第4章遙感圖像數(shù)字處理的基礎(chǔ)知識(shí)課件

第四章

遙感圖像數(shù)字處理的基礎(chǔ)知識(shí)

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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282424206

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(hào)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(jí)值，像元灰度處于某兩個(gè)相鄰劃分值之間時(shí)，用所對(duì)應(yīng)的最靠近的一個(gè)灰度級(jí)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(hào)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(hào)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(jí)數(shù)。（2）非周期信號(hào)的頻譜非周期信號(hào)可視為周期足夠長的周期信號(hào)來處理。因此,我們可以從周期信號(hào)的頻譜分析來推測(cè)非周期信號(hào)的頻譜。（2）非周期信號(hào)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(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(jí)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?chǔ)不同類型的圖像和數(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(cè)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(duì)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(duì)于灰度圖像，一般人眼能分辨的灰度級(jí)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(duì)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(duì)光譜的分辨（色調(diào)）對(duì)于不同波長的光人眼的敏感度是不同的。

例如：對(duì)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(duì)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(shí)別2~3nm的波長改變，大約能識(shí)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(duì)明度的分辨（灰度）對(duì)于不同顏色，人眼對(duì)明度的分辨能力是不同的。

例如：對(duì)于黃色，能分辨出23種明度；對(duì)于藍(lán)色，能分辨出16種明度。人眼能分辨的明度級(jí)別僅為15～25級(jí)。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(duì)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(jí)。

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(duì)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(duì)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(duì)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