遥感图像辐射处理.ppt
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1、第六章 遥感图像辐射处理 内容提纲遥感图像的辐射处理遥感图像的辐射处理 遥感图像增强遥感图像增强 图像平滑图像平滑 图像锐化图像锐化多光谱图像四则运算多光谱图像四则运算图像融合图像融合2基本的辐射传输过程基本的辐射传输过程3问题的提出什么是辐射校正?为什么要进行辐射校正?传感器接受的电磁波能量与目标本身辐射的能量之间的关系?为什么要做图像的增强处理?图像融合有什么作用?4 消除遥感图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程称为辐射量校正(Radiometric Calibration),简称辐射校正。由于传感器响应特性和大气的吸收、散射以及其它随机因素影响,导致图像模糊失真,造成图像的分辨率和
2、对比度相对下降,这些都需要通过辐射校正复原。5传感器接收的电磁波能量与目标本身辐射的能量是不一致的。传感器输出的能量包含了由于太阳位置和角度条件、大气条件、地形影响和传感器本身的性能等所引起的各种失真,这些失真不是地面目标本身的辐射,因此对图像的使用和理解造成影响,必须加以校正或消除。6辐射校正的目的:尽可能消除因传感器自身条件、大气条件、太阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声引起的传感器所得到的目标测量值与目标的光谱反射率或光谱辐亮度等物理量之间的差异,尽可能恢复遥感图像本来的面目,为遥感图像的分割、分类、解译等后续工作打下基础。辐射校正包括三部分的内容:l传感器端的辐射校正l大气校正l地表
3、辐射校正7基本概念辐射定标和辐射校正是遥感数据定量化的最基本环节。辐射定标:指传感器探测值的标定过程方法,用以确定传感器入口处的准确辐射值。辐射校正:指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。8进入遥感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值(灰度值)。辐射强度越大,亮度值(灰度值)越大。亮度值(灰度值)主要受两个物理量影响:一是太阳辐射照射到地面的辐射强度;二是地物的光谱反射率。当太阳辐射相同时,图像上像元亮度值(灰度值)的差异就直接反映了地物目标光谱反射率的差异,但实际测量时,辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。辐射误差:传感器所得到的目标测量值与目标的光
4、谱反射率或光谱辐亮度等物理量之间的差值 96.1遥感图像的辐射处理 辐射误差传感器辐射定标辐射校正地面辐射校正场106.1.1辐射误差传感器接收的电磁波能量包含三部分:太阳经大气衰减后照射到地面,经地面反射后,又经大气第二次衰减进入传感器的能量地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量大气散射、反射和辐射的能量。遥感图像的辐射误差主要包括:传感器本身的性能引起的辐射误差地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差大气的散射和吸收引起的辐射误差116.1.2传感器辐射定标传感器定标是遥感信息定量化的前提。传感器定标就是建立传感器每个探测元所输出信号的数值量化值与该探测器对像元内的实际地物辐射亮度值之间
5、的定量关系。126.1.2传感器辐射定标绝对定标:对目标作定量的描述,要得到目标的辐射绝对值。绝对定标要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系,即定标系数,在卫星发射前后都要进行。相对定标:只得出目标中某一点辐射亮度与其他点的相对值。又称为传感器探测元件归一化。为了校正传感器中各个探测元件响应度差异而对卫星传感器测量到的原始亮度值进行归一化的一种处理过程。由于传感器中各个探测元件之间存在差异,使传感器探测数据图像出现一些条带。相对辐射定标的目得就是降低或消除这些影响。13绝对定标方法设传感器入口处波段i的辐射度Li和传感器输出的亮度值i之间存在线性关系:卫星运行时,传感器的辐射
6、灵敏度将随时间而变,故传感器的绝对辐射定标中的增益和偏置量要不断更新。这一更新利用卫星上的太阳定标器和地面定标场来完成。146.1.3辐射校正大气校正太阳高度角和地形影响引起的辐射误差校正 系统噪音15一、大气校正大气的影响:减少照射到地面的能量,增加对传感器探测到的,与地面特征无关的散射。消除大气的影响是非常重要的,消除大气影响的校正过程称为大气校正。16为什么要做大气校正?入射到传感器的电磁波能量除了地物本身的辐射以外,还有大气引起的散射光。我们想要了解某一物体表面的光谱属性,必须将大气的影响消除。校正的方法:寻找0反射目标条件:整个图像在相同的大气条件下获得。17常用校正方法1)基于地面
7、场地数据或辅助数据进行辐射校正在遥感成像的同时,同步获取成像目标的反射率,或通过预先设置已知反射率的目标,把地面实况数据与传感器的输出数据进行比较,来消除大气的影响。本方法假设地面目标反射率与传感器所获得的信号之间属于线性关系。18常用校正方法2)利用某些波段特性来校正其它波段的大气影响。一般情况下,散射主要发生在短波图像,对近红外几乎没有影响,如MSS-7几乎不受大气辐射的影响,把它作为无散射影响的标准图像,通过对不同波段图像的对比分析来计算大气影响。19回归分析法在不受大气影响的波段图像和待校正的某一波段图像中,选择从最亮到最暗的一系列目标,对每一目标的两个波段亮度值进行回归分析,如MSS
8、的第4和7波段,其亮度值分别为L4和L7,回归方程为:20直方图法目标:图像中存在亮度为零的目标。理想情况:图像的亮度值应为零。实际情况:目标的亮度值不为零。方法:根据具体大气条件,各波段要校正的大气影响是不同的。为确定大气影响,显示有关图像的直方图,从图上可以得知最黑的目标亮度为零,即第七波段图像的最小亮度值为零,第四波段的亮度最小值为a4,则a4就是第四波段图像的大气校正。21直方图法223)基于辐射传输方程的大气校正23专业的遥感图像处理系统多提供的大气校正模型:l Erdas和Geomatica系统中的ACTOR模型l ENNI系统中的FLAASH模型l 公共的大气校正模型,其中较好的
9、是6S模型。24二、因太阳辐射引起的辐射误差校正二、因太阳辐射引起的辐射误差校正1.太阳高度角引起的辐射校正a.a.公式法:公式法:太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。252)改正计算太阳高度角图像对应区域的地理纬度成像时太阳直射点的地理纬度地区经度与成像时太阳直射点地区经度之差步骤:步骤:26l 相邻地区不同时期的两幅图像衔接或镶嵌时,也可作 太阳高度角校正。方法:以一幅图像为标准,校正另一幅图像参考图像天顶角待校正图像天顶角待校正图像亮度值校正后图像亮度值应用:应用:l 比较不同太阳高度角(不同季节)的多日期图像;27b.b.波段比值
10、法波段比值法图像上的阴影通常是由太阳高度角引起的。多波段图像上的阴影可以通过图像之间的比值来消除或减弱比值图像:同步获取的相同地区的任意两个波段图像相除 得到的新图像282.地形起伏引起的辐射校正对于地形起伏引起的辐射误差,可以利用地表法线矢量与太阳入射矢量两者的夹角来校正。若处在坡度为的倾斜面上的地物影像为g(x,y),则校正后的图像f(x,y)为:地形坡度引起的辐射校正方法需要有图像对应地区的DEM数据,校正较为麻烦,一般情况下对地形坡度引起的误差不做校正。对于多波段图像,可用波段比值来进行校正,消除地表坡度的影响。29三、系统噪音图像数据中的干扰。产生的原因:受感测、信号数字化或数据记录
11、过程中的限制。影响:数字图像质量下降,或完全掩盖图像中的真正辐射信息。目的:图像恢复到与初始图像尽可能接近的状况。方法:与噪音的特性有关关键:探测噪音30系统的条带噪音31什么情况下需要进行大气校正l 大气透明度差而且不均一l 大气中的水汽含量高l 低海拔地区应该进行校正,3000米以上的地区可不考虑l 相对高差变化大的地形区域 l 不同时段图像的联合处理326.1.4地面辐射校正场当遥感数据进行辐射定标和辐射校正后,如何评价其精度,需要通过地面辐射校正场来对计算结果进行验证和修正。因此通过地面辐射校正场来提高辐射定标和校正的精度具有特别重要的意义。建立地面辐射校正场符合遥感数据定量化的需要建
12、立地面辐射校正场可以弥补星上定标的不足满足多种遥感资料的应用需要33现有的定标场一个完整的地面试验场对地理环境和技术准备有极高的要求。目前世界上比较典型的地面辐射场有:1979年美国在新墨西哥州白沙建立的地面辐射定标场1987年法国在马赛西北La Crau建立的地面辐射定标场欧空局在非洲撒哈拉沙漠建立了地面辐射校正场日本与澳大利亚合作在澳大利亚北部沙漠地区建立了地面辐射校正场,通过星地同步观测,实现对卫星遥感仪器的定标。34l 加拿大在北部大草原也开展卫星、飞机积雪同步观测,以便对卫星传感器作出客观评价。根据美、法公布的资料,目前用辐射校正场的方法对可见光和近红外波段的标正精度可达6%-3%左
13、右。除成功地对Landsat-4、5的TM,SPOT的HRV,NOAA-9、10、11 的AVHRR,Nimbus-7的CZCS 进行辐射校正外,目前正在进一步研究高分辨率成像光谱仪(AVIRIS)和中分辨率成像光谱仪(MODIS)的辐射校正,并对法国偏光照相机(POLDER)进行辐射校正。利比亚沙漠用于定标AVHRR、北非沙漠定标SPOT影像、敦煌西戈壁沙漠定标CBERS影像、美国的白沙导弹靶场常用于高分辨率图像的定标35我国地面辐射校正场从二十世纪八十年代接收和应用国内外气象和陆地卫星数据时,已认识到了在我国建立自己的地面辐射校正场的重要性和迫切性,以提高数据辐射定标和辐射校正精度。以后我
14、国将发射自己的各类遥感卫星,因此建立地面辐射校正场具有十分重要的现实意义。我国根据需要选择了敦煌西戈壁作为可见光和红外波段的辐射校正场,青海湖作为热红外波段和红外低发射率的辐射校正场。36中国气象局第7号令 气象探测环境和设施保护办法 第十五条 严禁在遥感卫星辐射校正场场区内从事任何建设和改变场区内自然状态的行为。本办法所称遥感卫星辐射校正场,是指利用辐射特性稳定、均匀的地物目标作为辐射参考基准,通过星地同步观测,对在轨运行遥感仪器进行绝对辐射定标或星上辐射定标校正的场地。37Image enhancement is the process of making an image more in
15、terpretable for a particular application(Faust,1989).增强的目的:抑制、去除噪声,改善图像视觉效果或突出图像中的特定地物信息,使图像更容易理解、解译和判断。其实质是增强感兴趣目标和周围背景图像间的反差。图像增强的概念6.2 遥感图像辐射增强38增强处理包括:改变图像的灰度等级;提高图像的对比度;消除噪声,平滑图像;突出边缘或线状地物,锐化图像;合成彩色图像;图像融合;图像运算39增强技术分类1)从增强的作用域出发l 空间域增强:空间域是指图像平面所在的二维平面。直接处理图像上的像素,主要对灰度进行操作;1)点处理:每次对单个像元进行灰度增强的
16、处理2)邻域处理或模板处理:对一个像元及其周围的小区域子 图像进行处理l 频率域增强:对图像经傅立叶变换后的频谱成分进 行操作,然后经傅立叶逆变换获得所需结果402)从处理的像元出发l辐射增强:对单个像元的灰度值进行变换,达到图像增强目的;l空间增强:利用像元自身及其周围像元的灰度值进行运算;l光谱增强:以多波段数据为基础,对每个像元的灰度值进行变换41图像灰度直方图图像反差调整6.2 遥感图像辐射增强426.2.1 图像灰度直方图图像灰度直方图反映了一幅图像中灰度级与其出现概率之间的关系。43446.2.2 图像反差调整线性变换线性变换 直方图均衡直方图均衡 直方图正态化直方图正态化 直方图
17、匹配直方图匹配 密度分割密度分割 其他非线性变换其他非线性变换 45线性变换简单线性变换:按比例拉伸原始图像灰度等级范围目的:为了充分利用显示设备的显示范围,使输出直方图的两端达到饱和。特点:一对一关系,像元总数不变。其数学表达式为:46线性增强47线性变换48直方图均衡将随机分布的图像直方图修改成均匀分布的直方图,其实质是对图像进行非线性拉伸,重新分配图像像元值,使一定灰度范围内的像元的数量大致相等。49直方图均衡效果效果:增强了峰值处的对比度,两端(最亮和最:增强了峰值处的对比度,两端(最亮和最暗)的对比度减弱了暗)的对比度减弱了5051直方图均衡52直方图正态化将随机分布的原图像直方图修
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