1、第四章第四章 遙感圖像處理遙感圖像處理 光學原理光學原理 數字圖像的校正數字圖像的校正 數字圖像增強數字圖像增強 多源信息復合多源信息復合1 1、光與色有什么不同？、光與色有什么不同？2 2、你知道的顏色模型有哪些？、你知道的顏色模型有哪些？3 3、彩色變換的方法有哪些？、彩色變換的方法有哪些？第一節第一節 光學原理光學原理1、光和顏色、光和顏色光是色的源泉光是色的源泉色是光的表現色是光的表現顏色顏色是人的視是人的視覺系統對覺系統對可見可見光光的感知結果，的感知結果，感知到的顏色感知到的顏色由光波的由光波的波長波長決定決定。亮度對比：亮度對比：視場中對象與背視場中對象與背景的亮度差與背景亮度之

2、比景的亮度差與背景亮度之比C=C=（L L對象對象-L-L背景背景）/L/L背景背景顏色視覺顏色視覺顏色對比顏色對比：在視場中，相鄰區域的不同顏色相互影響。在視場中，相鄰區域的不同顏色相互影響。2 2、顏色模型（、顏色模型（1 1）HLSHLSq顏色的性質由顏色的性質由明度、色調、飽和度明度、色調、飽和度來描來描述述明度（明度（Lightness, 強度強度, Intensity）色調（色調（Hue）飽和度飽和度(Saturation)明度明度彩色純潔的程度，即光譜中波長段是否窄，頻率是彩色純潔的程度，即光譜中波長段是否窄，頻率是否單一的表示。否單一的表示。不完全飽和不完全飽和 完全飽和完全飽

3、和 不完全飽和不完全飽和黑白色只用明度描述，不用色調、飽和度描述。黑白色只用明度描述，不用色調、飽和度描述。飽和度飽和度HLSHLS模型模型顏色立體顏色立體 色調色調在在0到到360度的標準色輪上，色相是按位置計度的標準色輪上，色相是按位置計量的。量的。 飽和度飽和度用色相中灰色成分所占的比例來表示，用色相中灰色成分所占的比例來表示，0%為純灰色，為純灰色，100%為完全飽和。為完全飽和。 明度明度是指顏色的相對明暗程度，是指顏色的相對明暗程度，0%定義為黑色，定義為黑色，100%定義為白色。定義為白色。q顏色立體顏色立體任何顏色都可以用三個坐標值：任何顏色都可以用三個坐標值：色調、明色調、明

4、度、飽和度度、飽和度表示。表示。2 2、顏色模型（、顏色模型（2 2）RGBRGB加色法原理加色法原理 三原色：三原色： 紅、綠、藍。紅、綠、藍。 互補色：互補色：若兩種顏色混若兩種顏色混合產生白色或灰色，這合產生白色或灰色，這兩種顏色就稱為互補色。兩種顏色就稱為互補色。黃和藍、紅和青、綠和黃和藍、紅和青、綠和品紅品紅。紅綠黃紅綠黃紅藍品紅紅藍品紅藍綠青藍綠青紅藍綠白紅藍綠白 RGB模型模型 (Red, Green, Blue)RGB模型為圖像中每一個像素模型為圖像中每一個像素RGB分量分配一個分量分配一個0255范范圍內的強度值。例如：圍內的強度值。例如： 純紅色純紅色R值為值為255，G值

5、為值為0，B值為值為0； 純綠色純綠色G值為值為0，G值為值為255，B值為值為0； 純藍色純藍色B值為值為0，G值為值為0 ，B值為值為 255 ； 灰色灰色的的R、G、B三個值相等（除了三個值相等（除了0和和255）；）； 白色白色的的R、G、B都為都為255； 黑色黑色的的R、G、B都為都為0。RGB圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例混合，在屏幕上重現混合，在屏幕上重現16777216種顏色。種顏色。3 3、彩色變換、彩色變換q彩色的視覺分辨能力比黑白高，方法：彩色的視覺分辨能力比黑白高，方法：單波段的彩色：單波段的彩色：密度分割

6、密度分割多波段的彩色：多波段的彩色：彩色合成彩色合成HLS變換變換概念：概念：單波段黑白遙感單波段黑白遙感圖像可按圖像可按亮度分層亮度分層，對，對每層賦予不同的色彩，每層賦予不同的色彩，使之成為一幅彩色圖像。使之成為一幅彩色圖像。這種方法又叫這種方法又叫密度分割。密度分割。（1 1）單波段彩色變換）單波段彩色變換（假彩色密度分割假彩色密度分割） 分層方案的確定：分層方案的確定：分層方案與分層方案與地物光譜地物光譜差異差異對應合適，可以對應合適，可以較好地區分地物類別。較好地區分地物類別。v以不同的色彩表示圖像的色調變化，以不同的色彩表示圖像的色調變化，增強了圖像的顯示能力增強了圖像的顯示能力v

7、同一地物同一地物或現象可能被分割成兩種或現象可能被分割成兩種不同密度并以不同的顏色顯示出來，不同密度并以不同的顏色顯示出來，或或同一色彩同一色彩卻表示兩種以上不同的卻表示兩種以上不同的地物，造成判讀錯誤。地物，造成判讀錯誤。（2 2）多波段色彩變換）多波段色彩變換 概念：概念： 依照依照加色法彩色合成原理加色法彩色合成原理，選擇遙感影像的，選擇遙感影像的某三個波段，分別賦予某三個波段，分別賦予紅、綠、藍紅、綠、藍三原色，三原色，合成彩色影像合成彩色影像 合成方案：合成方案：真彩色合成、假彩色合成真彩色合成、假彩色合成例如：例如： TM：Band3、2、1 display as RGB，稱為，稱

8、為真彩色合成真彩色合成。 TM：Band4、3、2 display as RGB，稱為，稱為標準假彩色合成標準假彩色合成。多光譜多光譜TMTM影像影像TM1TM1：0.45-0.520.45-0.52微米，藍波段微米，藍波段TM2TM2：0.52-0.600.52-0.60微米，綠波段微米，綠波段TM3TM3：0.63-0.690.63-0.69微米，紅波段，微米，紅波段，TM4TM4：0.76-0.900.76-0.90微米，近紅外波段微米，近紅外波段TM5TM5：1.55-1.751.55-1.75微米，中紅外波段微米，中紅外波段TM6TM6：10.4-12.510.4-12.5微米，熱紅

9、外波段微米，熱紅外波段TM7TM7：2.08-2.352.08-2.35微米，中紅外波段微米，中紅外波段 HLS變換是從變換是從RGB模式模式轉換到轉換到HLS模式模式，是顏色從是顏色從RGB數學表達到另一種數學表達的數學表達到另一種數學表達的定量化轉換過程。定量化轉換過程。（3 3）HLSHLS變換變換 RGBRGB是從物理學角度出發描述顏色，是從物理學角度出發描述顏色，HLSHLS則是從人則是從人眼的主觀感覺出發描述顏色。該模型是目前使用較為眼的主觀感覺出發描述顏色。該模型是目前使用較為廣泛的融合方法。廣泛的融合方法。 在在HLS域，域，亮度亮度L L分量與地物表面粗糙度相對應，分量與地物

10、表面粗糙度相對應，代表地物的空間代表地物的空間幾何特征幾何特征，色調色調H H分量代表地物的主要分量代表地物的主要頻譜特征，頻譜特征，飽和度飽和度S S表征色彩的純度。表征色彩的純度。變換前紅、綠、藍各波段變換前紅、綠、藍各波段歸一化歸一化0，1亮度值表示為：亮度值表示為：Lr、Lg、Lb，三者中最大為，三者中最大為Lmax ，最小為，最小為Lmin遙感影像色彩與反射率的對應遙感影像色彩與反射率的對應 傳感器接收電磁能量，用化學方法、光電轉傳感器接收電磁能量，用化學方法、光電轉換換 方法將能量記錄下來。但是無論是膠片上各點方法將能量記錄下來。但是無論是膠片上各點 化學反應的程度、還是數字記錄，

11、人還是無法化學反應的程度、還是數字記錄，人還是無法 直接從中快速獲取信息。直接從中快速獲取信息。 因此，人們通過一定的規則：對記錄介質因此，人們通過一定的規則：對記錄介質上上 的的記錄值與色彩之間建立對應關系記錄值與色彩之間建立對應關系. .遙感影像對應顏色的法則：遙感影像對應顏色的法則：單個工作波段上的影像顯示為黑白影像單個工作波段上的影像顯示為黑白影像: :反射率大反射率大明亮的白色，反射率小明亮的白色，反射率小近黑色的灰近黑色的灰色，反射率居中色，反射率居中不同程度的灰色表示。不同程度的灰色表示。單個工作波段上的影像表示為某種不同明度的顏色單個工作波段上的影像表示為某種不同明度的顏色:

12、:用某種顏色的不同明實現，明亮度用某種顏色的不同明實現，明亮度反射率最低，反射率最低，明亮度大明亮度大反射率高，不同程度明亮度代表中間過反射率高，不同程度明亮度代表中間過度的反射率。度的反射率。單個工作波段上的影像表示為彩色單個工作波段上的影像表示為彩色: :反射率越大反射率越大越明亮的色彩，反射率越小越明亮的色彩，反射率越小明亮明亮度越小的色彩。度越小的色彩。三個工作波段的影像可以疊加顯示為彩色：三個工作波段的影像可以疊加顯示為彩色：利用三利用三原色原理，三幅影像分別對應三原色疊加在一起。原色原理，三幅影像分別對應三原色疊加在一起。1 1、衛星上的傳感器所接受的信號除了地物直接反射、衛星上的

13、傳感器所接受的信號除了地物直接反射的信息外，還混入了其他途徑來的輻射，需要做輻的信息外，還混入了其他途徑來的輻射，需要做輻射校正把它們去掉。請分析有幾種其他輻射進入傳射校正把它們去掉。請分析有幾種其他輻射進入傳感器。有哪些校正方法？感器。有哪些校正方法？2 2、介紹回歸分析方法。、介紹回歸分析方法。3 3、如果不作幾何校正，遙感影像有什么問題？、如果不作幾何校正，遙感影像有什么問題？ 幾幾何校正分哪幾步進行？何校正分哪幾步進行？4 4、什么是最小二乘法？、什么是最小二乘法？4.2.1 4.2.1 數字圖像數字圖像4.2.24.2.2 輻射校正輻射校正4.2.34.2.3 幾何校正幾何校正第二節

14、第二節 數字圖像的校正數字圖像的校正4.2.1數字圖像數字圖像數字圖像：數字圖像：光學圖像是模擬量，經光學圖像是模擬量，經采樣采樣和灰度級量化后和灰度級量化后成為數字量成為數字量數字圖像。數字圖像。光學圖像是連續的，而數字圖像是離散的。光學圖像是連續的，而數字圖像是離散的。 一般一般，灰度值從，灰度值從0 0到到255255，共有，共有256256級灰階。級灰階。數字圖像的表示：數字圖像的表示：矩陣函數矩陣函數數字圖象HOME1 進入傳感器的進入傳感器的輻射強度輻射強度反映在圖像上就是反映在圖像上就是亮度亮度值（灰度值）。值（灰度值）。輻射強度大，亮度值（灰度值）輻射強度大，亮度值（灰度值）就

15、大。就大。 該值主要受該值主要受兩個物理量影響兩個物理量影響：一是太陽輻射照：一是太陽輻射照射到地面的輻射強度，二是地物的光譜反射率。射到地面的輻射強度，二是地物的光譜反射率。4.2.2輻射校正輻射校正（Radiometric correction ）輻射畸變：輻射畸變： 地物目標的光譜反射率的差異在地物目標的光譜反射率的差異在實際測量時，受到實際測量時，受到傳感器本身、大氣輻射傳感器本身、大氣輻射等其他因素的影響而發生改變。這種改變等其他因素的影響而發生改變。這種改變稱為稱為輻射畸變輻射畸變。傳感器儀器本身產生的誤差傳感器儀器本身產生的誤差 儀器系統工作產生的誤差儀器系統工作產生的誤差導致了

16、接收的圖像不均勻，導致了接收的圖像不均勻，產生條紋和噪聲。產生條紋和噪聲。 主要表現：灰度失真疵點、離散的灰點、條狀和環狀干主要表現：灰度失真疵點、離散的灰點、條狀和環狀干擾、亮度邊緣值缺失等亮度失真。擾、亮度邊緣值缺失等亮度失真。大氣對輻射的影響大氣對輻射的影響 由于大氣吸收、散射作用，大氣會消弱原信號強度；由于大氣吸收、散射作用，大氣會消弱原信號強度；同時部分散射光、反射光直接或間接進入傳感器，成為干擾同時部分散射光、反射光直接或間接進入傳感器，成為干擾信息。信息。 最終表現為：減少了圖像的對比度，圖像具有灰霧狀。最終表現為：減少了圖像的對比度，圖像具有灰霧狀。引起輻射畸變的原因：引起輻射

17、畸變的原因：1. 1.大氣影響的定量分析大氣影響的定量分析 ：2.大氣影響的粗略校正：大氣影響的粗略校正：1.大氣影響的定量分析大氣影響的定量分析 對傳感器接收影響較大的是對傳感器接收影響較大的是吸收和散射吸收和散射。 到達傳感器的輻射亮度：到達傳感器的輻射亮度：太陽經大氣衰減后照射到地面，經地面反射后，又經大太陽經大氣衰減后照射到地面，經地面反射后，又經大氣第二次衰減進入傳感器的能量；氣第二次衰減進入傳感器的能量； 透過率小于透過率小于1 1（L L1 1）各個方向散射光又以漫入射照射地物，經地物反射進入各個方向散射光又以漫入射照射地物，經地物反射進入傳感器。傳感器。(L(L2 2) ) 各

18、個方向散射光直接進入傳感器。各個方向散射光直接進入傳感器。(L(LP P) ) 程輻射度程輻射度 進入傳感器的輻射能的組成： L=L1+L2+LP大氣的主要影響是減少了圖像的對比度，使原始信大氣的主要影響是減少了圖像的對比度，使原始信號和背景信號都增加了因子，圖像質量下降號和背景信號都增加了因子，圖像質量下降。2.大氣影響的粗略校正：大氣影響的粗略校正：通過簡單的方法去掉程輻射度（散射光直接進入傳感器的那部分），從而改善圖像質量。 直方圖最小值去除法 回歸分析法:數字圖像直方圖：數字圖像直方圖：以每個像元為單位，橫坐標代表像元灰度級，縱坐標以每個像元為單位，橫坐標代表像元灰度級，縱坐標代表每一

19、灰度級內像素占總像素數的比例。代表每一灰度級內像素占總像素數的比例。直方圖的作用：直方圖的作用：直觀地了解圖像的亮度值分布范圍、峰值的位置、均值以直觀地了解圖像的亮度值分布范圍、峰值的位置、均值以及亮度值分布的離散程度。直方圖的曲線可以反映圖像的質量差異。及亮度值分布的離散程度。直方圖的曲線可以反映圖像的質量差異。直方圖（）直方圖最小值去除法（）直方圖最小值去除法基本思路基本思路: :每幅圖像上都有輻射亮度或反射亮度應每幅圖像上都有輻射亮度或反射亮度應為零的地區（陰影、深海水體），而事實上并不等為零的地區（陰影、深海水體），而事實上并不等于零于零, ,此值應該是此值應該是程輻射度值程輻射度值。

20、將每一波段中每個。將每一波段中每個像元值都減去像元值都減去本波段的最小值本波段的最小值可消除程輻射度影響。可消除程輻射度影響。最小值從直方圖中發現。最小值從直方圖中發現。調整前直方圖調整后直方圖亮度值亮度值亮度值亮度值像元數百分比像元數百分比/%/%像元數百分比像元數百分比/%/%基本思想：基本思想： 以以紅外波段最低值紅外波段最低值校正可見光波段。校正可見光波段。把紅外圖象當作無散把紅外圖象當作無散射的標準圖象。射的標準圖象。一般來說，大氣影響散射主要影響短波部分，其強度隨波長的增加一般來說，大氣影響散射主要影響短波部分，其強度隨波長的增加而減小，到而減小，到紅外波段紅外波段可能接近于零。把

21、它作為無可能接近于零。把它作為無散射影響的標準圖散射影響的標準圖像像，通過對不同波段圖像的對比分析來計算大氣影響。，通過對不同波段圖像的對比分析來計算大氣影響。（2）回歸分析法）回歸分析法回歸分析校正法回歸分析校正法xy1x(,)iixy(,)iixyyabx60605761125 69586770646047616164546074紅紅外外波波段段操作方法：操作方法： 令紅外波段為令紅外波段為a波段，其他波段的最小值一定比波段，其他波段的最小值一定比a波段的大，設為波段的大，設為b波段。兩波段的像元亮度間具有相關性，以波段。兩波段的像元亮度間具有相關性，以a波段亮度作為自變量、波段亮度作為自

22、變量、b波段亮度作為函數，作波段亮度作為函數，作 2維散點圖維散點圖進行線性回歸分析。所得的截距被進行線性回歸分析。所得的截距被當做為波段當做為波段b中所具有的程輻射度。中所具有的程輻射度?；貧w方程為：回歸方程為： y=a4+b4x；大氣改正截距大氣改正截距a4所所求求波波段段思考思考為什么要進行圖象的幾何處理為什么要進行圖象的幾何處理? ?幾何處理的內容是什么幾何處理的內容是什么? ?4.2.3幾何校正幾何校正 我們得到的圖象一般是未經幾何處理的圖象，不能我們得到的圖象一般是未經幾何處理的圖象，不能直接應用，必須將其投影到需要的直接應用，必須將其投影到需要的地理坐標系地理坐標系，對圖象，對圖

23、象進行幾何糾正和我們所需要的坐標系一致。研究遙感圖進行幾何糾正和我們所需要的坐標系一致。研究遙感圖像幾何變形的前提是必須確定一個圖像投影的參照系統，像幾何變形的前提是必須確定一個圖像投影的參照系統，即即地圖投影系統地圖投影系統。 遙感圖像成圖時，由于各種因素的影響，圖像本身遙感圖像成圖時，由于各種因素的影響，圖像本身的的幾何形狀與其對應的地物形狀幾何形狀與其對應的地物形狀往往是不一致的。往往是不一致的。1、遙感影像變形的原因、遙感影像變形的原因1）遙感平臺位置和運動狀態變化的影響：）遙感平臺位置和運動狀態變化的影響： 航高、航速、俯仰、翻滾、偏航。航高、航速、俯仰、翻滾、偏航。由于傳感器自身的

24、性能技術指標偏移標稱數值所造成的。2）地形起伏的影響：）地形起伏的影響：產生像點位移。產生像點位移。3）地球表面曲率的影響：）地球表面曲率的影響：像點位置的移動像點位置的移動4）大氣折射的影響：）大氣折射的影響：產生像點位移。產生像點位移。5）地球自轉的影響：）地球自轉的影響：產生影像偏離。產生影像偏離。（1）、衛星姿態引起的圖像變形）、衛星姿態引起的圖像變形位移變化位移變化高度變化高度變化速度變化速度變化偏航變化偏航變化俯仰變化俯仰變化側翻變化側翻變化(d) (d ) (d ) 地球曲率引起的像點位移類似于地球曲率引起的像點位移類似于地形起伏地形起伏引起引起的像點位移。的像點位移。h看作是一

25、種系統的地形起伏看作是一種系統的地形起伏，就可以利用像點位移公式來估計就可以利用像點位移公式來估計地球曲率所引地球曲率所引起的像點位移起的像點位移。地球曲率的變形圖示地球曲率的變形圖示（3）地球表面曲率的影響）地球表面曲率的影響大氣密度分布從下向大氣密度分布從下向上越來越小，折射率上越來越小，折射率也不斷變化，折射后也不斷變化，折射后的的輻射傳播輻射傳播不再是直不再是直線而變成了線而變成了曲線曲線，從，從而引起而引起像點的位移。像點的位移。（4）大氣折射的影響）大氣折射的影響衛星自北向南運行的同時，衛星自北向南運行的同時，地球自西向東自轉，相對地球自西向東自轉，相對運動使衛星的運動使衛星的星下

26、點星下點位置位置逐漸向西平移，最終使得逐漸向西平移，最終使得圖像發生扭曲。圖像發生扭曲。（5）地球自轉的影響）地球自轉的影響幾何粗校正：幾何粗校正：針對針對衛星運行和成像過程衛星運行和成像過程中引起中引起的幾何畸變進行的校正，僅作的幾何畸變進行的校正，僅作系統誤差系統誤差校正。校正。幾何精校正幾何精校正：消除圖像中的幾何變形，產生一消除圖像中的幾何變形，產生一幅符合某種幅符合某種地圖投影或圖形表達要求地圖投影或圖形表達要求的新圖像的新圖像2 2 幾何畸變校正幾何畸變校正遙感圖像的幾何處理包括兩個層次。遙感圖像的幾何處理包括兩個層次。 第一是遙感圖像的第一是遙感圖像的粗加工處理；粗加工處理； 第

27、二是遙感圖像的第二是遙感圖像的精加工處理。精加工處理。 精校正基本原理：精校正基本原理：利用利用圖像坐標圖像坐標和和地面坐標地面坐標（另（另一圖像坐標、地圖坐標等）之間的數學關系，即一圖像坐標、地圖坐標等）之間的數學關系，即輸入圖像輸入圖像和和輸出圖像間輸出圖像間的坐標轉換關系實現。的坐標轉換關系實現。具體步驟具體步驟 ： 1）像素坐標的變換 （利用數學模擬多項式來描述）（從理論上講，任何曲面都能用適當高次的多項式來擬合。） 2）計算每一點的亮度值。1 1）數學模擬）數學模擬二元二元n n次多項式次多項式 需找需找6 6個已知對應點，這些已知坐標的對應點為個已知對應點，這些已知坐標的對應點為控

28、制點。控制點。 代入控制點求出坐標變換函數式的系數，確立代入控制點求出坐標變換函數式的系數，確立坐標變換函數式坐標變換函數式常采用：二元二次多項式常采用：二元二次多項式1）最近鄰法：距離實際位置）最近鄰法：距離實際位置最近的像元的灰度值最近的像元的灰度值作為輸出圖像像元的灰度值作為輸出圖像像元的灰度值2）確定每點的亮度值）確定每點的亮度值原圖像對應點的亮度原圖像對應點的亮度2 2）雙線性內插：取采樣點）雙線性內插：取采樣點周圍周圍4 4個像元的值個像元的值參與計算，先計算參與計算，先計算X X方向（或方向（或Y Y方向）上線性內插，所得到的兩個內插值再進行方向）上線性內插，所得到的兩個內插值再

29、進行Y Y方向（方向（X X方向）上一次內插。方向）上一次內插。（g1）（ ）3 3）三次卷積內插：取采樣點）三次卷積內插：取采樣點周圍周圍1616個像元個像元的值參與計算，先對的值參與計算，先對X X方向上方向上的像元值進行卷積運算，再對所得到的的像元值進行卷積運算，再對所得到的4 4個值進行個值進行Y Y方向方向上的卷積運算。上的卷積運算。-a(1-a) 21-2a2+a3a(1+a-a3)a2(a-1)a=x-i鄰近點對投影點的權重，表示鄰近點到投影點的距離鄰近點對投影點的權重，表示鄰近點到投影點的距離 最近鄰法最近鄰法計算量最小計算量最小，但處理后的圖像的亮，但處理后的圖像的亮 度具有

30、不連續性，線性地物易產生度具有不連續性，線性地物易產生鋸齒狀鋸齒狀。 雙線性內插法的雙線性內插法的精度和計算量適中精度和計算量適中，并帶有，并帶有 低通濾波（平滑）低通濾波（平滑）的效果，細節信息丟失，的效果，細節信息丟失， 邊緣受到一定的平滑作用。邊緣受到一定的平滑作用。 三次卷積法內插精度高且帶有三次卷積法內插精度高且帶有邊緣增強邊緣增強的效的效 果，缺點是果，缺點是運算量大運算量大。3 3）控制點的選?。┛刂泣c的選取數目的確定數目的確定: :最小數目：最小數目：大于最低數很多；有時大于最低數很多；有時6 6倍于最小數目。倍于最小數目。選擇的原則選擇的原則易分辨、易定位的特征點：易分辨、易

31、定位的特征點：道路的交叉口，水道路的交叉口，水庫壩址，河流彎曲點等。庫壩址，河流彎曲點等。特征變化大的地區應多選些。特征變化大的地區應多選些。圖像邊緣部分一定要選取控制點，以避免外推。圖像邊緣部分一定要選取控制點，以避免外推。盡可能滿幅均勻選取。盡可能滿幅均勻選取。2)2)(1(NN N: N: 多項式的次數多項式的次數1 1、計算、計算P133P133頁，第頁，第1010題（題（1 1）。）。2 2、線性代數矩陣中的特征值和特征向量的幾何意義、線性代數矩陣中的特征值和特征向量的幾何意義是什么是什么? ?3 3、主成分分析原理是什么？、主成分分析原理是什么？4 4、遙感信息復合的方法有哪些、遙

32、感信息復合的方法有哪些? ?第三節第三節 數字圖像增強數字圖像增強 對比度變換、對比度變換、 空間濾波變換、空間濾波變換、 彩色變換、彩色變換、 圖像運算、圖像運算、 多光譜變換。多光譜變換。一、對比度變換一、對比度變換 概念：概念：是一種通過改變圖像是一種通過改變圖像像元的亮度值像元的亮度值來改變圖來改變圖像像元對比度，從而改善圖像質量的圖像處理方法。像像元對比度，從而改善圖像質量的圖像處理方法。 將圖像中將圖像中過于集中的像元分布過于集中的像元分布區域（亮度值分布范區域（亮度值分布范圍）拉開擴展，擴大圖像圍）拉開擴展，擴大圖像反差的對比度反差的對比度，增強圖像，增強圖像表現的表現的層次性層

33、次性。 方法：方法：對比度線性變換和非線性變換。對比度線性變換和非線性變換。直方圖的概念直方圖的概念 p113 一般來說，包含大量像元的圖像，像元的亮度隨機一般來說，包含大量像元的圖像，像元的亮度隨機分布應是分布應是正態分布正態分布。直方圖為直方圖為非正態分布非正態分布，說明圖像的亮度分布，說明圖像的亮度分布偏亮偏亮、偏暗偏暗或或亮度過于集中亮度過于集中，圖像的，圖像的對比度小對比度小，需要調整，需要調整該直方圖到正態分布，以改善圖像的質量。該直方圖到正態分布，以改善圖像的質量。線性變換：線性變換：在改善圖像對比度時，如果在改善圖像對比度時，如果采用采用線性或分段線性線性或分段線性的函數關系，

34、那么這的函數關系，那么這種變換就是線性變換。種變換就是線性變換。 按一定比例對原像元值進行擴大或縮小按一定比例對原像元值進行擴大或縮小 調整調整線性參數線性參數，改變變換效果，改變變換效果 分段式線性變換分段式線性變換非線性變換：非線性變換：變換函數為變換函數為非線性函數非線性函數時，時，即為非線性變換。即為非線性變換。 （指數變換、對數變換）指數變換、對數變換）b2b1a2a1（x xa a , ,x xb b）121121aaaxbbbxab111212)(baxaabbxab（1 1）線性變換）線性變換變換前亮度值變換前亮度值變變換換后后亮亮度度值值分段線性變換分段線性變換abxx311

35、02abxx41543abxx變換前變換前0123456789101112131415變換后變換后00111224681012131414156 , 0 x11, 6x15,11x變換前變換前變換后變換后變換前變換前變換后變換后指數變換指數變換對數變換對數變換()非線性變換非線性變換caxbxab) 1lg(cbexaaxb在亮度值較高部分在亮度值較高部分拉伸，亮度值較低拉伸，亮度值較低部分壓縮。部分壓縮。在亮度值較低部分在亮度值較低部分拉伸，亮度值較高拉伸，亮度值較高部分壓縮。部分壓縮。二、空間濾波二、空間濾波 空間濾波：空間濾波：以突出圖像上的某些特征為目的，以突出圖像上的某些特征為目的，

36、通過通過像元與周圍相鄰像元的關系像元與周圍相鄰像元的關系，采取空間，采取空間域中的域中的鄰域處理方法鄰域處理方法進行圖像增強方法。進行圖像增強方法。 鄰域處理：鄰域處理： 新影像像元值由原影像上對應新影像像元值由原影像上對應像元及相鄰像元及相鄰像元的值像元的值來確定。來確定。 主要包括主要包括平滑和銳化。平滑和銳化。圖像卷積運算：圖像卷積運算：在圖像的左上角開一個與在圖像的左上角開一個與模板模板同樣同樣大小的活動窗口，大小的活動窗口，圖像窗口圖像窗口與與模板像元模板像元的的亮度值相亮度值相乘再相加乘再相加，得到新像元的灰度值。，得到新像元的灰度值?？臻g濾波的作用空間濾波的作用平滑：平滑：消除各

37、種干擾噪聲，使影像中消除各種干擾噪聲，使影像中高頻成分高頻成分消退消退，平化掉影像的細節，表現為影像模糊。，平化掉影像的細節，表現為影像模糊。 銳化：銳化：突出突出影像邊緣、線性目標或某些影像邊緣、線性目標或某些亮度變化亮度變化率大率大的部分的部分，提高影像的細節，常表現為邊緣增強。，提高影像的細節，常表現為邊緣增強。high-pass filter （高通濾波）（高通濾波）low-pass filter（低通濾波）（低通濾波）1 1、平滑、平滑-圖像中出現某些亮度值過大的區域，或出現不該有的亮點時，采用平滑方法可以減小變化，使亮度平緩或去掉不必要的亮點。均值平滑：均值平滑：將每個像元在以其為

38、中心的區域內，將每個像元在以其為中心的區域內，取取平均值平均值來代替該像元值，以達到去掉尖銳來代替該像元值，以達到去掉尖銳“噪聲噪聲”和平滑圖像的目的。和平滑圖像的目的。中值濾波：中值濾波：將每個像元在以其為中心的鄰域內，將每個像元在以其為中心的鄰域內，取取中間亮度值中間亮度值來代替該像元值，以達到去掉尖來代替該像元值，以達到去掉尖銳銳“噪聲噪聲”和平滑圖像的目的。和平滑圖像的目的。中值（中位值）中值（中位值） 在全部數據中排列在中間的在全部數據中排列在中間的數據值數據值 1/91/91/91/91/91/91/91/91/964605761125 6958607064605761616958

39、6070均值濾波：均值濾波：中值濾波：中值濾波：57586060616469701252 2、銳化、銳化突出圖像的邊緣、線性目標或某些亮突出圖像的邊緣、線性目標或某些亮度變化率大的部分。度變化率大的部分。羅伯特梯度：羅伯特梯度：找到了找到了梯度較大的位置梯度較大的位置，也就找，也就找到了到了邊緣邊緣，用不同的梯度值代替邊緣處像元的，用不同的梯度值代替邊緣處像元的值，也就突出了邊緣。值，也就突出了邊緣。索伯爾梯度索伯爾梯度拉普拉斯算法拉普拉斯算法定向檢測定向檢測Smoothing Edge Enhancement彩色的視覺分辨能力比黑白高方法：方法：三、彩色變換三、彩色變換單波段的彩色：密度分割

40、多波段的彩色：彩色合成HLS變換：概念：概念：單波段黑白遙感圖像可按亮度分層，對每層賦予不同的色彩，使之成為一幅彩色圖像。這種方法又叫密度分割。分層方案的確定：分層方案的確定：分層方案與分層方案與地物光地物光譜差異譜差異對應合適，對應合適，可以較好地區分地可以較好地區分地物類別。物類別。1、單波段彩色變換（、單波段彩色變換（假彩色密度分割假彩色密度分割）v以不同的色彩表示圖像的色調變化，增強了圖像的顯示能力v同一地物或現象可能被分割成兩種不同密度并以不同的顏色顯示出來，或同一色彩卻表示兩種以上不同的地物，造成判讀錯誤。2 2、多波段色彩變換、多波段色彩變換 概念：概念： 依照依照加色法彩色合成

41、原理加色法彩色合成原理，選擇遙感影像的，選擇遙感影像的某三個波段，分別賦予某三個波段，分別賦予紅、綠、藍紅、綠、藍三原色，三原色，合成彩色影像合成彩色影像 合成方案：合成方案：真彩色合成、假彩色合成真彩色合成、假彩色合成例如：例如： TM：Band3、2、1 display as RGB，稱為，稱為真彩色合成真彩色合成。 TM：Band4、3、2 display as RGB，稱為，稱為標準假彩色合成標準假彩色合成。多光譜多光譜TMTM影像影像TM1TM1：0.45-0.520.45-0.52微米，藍波段微米，藍波段TM2TM2：0.52-0.600.52-0.60微米，綠波段微米，綠波段TM

42、3TM3：0.63-0.690.63-0.69微米，紅波段，微米，紅波段，TM4TM4：0.76-0.900.76-0.90微米，近紅外波段微米，近紅外波段TM5TM5：1.55-1.751.55-1.75微米，中紅外波段微米，中紅外波段TM6TM6：10.4-12.510.4-12.5微米，熱紅外波段微米，熱紅外波段TM7TM7：2.08-2.352.08-2.35微米，中紅外波段微米，中紅外波段 HLS變換是從變換是從RGB模式模式轉換到轉換到HLS模式模式，是顏色從是顏色從RGB數學表達到另一種數學表達的數學表達到另一種數學表達的定量化轉換過程。定量化轉換過程。3 3、HLSHLS變換變

43、換 RGB模型模型 (Red, Green, Blue)RGB模型為圖像中每一個像素模型為圖像中每一個像素RGB分量分配一個分量分配一個0255范范圍內的強度值。例如：圍內的強度值。例如： 純紅色純紅色R值為值為255，G值為值為0，B值為值為0； 純綠色純綠色G值為值為0，G值為值為255，B值為值為0； 純藍色純藍色B值為值為0，G值為值為0 ，B值為值為 255 ； 灰色灰色的的R、G、B三個值相等（除了三個值相等（除了0和和255）；）； 白色白色的的R、G、B都為都為255； 黑色黑色的的R、G、B都為都為0。RGB圖像只使用三種顏色，就可以使它們按照不同的比例圖像只使用三種顏色，就

44、可以使它們按照不同的比例混合，在屏幕上重現混合，在屏幕上重現16581375種顏色。種顏色。HLS模型（模型（Hue, saturation, Lightness-Intensity）HLS色彩模式以色彩模式以色調（色調（H）、飽和度（）、飽和度（S）和明度）和明度（L）描述顏色的基本特征。描述顏色的基本特征。 色調色調在在0到到360度的標準色輪上，色相是按位置計度的標準色輪上，色相是按位置計量的。量的。 飽和度飽和度用色相中灰色成分所占的比例來表示，用色相中灰色成分所占的比例來表示，0%為純灰色，為純灰色，100%為完全飽和。為完全飽和。 明度明度是指顏色的相對明暗程度，是指顏色的相對明暗

45、程度，0%定義為黑色，定義為黑色，100%定義為白色。定義為白色。 RGBRGB是從物理學角度出發描述顏色，是從物理學角度出發描述顏色，HLSHLS則是從人則是從人眼的主觀感覺出發描述顏色。該模型是目前使用較為眼的主觀感覺出發描述顏色。該模型是目前使用較為廣泛的融合方法。廣泛的融合方法。 在在HLS域，域，亮度亮度L L分量與地物表面粗糙度相對應，分量與地物表面粗糙度相對應，代表地物的空間代表地物的空間幾何特征幾何特征，色調色調H H分量代表地物的主分量代表地物的主要頻譜特征，要頻譜特征，飽和度飽和度S S表征色彩的純度。表征色彩的純度。變換前紅、綠、藍各波段變換前紅、綠、藍各波段歸一化歸一化

46、0，1亮度值表示為：亮度值表示為：Lr、Lg、Lb，三者中最大為，三者中最大為Lmax ，最小為最小為Lmin四、圖像運算四、圖像運算 概念概念：兩幅或多幅單波段影像，完成空間配兩幅或多幅單波段影像，完成空間配準后，通過一系列準后，通過一系列運算運算，可以實現圖像增強，可以實現圖像增強，達到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目達到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目的。的。 原理：原理：地物不同波段的光譜差異。地物不同波段的光譜差異。 差值運算差值運算 比值運算比值運算 差值運算差值運算 兩幅行列數相等的影像，兩幅行列數相等的影像，對應像元值相減對應像元值相減 fD(x,y)=f1(x,y)-

47、f2(x,y) 差值運算的作用差值運算的作用 地物在不同波段上的反射率差異地物在不同波段上的反射率差異 反映了地物的時間變化反映了地物的時間變化（同一地區不同（同一地區不同時相的動態變化）時相的動態變化） 對應像元的亮度值相除（除數不為對應像元的亮度值相除（除數不為0） fD(x,y)=f1(x,y)/f2(x,y) 比值運算的作用比值運算的作用 能壓抑因能壓抑因地形坡度和方向地形坡度和方向引起的輻射引起的輻射量變量變 化，消除化，消除地形起伏地形起伏的影響；的影響； 擴大不同地物的光譜差異擴大不同地物的光譜差異（可增強某些可增強某些地地 物之間的反差）物之間的反差） 比值運算比值運算典型例子

48、典型例子 區分植被和非植被區分植被和非植被 植被在近紅外波段的像元值大于可見光波段的像植被在近紅外波段的像元值大于可見光波段的像 元值，因此元值，因此植被植被的的NDVI值必定是正值，并且大值必定是正值，并且大 于其它于其它非植被地物非植被地物的的NDVI值，因此可以通過確值，因此可以通過確 定一個定一個閾值閾值來區分來區分。 用于提取植被類別、估算植被生物量、估算農用于提取植被類別、估算植被生物量、估算農作作 物產量、森林蓄積量物產量、森林蓄積量 綠色植被在近紅外光處為高反射，紅光處為低反射綠色植被在近紅外光處為高反射，紅光處為低反射NDVI：（近紅外波段（近紅外波段-紅光波段）紅光波段）/

49、（近紅外波段（近紅外波段+紅光波段）紅光波段）對于對于TM： （TM4-TM3）/(TM4+TM3)突出突出植被在紅光、近紅光上的反射差異特征。植被在紅光、近紅光上的反射差異特征。 遙感多光譜影像，特別是陸地衛星的遙感多光譜影像，特別是陸地衛星的TM等傳感器，等傳感器，波段多，信息量大，波段多，信息量大，對圖像解譯很有價值。但數據量對圖像解譯很有價值。但數據量太大，在圖像處理計算時，也常常耗費大量的機時和太大，在圖像處理計算時，也常常耗費大量的機時和占據大量的磁盤空間。占據大量的磁盤空間。 實際上，一些波段的遙感數據之間都有不同程度實際上，一些波段的遙感數據之間都有不同程度的的相關性相關性，各

50、相關波段之間存在大量的，各相關波段之間存在大量的數據冗余數據冗余。五、多光譜變換五、多光譜變換多光譜變換多光譜變換: :針對多光譜影針對多光譜影像像存在的一定程度上存在的一定程度上的相關性以及數據冗余現象，通過的相關性以及數據冗余現象，通過函數變換函數變換，達，達到到保留主要信息，降低數據量保留主要信息，降低數據量,增強或提取有用信增強或提取有用信息息目的的方法。目的的方法。主要方法有：主要方法有： K-L變換（主成分變換）變換（主成分變換） K-T變換（主因子變換）變換（主因子變換） 主成分分析主成分分析 （principal component analysisprincipal comp

51、onent analysis）：）：是著眼于是著眼于變量之間的相互關系變量之間的相互關系，盡可能不丟失信，盡可能不丟失信息地用息地用幾個綜合性指標匯集幾個綜合性指標匯集多個變量的測量值而多個變量的測量值而進行描述的方法。進行描述的方法。 通過采用主成分分析就可以把通過采用主成分分析就可以把影像中所含的大部影像中所含的大部分信息用假想的少數波段表示出來分信息用假想的少數波段表示出來，這意味著信，這意味著信息幾乎不丟失但數據量可以減少。息幾乎不丟失但數據量可以減少。 Y=AX X X為變換前的多光譜空間的像元矢量為變換前的多光譜空間的像元矢量 Y Y為變換后的主分量空間的像元矢量為變換后的主分量空

52、間的像元矢量 A A為變換矩陣為變換矩陣nixxxxX21K-LK-L變換變換（主成分變換）（主成分變換） 目的：目的：是去除數據之間的相關性，減少冗余。是去除數據之間的相關性，減少冗余。 方法：方法：它是對某一多光譜圖像它是對某一多光譜圖像X.X.利用利用K-LK-L變換矩變換矩陣陣A A進行線性組合進行線性組合, ,而產生一組新的多光譜圖像而產生一組新的多光譜圖像Y.Y.nnnnnnnnxxxyyy2121222211121121,x2x1 5.1.1 KL變換的特點： (1)(1)從幾何意義來看，從幾何意義來看，變換后的主分量變換后的主分量空間坐標空間坐標系與系與變換前的多光譜空間坐標系

53、相比旋轉變換前的多光譜空間坐標系相比旋轉了一了一個個角度角度。而且新坐標系的坐標軸一定指向數據。而且新坐標系的坐標軸一定指向數據信息量較大的方向。以信息量較大的方向。以二維空間二維空間為例，假定某為例，假定某影像像元的影像像元的分布呈橢圓狀分布呈橢圓狀，那么經過旋轉后，那么經過旋轉后，新坐標系的新坐標系的坐標軸一定分別指向橢圓的長半軸坐標軸一定分別指向橢圓的長半軸和短半軸方向和短半軸方向主分量方向主分量方向，因為長半軸這，因為長半軸這一方向的信息量最大。一方向的信息量最大。 KL變換的特點： (2)(2)就變換后的就變換后的新波段主分量新波段主分量而言，它們所包括而言，它們所包括的的信息量不同

54、信息量不同，呈，呈逐漸減少逐漸減少趨勢。事實上，趨勢。事實上，第第一主分量一主分量集中了最大的信息量，常常集中了最大的信息量，常常占占8080以以上。第二、三主分量的信息量依次很快遞減，上。第二、三主分量的信息量依次很快遞減，到了第到了第n n分量，信息幾乎為零。分量，信息幾乎為零。 由于由于K KL L變換對不相關的噪聲沒有影響，所變換對不相關的噪聲沒有影響，所以信息減少時，便突出了噪聲，最后的以信息減少時，便突出了噪聲，最后的分量幾分量幾乎全是噪聲乎全是噪聲。所以這種變換又可分離出噪聲。所以這種變換又可分離出噪聲。 K-LK-L變換：變換：可實現可實現數據壓縮數據壓縮和和圖像增強圖像增強。

55、 基于上述特點，在遙感數據處理時常常用基于上述特點，在遙感數據處理時常常用KL變換作變換作數據分析前的預處理數據分析前的預處理，可以實現數據壓，可以實現數據壓縮和圖像增強的效果。縮和圖像增強的效果。 在在遙感圖像分類遙感圖像分類中，常常利用主成分分析算法中，常常利用主成分分析算法來來消除特征向量中各特征之間的相關性消除特征向量中各特征之間的相關性，并進行，并進行特征選擇。特征選擇。 T 變換變換( 纓帽變換纓帽變換 )：性質性質: (1) 僅適用于僅適用于TM圖像圖像15、7波段波段的線性變換的線性變換; (2) 線性變換矩陣為線性變換矩陣為66 的常數矩陣的常數矩陣,而且是而且是經驗經驗矩陣矩陣; (3) 變換后依然得到變換后依然得到6個圖像個圖像。其中：第一個圖像。其中：第一個圖像反映反映亮度特征亮度特征，是原圖像亮度的加權和；第二個圖像表，是原圖像亮度的加權和；第二個圖像表示示綠度綠度，反映，反映綠色生物量特征綠色生物量特征；第三個圖像表示；第三個圖像表示濕度濕度，反映反映土壤的濕度特征土壤的濕度特征；其