第三章遙感數(shù)字圖像增強(qiáng)處理

遙感數(shù)字圖像增強(qiáng)處理圖像增強(qiáng)的目的改變圖像的灰度等級,提高圖像的對比度;

消除邊緣和噪聲,平滑圖像;突出邊緣或線狀地物,銳化圖像;

合成彩色圖像;壓縮圖像數(shù)據(jù)量,突出主要信息等圖像增強(qiáng)的方法空間域增強(qiáng)(點(diǎn)運(yùn)算,鄰域運(yùn)算)頻率域增強(qiáng)彩色增強(qiáng)多圖像代數(shù)運(yùn)算多光譜圖像增強(qiáng)直方圖變換累積直方圖1789101114526714121534786911214788984591112108101115161013136916131210灰度級012345678910111213141516累積像元數(shù)02458101317232833374043454749累積比例值0.000.040.080.10.160.200.270.350.470.570.670.760.820.880.920.961.00直方圖均衡化

直方圖均衡化是將原圖像的直方圖通過變換函數(shù)變?yōu)榫鶆虻闹狈綀D，然后按均勻的直方圖修改原圖像，從而獲得一幅灰度分布均勻的新圖像?？梢宰C明，這個(gè)變換函數(shù)就是累積直方圖。變換式：對一幅圖像進(jìn)行直方圖均衡化的具體步驟如下：（1）統(tǒng)計(jì)原圖像每一灰度級的像元數(shù)和累積像元數(shù)（2）根據(jù)變換函數(shù)式計(jì)算每一灰度級xa均衡化后對應(yīng)的新值，并對其四舍五入取整，得到新灰度級xb（3）以新值代替原灰度值，形成均衡化后的新圖像。（4）根據(jù)原圖像像元統(tǒng)計(jì)值對應(yīng)找到新圖像像元統(tǒng)計(jì)值，作出新直方圖。原灰度級xa像元統(tǒng)計(jì)值累積像元統(tǒng)計(jì)值變換后值新灰度級新像元統(tǒng)計(jì)值0000001220.7142241.313151.6214382.63552103.3363134.24374175.66486237.58695289.1951053310.81151143712.11241234013.11331334314.01431424514.71541524715.3151624916162直方圖規(guī)定化

直方圖規(guī)定化是指使一幅圖像的直方圖變成規(guī)定形狀的直方圖而對圖像進(jìn)行變換的增強(qiáng)方法.規(guī)定的直方圖可以是一幅參考圖像的直方圖,通過變換,使兩幅圖像的亮度變化規(guī)律盡可能地接近;規(guī)定的直方圖也可以是特定函數(shù)形式的直方圖,從而使變換后圖像的亮度變化盡可能地服從這種函數(shù)分布.直方圖規(guī)定化

設(shè)T(xa)為原圖像直方圖均衡化的變換函數(shù),G(yc)為參考圖像直方圖均衡化的變換函數(shù),變換后的灰度值均為Zb,由上述可知直方圖規(guī)定化

直方圖規(guī)定化的具體步驟如下:(1)做出原圖像的直方圖(2)做出原圖像的累積直方圖Zb=T(xa),對原圖像進(jìn)行均衡化變換(3)做出參考圖像的直方圖或確定參考直方圖(4)做出參考圖像累積直方圖zb=G(yc),進(jìn)行均衡化變換(5)對于原圖像中的每一灰度級xa的累積值zb,在參考累積直方圖中找到對應(yīng)的累積值G(yc);(6)以新值yc替代原灰度值xa,形成均衡化后的新圖像.(7)根據(jù)原圖像像元統(tǒng)計(jì)值對應(yīng)找到新圖像像元統(tǒng)計(jì)值,做出新直方圖。10911121011109101112111211911101213141312121012141513111314161614151412121516151413121216131415參考圖像原灰度級xa像元統(tǒng)計(jì)值ha(xa)累積像元統(tǒng)計(jì)值T(xa)對應(yīng)參考累積像元值G(yc)新灰度級yc新像元統(tǒng)計(jì)值hd(xd)0000001／1620.040.069/1652／1620.080.063／1610.100.064／1630.160.1810/1655／1620.200.186／1630.270.3311/1677／1640.350.338／1660.470.5112/16119／1650.570.5110／1650.670.6713/16511／1640.760.8214/16712／1630.820.8213／1630.880.9215/16514／1620.920.9215／1620.961.00141211.00灰度級yc9/1610/1611/1612/1613/1614/1615/161像元統(tǒng)計(jì)值hc(xc)36798754累積像元統(tǒng)計(jì)值G(yc)0.060.180.330.510.670.820.921.00空域增強(qiáng)-點(diǎn)運(yùn)算線性變換

y=a?x+b

單一線性、分段線性、特定區(qū)域或覆蓋類型的局部線性空域增強(qiáng)-點(diǎn)運(yùn)算非線性變換指數(shù)擴(kuò)展xb=a?ebxa+c擴(kuò)展高亮度區(qū)對數(shù)擴(kuò)展xb=a?log(xa+1)+c擴(kuò)展低亮度區(qū)

空域增強(qiáng)-點(diǎn)運(yùn)算非線性變換

三角函數(shù)擴(kuò)展xb=a?sin(b?xa)+c擴(kuò)展中部亮度區(qū)

xb=a?tan(b?xa)+c擴(kuò)展兩端亮度區(qū)

空域增強(qiáng)-鄰域增強(qiáng)鄰域

對于圖像中的某個(gè)像元f（x,y），把以像元為中心一定距離內(nèi)的像元集合Axy=｛x±p，y±q｝（p,q取任意整數(shù)）叫做該像元的鄰域。(x,y)(x,y)4-鄰域8-鄰域建立在離散卷積基礎(chǔ)上的卷積運(yùn)算是在空間域上對圖像進(jìn)行鄰域變換的運(yùn)算。選定一個(gè)卷積函數(shù)，又稱為模板，它實(shí)際上是一個(gè)M*N大小的小圖像。圖像的卷積運(yùn)算是運(yùn)用模板來實(shí)現(xiàn)的，如圖，從圖像的左上角開始，將一個(gè)給定大小的模板，逐行逐列依次放在圖像的每一個(gè)像元位置上，計(jì)算兩者之間對應(yīng)各點(diǎn)的乘積并求和，以和數(shù)作為中心像元的輸出值，從而產(chǎn)生新的圖像。卷積運(yùn)算

如果假設(shè)卷積函數(shù)為H(m,n)，其大小為M,N。對應(yīng)圖像窗口內(nèi)灰度值為f(m,n)，則卷積運(yùn)算可通過下式表示。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常使圖像窗口與模板像元的灰度值對應(yīng)相乘再相加，相加的總和再除以模板內(nèi)所有值的和作為中心像元新的灰度值。模板運(yùn)算的公式為平滑均值平滑

設(shè)待處理圖像f（x,y）有N行N列，平滑后的圖像為g（x,y）。均值平滑指對原圖像每個(gè)像元在以它為中心的鄰域A內(nèi)取平均值，作為該像元新的灰度值。即均值濾波器模板010101010111101111均值濾波器Mean5x5原始圖象Mean11x11中值濾波器在鄰域平均法中，是將n×n局部區(qū)域中的灰度的平均值作為區(qū)域中央象元的灰度值。而在中值濾波中，是把局部區(qū)域中灰度的中央值作為區(qū)域中央象元的值。如，在3×3區(qū)域內(nèi)進(jìn)行中值濾波，是將區(qū)域內(nèi)9個(gè)灰度值按由小到大排列，從小的一方開始的第5個(gè)值即為中央象元的值。

用這種非線性的濾波，比鄰域平均法可以在很大的程度上防止邊緣的模糊。351012162481055683746745833081019試用1*3和3*3的窗口對此進(jìn)行中值濾波空間銳化

為了突出邊緣和輪廓、線狀目標(biāo)信息，可以采用銳化的方法。銳化可使圖像上邊緣與線狀目標(biāo)的反差提高，因此也稱為邊緣增強(qiáng)。平滑通過積分過程使得圖像邊緣模糊，圖像銳化則通過微分使圖像邊緣突出、清晰?？臻g域圖像銳化

1.梯度法最常用的微分方法是梯度法。1梯度法矢量微分----梯度

二元函數(shù)f(x,y)在坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)處的梯度向量的定義：

梯度的幅度（模）為各分量的平方和再求平方根：空間域圖像銳化

用絕對值可得到以下近似的結(jié)果連續(xù)域的微分----離散域的差分對于數(shù)字圖像，連續(xù)導(dǎo)數(shù)形式可以用求差來近似表示梯度算法對應(yīng)的模板為：10-101-100t1＝t2=常見的梯度算子模板100-101-10RobertsRoberts梯度Roberts梯度采用交叉差分的方法。設(shè)：t1=t2＝常見的梯度算子模板-101-101-101-1-1-1000111Prewitt-101-202-101-1-2-1000121SobelPrewitt和Sobel梯度t1＝t2＝t1＝t2＝66612121212666121212126661212121266612121212666666666666666666666從上面可知，Sobel算子、Prewitt算子不像普通梯度算子那樣用兩個(gè)像素之差值，而用兩列或兩行加權(quán)和之差值，其優(yōu)點(diǎn)為：由于引入了平均因素，因而對圖像中的隨機(jī)噪聲有一定的平滑作用由于它是相隔兩行或兩列的差分，故邊緣兩側(cè)的象元得到了增強(qiáng)，邊緣顯得粗而亮。適用情況梯度算子法取值式說明保留背景，強(qiáng)調(diào)邊緣或：：為規(guī)定的亮度級研究邊緣灰度級的變化，但不受背景影響：為規(guī)定的亮度級只對邊緣位置感興趣、：為規(guī)定的亮度級水平、垂直梯度Roberts梯度Sobel梯度或檢測垂直邊界：檢測水平邊界：檢測對角線邊界：圖像銳化

2.定向檢測：

當(dāng)有目的地檢測某一方向的邊、線或紋理特征時(shí)，可選擇特定的模板卷積運(yùn)算作定向檢測。常用的模板為：或圖像銳化

3.拉普拉斯算子

拉普拉斯算子處理是常用的邊緣增強(qiáng)處理算子，它是各向同性的二階導(dǎo)數(shù)

對數(shù)字圖像來講，的二階偏導(dǎo)數(shù)可表示為：

為此，拉普拉斯算子為：

以模板形式表示為：

可見數(shù)字圖像在某點(diǎn)的拉普拉斯算子，可以由中心像素點(diǎn)灰度級值和鄰域像素灰度級值通過加減運(yùn)算來求得。

拉普拉斯銳化：用原圖像的值減去模板運(yùn)算結(jié)果的整倍數(shù)，即：

拉普拉斯算子彩色增強(qiáng)①偽彩色密度分割：把一幅黑白圖像的不同灰度按一定的函數(shù)關(guān)系變換成彩色，得到一幅彩色圖像的方法。密度分割法是對單波段黑白遙感圖像按灰度分層，對每層賦予不同的色彩，使之變?yōu)橐环噬珗D像。例如：灰度范圍為0～15的賦為一種顏色；灰度范圍15～20賦為一種顏色；…，依此類推，生成一幅彩色圖像。密度分割中的彩色是人為賦予的，與地物的真實(shí)色彩毫無關(guān)系，因此也稱為偽彩色。②彩色合成與假彩色合成彩色合成時(shí)，波段如何選擇，可通過求最佳指數(shù)OIF進(jìn)行選擇：最佳指數(shù)大的三個(gè)波段一般效果較佳。Si為第i波段的亮度標(biāo)準(zhǔn)差ri為合成分量間的相關(guān)系數(shù)假多波段彩色合成例如，根據(jù)TM圖像各個(gè)波段的物理意義，按如下方案，將7個(gè)波段信息同時(shí)表現(xiàn)在同一圖像中。7個(gè)波段同時(shí)參與彩色合成的配色方案為：R=0.6TM3+0.4TM6G

=0.4TM2+0.6TM4B=0.3TM1+0.4TM5+0.3TM7圖像運(yùn)算加法運(yùn)算加法運(yùn)算主要用于對同一地區(qū)的多幅圖像的求平,可以有效地減少圖像的加性隨機(jī)噪聲.差值運(yùn)算差值增強(qiáng)：增強(qiáng)變化量，突出圖象間的差異比值運(yùn)算比值方法：簡單比值如TM5/TM7

組合比值如(TM4-TM3)/(TM4+TM3)

標(biāo)準(zhǔn)比值單個(gè)波段與所有波段之和構(gòu)成的比值。通過TM5/TM7可有效地增強(qiáng)和提取蝕變巖信息技術(shù)要點(diǎn)：①圖像必須先配準(zhǔn)----位置準(zhǔn)確，不能張冠李戴；②像元亮度值應(yīng)作標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化----同一起跑線上比較；③注意成像時(shí)間、季節(jié)的選擇，應(yīng)盡量降低兩圖像因成像環(huán)境因素不同產(chǎn)生的影響----突顯地物真正的變化而非環(huán)境因素的變化。彩色變換彩色變換又稱為彩色編碼，所謂彩色變換即為兩種彩色模型編碼系統(tǒng)之間的變換。彩色模型指的是某個(gè)三維彩色空間的一個(gè)可見光子集。它包含某個(gè)彩色域的所有彩色，彩色模型的用途是在某個(gè)彩色域內(nèi)方便地指定彩色。由于任何一個(gè)彩色都只是可見光的子集，所以任何一個(gè)彩色模型都無法包含所有的可見光。

IHS彩色變換從色度學(xué)可知，顏色可用三刺激值來表示，例如，用紅、綠、藍(lán)所含成分的多少來表示顏色（即RGB系統(tǒng)）。顏色RGB編碼具有方法簡單，便于彩色顯示和彩色掃描的優(yōu)點(diǎn)。因此目前常用于彩色顯示器和彩色掃描儀上。同樣，顏色也可用色品度方式來表示，IHS系統(tǒng)是常用的一種色品度表示顏色的方式。其中:強(qiáng)度I僅表示照度的大?。簧菻代表顏色色純的程度；飽和度S代表具有相同明亮的顏色離開中性灰色的程度。

IHS彩色變換飽和度的概念可描述如下：假設(shè)你有一桶純紅的顏料，它對應(yīng)的色度為0，飽和度為1?；烊氚咨玖虾笫辜t色變得不再強(qiáng)烈，減少了它的飽和度，但沒有使它變暗。粉紅色對應(yīng)于飽和度值為0.5左右。隨著更多白色染料加入到混合物中，紅色變得越來越淡，飽和度降低，最后接近于零（白色）。相反地，如果你將黑色染料與純紅色混和，它的亮度將降低（變黑），而它的色度和飽和度保持不變。IHS編碼的優(yōu)點(diǎn)是能把強(qiáng)度和顏色區(qū)分開。根據(jù)人眼觀察要求，I、H和S的編碼字節(jié)I最長，H次之，S要求最短。一般來說，IHS模型表示方法較多，有三角形、六棱錐、雙六棱錐等，而三角形模型具有代表性。下面介紹RGB系統(tǒng)與IHS三角形系統(tǒng)之間的彩色變換。

IHS變換正變換公式：

當(dāng)B為最小時(shí)：

當(dāng)R為最小時(shí)：

當(dāng)G為最小時(shí)：

當(dāng)H為0到1：

當(dāng)H為1到2：當(dāng)H為2到3：IHS反變換多光譜增強(qiáng)-K-L變換1.K—L變換原理:K-L變換又稱為主成分變換。它的原理如下：對某一n個(gè)波段的多光譜圖像實(shí)行一個(gè)線性變換，即對該多光譜圖像組成的光譜空間乘以一個(gè)線性變換矩陣A，產(chǎn)生一個(gè)新的光譜空間Y，即產(chǎn)生一個(gè)新的n個(gè)波段的多光譜圖像表達(dá)式為Y=AX

其中X為變換前的像元矢量；Y為變換后的主分量空間的像元矢量；A

為一個(gè)n*n的線性變換矩陣。根據(jù)主成分變換的數(shù)學(xué)原理，A是X空間的協(xié)方差矩陣的特征向量矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，即因此Y＝AX可以寫成由此可以看出，A的作用實(shí)際上是對各分量加一個(gè)權(quán)重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)線性變換。Y的各分量的均是X的各分量的信息的線性組合，它綜合了原有各分量的信息而不是簡單的取舍。變換后的