第四章遥感图像处理1.pptx

4.1光学原理与光学处理1 1 颜色的性质和颜色立体颜色的性质和颜色立体2 2 加色法与减色法加色法与减色法补充：遥感数字影像的表现形式：补充：遥感数字影像的表现形式：黑白影像与彩色影像黑白影像与彩色影像光学处理（了解）光学处理（了解）4.1.1 4.1.1 颜色视觉颜色视觉光和颜色光和颜色n电磁波谱中0.38-0.76m的波段能引起人的视觉，称为可见光,简称光n可见光加上紫外和红外部分来自原子和分子的发光辐射，称为光学辐射n-光学遥感n光与色有什么不同？n光是色的源泉，色是光的表现。“五光十色”4.1.1 4.1.1 颜色视觉颜色视觉(一一)亮度对比亮度对比n亮度对比：视场中对象与背景的亮度差与背景亮度之比 C=（L对象-L背景）/L背景n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。n两个或多个对象间的对比，即C=L对象/L对象亮度对比例子亮度对比例子高度对比度合适亮度对比度过量4.1.1 4.1.1 颜色视觉（一）颜色视觉（一）颜色对比颜色对比n颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色相互影响。颜色对比：在视场中，相邻区域的不同颜色相互影响。受受视觉影响很大视觉影响很大n(所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其它波长吸收所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其它波长吸收的结果的结果)n两种颜色互相影响的结果，使每种颜色向其影响色的补色两种颜色互相影响的结果，使每种颜色向其影响色的补色变化。两种颜色的边界，对比现象更加明显变化。两种颜色的边界，对比现象更加明显n在色度学中，当两种颜色混合产生白色或灰色时，这两种在色度学中，当两种颜色混合产生白色或灰色时，这两种颜色称为互补色。颜色称为互补色。n绿是品红的补色，蓝是黄的补色绿是品红的补色，蓝是黄的补色n人眼能分辨一百多种不同颜色，彩色图象能表现更丰富的人眼能分辨一百多种不同颜色，彩色图象能表现更丰富的信息量信息量黑白图像黑白图像黑白图像黑白图像彩色图像彩色图像彩色图像彩色图像4.1.1 4.1.1 颜色视觉颜色视觉(二二)颜色的性质颜色的性质n 颜色描述对遥感图象很重要，颜色变换是遥感图象处理的重要方法。n 所有颜色都是对某段波长有选择地反射而对其它波长吸收的结果n 颜色的性质由明度、色调、饱和度来描述y明度（Lightness,强度,Intensity）y色调（Hue）y饱和度(Saturation)4.1.14.1.1颜色视觉颜色视觉(二二)颜色的性质：颜色的性质：明度明度(Lightness)n明度：是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。与电磁波辐射亮度的概念不同，明度受人的视觉感受性和经验影响。n物体反射率越高，明度就越高。白比灰，黄比红n光源：亮度越大，明度越高n黑白图象：灰度、灰阶n白n浅灰n中灰n深灰n黑n（a）明度轴灰度（明度）、灰阶灰度（明度）、灰阶4.1.1 4.1.1 颜色视觉颜色视觉(二二)颜色的性质：颜色的性质：色调色调(Hue)(Hue)n色彩彼此间相互区分的特性。可见光波段的不同波长刺激人眼产生了不同色彩（红紫）的感觉。n颜色环n从红到紫是可见光谱上存在的颜色，每种颜色对应一个波长值，是光谱色。n有时刺激人眼的光波不是单一波长，而是一些波长的组合，也可构成一些颜色，但它们找不到对应的波长值，不叫光谱色。4.1.1 4.1.1 颜色视觉颜色视觉(三三)颜色的性质：颜色的性质：饱和度饱和度(Saturation)n彩色纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。对于光源，发出的若是单色光就是最饱和的彩色，如激光。对于物体颜色，如果物体对光谱反射性有很高的选择性，只反射很窄的波段则饱和度高。n如果光源或物体反射光在某种波长中混有许多其它波长的光或混有白光则饱和度变低。n黑白色只用明度描述，不用色调、饱和度描述。彩色彩色 IH S4.1.1 4.1.1 颜色视觉（三）颜色视觉（三）颜色立体（球形）颜色立体（球形）n球形明度-色度-饱和度色彩坐标系n垂直坐标轴代表亮度n圆周代表色度，色度值从红色中点处的0开始，沿着球体圆周的逆时针方向增加n饱和度描述了色彩的纯度4.1.1 4.1.1 颜色视觉（三）颜色视觉（三）颜色立体（锥形）颜色立体（锥形）n中间垂直轴代表明度n中间水平面的圆周代表色调n圆周上的半径大小代表饱和度4.1.1 4.1.1 颜色视觉（三）颜色视觉（三）颜色立体颜色立体(孟赛尔颜色立体孟赛尔颜色立体)4.1.2 4.1.2 加色法与减色法加色法与减色法(一一)：颜色相加原理：颜色相加原理n三原色：若三种颜色，其中的任一种都不能由其余二种颜色混合相加产生，三种颜色按一定比例混合，可以形成各种色调的颜色，则称之为三原色。实验证明，红、绿、蓝三种颜色是最优的三原色。n由三原色混合，可以产生其他颜色，称为加色法。n互补色：若两种颜色混合产生白色或灰色,这两种颜色就称为互补色。4.1.2 4.1.2 加色法与减色法加色法与减色法(二二)：色度图：色度图n颜色相加的原理可以用色度图来表现，比加色法示意图更接近实际情况。因为每种波长的光都可以用红绿蓝三原色相加产生。n对任何一种颜色的光，当匹配的各波长光谱能量相同（等能光谱）时，都可以推算出其所需要的红绿蓝三原色的数量值。n所有光谱色混合时，即形成等能光谱中的白光，且白光时由相同数量的红绿蓝三原色组成。n设光的总能量为1，则白光由三原色各1/3构成，即红=绿=蓝=1/3白，红+绿+蓝=白n根据上述原理，设计了色度图n左图代表色度图上的色彩分布n其中，x:红色的比例；y:绿色的比例；蓝色比例可由x+y+z=1导出n弧形曲线代表光谱，线上每一点代表一种波长（nm）和光谱颜色，曲线包围的部分及直线部分代表非光谱色。n色度图可以粗略推算两种颜色相混合得到的中间色，M和N两种颜色按照一定比例合成，一定能得到MN连线上的中间色K（只要比例合适，MN上其他的点也可得到）n连接C点与色度图曲线内的一点，可得该点的光谱，例如连接C与K，可得K点的光谱色(0.573um)n该点距离C点的远近反映了C点的饱和度n过C点的直线与边缘交于两个点，则两个点对应的颜色一定是互补色，两者混合可产生白光。4.1.2加色法与减色法加色法与减色法(三三)：减色法减色法n减色法是从自然光（白光）中，减去一种或二种基色光而生成色彩的方法。n颜料本身的色彩是由于本身选择性地吸收了入射自然光中一定波长的光，反射出未被吸收的色光而呈现出本身的色彩。n例如，黄色颜料是由于本身吸收了自然光中的蓝色光，反射出未被吸收的红光和绿光叠加混合的结果；品红颜料是由于吸收了自然光中的绿光，反射出红光和蓝光相加的结果；同样，青颜料是由于吸收了自然光中的红光成分，反射蓝光与绿光的结果。4.1.2加色法与减色法加色法与减色法(三三)：减法三原色n减法三原色：指加法三原色的补色，即黄、品红和青色。n用白光由红、绿、蓝三色组成这种理想模型来理解，可以认为黄色，是减去蓝色的的红绿组合；同样地，品红色是减去绿色的红蓝组合，青色是减去红色的蓝绿组合。这样，黄、品红、青便是减色法的三原色。n将彩色涂料的三色叠加时，由于光线依次通过减红、减绿、减蓝层就成黑色。只有当涂料浓度不够，减色不彻底时才会出现灰白色，但这仍是减色法而不是加色法。补充：遥感数字图像的表现形式补充：遥感数字图像的表现形式黑白、彩色黑白、彩色遥感影像常以照片（或数字影像）来表现:n单波段或全色波段表现为黑白图像，n三波段组合表现为彩色影像彩色：n真彩色(true color)：（三波段组合）n假彩色(false color)：（三波段组合）n伪彩色(pseudo color)y伪彩色(pseudocolor):灰度图像的彩色表示或显示n黑白影像与彩色影像黑白影像与彩色影像 遥感影像常常用照片来表现，单波段单波段或全色波段表现为黑白影像，三波段三波段组合表现为彩色影像。无论是光学处理，还是以计算机处理为主的情况下，处理结果常形成底片底片（负片）或照片照片（正片）。一些回收式卫星其数据也是以胶片形式记录胶片形式记录。因此，有必要学习黑白影像和彩色影像的制作原理。单波段单波段三波段三波段n 一、黑白一、黑白(彩彩)片感光原理片感光原理 照照相相的的第第一一步步是是感感光光，第第二二步步是是显显影影 。第第三三步步为为定定影影，定影液把显影后残留在乳胶层中卤化银去掉，形成负片负片 。洗洗印印像像片片时时使使光光透透过过负负片片照照在在像像纸纸上上，经经过过同同样样的的曝曝光光、显显影影、定定影影过过程程形形成成正正片片。负片黑处透过光弱，在正片上发白，负片白处透过光强，在正片上发黑。因此正片反映的黑白程度与自然景物相比，经经过过两两次次相相反反变换变成一致。变换变成一致。n彩色影像片生成原理彩色影像片生成原理 （一）、彩色合成与假彩色合成（一）、彩色合成与假彩色合成 遥感影像的生成分二步走。首先在航空或航天遥感的传感器中分波段接受地面上地物的信息。第二步是利用三个波段的黑白底片加色合成为三个波段的黑白底片加色合成为彩色影像彩色影像。n图3.11真彩色合成影像示意图透镜代表透射过程n彩色摄影可以生成自然彩色航空摄影像片。n 无论什么片基，彩色片中彩色的生成过程类似，如图无论什么片基，彩色片中彩色的生成过程类似，如图314所示。把自然界物体的颜色简单划分为兰、所示。把自然界物体的颜色简单划分为兰、青、绿、黄、红、品红六个色彩段，再加上全黑和全白共八色，青、绿、黄、红、品红六个色彩段，再加上全黑和全白共八色，TM1(0.45-0.52)蓝波段蓝波段2(0.52-0.60)绿波段绿波段3(0.63-0.69)红波段红波段4(0.76-0.90)近红外波段近红外波段5(1.55-1.75)近红外波段近红外波段7(2.08-2.35)近红外波段近红外波段真彩色：真彩色：TM321假彩色假彩色TM432 TM741n二、光学增强处理二、光学增强处理n利用加色法或减色法实现彩色合成利用加色法或减色法实现彩色合成n（1 1）加色法彩色合成：主要）加色法彩色合成：主要 制作各种合成仪器，选制作各种合成仪器，选用不同波段的正片或负片组合，进行彩色合成。用不同波段的正片或负片组合，进行彩色合成。根据仪器类别可以将图像处理方法分为：根据仪器类别可以将图像处理方法分为：合成仪法合成仪法分层曝光法分层曝光法n2.光学增强处理n相关掩摸处理方法：对于几何位置完全配准的原片，利用感光条件和摄影处理的差别，制成不同密度，不同反差的正片或负片(称为模片)，通过它们的各种不同叠加方案改变原有影像的显示效果，达到信息增强的目的。n 改变对比度：n 边缘突出：n显示动态变化：n密度分层：n 专题抽取n3.光学信息处理：利用光学信息处理系统，即一系列光学透镜按一定规律构成的系统，可以实现对输人数据并行的线性变换，适宜作二维影像处理。n在遥感光学处理中主要研究相干光学的处理过程，较多地应用干涉和衍射知识。如光栅滤波方法可以实现图像的相加和相减，利用单色光通过介质时的位相变化实现图像的假彩色编码，可使单波段的影像彩色化。n（1）图像的相加或相减n（2）遥感黑白图像的假彩色编码4.2.1数字图像4.2.2辐射校正4.3.3几何校正4.2数字图像的校正4.2.1 4.2.1 数字图像数字图像n光学图像（模拟图像）连续图像照片n数字图像指能够被计算机存储、处理和使用n特点：离散图像，二维矩阵：每个元素的取值是图像连续变化的灰度的离散整数值n模拟图像与数字图像之间的转换，称为模/数（A/D）转换照片照片照片上的手指照片上的手指QuickBirdQuickBird（校园）（校园）局部放大局部放大模拟图像（灰度、模拟图像（灰度、颜色的连续分布颜色的连续分布）采采样样像元号像元号 像元像元 量量化化1、离散化的单元像元值的涵义？代表什么？2、在计算机内是如何存储的（以什么数据类型）？n图像处理系统与处理内容 基本概念基本概念n理想遥感图像：如实而毫不歪曲地反映地物的辐射能量分布和几何特征的图像 n图像畸变：实际得到的图像都在不同程度上与地物的辐射能量或亮度分布有差异，即存在着畸变和降质，即图像畸变 图像畸变的分类图像畸变的分类n辐射畸变：指遥感传感器在接收来自地物的电磁波辐射能时，电磁波在大气层中传输和传感器测量中受到遥感传感器本身特性、地物光照条件（地形影响和太阳高度角影响）以及大气作用等影响，而导致的遥感传感器测量值与地物实际的光谱辐射率的不一致。n几何畸变：当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就产生几何畸变。4.2.2 4.2.2 辐射校正辐射校正n遥感成像过程辐射畸变的主要原因辐射畸变的主要原因n传感器本身的性能引起的辐射误差n地形影响和光照条件变化引起的辐射误差n大气散射和吸收引起的辐射误差遥感图像辐射处理遥感图像辐射处理n辐射定标：传感器探测值的标定过程，用以确定传感器入口处的准确辐射值n辐射校正：消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出辐射能量中的各种噪声传感器辐射校正传感器辐射校正n辐射校正的方法：1）分析辐射失真的过程，建立辐射失真模型，利用逆过程校正；2）利用实地测量n传感器辐射校正的三个步骤：第一步进行回归运算；第二步为逐次滤波处理；第三步进行传感器辐射校正。条纹和斑点的判定和消除条纹和斑点的判定和消除 n遥感影像中因仪器的故障以及各种干扰会引起不正常的斑点或条纹.n斑点:由传感器的噪声或磁带等部件的误码率造成的，其特点是孤立和分散的，往往和周围的亮度值有明显的差别，并且彼此不相关。斑点可以通过将图像像元亮度值同它的邻近像无亮度值进行比较来判定。n条纹:在扫描图像中出现的与辐射信息无关的线条噪声，其表现为图像上的部分扫描行或线段的亮度值不反映地物的辐射，并与上下的亮度截然不同。条纹的特点是：（1）分布一般不规则，可密可稀，可长可短；（2）亮度值一般趋于极端（或黑或白）；（3）含有这种条纹的图像，其标准差往往显著增大。条带畸变条带畸变大气影响的定量分析大气影响的定量分析地面上单位面积的辐照度为地面上单位面积的辐照度为 假假定定地地表表面面是是朗朗伯伯体体，其其表表面面为为漫漫反反射射，则则某某方方向向物体的亮度为物体的亮度为 系统增益系数因子系统增益系数因子 ，进入传，进入传感器的亮度值感器的亮度值 无大气影响状况无大气影响状况大气影响的定量分析大气影响的定量分析受入射方向透过率受入射方向透过率 和反射和反射方向透过率方向透过率 的影响，进入的影响，进入传感器的亮度值为：传感器的亮度值为：漫入射辐照度为ED，反射后进入传感器的亮度值为：大气影响的定量分析大气影响的定量分析大气的影响主要是减少了图像的对比度，使原始信号和背景信大气的影响主要是减少了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子。号都增加了因子。大气影响的粗校正大气影响的粗校正 通过比较简便的方法去掉上式中的通过比较简便的方法去掉上式中的LP，从而改善，从而改善图像质量。图像质量。遥感图像的大气校正遥感图像的大气校正n地物发射的电磁能量波在经过大气层时，大气对电磁波的吸收和散射对遥感图像的影响，其中主要的影响因素是大气散射n大气校正是指大气散射校正，即消除大气散射对辐射失真的影响。包括大气的消光（吸收和辐射）、天空光照射、路径辐射。大气影响的粗略校正大气影响的粗略校正n（1）直方图最小值去除法 从图像像元亮度值中减去一个辐射偏置量（LP），辐射偏置量等于图像直方图中最小的辐射亮度值。前提（假设）：水体（或阴影）等物体的灰度值为0，大气散射导致图像上这些物体的灰度值不为0（辐射偏置量）暗物体法（Dark-object method）（1 1）直方图最小值去除法）直方图最小值去除法（2 2）回归分析法）回归分析法 n原理：在遥感图像上大山的阴影区或深大水体区域，各个波段的反射为零。同时，大气散射主要影响短波部分，波长较长的波段几乎不受影响，因此可用其校正其它波段数据。n方法：在不受大气影响的波段（如TM5或7）和待校正的某一波段图像中，选择一系列目标，将每个目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析，建立线性回归方程。Y Y：待校正波段的图像亮度值：待校正波段的图像亮度值X X：不受大气影响波段的图像亮度值：不受大气影响波段的图像亮度值(2)(2)回归分析法回归分析法