第五章遥感图像处理.pptx

第一节光学图像处理 光学图像处理：指以胶片方式记录的遥感影像或由数字产品转换来的影像胶片为处理对象，通过光学或电子一光学仪器的加工改造，对遥感图像进行变换和增强的一种图像处理技术。光学处理的仪器和技术手段：摄影处理、光电处理和相干光处理等等。处理方法：密度分割、彩色合成、边缘增强、反差增强、光学图像比值、光学变换、光学编码等，其中最常用的是假彩色等密度分割和假彩色合成。第1页/共37页一、光学等密度分割处理(一)影像密度的概念：对于黑白胶片，影像密度通常以胶片透光率(T)T)倒数的对数表示。即影像密度 D=log1/TD=log1/T 1 1 影像密度代表地物反射或发射辐射的强弱：在各类负片中，D D与辐射强度呈正相关，正片则相反。不同遥感方式的影像胶片，其密度D D的物理意义不同。全色摄影 反映了地物在整个可见光范围内反射太阳光的强度，多波段扫描 是地物在不同光谱段的反射强弱。热红外 是地物热辐射的大小。第2页/共37页 2 2 影像密度构成空间几何特征：如影像密度构成的各个地物目标形状、大小、图案、纹理结构以及相互间的位置关系。3 3 影像密度构成时间特性：由同一地区同类遥感在不同时间获得的影像表现出来。光学图像处理就是通过光学途径人为地改变胶片的影像密度，扩大不同部分的密度差异，或者以不同色彩显示影像密度的细微变化，用以压抑“噪声”，强调或突出目标信息，增强人们对细微密度差异的判读和识别能力。第3页/共37页(二)假彩色等密度分割 密度分割：任何一幅遥感图像都可以看作是地物电磁波辐射强度的二维分布函数。对于胶片影像。可用影像密度值的二维分布来表征，对于像片，则为灰度值的二维分布。与地形图的等高线相仿，照例可按一幅图像中密度(或灰度)值的变化范围，将其划分为若干个等级，以等值面对影像密度(或灰度)函数进行分层，用等值线图来表示图像各部分的密度(灰度)差异变化。在遥感图像处理中称此为密度分割，或密度分割技术。第4页/共37页 假彩色等密度分割：即通过光电仪器将胶片上不同的密度等级以色彩的变化显示成彩色的图像。这种仪器通常称彩色等密度分割仪，一般将胶片的影像密度分割为8 8、1212、2424、3232，6464等级，不同密度级的色别可在6464色内任意选调变换，并在数秒钟内显示在彩色监视器的屏幕上，通过反复调节变换色彩，选择最佳的处理结果。(三)假彩色等密度分割的地学应用 在地学应用中，该增强处理方法比较适用于轮廓简单，背景单调、目标特性与影像密度有明确对应关系的地面景况的分析判读。如入海泥沙，河，湖，海水的水深、混浊度，地热异常，污染源及污染分布等。第5页/共37页二、光学彩色合成处理 彩色合成：将二个或三个波段的黑白图像分别赋以红、绿，蓝三原色或黄、品红，青三补色，并使之精确叠合，从而生成色彩丰富的彩色图像。多波段遥感生成不同光谱段的黑白图像是色光分离的过程，彩色合成则反过来，是色光相混复原的过程。1 1 加色合成方法：1 1）光学投影法：借助配有红，绿、蓝等滤色片的光学投影系统将不同波段的黑白透明正片(一般用三张)置于其中，经光源照射投影到同一个屏幕上，合成显示为彩色图像。既可以直接观察分析，也可以晒印或翻拍成彩色像片。第6页/共37页 2 2）照相放大法：通过常规的照相放大装置放大晒印成彩色像片。一般用几张多光谱分色负片，依次变换负片和红、绿、蓝滤色片，分次(多为三次)曝光在同一张彩色相纸上。即所谓分层曝光法，近年来，也常采用将三个波段的影像分色扫描到一张彩色负片上，再由放大机一次放大曝光到彩色相纸上。2 2 减色合成方法：1 1）染印法 将多波段黑白负片通过放大拷制成浮雕模片(正片)，然后用三补色染液分别染色，再依次叠印在空白接印纸上，印得彩色图像，也可分色染底片浮雕片印成单色透明正片，然后置于透图台上叠合显示成彩色图像。片基第7页/共37页 2 2）印刷法：按彩色印刷工艺将各波段的图像分别制成印刷板，然后用二色、三色(黄、晶红、青)、四色(黄、晶红、青、黑)逐一套印，制成纸质的彩色图片。3 3）重氮法：方法原理与染印法类似，即用分色的重氮片，经与多波段负片接触晒印，再用氨熏成单色透明正片，而后置于透图台上叠合显示出彩色图像。上述各种方法，合成仪法速度快，可灵活调选最佳色彩，像质也较好，但仪器较昂贵，各类减色法，简便价廉，但信息损失较大，像质一般不高，而照相放大法，虽操作技术要求较高，但彩色像片的分辨率和色彩效果却是其他方法所无法比拟的。因此，在实际应用中，包括数字图像处理的各种结果，差不多都采用彩印放大成彩色照片的方法。第8页/共37页 彩色合成的影像特点很大程度上取决于波段滤光片组合。对于陆地卫星的MSSMSS和TMTM来说，除了TM321TM321为近似真彩色外，其他均为假彩色，故彩色合成常常被称作假彩色合成。经验表明，由于MSS7MSS7和TM4TM4波段受植被高反射的影响，图像的亮度水准一般比其他波段要高 得多，因此，它们置于哪个滤光片通道，将决定合成图像总体偏于哪种彩色色调。第9页/共37页三，其他光学图像处理 对遥感影像母片作不同的曝光处理可制成影像密度各不相同的正、负模片(拷贝)。同一地区可以有不同遥感器，不同波段以及不同时间等各种模片。对不同组 合的相关模片进行处理可获得不同增强效果的新图像。上述彩色合成即是其中最常用的方法。此外，还常采用以下几种处理方法。1 1 反差增强：通常是利用高反差的感光材料和冲洗液作反复拷贝，来扩大原模片中的影像密度差异。它有利于增强一些低反差的地物影像，突出大的轮廓，也可使彩色合成获得更丰富的层次，但同时会丢失部分细节，故处理时要适可而止。第10页/共37页 2 2 边缘增强：取同一母片的正，负拷贝，使之精确重叠，当二片的冲印处理条件相同，由于密度相反，影像相互抵消，若将二者作微小错位，再作曝光冲印，地物边缘部分因密度差改变，不再相互抵消而突现出来，呈现为一条亮线。这种方法可用来增强线性构造和地质体的形态轮廓，除了和错位方向平行的那一组线性特征外，其余方向都会得到增强。3 3 光学比值增强：同一景图像二个不同波段的模片相掩。负片的透过率；T T负1/1/(地物反射率)正片的透过率；T T正(地物反射率)第11页/共37页 取一正一负(如4 4波段为正片，7 7波段为负片)，经光束照射，生成新图像的物理含义便为：i i0 0*T*T4 4正 *T T7 7负 4 4/7 7 这种处理常具有消除原图像中部分干扰因素，突出某些地物的作用，从而达到一定的图像增强意义。i i0 0i i0 0*T*T4 4正i i0 0*T*T4 4正 *T T7 7负T T4 4正T T7 7负第12页/共37页 4 4 影像相减：同一地区前后两个时相，同波段但符号相反的模片相掩，假设两次成像的光照水准相同，则正、负相叠，影像相互抵消。但如果其中某一部分或某一地物目标，前后发生了变化或位移，那末，这部分影像便不能抵消，而在发生变化的背景中突现了出来。故这种方法适用于遥感动态研究。四、光学变换处理 各种地物出现的频率不同（如沟谷、山脊、断层、节理等）在遥感图象上，各种信息错综复杂，使解译对象不宜突出出来，使用滤波（去掉某些频率）的方式可突出要解译的地物。第13页/共37页 第二节数字图像处理 一、数字图像处理的基本概念 (一)数字图像 数字图像又称数字化图像，是一种以二维数组(矩阵)形式表示的图像。该数组由对连续变化的空间图像作等间距抽样所产生的抽样点像元组成。像元的量值，通常为抽样区间内连续变化之量物的均值化量值，一般称作亮度值或灰度值，它们的最大、最小值区间代表该数字图像的动态范围。在数字图像中，像元是最基本的构成单元。每一个像元的位置可由行、列(x x、y)y)坐标确定，亮度值通常以0(0(黑)到255(255(白)为取值范围。因此，任何一幅数字图 像都可以通过X X、Y Y、Z Z的三维坐标系表示。第14页/共37页 数字图像可以有各种不同的来源：卫星影像：如MSSMSS等，地面景像的遥感信息都直接记录在数字磁带上，有关的接收系统均可提供相应的计算机兼容数字磁带(CCT)CCT)及其记录格式。只要按记录格式将CCTCCT数据输入计算机图像处理系统，即可获得数字图像。胶片影像：则可通过专门仪器（透射密度计、飞点扫描器，鼓形扫描器及摄像扫描器等），将影像密度转换为数值，进而形成数字图像。非遥感的地学图件：(如地形图、地质图、航磁图、重力图、化探元素异常图等等），也可通过数字化仪，转换为数宇图像。与光学图像相比，数字图像量化等级高(256(256级)、失真度小，不同图像的配准精度高，可由计算机进行各种处理，便遥感图像获得更好的判读、分析等应用效果。第15页/共37页(二)数字图像处理 所谓数字图像处理是将数字图像以不同亮度值像元的行、列矩阵构造各种数字模型和相应的算法，由计算机进行运算(矩阵变换)处理，进而获得更加有利于实际 应用的输出图像及有关数据和资料。故数字图像处理通常也称为计算机增强处理。数字图像处理在算法上基本可归为两类：一类为点处理：即施行图像变换运算时只输入图像空间上一个像元点的值，逐点处理，直到所有点都处理完毕，如反差增强、比值增强等。另一类为邻域处理；即为了产生一个新像元的输出，需要输入与该像元相邻的若干个像元的数值。这类算法一般用作空间特征的处理，如各种滤波处理。第16页/共37页目前遥感数字图像处理主要包括以下四方面的内容1 1图像恢复处理：改正或补偿成像过程中的辐射失真、几何畸变，各种噪声以及高频信息的损失等。属预处理范畴，一般包括辐射校正、数字放大，数字镶嵌等。2 2图像增强处理：对经过恢复处理的数据通过某种数学变换，扩大影像间的灰度差异，以突出目标信息或改善图像的视觉效果，提高可解译性。主要包括有反差增强，彩色增强、运算增强，滤波增强、变换增强等方法。第17页/共37页3 3图像复合处理：对同一地区各种不同来源的数字图像按统一的地理坐标作空间配准叠合，以进行不同信息源之间的对比或综合分析。通常也称多元信息复合，既包括遥感与遥感信息的复合，也包括遥感与非遥感地学信息的复合。4 4图像分类处理：对多重遥感数据，根据其像元在多维波谱空间的特征(亮度值向量)，按一定的统计决策标准，由计算机划分和识别出不同的波谱集群类型，以实现地质体的自动识别分类。有监督和非监督两种分类方法。第18页/共37页二、图像恢复处理 图像恢复处理的目的是为进一步作增强或分类处理提供高质量的可供使用的图像数据，故也称预处理。(一)大气校正 粗制CCTCCT产品一般只对由遥感器本身引起的系统(辐射)误差作了校正，尚保留着主要由大气散射效应带来的辐射失真。校正处理时通常仅考虑瑞利散射的影响，以MSSMSS为例，它在4 4、5 5波段较大，6 6波段次之，7 7波段最小。波段 4 5 6 7 4 5 6 7大气散射对MSSMSS各波段的影响第19页/共37页 在实际处理中一般是分波段统计地物目标的亮度，分别与MSS7MSS7作二维对比图 ，或者将各波段的直方图与MSS7MSS7直方图对比，相对于MSS7MSS7出现的偏移值a a可视为大气散射的影响。经验表明MSS4MSS4的订正值在9 91313，MSS5MSS5为 5 59 9，MSS6MSS6为1 15 5，MSS7MSS7为0 03 3。大气校正会增加图像的对比度，消除雾霾感(短波波段尤甚)，在做比值增强、彩色合成等处理时，事先做这种校正更为必要。第20页/共37页(二)几何校正 指消除遥感图像在其形成过程中产生的各种几何位置失真(畸变)的图像处理过程。在粗制 CCTCCT产品中通常已对由遥感器本身和地球自转造成的系统几何畸变作了例行校正处理(粗纠正)，因此，遥感地质人员需要做的，主要是对CCTCCT中残存的非系统(随机)畸变的纠正(精纠正)。数字图像几何精纠正的实质是逐像元地将其图像坐标按一定的精度要求变换到地形图的地理坐标系中，再按恰当的方法对像元重新做亮度赋值。几何精纠正能综合校正所有因素造成的几何畸变，能显著改善数字图像的几何精度。第21页/共37页(三)数字镶嵌和数字放大 1 1 数字镶嵌：是指将相邻且互有重叠的俩幅或数幅CCTCCT数据，拼接生成一个在几何形态上和色调分布上协调一致，统一为一个整体的新图像文件的处理过程。1 1）相邻图像的几何配准：先在两幅图像的重叠区选取同名点像元作为几何控制点，然后以其中一幅为准，对另一幅作类似与上述几何精纠正来实现。2 2）相邻图像之间的色调和反差调整：先对两幅图像的重叠区作均值，方差或直方图匹配，而后根据求出的匹配系数，以一幅为准，调整另一幅图像的反差，使二者色调均衡。第22页/共37页2 2 数字放大：实际是数字图像的采样点内插加密，即逐行逐列地在原图像的相邻像元中间等量插入新像元，并按一定的插值原理对其作亮度赋值。通过插值，该图像的采样点密度成倍增加。由于新图像对应于地面的大小并未改变，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，从而起到了图像“放大”的作用。数字放大主要用于制作大比例尺的卫星像片。如TMTM图像经数字放大处理后制成1 1：5 5万(常规一般为1 1；1010万)的卫片仍有较高的影像清晰度。第23页/共37页三、图像增强处理 增强处理的目的是使图像更为清晰，地物特征更为突出。近年来，数字图像处理发展迅速，各种增强的方法层出不穷。以下仅介绍对地质应用较为有效的几种方法。(一)反差增强 数字图像的取值范围可从0 0255255，但实际图像由于成像系统的特性、成像时的光照条件、地物间辐射差异的大小等各种原因，常常使大部分像元的亮度集中在较窄的区间，致使图像的反差较小、色调单一(过“黑”或过“白”）。因尔，改善和提高图像的对比度反差增强就可带来更多的地物信息。第24页/共37页作像元亮度直方图：第25页/共37页 反差增强是通过拉伸或扩展图像的亮度数据分布，以达到扩大地物间亮度差异，分辨出尽可能多的亮度等级的技术。在反差扩展中输出的像元值y y是输入的像元值(原图像)x x的函数：y=f(x)y=f(x)1 1 线性扩展:原图像中像元的亮度按线性关系扩大 (1)(1)简单线性扩展，(2)(2)分段线性扩展，(3)(3)局部线性扩展，(4)(4)多级线性扩展 第26页/共37页2 2非线性扩展 对原图像亮度区间的各今部分按非线性关素作末均绰扩展。(1)(1)中部扩展(高斯，拉平，正弦扩展等)(2)(2)暗部扩展(对数扩展)(4)(4)两端扩展(正切扩展)(3)(3)亮部扩展(指数扩展)第27页/共37页3 3直方图调整 通过改善图像的总体亮度结构(直方图形态)来达到图像增强的目的。其原理是，以一变换函数S=TS=T(r)r)，作用在原图像的直方图P Pr r(r)(r)上，使之变成具有某种特定亮度分布形态的直方图P Ps s(s)(s)并根据P Ps s(s)(s)变更原图像各像元的亮度值。这种方法着重于扩展高频数亮度值之间的间隔，使直方图中部所包含的地物反差显著增强，而有利于地质体的区分。第28页/共37页(二)彩色增强 1 1单波段图像的伪彩色增强 1)1)彩色密度分割：其原理与光学密度分割一致，但比光学密度分割灵活、方便，可分割的等级也更细，并且光谱意义也更明确。2)2)伪彩色合成。它是对单波段的CCTCCT数据通过加色比例变换函数把黑白灰级变换为红、绿、蓝彩色级，然后再加色合成(图4-18)4-18)，生成伪彩色图像。由于这种图像能把单波段上不易区分的细微灰度变化映射成不同的色彩。第29页/共37页2 2多波段图像的彩色合成 与光学图像处理相仿，数字图像同样可采用彩色合成。对于不同的波段，（如MSS4 5 6 7MSS4 5 6 7）分别赋予不同的颜色，（颜色可任意设置）利用加色原理显示在彩色屏幕上或微机屏幕上。不同的波段的颜色组合具不同的色彩及地物增强效果。数字图像的彩色合成目前已不仅仅针对不同波段进行，而且还可以用不同的数字处理结果作输入图像，获得全新含义的合成图像，更进一步，已可以将非遥感的地质信息(如物、化探数据)作为输入图像，制成多元信息复合的彩色合成图像。第30页/共37页(三)比值增强 比值增强是最为常用的一种运算增强方法。它是通过不同波段的同名像元亮度值之间的除法运算，生成新的比值图像来实现的。对于多波段数字图像，可以有多种不同的比值：如基本比值 、和差组合比值 、交叉组合比值 、标准化比值等。基本比值：纯以两个波段的数值相比，故也称简单比值。任一比值图像可表示为：R Rijij=a*g=a*gi i/g/gj j+b+b g gk k(k=1 2-N)(k=1 2-N)代表一个多波段图像(N N为波段数)第31页/共37页比值增强的作用在于：比值增强的作用在于：1)1)能扩大不同地物之间的微小亮度差异，有利于岩石、能扩大不同地物之间的微小亮度差异，有利于岩石、土壤等波谱差异不太明显的地物的区分，及用于植土壤等波谱差异不太明显的地物的区分，及用于植被类型和分布的研究。被类型和分布的研究。2)2)消除或减弱地形等环境因素的影响。例如，某地砂消除或减弱地形等环境因素的影响。例如，某地砂岩在阳坡和阴坡有不同的亮度，但在岩在阳坡和阴坡有不同的亮度，但在MSS4MSS45 5上，上，比值却非常接近，因此消除了地形的影响。比值却非常接近，因此消除了地形的影响。不同光照条件下砂岩反射比 第32页/共37页(3)(3)提取与找矿有关的专题信息。例如含羟基的粘土矿物在2.22.2mm 附近存在有强吸收，故在TM7TM7上为低亮度，而在TM5TM5上它仍为高亮度，因此TM5TM57 7常被用来提取与粘土化有关的矿化蚀变信息。四、图像分类处理简介 数字图像的恢复，增强，乃至复合处理，归根到底只是改善图像的品质，提高图像的可解译性。但处理系统(计算机)并未对图像上地物的类别作出“判决”(解译)。由计算机按一定的判别模式来自动完成这一“判决”，便是图像分类处理的过程。第33页/共37页(一)图像分类的依据 一般来说，同一类地物有着相似的波谱，在多波段遥感的数字图像中，可以粗略地用它们在各个波段上的像元值的连线来表示。由于受光照条件、环境背景等因素的影响，在实际的多维波谱空间中，它们的像元值向量往往不是一个点，而是呈点群分布(集群),),不同地物的点群处在不同的位置。ADMW第34页/共37页(二)非监督分类 非监督分类是依据图像数据本身的结构(统计特征)和自然点群分布，按照待分样本在多维波谱空间中亮度值向量的相似程度，由计算机程序自动总结出分类参数，进而逐一对像元作归类，通常也称聚类(集群)分析。动态聚类中，聚类中心和分类数可以按客观的波谱特征自动调整，分类效果一般比较好，但分类结果的确切含义(类别的属性)需另作分析，从实况调查或已有的地面资料中去确定它们的地物类型。非监督分类速度较快，较客观，并能为监督分类的训练样区选择提供参照，一般在有目的的监督分类之前进行。第35页/共37页(三)监督分类 监督分类一般是先在图像中选取已知样本(训练区)的统计数据，用已知各种地物的光谱特征训练计算机从中找出分类的参数、条件，建立判别函数，然后对整个图像或待分类像元作出判别归类。监督分类的结果明确，分类精度相对较高，但对训练样本的要求较高，因此，使用时须注意应用条件，某一地区建立的判别式对别的地区不一定完全适用。此外，有时训练区并不能完全包括所有的波谱样式，会造成一部分像元找不到归属。故实际工作中，监督分类和非监督分类常常是配合使用，互相补充的。第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页