(精品)第四章－3遥感图像处理-图像增强.ppt

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1、第四章 遥感图像处理图像增强4.2.4遥感图像增强遥感图像增强 遥感图像增强的目的、实质和方法遥感图像增强的目的、实质和方法 目的：目的：改善图像显示的质量，以利于图像信改善图像显示的质量，以利于图像信息的提取和识别。息的提取和识别。计算机自动分类的一种预处理方法。计算机自动分类的一种预处理方法。实质：突出重要信息，去除不重要或不必要信实质：突出重要信息，去除不重要或不必要信息（增强感应趣地物和周围背景地物间的反差）。息（增强感应趣地物和周围背景地物间的反差）。方法：光学增强方法和数字增强方法方法：光学增强方法和数字增强方法 具体方法：对比度变换、彩色增强、滤波等。具体方法：对比度变换、彩色增

2、强、滤波等。4.2.4遥感图像增强遥感图像增强1 11.1.遥感图像增强遥感图像增强遥感图像增强遥感图像增强(工工工工)对比度变化对比度变化对比度变化对比度变化-线性变换线性变换线性变换线性变换 对比度大，反映图像的亮度值变化范围大，目标地物被对比度大，反映图像的亮度值变化范围大，目标地物被识别的可能性就大；反之，目标与背景难以区别，识别的识别的可能性就大；反之，目标与背景难以区别，识别的可能性就小。进行对比度扩展的主要方法有线性变换或非可能性就小。进行对比度扩展的主要方法有线性变换或非线性变换、直方图调整等。线性变换、直方图调整等。线性变换是图像增强最常用的方法。指变换函数为线性线性变换是图

3、像增强最常用的方法。指变换函数为线性关系，如：关系，如：式中，式中，a a，b b为待定的系数。为待定的系数。1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化 线性变换线性变换线性变换线性变换 由于判读目标与背景的关系比较复杂，常将函数由于判读目标与背景的关系比较复杂，常将函数考虑为将原图像的亮度值动态范围扩展至指定的考虑为将原图像的亮度值动态范围扩展至指定的范围或最大动态范围。方法如下：范围或最大动态范围。方法如下：变换前图像的亮度范围变换前图像的亮度范围xaxa为为a1a1至至a2a2，变换后图变换后图像的亮度范围像的亮度范围xbxb为为b1b1至至b2b2。变换方程可写为：变换方

4、程可写为：则则1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化1 1 线性变换线性变换线性变换线性变换 通过方程式可以把图像中需要变换的任一xa，变换成xb。达到改善图像动态范围，提高质量的目的。调整a1a2b1b2四个参数，即改变变换直线的形态，可以产生不同的变换效果。若a2-a1b2b1，亮度范围缩小，图像被压缩。当扩展范围为(0(0，255)255)时，是一种常规的处理方法，即线线性性拉伸拉伸(自动拉伸自动拉伸)。1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化1 1 非线性变换非线性变换非线性变换非线性变换 非非线线性性变变换换指指采采用用非非线线性性函函数数进进行行对

5、对比比度度扩扩展展变变换换。常常用用方方法法有有对对数数变变换换、指指数数变变换换和和查查表表法法等等，变变换换函函数数，如如图图7 71(1(a)a)，(b)(b)所所示示，其其数数学学表表达达式：式：式式中中a a，b b，c c为为可可选选择择的的控控制制参参数数，控控制制曲曲线线的的变变化化率率、起起点点、截截距距等等，增增加加变变换换的的灵灵活活性性和和动动态范围的选择性。态范围的选择性。1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化1 1 非线性变换非线性变换非线性变换非线性变换 指数变换和对数变换指数变换和对数变换 对数变换常用于扩展低亮度区对数变换常用于扩展低亮度区(

6、暗区暗区)，压缩高亮度区的，压缩高亮度区的对比度，以突出隐伏暗区的目标，或使暗区层次显示清晰。对比度，以突出隐伏暗区的目标，或使暗区层次显示清晰。指数变换的效果正好与对数变换相反，突出亮区而压制暗指数变换的效果正好与对数变换相反，突出亮区而压制暗区。二者互为逆运算操作。区。二者互为逆运算操作。1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化1 1 非线性变换非线性变换非线性变换非线性变换查表法是非线性变换的一种简单而有效的方法，即把亮度值的输入与输出间的变换关系列成表格，当输入某一已知值后，通过查表获得其对应的输出值。直方图调整是指通过变换函数，使原图像的直方图变换为所要求的直方图，并

7、根据新直方图变更原图像的亮度值。直方图均衡化(histogram equalization)和直方图正态化(histogram normalization)。1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化1 1 非线性变换非线性变换非线性变换非线性变换直方图均衡化直方图均衡化(histogram equalization):histogram equalization):把原图像的直把原图像的直方图变换为灰度值频率固定的直方图，使变换后的亮度方图变换为灰度值频率固定的直方图，使变换后的亮度级分布均匀，图像中等亮度区的对比度得到扩展，相应级分布均匀，图像中等亮度区的对比度得到扩展，相应

8、原图像中两端亮度区的对比度相对压缩。原图像中两端亮度区的对比度相对压缩。1.遥感图像增强遥感图像增强(工工)对比度变化对比度变化1 1 非线性变换非线性变换非线性变换非线性变换直方图正态化直方图正态化(histogram normalization):histogram normalization):将与正态分布形状将与正态分布形状相距较大的原图像的频率分布变换为正态分布。应注意的相距较大的原图像的频率分布变换为正态分布。应注意的是，若将与正态分布相差较大的原图像的频率分布勉强变是，若将与正态分布相差较大的原图像的频率分布勉强变换为正态分布，则因原图像的某一灰度的频率很高，变换换为正态分布，则

9、因原图像的某一灰度的频率很高，变换成正态分布使其对应的灰度值的频率降低，造成对该部分成正态分布使其对应的灰度值的频率降低，造成对该部分的压缩而丢失重要的信息。的压缩而丢失重要的信息。在常用的遥感图像处理系统和各种商用图像处理系统中都在常用的遥感图像处理系统和各种商用图像处理系统中都有利用对比度变换的方法进行图像增强的模块。有利用对比度变换的方法进行图像增强的模块。2.2.遥感图像增强遥感图像增强遥感图像增强遥感图像增强()彩色合成彩色合成彩色合成彩色合成3.3.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()HISHIS彩色空间变换彩色空间变换彩色空间变换彩色空间变换 (1)(1)HISH

10、IS变换变换变换变换:HSIHSI是色调是色调(H H：hue)hue)、饱和度饱和度(S S：saturation)saturation)和明度和明度(I I：intensity)intensity)的色彩模式，又称的色彩模式，又称HISHIS，(hue(hue，lightnesslightness，saturation)saturation)。在自动处理色彩时，通常采用彩色在自动处理色彩时，通常采用彩色显示器显示系统进行，彩色显示器显示的色彩是由显示器显示系统进行，彩色显示器显示的色彩是由RGBRGB信信号的亮度来确定的，由于号的亮度来确定的，由于RGBRGB表色系统不是线性的，所以表色系

11、统不是线性的，所以通过这种操作调整显示色的色调比较困难。在这种情况下，通过这种操作调整显示色的色调比较困难。在这种情况下，可采用将可采用将RGBRGB信号暂时变换为假设的表色系统信号暂时变换为假设的表色系统HIS,HIS,调整明调整明度和饱和度后，再返回到度和饱和度后，再返回到RGBRGB信号上进行彩色合成。把这信号上进行彩色合成。把这种种RGBRGB空间和空间和HISHIS空间之间的关系模型及所进行的相互变空间之间的关系模型及所进行的相互变换的处理过程称换的处理过程称HISHIS变换。变换。3.3.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()HISHIS彩色空间变换彩色空间变换彩色空

12、间变换彩色空间变换(2)(2)HISHIS模式的定量表示：模式的定量表示：模式的定量表示：模式的定量表示：HSIHSI模式可以用近似的颜色立体模式可以用近似的颜色立体来定量化。如左图为来定量化。如左图为HISHIS六角锥彩色模型，即颜色立体曲六角锥彩色模型，即颜色立体曲线锥形改成上下两个六面金字塔状。线锥形改成上下两个六面金字塔状。环绕垂直轴的圆周代环绕垂直轴的圆周代表色调表色调(H)H)，以红色为以红色为00，逆时针旋转，每隔，逆时针旋转，每隔6060改变一种改变一种颜色并且数值增加颜色并且数值增加1 1，一周，一周(360)(360)刚好刚好6 6种颜色，顺序为种颜色，顺序为红、黄、绿、青

13、、蓝、品红。红、黄、绿、青、蓝、品红。垂直轴代表明度垂直轴代表明度(I)I)，取黑取黑色为色为0 0，白色为，白色为1 1，中间为，中间为0 05 5。3.3.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()HISHIS彩色空间变换彩色空间变换彩色空间变换彩色空间变换从从垂垂直直轴轴向向外外沿沿水水平平面面的的发发散散半半径径代代表表饱饱和和度度(S)S)，与与垂垂直直轴轴相相交交处处为为0 0，最最大大饱饱和和度度为为1 1。根根据据这这一一定定义义，对对于于黑黑白白色色或或灰灰色色，即即色色调调H H无无定定义义，当当色色调调处处于于最最大大饱饱和和度度时时S=1S=1，这这时时I=0

14、I=05 5。(严严格格地地说说，从从视视觉觉角角度度看看，饱饱和和度度最最大时，不同色调的明度不是相同的值大时，不同色调的明度不是相同的值)。当当色色彩彩的的表表达达定定量量化化，并并且且从从常常用用的的红红绿绿蓝蓝(R R，G G，B)B)表表达达方方式式转转换换到到HLSHLS表表达达方方式式时时，有有一一种种计计算算方方法法设设计计如如下下：P121-P122P121-P122 通通过过以以上上运运算算可可以以把把RGBRGB模模式式转转换换成成HSIHSI模模式式，这这二二种种模模式式的的转转换换对对于于定定量量的的表表示示色色彩彩特特性性，以以及及在在应应用用程程序序中中实现两种表

15、达方式有重要的意义。实现两种表达方式有重要的意义。4.4.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()滤波滤波滤波滤波 (1)(1)空空空空间间间间滤滤滤滤波波波波(spatial spatial spatial spatial filtering):filtering):filtering):filtering):是是指指在在图图像像空空间间(x x，y)y)对对输输入入图图像像应应用用若若干干滤滤滤滤波波波波函函函函数数数数而而获获得得改改进进的的输输出出图图像像的的技技术术，即即对对图图像像中中某某些些空空间间的的信信息息增增强强或或抑抑制制，（如如增增增增强强强强高高高高频频频

16、频信信信信息息息息，抑抑抑抑制制制制低低低低频频频频信信信信息息息息，即即突突出出边边缘缘、纹纹理理、线线条条等等。增增增增强强强强低低低低频频频频信信信信息息息息抑抑抑抑制制制制高高高高频频频频信信信信息息息息，即即去去掉掉细细节节。）其其效效果果有有噪噪声声的的消消除除，边边缘缘及及线线的的增增强强，图图像像的的清清晰晰化化等等。注注重重突突出出图图像像上上的的某某些些特特征征，如如突突出出边边缘缘或或图图像像纹纹理理，方方法法上上是是利利用用像像元元与与其其周周围围相相邻邻像像元元的的关关系系，采采用用空空间间域域中中的的邻邻域域处处理理方方法法，也也叫叫做做“空空间间滤滤波波”，它它属

17、属于于一一种种几几何何增增强强处处理理。主主要要包包括括平平滑滑和锐化。和锐化。4.4.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()滤波滤波滤波滤波 空空间间滤滤波波技技术术的的基基本本思思路路有有3 3条条：提提取取原原图图像像的的边边缘缘信信息息，进进行行加加权权处处理理，然然后后与与原原图图像像叠叠加加；提提取取原原图图像像中中的的模模糊糊成成分分进进行行加加权权处处理理，然然后后与与原原图图像像叠叠加加；使使用用某某一一指指定定的的函函数数对对原原图图像像进进行行加加权权，使使图图像像产产生生尖尖锐锐或或平平滑滑的的效效果果。在在进进行行运运算算时时，多多采采用用空空间间卷卷积

18、积技技术术(又又称称掩掩摸摸技技术术)，即即在在原原图图像像上上移移动动“活活动动窗窗口口”，逐逐块块进进行行局局部运算。部运算。4.4.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()滤波滤波滤波滤波 图图图图像像像像卷卷卷卷积积积积运运运运算算算算：是是在在空空间间域域上上对对图图像像作作局局部部检检测测的的运运算算，以以实实现现平平滑滑和和锐锐化化的的目目的的。具具体体方方法法是是选选定定一一卷卷积积函函数数，又又称称“模模板板”，实实际际上上是是一一个个MXNMXN图图像像。二二维维的的卷卷积积运运算算是在图像中使用模板来实现运算的。是在图像中使用模板来实现运算的。假假定定模模板板

19、大大小小为为MXNMXN，窗窗口口为为 ，模模板板为为 ，则则模模板板运算为：运算为：将将计计算算结结果果放放在在窗窗口口中中心心的的像像元元位位置置，成成为为新新像像元元的的灰灰度度值值。然然后后活活动动窗窗口口向向右右移移动动一一个个像像元元，再再做做同同样样的的运运算算。P117P117说明说明4.4.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()滤波滤波滤波滤波平平滑滑：图图像像中中出出现现某某些些亮亮度度过过大大的的区区域域，或或出出现现不不该该有有的的亮亮点点（“噪噪声声”）时时，采采用用平平滑滑的的方方法法可可以以减减少少变变化化，使使亮亮度度平平缓缓或或去去掉掉不不必必要

20、要的的“噪噪声声”点点，具具体体方方法法有有均均值值平平滑滑和和中中值值滤波。滤波。均均均均值值值值平平平平滑滑滑滑：是是将将每每个个像像元元在在以以其其为为中中心心的的区区域域内取平均值来代替该像元值。内取平均值来代替该像元值。中中中中值值值值滤滤滤滤波波波波：是是将将每每个个像像元元在在以以其其为为中中心心的的邻邻域域内取中间亮度值来代替该像元值。内取中间亮度值来代替该像元值。4.4.遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换遥感图像变换()滤波滤波滤波滤波 锐锐锐锐化化化化：为为了了突突出出图图像像边边缘缘、纹纹理理、线线状状目目标标或或某某些些亮亮度度变变化化率率大大的的部部分分而而采采用用

21、的的方方法法，锐锐化化后后的的图图像像已已不不再再具具有有原原遥遥感感图图像像的的特特征征而而成成为为边边缘缘图像。图像。具具体体方方法法很很多多：罗罗伯伯特特梯梯度度，索索伯伯尔尔梯梯度度，拉拉普普拉斯算法，定向检测等。拉斯算法，定向检测等。5.5.遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换()主成分分析主成分分析主成分分析主成分分析(KLKL变换变换变换变换)遥遥感感多多光光谱谱影影像像，波波段段多多，信信息息量量大大，对对图图像像解解译译很很有有价价值值。但但数数据据量量很很大大，在在图图像像处处理理计计算算时时，需需耗耗费费大大量量机机时时，占占据据大大量

22、量磁磁盘盘空空间间，实实际际上上，一一些些波波段段的的遥遥感感数数据据之之间都有不同间都有不同 程度的相关性，存在着数据冗余。程度的相关性，存在着数据冗余。多多光光谱谱变变换换方方法法可可通通过过函函数数变变换换，达达到到保保留留主主要要信信息息，降降低低数数据据量量，增增强强或或提提取取有有用用信信息息的的目目的的。变变换换的的本本质质是是对对遥遥感感图图像像实实行行线线性性变变换换，使使多多光光谱谱空空间间的的坐坐标标系系按按一一定定规规律进行旋转。律进行旋转。多多多多光光光光谱谱谱谱空空空空间间间间：一一个个以以各各波波段段图图像像的的亮亮度度分分布布为为子子空空间间的的向量空间。向量空

23、间。（就就是是一一个个n n维维坐坐标标系系，每每一一个个坐坐标标轴轴代代表表一一个个波波段段，坐坐标标值值为为亮亮度度值值，坐坐标标系系内内的的每每一一个个点点代代表表一一个个像像元元。像像元在坐标系中的位置可以表示成一个元在坐标系中的位置可以表示成一个n n维向量。）维向量。）5.5.遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换()主成分分析主成分分析主成分分析主成分分析(KLKL变换变换变换变换)（1 1）KLKL变变变变换换换换是是离离散散KarhunenKarhunenloeveloeve变变换换的的简简称称，又又常常被被称称作作主主成成分分变变换换。它它

24、是是对对某某一一多多光光谱谱图图像像X X，利利用用KLKL变变换换矩矩阵阵A A进进行行线线性性组组合合，而而产产生生一一组组新新的的多多光光谱谱图图像像Y Y的操作，表达式为：的操作，表达式为：Y=AXY=AX 其其中中X X为为变变换换前前多多光光谱谱空空间间的的像像元元矢矢量量，y y为为变变换换后后主主分分量量空空间间的的像像元元矢矢量量，A A为为变变换换矩矩阵阵，因因此此，公公式式可可写写为：为：5.5.遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换()主成分分析主成分分析主成分分析主成分分析(KLKL变换变换变换变换)对对图图像像中中每每一一像像元元矢

25、矢量量逐逐个个乘乘以以矩矩阵阵A A，便便得得到到新新图图像像中中的的每每一一像像元元矢矢量量。AA的的作作用用是是给给多多波波段段的的像像元元亮亮度度加加权权系系数数，实实现现线线性性变变换换。由由于于变变换换前前各各波波段段之之间间有有很很强强的的相相关关性性，经经过过KLKL变变换换组组合，输出图像合，输出图像y y的各分量之间将具有最小的相关性。的各分量之间将具有最小的相关性。KLKL变换的特点：变换的特点：变换的特点：变换的特点：从从几几何何意意义义来来看看，变变换换后后的的主主分分量量空空间间坐坐标标系系与与变变换换前前的的空空间间坐坐标标系系相相比比旋旋转转了了一一个个角角度度，

26、而而且且新新坐坐标标系系一一定定指指向向数数据据信信息息量量较较大大的的方方向向(主主分分量方向之一量方向之一)。P125P1255.5.遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换()主成分分析主成分分析主成分分析主成分分析(KLKL变换变换变换变换)就就变变换换后后的的新新波波段段主主分分量量而而言言，KLKL变变换换后后的的新新波波段段主主分分量量包包括括的的信信息息量量不不同同，呈呈逐逐渐渐减减少少趋趋势势。其其中中，第第一一主主分分量量集集中中了了最最大大的的信信息息量量，常常常常占占8080以以上上，第第二二、第第三三主主分分量量的的信信息息量量依依次次

27、快快速速递递减减，到到第第n n分分量量信信息息几几乎乎为为0 0。由由于于KLKL变变换换对对不不相相关关的的噪噪声声没没有有影影响响，所所以以信信息息减减少少时时，便便突突出出了了噪噪声声，最最后后的的分分量量几几乎乎全全是是噪噪声声。所所以以这种变换又可分离出噪声。这种变换又可分离出噪声。基基于于上上述述特特点点，在在遥遥感感数数据据处处理理时时，常常常常用用KKL L变变换换作作数数据据分分析析前前的的预预处处理理（数数据据压压缩缩和和图图像像增增强）。强）。举例举例P125P1256.6.遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换()缨帽变换缨帽变换缨帽

28、变换缨帽变换(KTKT变换变换变换变换)(1)(1)KTKT变变换换是是KauthKauthThomasThomas变变换换的的简简称称，这这种种变变换换也也是是一种线性组合变换，其变换公式为：一种线性组合变换，其变换公式为：Y=BXY=BX 这这里里X X为为变变换换前前的的多多光光谱谱空空间间的的像像元元矢矢量量，y y为为变变换换后后的的新新坐坐标标空空间间的的像像元元矢矢量量，B B为为变变换换矩矩阵阵。这这也也是是一一种种坐坐标标空空间间发发生生旋旋转转的的线线性性变变换换，但但旋旋转转后后的的坐坐标标轴轴不不是是指指向向主主成分方向，而是指向了与地面景物有密切关系的方向。成分方向，

29、而是指向了与地面景物有密切关系的方向。19841984年年，CristCrist和和CiconeCicone提提出出TMTM数数据据在在KTKT变变换换时时的的B B值值：P126P126在此，矩阵为在此，矩阵为6 6X6X6，主要针对主要针对TMTM的的1 1至至5 5和第和第7 7波段，低分波段，低分辨率的热红外辨率的热红外(第第6 6波段波段)波段不予考虑。波段不予考虑。B B与矢量与矢量 相乘后得到新的相乘后得到新的6 6个分量，个分量，6.6.遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换遥感图像多光谱变换()缨帽变换缨帽变换缨帽变换缨帽变换(KTKT变换变换变换变换)经经过

30、过研研究究，新新分分量量中中的的前前三三个个分分量量与与地地面面景景物物的的关关系系明明确确：y yl l为为为为亮亮亮亮度度度度，实实际际是是TMTM的的6 6个个波波段段的的加加权权和和，反反映映了了总总体体的的反反射射值值。y y2 2为为为为 绿绿绿绿度度度度，从从变变换换矩矩阵阵B B的的第第二二行行系系数数看看，波波长长较较长长的的红红外外波波段段5 5和和7 7即即()有有很很明明显显的的抵抵削削，剩剩下下4 4与与1 1，2 2，3 3，刚刚好好是是近近红红外外与与可可见见光光部部分分的的差差值值，反反映映了了绿绿色色生生物物量量的的特特征征。Y Y3 3为为为为湿湿湿湿度度度

31、度，这这个个分分量量反反映映了了可可见见光光至至近近红红外外波波段段(波波段段1 1至至4)4)与与波波长长较较长长的的红红外外(波波段段5 5，7)7)波波段段的的差差值值，而而5 5，7 7两两波波段段对对土土壤壤湿湿度度和和植植被被湿湿度度最最为为敏敏感感，便便于于反反映映出出湿湿度度特特征征。Y Y4 4,y,y5 5,y,y6 6这这三三个个分分量量与与地地物物没没有有明明确确的的对对应应关关系系，因因此此KTKT变变换换后后只只取取前前三三个个分分量量。这这样样也也实现了数据压缩。实现了数据压缩。KTKT变变换换的的研研究究主主要要针针对对TMTM数数据据和和以以前前使使用用过过的的MSSMSS数数据据，目目前前应应用用范范围围较较窄窄，但但它它抓抓住住了了地地面面景景物物，特特别别是是植植键键和和土土壤壤在在多多光光谱谱空空间间中中的的特特征征。对对于于扩扩大大陆陆地地卫卫星星TMTM影像数据分析在农业方面应用有重要意义。影像数据分析在农业方面应用有重要意义。