CH5 遙感圖像處理(3)輻射

1、遙感圖像輻射處理1主要內(nèi)容l遙感圖像的輻射誤差處理l遙感圖像增強l多光譜圖像運算l遙感信息復合2一一. 遙感圖像的輻射誤差處理遙感圖像的輻射誤差處理3輻射誤差輻射誤差傳感器輸出的電磁波能量與目標本身輻射的能量之差。引起輻射誤差的原因及遙感圖像的輻射誤差引起輻射誤差的原因及遙感圖像的輻射誤差 傳感器本身的性能傳感器本身的性能引起的輻射誤差 地形影響和光照條件的變化地形影響和光照條件的變化引起的輻射誤差 大氣的散射和吸收大氣的散射和吸收引起的輻射誤差遙感圖像的輻射處理遙感圖像的輻射處理-定量遙感的基礎(chǔ) 傳感器輻射定標傳感器輻射定標 輻射校正輻射校正 定量遙感基本概念 遙感技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀：一方面仍有

2、大量遙感數(shù)據(jù)未被利用；一方面所需求的有效信息又十分匱乏。 原因：遙感本身的原因；遙感應用研究中的對一些基本理論問題尚缺乏深入的研究。 隨著遙感科學的發(fā)展、遙感應用的深入，定量遙感的必要性日益明顯；而且，大量多角度遙感數(shù)據(jù)的問世，又使定量反演成為可能。 定量遙感：指從對地觀測電磁波信號中定量提取地表參數(shù)的技術(shù)和方法，區(qū)別于僅靠經(jīng)驗判讀定性識別地物的方法。456若傳感器各個探測器工作不正?；蚨瞬粶识瞬粶剩瑐鞲衅飨到y(tǒng)本身就會引入輻射誤差。輻射定標：對傳感器的探測值進行標定，用以確定傳感器入口處的準確輻射值。(一) 傳感器輻射定標 絕對定標 建立傳感器測量的數(shù)字信號(DN)與對應的輻射能量之間 的

3、數(shù)量關(guān)系。絕對定標在衛(wèi)星發(fā)射前后都要進行。 相對定標 得出目標中某一點的輻射亮度與其他點的相對值。又稱為傳感器探測元件歸一化，是為了校正傳感器中各個探測元件響應度差異而對衛(wèi)星傳感器測量到的原始亮度值進行歸一化的一種處理過程。7iiiiCLADNiiiiBADNLminmax255RRAiminRBiiiiACB/(二二) 輻射校正（大氣校正）輻射校正（大氣校正） 在遙感系統(tǒng)工作正常的情況下，由于大氣衰減和地形衰減的原因，獲取的數(shù)據(jù)仍然帶有輻射誤差。 是否進行大氣校正，取決于： 問題本身 可以得到的遙感數(shù)據(jù)的類型 獲取的歷史與當前實測大氣信息的數(shù)量 從遙感數(shù)據(jù)中提取生物物理信息所要求的精度 不需

4、要進行大氣校正的原則：訓練數(shù)據(jù)來自所研究的影像，而不是來自從其他時間或地點獲取的影像。 必須進行大氣校正的情況：提取生物物理變量時，如數(shù)據(jù)未經(jīng)校正，就可能丟失這些重要成分的反射率的微小差別信息；如需要將某影像中提取的生物物理量與另一景不同時相影像中提取的同一生物物理量相比較，就必須進行大氣校正。 大氣校正就是 消除或改正遙感圖像成像過程中附加在傳感器輸出的輻射能量中的各種噪聲。8大氣校正的類型 絕對大氣校正：目的是將遙感系統(tǒng)記錄的亮度值轉(zhuǎn)換為折合表面反射率值，使之能與地球上其他地區(qū)獲取的折合表面反射率值進行比較和結(jié)合使用。 相對大氣校正：絕對大氣校正需要提供傳感器光譜剖面和同步的大氣屬性；但對

5、于大多數(shù)的衛(wèi)星影像，這些信息是難于獲取的，因而無法實現(xiàn)表面反射率的精確提取。因此，發(fā)展了相對大氣校正技術(shù)。9絕對大氣校正 采用模式大氣來校正遙感數(shù)據(jù)：即根據(jù)一年中的時間、研究區(qū)域的高程和經(jīng)緯度來計算假想的大氣條件。該方法適用于當大氣衰減與遙感獲取的地面信號相比較小時的情況。 結(jié)合遙感數(shù)據(jù)獲取的大氣實測值，采用模式大氣的效果更好。101、基于輻射傳輸模型的大氣校正 ACORNAtomospheric CORrection Now ATREMthe Atmospheric REMoval FLAASHFast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectr

6、al Hypercubes ATCORthe ATmospheric CORrection11輻射傳輸模型 LOWTRAN模型 MORTRAN模型 ATCOR模型 6S模型 12基于輻射傳輸模型進行大氣校正需要的參數(shù)：影像中心的經(jīng)緯度影像獲取的日期、時間影像獲取的高度影像對應地區(qū)的平均高大氣模型（如mid-latitude summer,mid-latitude winter, tropical)影像輻射率數(shù)據(jù)（即經(jīng)過輻射定標，單位 ）波段中心波長、波段半徑大氣能見度 這些參數(shù)被輸入所選的輻射傳輸模型，用于計算遙感影像收集時的大氣吸收、散射值，然后進一步將輻射率數(shù)值轉(zhuǎn)換為表面反射率。13srm

7、mW./2例如：ACORN大氣校正方法 MODTRAN4輻射傳輸模型 反射率計算 14)1(00dddusETTEELvdddusEEELTTEv/ )(/ )(1000152、簡化的理論計算、簡化的理論計算16 可見光和近紅外波段，求可見光和近紅外波段，求反射率反射率（主要目的是對大氣氣溶膠含（主要目的是對大氣氣溶膠含量、大氣吸收和大氣散射特性等進行描述和求解）量、大氣吸收和大氣散射特性等進行描述和求解）dVgsLLL)exp()secexp(cos)()/(220EgdVdLE)secexp(傳感器入口處的輻射亮度：2)(0cosELs地面反射率 對熱紅外波段，求出地物的輻射亮度后，以普朗

8、克公對熱紅外波段，求出地物的輻射亮度后，以普朗克公式求式求地物溫度地物溫度ddggsLLLL)( 從圖像數(shù)據(jù)本身出發(fā)，很少需要其他輔助數(shù)據(jù)，基本屬于歸一化范疇。17 內(nèi)部平均法內(nèi)部平均法：假定整幅圖像的平均光譜基本代表了大氣影響下的太陽光譜信息，把圖像DN值與整幅圖像的平均輻射光譜值相除，即得到相對反射率。該法要求地物具有多種類型，整幅圖像的均值光譜曲線沒有明顯的強吸收特征。 平場域法平場域法：在圖像中找一塊亮度高、光譜響應變化小和地形起伏小的區(qū)域，利用該區(qū)域的平均光譜值來模擬飛行時大氣條件下的太陽光譜，將每個像元的DN值除以該區(qū)域的平均光譜值得到相對反射率。該法可減少大氣影響和儀器引入的殘留

9、效應等。 對數(shù)殘差法對數(shù)殘差法：將數(shù)據(jù)除以波段幾何均值，再除以像元幾何均值?？上庹?、大氣傳輸、儀器系統(tǒng)誤差、地形影響和星體反照率等的影響。經(jīng)驗線性法：經(jīng)驗線性法：假設(shè)圖像DN值與反射率之間存在線性關(guān)系，利用某些區(qū)域的已知地面反射光譜值、在圖像上對應像元點的平均DN值，通過線性回歸求出增益和偏移量，建立DN值與反射率之間的相互關(guān)系式，進行反射率的定標，消除太陽輻亮度和大氣程輻射。3、基于統(tǒng)計學模型的方法、基于統(tǒng)計學模型的方法相對大氣校正 絕對大氣校正需要較多的參數(shù)（傳感器定標系數(shù)、獲取影像時的大氣參數(shù)），很多情況下較難，特別對于歷史存檔數(shù)據(jù)而言，大氣參數(shù)無從獲取。 從不同的有利位置或用多光譜

10、波段對同一目標進行多種方式的觀測，可使大氣衰減的影響降到最小。因為通過多視角多波段信息可消除大氣影響。因而，提出相對大氣校正的方法。18 理論上，波段比值法能夠提供好的結(jié)果，因為用于比較的各通道采用相同的大氣路徑。（利用散射主要發(fā)生在短波波段的圖像上的特點。） 相對大氣校正的方法可用于： 1.校正相同時間獲取的不同波段的遙感影像直方圖匹配法直方圖匹配法； 2.將多個時間獲取的遙感影像校正到研究者選定的標準場景中回歸分析法回歸分析法。191.直方圖匹配法 波長大于0.7 的近紅外波段一般不受大氣散射的影響，反之波長在0.40.7 的可見光波段則受大氣散射影響顯著。 該方法主要通過研究區(qū)各波段的直

11、方圖估計來進行。通?？梢姽獠ǘ蔚臄?shù)據(jù)（如TM13波段）由于受大氣散射的影響而具有較高的最小值；相反大氣散射卻減少了長波波段的亮度值，因此造成近紅外波段的數(shù)據(jù)最小值接近于0，甚至當研究區(qū)沒有反射率真正為0的目標時也是如此。 校正算法的模型： 20biasinputBVoutputBVkjikji,mm21例如：對于TM影像的14波段可采用該方法進行校正；而TM的5和7波段則不需要。2.回歸分析法 也稱為不變目標法。方法的前提假設(shè)：不同時相的圖像灰度值之間滿足線性關(guān)系，這種假設(shè)在近似情況下是成立的。 通過線性等式描述不同時相間的灰度關(guān)系，即y=a*x+b，其中x為參考圖像，y為待校正圖像，a和b分

12、別為增益和偏移量參數(shù)。 若確定了a、b兩個參數(shù)，即可按線性公式對待糾正圖像的DN值做線性變換。22三個步驟 在兩幅圖像中搜尋相對固定目標即光譜穩(wěn)定的地物樣本點，稱為偽不變特征要素（Pseudo-Invariant Features, PIF)； 運用PIF的DN值，利用線性回歸的方法解求增益和偏移量參數(shù)； 根據(jù)線性關(guān)系式，通過波段運算，得到與參考圖像具有相同或相近輻射值的結(jié)果圖像，完成相對大氣校正。2324例如：對MSS4、7波段44bxayniiniiiLLLLLLa127)(714)(47)(74)()(7444LaLb大氣校正公式：444bLL(三三). 太陽位置、日地距離、地形影太陽位

13、置、日地距離、地形影響引起的輻射誤差校正響引起的輻射誤差校正 太陽高度角、日地距離引起的輻射誤差校正 地形影響引起的輻射誤差校正251. 太陽高度角、日地距離引起的輻射誤差校正 太陽高度角引起的輻射畸變校正是將太陽光線傾斜照射校正為垂直照射時獲取的圖像。 日地距離也會隨季節(jié)變化。 圖像上的陰影也與太陽高度角有關(guān)。陰影一般可通過多光譜圖像兩個波段的比值運算基本消除。26太陽高度角200sindEE2. 地形影響引起的輻射誤差校正 地形中的坡度坡向也會引入輻射誤差 校正的目的是去除由地形引起的光照度變化，使兩個反射物性相同的地物，雖然坡度、坡向不同，但在影像中具有相同的亮度值。 改正后的影像，能改

14、進影像分類的效果。 地形校正需要已知各坡面的傾角和對應地區(qū)的DEM.27地形校正方法 定性方法：波段間比值運算 定量方法余弦校正方法Minnaert校正方法C校正方法統(tǒng)計-經(jīng)驗校正2829假設(shè)： 1. 反射表面為朗伯面； 2.日地距離為常數(shù)； 3.太陽輻射地球的能量為常數(shù)。iLLTHcoscos0余弦校正方法 二二. . 遙感圖像增強遙感圖像增強30概念 為特定目的，突出表現(xiàn)遙感圖像中的某些信息，削弱或除去某些不必要的信息，使圖像更易判讀。 實質(zhì)是增強感興趣目標和周圍背景圖像間的反差。 圖像增強不增加原始圖像的信息。方法空間域：直接對圖像進行各種運算以得到所需的增強結(jié)果。頻率域：先將空間域圖像

15、變換成頻率域圖像，然后在頻率域中對圖像的頻譜進行處理，以達到增強的目的。幾個基本概念 直方圖 空間剖面 光譜剖面31圖像處理的有力工具直方圖32-反映了一幅圖像中灰度級與其出現(xiàn)概率之間的關(guān)系。MmPii120niimM33圖像累積直方圖34jiijPF0 空間剖面：也稱橫斷面，指單波段或多波段合成彩色影像上兩點間的橫斷面亮度值。通常以直方圖的形式描述。 光譜剖面：某個像元在多個波段上的全光譜亮度值。通常在一個平面坐標系下描述，X軸代表數(shù)據(jù)集的波段數(shù)，Y軸為各波段的像元亮度值（或經(jīng)過定標后的反射率）。35空間域增強36彩色增強彩色增強空間濾波空間濾波反差調(diào)整反差調(diào)整反差調(diào)整 線性變換 非線性變換

16、 直方圖均衡化 直方圖正態(tài)化 直方圖匹配 密度分割 圖像灰度反轉(zhuǎn)37 線性變換線性變換38)(minmaxminmaxmindddddddjiij反差調(diào)整39直方圖均衡化直方圖均衡化反差調(diào)整原理：40原始圖像直方圖,)(110nPPPAP設(shè)均衡后的圖像直方圖,)(110mPPPAPmPPPm/111010101nimjjiPPmPPPk110010,ddddkmPPPlkk121121,ddddlkk111,mnRRddddmPPPnRR11141直方圖正態(tài)化直方圖正態(tài)化dxxxxP222)(exp21)(4210222)(exp21)(mxxxxP反差調(diào)整,)(1210niaaaaaPPPP

17、PAP43,)(1210nibbbbbPPPPPBP設(shè)原圖像直方圖為正態(tài)化后圖像的直方圖正態(tài)化：KiibPaP00)()(原圖像上灰度值為的像素其灰度值合并為正態(tài)化后圖像的灰度值)()()(00iLiibPbPaP原圖像上灰度值為的像素其灰度值合并為正態(tài)化后圖像的第一個灰度值直方圖匹配直方圖匹配44通過非線性變換使一個圖像的直方圖與另一個圖像的直方圖類似。利用不同時間、由于太陽高度角或大氣影響引起差異的圖像進行圖像鑲嵌和變化檢測時非常有用。進行直方圖匹配的兩幅圖像應有相似的特性：圖像直方圖總體形狀應類似；圖像中黑與亮特征應相同；對某些應用，圖像的空間分辨率應相同；圖像上地物分布應相同。直方圖匹

18、配時可建立一個查找表來作為變換函數(shù)。反差調(diào)整密度分割密度分割45ndddddijijminmaxmin反差調(diào)整其它非線性變換其它非線性變換46 對數(shù)變換、指數(shù)變換、平方根變換、標準偏差變換、直方圖周期性變換等。對數(shù)變換BdAd)log(BdAd)exp(BdAsqrtd)(指數(shù)變換平方根變換)()(minmaxminmaxdFdFddAminminmaxmaxdAddAdB反差調(diào)整圖像灰度反轉(zhuǎn)圖像灰度反轉(zhuǎn)47 對圖像灰度范圍進行線性或非線性取反，產(chǎn)生一幅與輸入圖像灰度相反的圖像。條件反轉(zhuǎn)簡單反轉(zhuǎn)inoutoutDdD/1 . 00 . 111 . 01 . 00 . 0ininDD當當inou

19、tDD 255反差調(diào)整彩色增強48偽彩色增強 把黑白圖像的各不同灰度級按照線性或非線性的映射變換函數(shù)變換成不同的彩色，得到一幅彩色圖像。假彩色增強 通過映射變換函數(shù)將一幅自然彩色圖像或多光譜圖像或超光譜圖像變換成新的三基色分量，彩色合成使增強圖像中各目標呈現(xiàn)出與原圖像中不同的彩色。彩色變換 彩色不同描述模式間的轉(zhuǎn)換。 （RGB HIS）偽彩色增強（可使原圖像細節(jié)更易辨認，目標更容易識別）49 密度分割法 灰度彩色變換合成法灰度為0時呈藍色，灰度為L/2時呈綠色，灰度為L時呈紅色；灰度為其它值時由三基色混合成不同的色調(diào)。彩色增強假彩色增強假彩色增強50 使感興趣的目標呈現(xiàn)奇異的彩色或置于奇特的彩

20、色環(huán)境中，從而更受人注目； 使景物呈現(xiàn)出與人眼色覺相匹配的顏色，以提高對目標的分辨力。若對多光譜圖像,212121iBFiGFiRFgggfBgggfGgggfR若對自然景色圖像fffFFFBGRcbacbacbaBGR333222111001100010綠色-紅色藍色-綠色紅色-蘭色彩色增強彩色變換彩色變換51RGBIHS加法三原色顏色三要素Intensity, Hue, and Saturation color coordinate system球體變換圓柱體變換三角形變換單六角錐變換彩色增強IHSRGB 52mMbMRmMgMRmMrMR,maxbgrM ,minbgrm 2mMI5 .

21、 0,25 . 0, 0ImMmMSImMmMSmMS若若若max),6(60max),4(60max),2(60minmax, 0BrgHGbrHRrbHH若若若若,minmin,maxmaxBGRBGR空間濾波空間濾波53圖象的卷積運算平滑平滑54目的：消除各種干擾噪聲。1/91/91/91/91/91/91/91/91/91/81/81/81/8 01/81/81/81/8平滑模板舉例：1/161/81/16 1/81/4 1/81/161/81/16 平滑會使整幅圖像反差減小，但會造成圖像的模糊。空間濾波55銳化銳化56-目的是突出圖像的邊緣信息，提高圖像細節(jié)的反差。梯度銳化法：Tyf

22、xfyxfG/,/),(21)/()/(|),(|22yfxfyxfG21)1,(),(), 1(),(|),(|22yxfyxfyxfyxfyxfG| ) 1,(),(| ), 1(),(|),(|yxfyxfyxfyxfyxfG|),(|),(yxfGyxg梯度圖像 在圖像上，邊緣處具有較大的梯度，可通過設(shè)置合適的閾值將邊緣提取出來?？臻g濾波5758空間卷積銳化法 常見銳化模板: 2 -1-1 0-1 2 -1-12-10-1 0-1 4-10-1 0-1 -1 -1222-1 -1 -1-1 2-1-1 2-1-1 2-1-1 -1 2-1 2-12-1 -12-1 -1-1 2-1-1

23、 -1 2頻率域增強59基本原理：圖像中的灰度跳躍變化區(qū)，對應著頻率域中的高頻成分，灰度變化緩慢的區(qū)域?qū)l率域中的低頻成分。通過頻域濾波處理，可保留低頻或高頻成分，達到圖像平滑或銳化的目的。空域圖像頻域圖像DFT頻域濾波頻域處理圖像DIFT卷積定律),(),(),(vuFvuHvuG濾波器 低通濾波平滑601、理想低通濾波器),(, 0),(, 1),(00DvuDifDvuDifvuH21)(),(22vuvuD0D為截止頻率，612、梯形濾波器),(, 0),(),/(),(),(, 1),(0101010DvuDifDvuDDifDDDvuDDvuDifvuH3、Butter Wor

24、th低通濾波器120),(1),(nDvuDvuH624、指數(shù)低通濾波器nDvuDvuH0),(exp),(00),(, 0),(),(1),(DvuDDvuDvuDvuH5、Bartlett低通濾波器高通濾波銳化631、理想高通濾波器),(, 1),(, 0),(00DvuDifDvuDifvuH21)(),(22vuvuD0D為截止頻率，642、梯形濾波器),(, 1),(),/(),(),(, 0),(0011011DvuDifDvuDDifDDDvuDDvuDifvuH3、Butter Worth高通濾波器nvuDDvuH20),(1),(654、指數(shù)高通濾波器nvuDDvuH),(e

25、xp),(05、Bartlett高通濾波器00),(, 0),(),(),(DvuDDvuDvuDvuH66 兩幅或多幅單波段影像，完成空間配準后，通過一系列運算，可以實現(xiàn)圖像增強，達到提取某些信息或去掉某些不必要信息的目的。 減法運算 加法運算 乘法運算 除法運算 混合運算 三三. .多光譜圖像四則運算多光譜圖像四則運算1、減法運算、減法運算YXBBBRIRVIBBI67注意： 1、減法運算的結(jié)果仍然是圖像； 2、當X和Y為多光譜圖像的兩個不同波段時，減法運算的結(jié)果為同一地物光譜反射率之差； 3、當X和Y為不同時相的圖像時，減法運算的結(jié)果為地面目標的變化信息。2、加法運算、加法運算miiBm

26、B11IRRGBBBRGBB mmiiBB/11681、加法運算可以加寬波段： 2、加法運算可以去除噪聲近似全色圖像全色紅外圖像3、乘法運算、乘法運算乘法運算也可以加寬波段范圍。4、除法運算、除法運算YXBBB RIRBBB 691、 突出遙感影像中的植被特征，提取植被類別、估算植被生物量；2、是自動分類處理的預處理方法之一，用以去除地形影響；即壓抑地形坡度和方向引起的輻射量變化，增強土壤、植被、水之間的差別。3、研究淺海區(qū)的水下地形、土壤的富水性差異、微地貌變化、地球化學反應引起的微小光譜變化等?？梢酝怀霾煌ǘ伍g地物光譜的差異，提高對比度。5、混合運算、混合運算 主要用于植被指數(shù)的計算。是

27、利用遙感數(shù)據(jù)提取和模擬生物物理變量的主要內(nèi)容之一。 植被指數(shù)是無量綱的輻射測度，反映綠色植被的相對豐度及其活動；其中包括葉面積指數(shù)、綠色覆蓋百分比、葉綠素含量、綠色生物量和吸收的有效光合輻射。植被指數(shù)應該具備的特點： 1、對植物生物物理參數(shù)盡可能敏感，最好呈線性響應，這使其可以在大范圍的植被條件下使用，并且方便對指數(shù)的驗證和定標。 2、歸一化或模擬外部效應如太陽角、觀測角和大氣，以便能夠進行空間和時間上的比較。 3、歸一化內(nèi)部效應如冠層背景變化，包括地形（坡度和坡向）、土壤的差別，以及衰老或木質(zhì)化植被的差異。 4、能和一些特定的可測度的生物物理參數(shù)（如生物量、LAI或APAR進行藕合，作為驗證和質(zhì)量控制部分。植被指數(shù)有很多，多數(shù)都用到與健康綠色植被有關(guān)的紅光和近紅外反射率之間的反比關(guān)系。 705757BBBBINDVI5 . 05757BBBBITNDVI5656BBBBINDVI71NDVINormal