙感與非遙感地學(xué)信息的復(fù)合。4．圖像分類處理：對多重遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)其像元在多維波譜空間的特征(亮度值向量)，按一定的統(tǒng)計(jì)決策標(biāo)準(zhǔn)，由計(jì)算機(jī)劃分和識別出不同的波譜集群類型，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的自動識別分類。有監(jiān)督和非監(jiān)督兩種分類方法。19編輯ppt二、圖像恢復(fù)處理

圖像恢復(fù)處理的目的是為進(jìn)一步作增強(qiáng)或分類處理提供高質(zhì)量的可供使用的圖像數(shù)據(jù)，故也稱預(yù)處理。(一)大氣校正

粗制CCT產(chǎn)品一般只對由遙感器本身引起的系統(tǒng)(輻射)誤差作了校正，尚保存著主要由大氣散射效應(yīng)帶來的輻射失真。校正處理時通常僅考慮瑞利散射的影響，以MSS為例，它在4、5波段較大，6波段次之，7波段最小。波段4567大氣散射對MSS各波段的影響

20編輯ppt在實(shí)際處理中一般是分波段統(tǒng)計(jì)地物目標(biāo)的亮度，分別與MSS7作二維比照圖，或者將各波段的直方圖與MSS7直方圖比照，相對于MSS7出現(xiàn)的偏移值a可視為大氣散射的影響。經(jīng)驗(yàn)說明MSS4的訂正值在9—13，MSS5為5—9，MSS6為1—5，MSS7為0—3。大氣校正會增加圖像的比照度，消除霧霾感(短波波段尤甚)，在做比值增強(qiáng)、彩色合成等處理時，事先做這種校正更為必要。21編輯ppt(二)幾何校正

指消除遙感圖像在其形成過程中產(chǎn)生的各種幾何位置失真(畸變)的圖像處理過程。在粗制CCT產(chǎn)品中通常已對由遙感器本身和地球自轉(zhuǎn)造成的系統(tǒng)幾何畸變作了例行校正處理(粗糾正)，因此，遙感地質(zhì)人員需要做的，主要是對CCT中殘存的非系統(tǒng)(隨機(jī))畸變的糾正(精糾正)。數(shù)字圖像幾何精糾正的實(shí)質(zhì)是逐像元地將其圖像坐標(biāo)按一定的精度要求變換到地形圖的地理坐標(biāo)系中，再按恰當(dāng)?shù)姆椒▽ο裨匦伦隽炼荣x值。幾何精糾正能綜合校正所有因素造成的幾何畸變，能顯著改善數(shù)字圖像的幾何精度。22編輯ppt(三)數(shù)字鑲嵌和數(shù)字放大

1數(shù)字鑲嵌：是指將相鄰且互有重疊的倆幅或數(shù)幅CCT數(shù)據(jù)，拼接生成一個在幾何形態(tài)上和色調(diào)分布上協(xié)調(diào)一致，統(tǒng)一為一個整體的新圖像文件的處理過程。1〕相鄰圖像的幾何配準(zhǔn)：先在兩幅圖像的重疊區(qū)選取同名點(diǎn)像元作為幾何控制點(diǎn)，然后以其中一幅為準(zhǔn)，對另一幅作類似與上述幾何精糾正來實(shí)現(xiàn)。2〕相鄰圖像之間的色調(diào)和反差調(diào)整：先對兩幅圖像的重疊區(qū)作均值，方差或直方圖匹配，而后根據(jù)求出的匹配系數(shù)，以一幅為準(zhǔn)，調(diào)整另一幅圖像的反差，使二者色調(diào)均衡。23編輯ppt2數(shù)字放大：實(shí)際是數(shù)字圖像的采樣點(diǎn)內(nèi)插加密，即逐行逐列地在原圖像的相鄰像元中間等量插入新像元，并按一定的插值原理對其作亮度賦值。通過插值，該圖像的采樣點(diǎn)密度成倍增加。由于新圖像對應(yīng)于地面的大小并未改變，只是像元密度增加了一倍，于是像元的地面分辨力提高了一倍，從而起到了圖像“放大〞的作用。數(shù)字放大主要用于制作大比例尺的衛(wèi)星像片。如TM圖像經(jīng)數(shù)字放大處理后制成1：5萬(常規(guī)一般為1；10萬)的衛(wèi)片仍有較高的影像清晰度。24編輯ppt

三、圖像增強(qiáng)處理增強(qiáng)處理的目的是使圖像更為清晰，地物特征更為突出。近年來，數(shù)字圖像處理開展迅速，各種增強(qiáng)的方法層出不窮。以下僅介紹對地質(zhì)應(yīng)用較為有效的幾種方法。(一)反差增強(qiáng)數(shù)字圖像的取值范圍可從0—255，但實(shí)際圖像由于成像系統(tǒng)的特性、成像時的光照條件、地物間輻射差異的大小等各種原因，常常使大局部像元的亮度集中在較窄的區(qū)間，致使圖像的反差較小、色調(diào)單一(過“黑〞或過“白〞〕。因爾，改善和提高圖像的比照度—反差增強(qiáng)就可帶來更多的地物信息。25編輯ppt作像元亮度直方圖：26編輯ppt反差增強(qiáng)是通過拉伸或擴(kuò)展圖像的亮度數(shù)據(jù)分布，以到達(dá)擴(kuò)大地物間亮度差異，分辨出盡可能多的亮度等級的技術(shù)。在反差擴(kuò)展中輸出的像元值y是輸入的像元值(原圖像)x的函數(shù)：

y=f(x)

1線性擴(kuò)展:原圖像中像元的亮度按線性關(guān)系擴(kuò)大(1)簡單線性擴(kuò)展，

(2)分段線性擴(kuò)展，

(3)局部線性擴(kuò)展，

(4)多級線性擴(kuò)展27編輯ppt

2．非線性擴(kuò)展

對原圖像亮度區(qū)間的各今局部按非線性關(guān)素作末均綽擴(kuò)展。(1)中部擴(kuò)展(高斯，拉平，正弦擴(kuò)展等)(2)暗部擴(kuò)展(對數(shù)擴(kuò)展)

(4)兩端擴(kuò)展(正切擴(kuò)展)

(3)亮部擴(kuò)展(指數(shù)擴(kuò)展)28編輯ppt

3．直方圖調(diào)整

通過改善圖像的總體亮度結(jié)構(gòu)(直方圖形態(tài))來到達(dá)圖像增強(qiáng)的目的。其原理是，以一變換函數(shù)S=T(r)，作用在原圖像的直方圖Pr(r)上，使之變成具有某種特定亮度分布形態(tài)的直方圖Ps(s)

并根據(jù)Ps(s)變更原圖像各像元的亮度值。這種方法著重于擴(kuò)展高頻數(shù)亮度值之間的間隔，使直方圖中部所包含的地物反差顯著增強(qiáng)，而有利于地質(zhì)體的區(qū)分。29編輯ppt(二)彩色增強(qiáng)1．單波段圖像的偽彩色增強(qiáng)

1)彩色密度分割：其原理與光學(xué)密度分割一致，但比光學(xué)密度分割靈活、方便，可分割的等級也更細(xì)，并且光譜意義也更明確。2)偽彩色合成。它是對單波段的CCT數(shù)據(jù)通過加色比例變換函數(shù)把黑白灰級變換為紅、綠、藍(lán)彩色級，然后再加色合成(圖4-18)，生成偽彩色圖像。由于這種圖像能把單波段上不易區(qū)分的細(xì)微灰度變化映射成不同的色彩。30編輯ppt2．多波段圖像的彩色合成

與光學(xué)圖像處理相仿，數(shù)字圖像同樣可采用彩色合成。對于不同的波段，〔如MSS4567〕分別賦予不同的顏色，〔顏色可任意設(shè)置〕利用加色原理顯示在彩色屏幕上或微機(jī)屏幕上。不同的波段的顏色組合具不同的色彩及地物增強(qiáng)效果。數(shù)字圖像的彩色合成目前已不僅僅針對不同波段進(jìn)行，而且還可以用不同的數(shù)字處理結(jié)果作輸入圖像，獲得全新含義的合成圖像，更進(jìn)一步，已可以將非遙感的地質(zhì)信息(如物、化探數(shù)據(jù))作為輸入圖像，制成多元信息復(fù)合的彩色合成圖像。31編輯ppt(三)比值增強(qiáng)

比值增強(qiáng)是最為常用的一種運(yùn)算增強(qiáng)方法。它是通過不同波段的同名像元亮度值之間的除法運(yùn)算，生成新的比值圖像來實(shí)現(xiàn)的。對于多波段數(shù)字圖像，可以有多種不同的比值：如根本比值、和差組合比值、交叉組合比值、標(biāo)準(zhǔn)化比值等。根本比值：純以兩個波段的數(shù)值相比，故也稱簡單比值。任一比值圖像可表示為：Rij=a*gi/gj+bgk(k=12----N)代表一個多波段圖像(N為波段數(shù))32編輯ppt比值增強(qiáng)的作用在于：能擴(kuò)大不同地物之間的微小亮度差異，有利于巖石、土壤等波譜差異不太明顯的地物的區(qū)分，及用于植被類型和分布的研究。

消除或減弱地形等環(huán)境因素的影響。例如，某地砂巖在陽坡和陰坡有不同的亮度，但在MSS4／5上，比值卻非常接近，因此消除了地形的影響。

不同光照條件下砂巖反射比33編輯ppt

(3)提取與找礦有關(guān)的專題信息。例如含羥基的粘土礦物在2.2μm附近存在有強(qiáng)吸收，故在TM7上為低亮度，而在TM5上它仍為高亮