第4章遙感圖像數(shù)字處理的基礎(chǔ)知識課件

第四章

遙感圖像數(shù)字處理的基礎(chǔ)知識

內(nèi)容提綱圖像的表示形式遙感數(shù)字圖像的存貯遙感數(shù)字圖像處理系統(tǒng)彩色的基本原理4.1圖像的表示形式遙感圖像的表示形式：遙感傳感器記錄地物電磁波的形式光學(xué)圖像：膠片或其它光學(xué)成像載體形式數(shù)字圖像：數(shù)字形式1.光學(xué)圖像

一個(gè)二維的連續(xù)的光密度（透過率）函數(shù)像片上的密度隨坐標(biāo)x,y變化而變化2.數(shù)字圖像一個(gè)二維的離散的光密度（或亮度）函數(shù)以矩陣fi,j(i=0,1,…,m-1;j=0,1,…,n-1)表示數(shù)字圖像空間坐標(biāo)（x,y）和密度上都已離散化2.數(shù)字圖像

0123456……………n-1

→x01614108231…3022241815

11616612864…3232404545

216161414111517…2424323438

31616161614148…1622242836

4159416151717…1412101222

51371215161918…1614121418

6121011141387…161081426

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m-136322020262826

2622242022

3.光學(xué)圖像與數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)換光學(xué)圖像變成數(shù)字圖像把一個(gè)連續(xù)的光密度函數(shù)變成一個(gè)離散的光密度函數(shù)空間坐標(biāo)離散化——采樣幅度（光密度）離散化——量化整個(gè)過程稱為圖像數(shù)字化數(shù)字圖像變成光學(xué)圖像兩種輸出方式通過顯示終端設(shè)備顯示出來：其設(shè)備包括顯示器、電子束或激光束成像記錄等，這些設(shè)備輸出光學(xué)圖像的基本原理是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備，將數(shù)字信號以模擬方式表現(xiàn)。如顯示器。通過照相或打印的方式輸出：如彩色噴墨打印機(jī)。采樣空間坐標(biāo)數(shù)字化采樣間隔△X、△Y的大小，取決于圖像的頻譜。如果抽樣間隔滿足

則圖像能完整地恢復(fù)。fc為截止頻率。量化圖像灰度的數(shù)字化在連續(xù)灰度的極限取值范圍內(nèi)離散化，即將它分成若干個(gè)灰度等級值，像元灰度處于某兩個(gè)相鄰劃分值之間時(shí)，用所對應(yīng)的最靠近的一個(gè)灰度級值代替用二進(jìn)制位數(shù)（bit數(shù)）編碼255

0

采樣和量化過程4.圖像的頻譜表示任何信號均可由多次諧波疊加而成將圖像從空間域變?nèi)腩l率域是采用傅立葉變換諧波疊加（1）周期信號的頻譜19世紀(jì)初葉,法國數(shù)學(xué)家吉·傅里葉證明:任何正常的周期為T的函數(shù)f(t)都可分解為無限個(gè)正弦和余弦函數(shù)的代數(shù)和，通常稱為傅里葉級數(shù)。（2）非周期信號的頻譜非周期信號可視為周期足夠長的周期信號來處理。因此,我們可以從周期信號的頻譜分析來推測非周期信號的頻譜。（2）非周期信號的頻譜圖像的傅里葉變換亮度表示相應(yīng)頻率上振幅大小，可用離散傅立葉系數(shù)表示4.2

遙感數(shù)字圖像的存貯存儲介質(zhì)存儲格式4.2.1存貯介質(zhì)磁帶磁盤光盤閃存

4.2.2存貯格式BSQ（BandSeQuential）：按照波段順序依次記錄各波段的圖像BIL（BandInterleavedLine）：逐行按波段次序排列BIP（BandInterleavedbyPixel）：每個(gè)像元按波段次序交叉排序其他常見圖像數(shù)據(jù)格式：BMP,TIFF,GIF,PCX,PSD,MrSID,HDF,……BILRRRRRRRRRGGGGGGGGGBBBBBBBBBRRRRRRRRRGGGGGGGGG

BBBBBBBBBBIPRG

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BBSQRRRRRRRRRRRRRRRRRRGGGGGGGGGGGGGGGGGGBBBBBBBBBBBBBBBBBBBMPBMP是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的圖像文件格式，使用非常廣。它采用位映射存儲格式，除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP文件所占用的空間很大。BMP文件的圖像深度可選lbit、4bit、8bit及24bit。BMP文件存儲數(shù)據(jù)時(shí)，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。

圖像數(shù)據(jù)調(diào)色板文件頭TIFF標(biāo)簽化圖象文件格式，Taggen-ImageFileFormat(TIFF)由Aldus公司與Microsoft公司共同開發(fā)設(shè)計(jì)的圖像文件格式。TIFF格式可以存儲多幅圖像，TIFF圖像數(shù)據(jù)可分割成幾個(gè)部分分別存檔，還能夠提供多種不同的壓縮數(shù)據(jù)的方法。JPGJPEG是JointPhotographicExpertsGroup(聯(lián)合圖像專家組)的縮寫，文件后輟名為“jpg”或“jpeg”支持多種壓縮級別，壓縮比率通常在10：1到40：1之間GIFGIF（GraphicsInterchangeFormat）的原義是“圖像互換格式“基于LZW算法的連續(xù)色調(diào)的無損壓縮格式。其壓縮率一般在50％左右，最高壓縮比可達(dá)到3：1GIF的圖像深度支持從lbit到8bitHDFHDF(HierarchicalDataFormat)，層次型數(shù)據(jù)格式?？梢源鎯Σ煌愋偷膱D像和數(shù)碼數(shù)據(jù)的文件格式，并且可以在不同類型的機(jī)器上傳輸，同時(shí)還有統(tǒng)一處理這種文件格式的函數(shù)庫。4.2.3

遙感數(shù)字圖像處理系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)4.2.3.1

遙感數(shù)字圖像處理的硬件系統(tǒng)4.2.3.2遙感數(shù)字圖像處理的軟件系統(tǒng)ENVIERDASPCIENVITheEnvironmentforVisualizingImages美國ITTVisualInformationSolutions公司的旗艦產(chǎn)品IDL（接口定義語言）開發(fā)常規(guī)處理、幾何校正、定標(biāo)、多光譜分析、高光譜分析、雷達(dá)分析、地形地貌分析、矢量應(yīng)用、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、區(qū)域分析、GPS聯(lián)接、正射影象圖生成、三維圖像生成、豐富的可供二次開發(fā)調(diào)用的函數(shù)庫、制圖、數(shù)據(jù)輸入/輸出ENVI矢量GIS數(shù)據(jù)打印2D和3D影像顯示配準(zhǔn)和正射校正影像裁剪及鑲嵌影像信息提取制圖網(wǎng)上發(fā)布?xì)w檔界面改進(jìn)二次開發(fā)IDL開發(fā)3D可視分析高程數(shù)據(jù)航空、航天、雷達(dá)影像GPS數(shù)據(jù)ERDASIMAGINE

美國ERDAS公司開發(fā)現(xiàn)由Leica收購模塊化PCI加拿大PCI公司開發(fā)模塊化

常規(guī)處理模塊，幾何校正、大氣校正，多光譜分析，高光譜分析，攝影測量，雷達(dá)成像系統(tǒng)，雷達(dá)分析，極化雷達(dá)分析，干涉雷達(dá)分析，地形地貌分析，矢量應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成，區(qū)域分析，GIS聯(lián)接，正射影象圖生成及DEM提?。ê狡?，光學(xué)衛(wèi)星，雷達(dá)衛(wèi)星），三維圖像生成等。4.3彩色的基本原理4.3.1可見光與色彩可見光：電磁輻射中能引起視覺反應(yīng)的波段。波長：380-760nm，是一種復(fù)合光。紅（Red）：760nm～630nm橙（Orange）：630nm～600nm黃（Yellow）：600nm～570nm綠（Green）：570nm～500nm青（Cyan）：500nm～470nm藍(lán)（Blue）：470nm～420nm紫（Violet）：420nm～380nm4.3.1可見光與色彩單色光：不能被棱鏡再分解的光。光譜儀（Spectrometer）：將包含多種波長的復(fù)合光分解為的科學(xué)儀器，根據(jù)分解的程度：多光譜儀和高光譜儀。分解儀器：棱鏡或衍射光柵技術(shù)。衍射光柵：通常在1cm成千上萬條狹縫。分為：透射光柵和反射光柵。4.3.1可見光與色彩透射光柵反射光柵4.3.1可見光與色彩1.人眼的視覺（1）人眼的結(jié)構(gòu)視錐細(xì)胞：明視覺，感覺顏色；視桿細(xì)胞：暗視覺，感覺光線明暗。（2）人眼對顏色的分辨能力

在光亮的條件下，能分辨各種顏色，在亮度降到一定程度，呈現(xiàn)明暗不同的灰階帶。正常人眼可分辨的顏色種類可達(dá)幾十萬種以上。對于灰度圖像，一般人眼能分辨的灰度級僅為15～25種。

2.色彩概念色調(diào)（H：Hue）：色彩相互區(qū)分的特性。明度（L：Lightness）：光作用于人眼時(shí)引起的明亮程度的感覺，范圍為從黑到白。亮度（V：Value或I：Intensity）：顏色的相對明暗程度，范圍為灰色部分，小于明度的范圍。飽和度（S：Saturation）：彩色濃淡的程度，即滲白程度。4.3.1可見光與色彩人眼對光譜的分辨（色調(diào)）對于不同波長的光人眼的敏感度是不同的。

例如：對于波長為585nm的光，當(dāng)顏色變化大于1nm時(shí)，人眼就可以感覺到。而對于波長為650nm的紅光，當(dāng)顏色變化在3nm的時(shí)候，人眼才能察覺到。人眼能識別2~3nm的波長改變，大約能識別一百多種光譜。（0.76-0.38）/0.003≈127,（0.76-0.38）/0.002=1904.3.1可見光與色彩人眼對明度的分辨（灰度）對于不同顏色，人眼對明度的分辨能力是不同的。

例如：對于黃色，能分辨出23種明度；對于藍(lán)色，能分辨出16種明度。人眼能分辨的明度級別僅為15～25級。4.3.1可見光與色彩R=255,G=255,B=255Data=19看到的值：0～255R=19,G=19,B=19Data=19實(shí)際圖像的值：8～31人眼對飽和度的分辨指色彩的純度，純度越高，表現(xiàn)越鮮明，純度較低，表現(xiàn)則較黯淡，Saturation和Chroma。人眼能分辨130種飽和度等級。

4.3.1可見光與色彩

人眼分辨的顏色種類：

色調(diào)×明度×飽和度

=127×15×130=247650種。

4.3.1可見光與色彩3.物體的顏色（1）消色物體從白到黑組成的系列顏色的物體。（2）彩色物體物體選擇性吸收和反射入射光，形成物體的顏色。物體沒有固定的顏色，物體隨著光源成分的不同，可呈現(xiàn)不同的顏色。4.3.1可見光與色彩4.3.2顏色視覺理論互補(bǔ)色：若兩種色光以適當(dāng)?shù)乇壤旌袭a(chǎn)生白色或灰色，這兩種顏色成為互補(bǔ)色。

例如紅色光和青色光，綠與品紅、藍(lán)與黃互補(bǔ)色。三原色（又稱為加法三原色）：若三種顏色按一定比例混合，可以形成各種色調(diào)的顏色，其中任一種都不能由其余兩種顏色混合相加產(chǎn)生，這三種顏色稱之為三原色。能量相同的加法三原色混合成白色。例如：三原色：紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）；橙，綠，紫。4.3.2顏色視覺理論顏色相加：兩種或兩種以上的顏色相混合，得到一定的顏色。例如：兩種顏色相加：red+green=yellowgreen+blue=cyanred+blue=magenta三種顏色相加：紅＋綠＋藍(lán)＝白（White)。顏色相減：從復(fù)色光中有選擇性吸收某些色光，從而得到所需要的顏色。顏色對比：相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響。相鄰的顏色相互影響其結(jié)果，使每種顏色向其影響色的補(bǔ)色變化。4.3.2顏色視覺理論彩色合成單波段圖像TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7波段組合TM3TM4TM5通道通道通道TM5+4+3多波段圖像TM7,4,1TM5,7,2TM5,4,3TM4,3,2通道通道通道242562544.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用4.3.3.1單波段彩色變換偽彩圖像（也稱為密度分割：DensitySlice）：單波段黑白遙感圖像可按照灰度范圍分段，對每段賦予不同的色彩，使之成為彩色圖像?；疑珗D像按照灰度范圍分段按照灰度范圍分段偽彩變換4.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用4.3.3.2多波段彩色變換真彩圖像：選擇遙感影像的紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段，對應(yīng)賦予紅、綠、藍(lán)三種顏色，合成的彩色圖像。例：TM影像真彩合成波段：

R:3（0.66μm）

G:2（0.56μm）

B:1（0.485μm）4.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用假彩圖像：根據(jù)加色法彩色合成原理，選擇遙感影像任意的三個(gè)波段，分別賦予紅、綠、藍(lán)三種顏色，合成的彩色圖像。

由于三種顏色與遙感波段所代表的真實(shí)波段顏色不同，因此合成的顏色不是真實(shí)地物的顏色，這種合成稱為假彩合成。

例：TM影像標(biāo)準(zhǔn)假彩合成：方案1：R:4，G:3，B:2（彩紅外CIR）

方案2：R:4，G:5，B:3總結(jié)：遙感彩色圖像包括：真彩、假彩、偽彩。4.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用4.3.3.3彩色空間變換1.概念色彩空間：RGB，HLS，HSV（HIS）。色調(diào)（H：Hue）：0-359。明度（L：Lightness）：0-1，0為黑色，1為白色。亮度（V：Value或I：Intensity）：0-1，為0時(shí)，顏色變暗，為1時(shí)，顏色變淺。飽和度（S：Saturation）：0-1，即滲白程度。4.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用2.色彩空間RGB4.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用HLSHSV（HIS）HLS與HSV（HIS）的區(qū)別4.3.3彩色變換在遙感的應(yīng)用3.RGB到HLS