第6章遙感圖像輻射處理

1、本章內(nèi)容： 輻射校正（1） 輻射增強(qiáng)（1） 圖像平滑（2） 圖像銳化（2） 圖像融合（3）重點內(nèi)容： 圖像增強(qiáng)處理 多源圖像融合第六章 遙感圖像輻射處理圖像預(yù)處理的內(nèi)容1/17 概念： 利用傳感器觀測目標(biāo)輻射或反射電磁能量時，從傳感器得到的測量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的，稱為光譜亮度失真。這種消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度里的各種失真的過程稱為輻射校正。 完整的輻射校正包括傳感器校正、大氣校正、太陽高度及地形校正。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正2/173/171、傳感器校正 畸變來源：光學(xué)系統(tǒng)、光電變換系統(tǒng)。 校正方法：陸地衛(wèi)星系列通過飛行前實地測量，預(yù)先測出

2、各波段的輻射值（L)和記錄值（DN）之間的校正乘系數(shù)（記為A)和校正加系數(shù)（記為B),其糾正公式為：L=A*DN+B A和B在使用期限內(nèi)是固定不變的。 此過程又稱為傳感器輻射定標(biāo)第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正4/172、大氣校正 大氣影響比較復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。對于任何一幅圖像，大氣數(shù)據(jù)幾乎永遠(yuǎn)是變化的。 方法一：從圖像本身來估計大氣參數(shù)，然后以一些實測數(shù)據(jù)，反復(fù)運用大氣模擬模型來修正這些參數(shù)，實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的校正。 方法二：利用地面實況數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。利用預(yù)先設(shè)置的反射率已知的標(biāo)志，把地面實測數(shù)據(jù)和傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來消除大氣的影響。該方法僅適用于特定的地區(qū)及時

3、間。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正5/173、太陽高度和地形校正 太陽高度角引起的輻射畸變校正是將太陽光線傾斜照射時獲取的圖像校正為太陽光垂直照射是獲取的圖像，因此在做輻射校正時，需要知道成像時刻的太陽高度角。太陽高度角可以根據(jù)成像時刻的時間、季節(jié)和地理位置確定。 具有地形坡度的地面，對進(jìn)入遙感器的太陽光線的輻射亮度有影響，地形坡度引起的輻射校正需要知道成像地區(qū)的DEM，校正不方便。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正6/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正7/17 地面輻射校正場 當(dāng)遙感數(shù)據(jù)輻射校正后，需要通過地面輻射校正場來對計算結(jié)果進(jìn)行驗證和修正。 世界典型的輻射場

4、有：1979年美國新墨西哥州白沙地面輻射定標(biāo)場、1987年法國馬賽西北La Crau沙地面輻射定標(biāo)場。 中國的輻射場：敦煌西戈壁輻射校正場（可見和紅外）、青海湖輻射校正場（熱紅外和紅外）。第六章 遙感圖像輻射處理 6.1輻射校正8/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.2輻射增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)目的： 增強(qiáng)感興趣目標(biāo)與周圍目標(biāo)的反差，突出目標(biāo)，消弱某些不需要的信息。 圖像增強(qiáng)手段： 空間域 頻率域 灰度直方圖（會計算）),()(),(),(yxfFgvuFyxf01231232232132109/17各種圖像直方圖10/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.2 輻射增強(qiáng) 圖像反差調(diào)整1、線性變換：在曝光不足

5、或過度的情況下，圖像灰度會局限在一個較小范圍內(nèi)，圖像沒有灰度層次。采用線性變換對每一個像素灰度做線性拉伸，有效改善視覺效果。 分段線性變換),(),(ajifababajig11/1712/172、直方圖均衡化 將原始直方圖修改為近似均勻分布直方圖，從而拉開灰度間距，增大反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到增強(qiáng)目的。第六章 遙感圖像輻射處理 6.2 輻射增強(qiáng)13/17 6.2 輻射增強(qiáng)1列出原始圖像的灰度級k=0,1,7012345672統(tǒng)計原始直方圖各灰度級像素7901023850656329245122813計算原始直方圖0.190.250.210.160.080.060.030.024計算累計直方

6、圖T0.190.440.650.810.890.950.9815對(N-1)*T四舍五入取整(t)135667776確定映射對應(yīng)關(guān)系(k-t)0-11-32-53,4-65,6,7-77統(tǒng)計新直方圖各灰度級像素79010238509854488計算新直方圖0.190.250.210.240.1114/17直方圖均衡化計算步驟示意圖15/1716/17第六章 遙感圖像輻射處理 6.2 輻射增強(qiáng)3、直方圖正態(tài)化4、直方圖匹配 通過非線性變換使得一個圖像的直方圖與另一個圖像直方圖類似。5、圖像灰度反轉(zhuǎn)（獲得相反圖像） 方法一：條件反轉(zhuǎn) 方法二：簡單反轉(zhuǎn)11 . 0,/1 . 01 . 00, 1in

7、ininoutDDDD當(dāng)當(dāng)inoutDD 25517/17 本節(jié)主要內(nèi)容 一種劃分方式：空間域增強(qiáng)（包括平滑和銳化） 頻率域增強(qiáng)（包括平滑和銳化） 另一種劃分方式：圖像平滑（空間域和頻率域） 圖像銳化（空間域和頻率域） 本節(jié)重點內(nèi)容 空間域平滑/銳化 頻率域平滑/銳化第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)1/10一、空間域平滑 目的： 1、鄰域平均法（模板法、掩模法） 基本掩模 其他掩模 問題1：模板全部權(quán)系數(shù)和應(yīng)為1，為什么 問題2：鄰域平均法有何缺點？ 思考：能否自己編程實現(xiàn)鄰域平均法 第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)2/10一、空間域平滑 2、中值濾波法 對一個滑動窗口內(nèi)的

8、全部像素灰度值排序，用其中值代替窗口中心像素的原來灰度值。（非線性） 中值濾波的例子第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)3/10 總結(jié)：中值濾波的優(yōu)點和缺點 優(yōu)點是去噪（特別是脈沖或椒鹽噪聲）同時較好地保持了邊緣，缺點是對點、細(xì)線等細(xì)節(jié)較多的圖像不大適合。 演示：基于MATLAB的中值濾波程序第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)4/10二、空間域銳化 目的：增強(qiáng)圖像的邊緣或輪廓。 圖像平滑與銳化比較：模糊邊緣/突出邊緣 積分運算/微分運算 模板和1/模板和0 空間域銳化的方法與邊緣檢測方法一致！ 常用的算子有：（見本PPT的127頁） Roberts算子 Prewitt/Sobel

9、算子 Laplacian算子 第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)5/10 頻率域增強(qiáng)基本思想：（理解公式含義） 關(guān)鍵是H(u,v)的選擇三、頻率域平滑（低通濾波） 原理： 常見低通濾波器有： 1、理想低通濾波器（缺點） 2、Butterworth低通濾波器 3、指數(shù)濾波器 4、梯形低通濾波器（優(yōu)點）第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)6/107/10四、頻率域銳化（高通濾波） 原理：圖像的邊緣、細(xì)節(jié)主要在哪里體現(xiàn)？為了突出邊緣，則采用高通濾波器讓高頻成分通過，消弱低頻成分，在通過傅立葉逆變換得到邊緣銳化后的圖像。 1、理想高通 2、Butterworth高通 3、指數(shù)高通 4、梯

10、形高通程序演示第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)8/10第六章 遙感圖像輻射處理 6.3 圖像增強(qiáng)五、帶阻濾波 1、對稱點 遙感圖像傳到地面時常有網(wǎng)絡(luò)狀干擾圖像，其頻率圖形一般是對稱點。在頻率域設(shè)法把這對點去掉或阻擋掉，再反變換到空間域，就可以把網(wǎng)絡(luò)圖形干擾去掉，這叫做帶阻濾波。9/1010/10主要內(nèi)容 圖像融合概況（概念、目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)） 圖像融合方法（彩色技術(shù)、算術(shù)運算、圖像變換） 融合效果評價（定性、定量評價）重點內(nèi)容 圖像融合概念及目標(biāo) 基于主分量變換方法 第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合1/16一、圖像融合概況1、概念: 多源遙感數(shù)據(jù)間融合 遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)融

11、合 又稱為“信息融合”、”數(shù)據(jù)整合“結(jié)合”“疊合” 圖像融合是對多傳感器的圖像數(shù)據(jù)和其它信息處理過程，生成一幅具有新的空間、波譜、時間特征的合成圖像。 融合可在3個層次上進(jìn)行：像素、特征、決策層第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合2/16 （1）基于像素的圖像融合 關(guān)鍵問題：幾何糾正像素重采樣 （2）基于特征的圖像融合 從初始影像中提取特征，然后對特征進(jìn)行匹配 優(yōu)點：針對性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量小、分類精度高 （3）基于決策層的圖像融合 在圖像理解和模式識別基礎(chǔ)上的融合。 在特征提取的基礎(chǔ)上，直接面向應(yīng)用進(jìn)行融合第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合3/16 圖8.14/162、圖像融合具體目標(biāo)

12、 （1）提高圖像空間分辨率（圖像銳化） （2）改善圖像幾何精度 （3）增強(qiáng)特征顯示能力 （4）改善分類精度 （5）提供變換檢測能力（什么樣的數(shù)據(jù)？） （6）修補(bǔ)圖像數(shù)據(jù)的缺陷第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合5/163、圖像融合的關(guān)鍵技術(shù) 涉及的領(lǐng)域：信號處理、計算機(jī)科學(xué)、模式識別、最優(yōu)化技術(shù)、圖像處理、人工智能以及地學(xué)知識。 （1）遙感數(shù)據(jù)的空間配準(zhǔn) 不同平臺數(shù)據(jù)其幾何特征相差很大 達(dá)到同一區(qū)域不同圖像地理坐標(biāo)的統(tǒng)一。 （2）建立合適的融合模型 首先明確融合的目的選擇合適模型 （3）選擇恰當(dāng)?shù)娜诤戏椒ǖ诹?遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合6/16 圖8.27/16二、圖像融合方法

13、1、彩色技術(shù) 彩色圖像兩種表達(dá)方式： RGB混色系統(tǒng)：紅、綠、藍(lán)三原色坐標(biāo)系統(tǒng) IHS顯色系統(tǒng)：亮度、色調(diào)、飽和度坐標(biāo)系統(tǒng)。 彩色技術(shù)指采用不同的彩色坐標(biāo)系統(tǒng)，把多源遙感數(shù)據(jù)融合起來，產(chǎn)生彩色合成圖像。 （1）RGB彩色合成 指定3個波段圖像分別賦予RGB三原色進(jìn)行彩色合成，人為指定水為藍(lán)色、裸地為綠色、植被為紅色第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合8/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合 （2）IHS變換 R、G、B呈非線性關(guān)系IHS系統(tǒng) IHS彩色變換指將標(biāo)準(zhǔn)RGB圖像分離為I、H、S 變換公式為： 目前，IHS變換已成為彩色增強(qiáng)、特征增強(qiáng)、改善空間分辨率、融合分離的數(shù)據(jù)等

14、圖像處理和分析的一種有效方法被廣泛應(yīng)用。IBISBIBGHBGRI/ )3()3/()(BGRvvI02121626161313131212221121);(tanvvSvvH9/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合 （3）照度色度（YIQ） Y：圖像亮度，是RGB信號的組合 I：紅色減去青色 Q：品紅色減去綠色2、算術(shù)運算 （1）加乘運算 （2）差值與比值圖像 對變化檢測很有效，差值可抑止背景，比值可消除地形坡度引起的輻射變化、乘法性噪聲影響。BDNDNADNBDNWDNWADNbafbaf)(2110/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合 （3）混合運算 采用加減乘除運

15、算可部分消除大氣影響。 為實現(xiàn)空間增強(qiáng)，常用高分辨率的全色圖像（P）與多光譜圖像（S）融合，常用的方法有： 此法既保留了輻射數(shù)據(jù)完整性，又增加空間分辨率hfspspfDNDNDNDNDNDNDNDNDNDN3211/11/163、圖像變換（1）主成分分析（PCA） 方法1：用一幅高分辨圖像代替多波段圖像的第一主成分PC1,然后進(jìn)行主成分逆變換，得到融合圖像 方法2：將高分辨圖像作為一個波段和多光譜圖像組合一起進(jìn)行PCA，生成一幅圖像，以減少數(shù)據(jù)的冗余度，如PC123、TM17的最佳波段選擇等。（2）相關(guān)系數(shù)法 基于對被融合圖像之間波譜特性的相關(guān)統(tǒng)計分析第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合

16、12/16 公式如下： A、B為經(jīng)驗常數(shù)，a，b為權(quán)重系數(shù)，分別表示兩個被融合圖像在融合中的貢獻(xiàn)大小，可由相關(guān)系數(shù)rij確定。 例：SPOT影像的“P+XS”模式 10米分辨率全色（P)+20米分辨率多光譜（XS）增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的同時，又保留了多光譜信息。該融合圖像被廣泛應(yīng)用于城市遙感。BbIaIAIjiij)(第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合13/16（3）空間濾波法（多用于不同分辨率圖像融合） 對高分辨率圖像（如SPOT-P）作高通濾波處理，得到高頻數(shù)據(jù)，然后加到低分辨圖像（如TM）中。 例：中巴資源1號衛(wèi)星的多光譜數(shù)據(jù)（20米）與SPOT-P，經(jīng)高通濾波融合的結(jié)果。（4）小波變換 經(jīng)小波變換可將圖像分解為具有不同空間分辨率、頻率特征的子圖像，比如低頻圖像和高頻圖像。 具體方法：用低分辨率（TM）圖像的低頻代替高分辨率（SPOT-P)的低頻，然后新SPOT-P進(jìn)行小波逆變換，得到融合后的圖像。第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合14/16第六章 遙感圖像輻射處理 6.4 圖像融合三、融合效果評價1、定性評價 目視判讀，主觀2、定量評價 從信息量、清晰度、逼真度、分類精度四方面評價 （1）基于信息量的評價 熵評價信息量的重要指標(biāo) （2）基于清晰度的評