第五章 遙感圖像處理

第五章

遙感圖像處理

遙感圖像處理:把由遙感器接收到的原始遙感信息作適當(dāng)?shù)募夹g(shù)加工,制作成有一定精度和質(zhì)量的圖像，以及從中提取有用信息的過程。預(yù)處理（輻射、幾何矯正）把原始遙感數(shù)據(jù)加工處理成有一定精度和質(zhì)量、可供用戶使用的圖像或數(shù)字磁帶，現(xiàn)主要由接收遙感信息的部門承擔(dān)。分析判讀處理對(duì)預(yù)處理產(chǎn)品進(jìn)行再加工，以提高其分辨效果或提取對(duì)特定專業(yè)有用的專題信息，遙感地質(zhì)研究所涉及的主要是后者。遙感圖像處理技術(shù)手段目前使用較多的是通過光學(xué)途徑實(shí)現(xiàn)的光學(xué)圖像處理和以數(shù)字產(chǎn)品通過運(yùn)算變換實(shí)現(xiàn)的數(shù)字圖像處理。第一節(jié)

光學(xué)圖像處理

光學(xué)圖像處理：指以膠片方式記錄的遙感影像或由數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)換來的影像膠片為處理對(duì)象，通過光學(xué)或電子一光學(xué)儀器的加工改造，對(duì)遙感圖像進(jìn)行變換和增強(qiáng)的一種圖像處理技術(shù)。光學(xué)處理的儀器和技術(shù)手段：攝影處理、光電處理和相干光處理等等。處理方法：密度分割、彩色合成、邊緣增強(qiáng)、反差增強(qiáng)、光學(xué)圖像比值、光學(xué)變換、光學(xué)編碼等，其中最常用的是假彩色等密度分割和假彩色合成。

一、光學(xué)等密度分割處理(一)影像密度的概念：對(duì)于黑白膠片，影像密度通常以膠片透光率(T)倒數(shù)的對(duì)數(shù)表示。即影像密度D=log1/T1影像密度代表地物反射或發(fā)射輻射的強(qiáng)弱：在各類負(fù)片中，D與輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)，正片則相反。不同遙感方式的影像膠片，其密度D的物理意義不同。全色攝影反映了地物在整個(gè)可見光范圍內(nèi)反射太陽(yáng)光的強(qiáng)度，多波段掃描是地物在不同光譜段的反射強(qiáng)弱。熱紅外是地物熱輻射的大小。2影像密度構(gòu)成空間幾何特征：如影像密度構(gòu)成的各個(gè)地物目標(biāo)形狀、大小、圖案、紋理結(jié)構(gòu)以及相互間的位置關(guān)系。3影像密度構(gòu)成時(shí)間特性：由同一地區(qū)同類遙感在不同時(shí)間獲得的影像表現(xiàn)出來。光學(xué)圖像處理就是通過光學(xué)途徑人為地改變膠片的影像密度，擴(kuò)大不同部分的密度差異，或者以不同色彩顯示影像密度的細(xì)微變化，用以壓抑“噪聲”，強(qiáng)調(diào)或突出目標(biāo)信息，增強(qiáng)人們對(duì)細(xì)微密度差異的判讀和識(shí)別能力。

(二)假彩色等密度分割

密度分割：任何一幅遙感圖像都可以看作是地物電磁波輻射強(qiáng)度的二維分布函數(shù)。對(duì)于膠片影像?？捎糜跋衩芏戎档亩S分布來表征，對(duì)于像片，則為灰度值的二維分布。與地形圖的等高線相仿，照例可按一幅圖像中密度(或灰度)值的變化范圍，將其劃分為若干個(gè)等級(jí)，以等值面對(duì)影像密度(或灰度)函數(shù)進(jìn)行分層，用等值線圖來表示圖像各部分的密度(灰度)差異變化。在遙感圖像處理中稱此為密度分割，或密度分割技術(shù)。假彩色等密度分割：即通過光電儀器將膠片上不同的密度等級(jí)以色彩的變化顯示成彩色的圖像。這種儀器通常稱彩色等密度分割儀，一般將膠片的影像密度分割為8、12、24、32，64等級(jí)，不同密度級(jí)的色別可在64色內(nèi)任意選調(diào)變換，并在數(shù)秒鐘內(nèi)顯示在彩色監(jiān)視器的屏幕上，通過反復(fù)調(diào)節(jié)變換色彩，選擇最佳的處理結(jié)果。(三)假彩色等密度分割的地學(xué)應(yīng)用

在地學(xué)應(yīng)用中，該增強(qiáng)處理方法比較適用于輪廓簡(jiǎn)單，背景單調(diào)、目標(biāo)特性與影像密度有明確對(duì)應(yīng)關(guān)系的地面景況的分析判讀。如入海泥沙，河，湖，海水的水深、混濁度，地?zé)岙惓?，污染源及污染分布等。二、光學(xué)彩色合成處理

彩色合成：將二個(gè)或三個(gè)波段的黑白圖像分別賦以紅、綠，藍(lán)三原色或黃、品紅，青三補(bǔ)色，并使之精確疊合，從而生成色彩豐富的彩色圖像。多波段遙感生成不同光譜段的黑白圖像是色光分離的過程，彩色合成則反過來，是色光相混復(fù)原的過程。1加色合成方法：1）光學(xué)投影法：

借助配有紅，綠、藍(lán)等濾色片的光學(xué)投影系統(tǒng)將不同波段的黑白透明正片(一般用三張)置于其中，經(jīng)光源照射投影到同一個(gè)屏幕上，合成顯示為彩色圖像。既可以直接觀察分析，也可以曬印或翻拍成彩色像片。

2）照相放大法：

通過常規(guī)的照相放大裝置放大曬印成彩色像片。一般用幾張多光譜分色負(fù)片，依次變換負(fù)片和紅、綠、藍(lán)濾色片，分次(多為三次)曝光在同一張彩色相紙上。即所謂分層曝光法，近年來，也常采用將三個(gè)波段的影像分色掃描到一張彩色負(fù)片上，再由放大機(jī)一次放大曝光到彩色相紙上。2減色合成方法：

1）染印法

將多波段黑白負(fù)片通過放大拷制成浮雕模片(正片)，然后用三補(bǔ)色染液分別染色，再依次疊印在空白接印紙上，印得彩色圖像，也可分色染底片浮雕片印成單色透明正片，然后置于透圖臺(tái)上疊合顯示成彩色圖像。片基

2）印刷法：

按彩色印刷工藝將各波段的圖像分別制成印刷板，然后用二色、三色(黃、晶紅、青)、四色(黃、晶紅、青、黑)逐一套印，制成紙質(zhì)的彩色圖片。3）重氮法：

方法原理與染印法類似，即用分色的重氮片，經(jīng)與多波段負(fù)片接觸曬印，再用氨熏成單色透明正片，而后置于透圖臺(tái)上疊合顯示出彩色圖像。

上述各種方法，合成儀法速度快，可靈活調(diào)選最佳色彩，像質(zhì)也較好，但儀器較昂貴，各類減色法，簡(jiǎn)便價(jià)廉，但信息損失較大，像質(zhì)一般不高，而照相放大法，雖操作技術(shù)要求較高，但彩色像片的分辨率和色彩效果卻是其他方法所無法比擬的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，包括數(shù)字圖像處理的各種結(jié)果，差不多都采用彩印放大成彩色照片的方法。彩色合成的影像特點(diǎn)很大程度上取決于波段—濾光片組合。對(duì)于陸地衛(wèi)星的MSS和TM來說，除了TM321為近似真彩色外，其他均為假彩色，故彩色合成常常被稱作假彩色合成。經(jīng)驗(yàn)表明，由于MSS7和TM4波段受植被高反射的影響，圖像的亮度水準(zhǔn)一般比其他波段要高得多，因此，它們置于哪個(gè)濾光片通道，將決定合成圖像總體偏于哪種彩色色調(diào)。三，其他光學(xué)圖像處理

對(duì)遙感影像母片作不同的曝光處理可制成影像密度各不相同的正、負(fù)模片(拷貝)。同一地區(qū)可以有不同遙感器，不同波段以及不同時(shí)間等各種模片。對(duì)不同組合的相關(guān)模片進(jìn)行處理可獲得不同增強(qiáng)效果的新圖像。上述彩色合成即是其中最常用的方法。此外，還常采用以下幾種處理方法。

1反差增強(qiáng)：

通常是利用高反差的感光材料和沖洗液作反復(fù)拷貝，來擴(kuò)大原模片中的影像密度差異。它有利于增強(qiáng)一些低反差的地物影像，突出大的輪廓，也可使彩色合成獲得更豐富的層次，但同時(shí)會(huì)丟失部分細(xì)節(jié)，故處理時(shí)要適可而止。

2邊緣增強(qiáng)：

取同一母片的正，負(fù)拷貝，使之精確重疊，當(dāng)二片的沖印處理?xiàng)l件相同，由于密度相反，影像相互抵消，若將二者作微小錯(cuò)位，再作曝光沖印，地物邊緣部分因密度差改變，不再相互抵消而突現(xiàn)出來，呈現(xiàn)為一條亮線。這種方法可用來增強(qiáng)線性構(gòu)造和地質(zhì)體的形態(tài)輪廓，除了和錯(cuò)位方向平行的那一組線性特征外，其余方向都會(huì)得到增強(qiáng)。3光學(xué)比值增強(qiáng)：同一景圖像二個(gè)不同波段的模片相掩。負(fù)片的透過率；T負(fù)∝1/ρ(地物反射率)正片的透過率；T正∝ρ(地物反射率)取一正一負(fù)(如4波段為正片，7波段為負(fù)片)，經(jīng)光束照射，

生成新圖像的物理含義便為：i0*T4正*T7負(fù)∝ρ4/ρ7這種處理常具有消除原圖像中部分干擾因素，突出某些地物的作用，從而達(dá)到一定的圖像增強(qiáng)意義。i0i0*T4正i0*T4正*T7負(fù)T4正T7負(fù)4影像相減：

同一地區(qū)前后兩個(gè)時(shí)相，同波段但符號(hào)相反的模片相掩，假設(shè)兩次成像的光照水準(zhǔn)相同，則正、負(fù)相疊，影像相互抵消。但如果其中某一部分或某一地物目標(biāo)，前后發(fā)生了變化或位移，那末，這部分影像便不能抵消，而在發(fā)生變化的背景中突現(xiàn)了出來。故這種方法適用于遙感動(dòng)態(tài)研究。四、光學(xué)變換處理各種地物出現(xiàn)的頻率不同（如溝谷、山脊、斷層、節(jié)理等）在遙感圖象上，各種信息錯(cuò)綜復(fù)雜，使解譯對(duì)象不宜突出出來，使用濾波（去掉某些頻率）的方式可突出要解譯的地物。第二節(jié)

數(shù)字圖像處理

一、數(shù)字圖像處理的基本概念(一)數(shù)字圖像數(shù)字圖像又稱數(shù)字化圖像，是一種以二維數(shù)組(矩陣)形式表示的圖像。該數(shù)組由對(duì)連續(xù)變化的空間圖像作等間距抽樣所產(chǎn)生的抽樣點(diǎn)——像元組成。像元的量值，通常為抽樣區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化之量物的均值化量值，一般稱作亮度值或灰度值，它們的最大、最小值區(qū)間代表該數(shù)字圖像的動(dòng)態(tài)范圍。在數(shù)字圖像中，像元是最基本的構(gòu)成單元。每一個(gè)像元的位置可由行、列(x、y)坐標(biāo)確定，亮度值通常以0(黑)到255(白)為取值范圍。因此，任何一幅數(shù)字圖像都可以通過X、Y、Z的三維坐標(biāo)系表示。

數(shù)字圖像可以有各種不同的來源：衛(wèi)星影像：如MSS等，地面景像的遙感信息都直接記錄在數(shù)字磁帶上，有關(guān)的接收系統(tǒng)均可提供相應(yīng)的計(jì)算機(jī)兼容數(shù)字磁帶(CCT)及其記錄格式。只要按記錄格式將CCT數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，即可獲得數(shù)字圖像。膠片影像：則可通過專門儀器（透射密度計(jì)、飛點(diǎn)掃描器，鼓形掃描器及攝像掃描器等），將影像密度轉(zhuǎn)換為數(shù)值，進(jìn)而形成數(shù)字圖像。非遙感的地學(xué)圖件：(如地形圖、地質(zhì)圖、航磁圖、重力圖、化探元素異常圖等等），也可通過數(shù)字化儀，轉(zhuǎn)換為數(shù)宇圖像。與光學(xué)圖像相比，數(shù)字圖像量化等級(jí)高(256級(jí))、失真度小，不同圖像的配準(zhǔn)精度高，可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理，便遙感圖像獲得更好的判讀、分析等應(yīng)用效果。

(二)數(shù)字圖像處理

所謂數(shù)字圖像處理是將數(shù)字圖像以不同亮度值像元的行、列矩陣構(gòu)造各種數(shù)字模型和相應(yīng)的算法，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算(矩陣變換)處理，進(jìn)而獲得更加有利于實(shí)際應(yīng)用的輸出圖像及有關(guān)數(shù)據(jù)和資料。故數(shù)字圖像處理通常也稱為計(jì)算機(jī)增強(qiáng)處理。

數(shù)字圖像處理在算法上基本可歸為兩類：一類為點(diǎn)處理：即施行圖像變換運(yùn)算時(shí)只輸入圖像空間上一個(gè)像元點(diǎn)的值，逐點(diǎn)處理，直到所有點(diǎn)都處理完畢，如反差增強(qiáng)、比值增強(qiáng)等。另一類為鄰域處理；即為了產(chǎn)生一個(gè)新像元的輸出，需要輸入與該像元相鄰的若干個(gè)像元的數(shù)值。這類算法一般用作空間特征的處理，如各種濾波處理。目前遙感數(shù)字圖像處理主要包括以下四方面的內(nèi)容

1．圖像恢復(fù)處理：改正或補(bǔ)償成像過程中的輻射失真、幾何畸變，各種噪聲以及高頻信息的損失等。屬預(yù)處理范疇，一般包括輻射校正、數(shù)字放大，數(shù)字鑲嵌等。2．圖像增強(qiáng)處理：對(duì)經(jīng)過恢復(fù)處理的數(shù)據(jù)通過某種數(shù)學(xué)變換，擴(kuò)大影像間的灰度差異，以突出目標(biāo)信息或改善圖像的視覺效果，提高可解譯性。主要包括有反差增強(qiáng)，彩色增強(qiáng)、運(yùn)算增強(qiáng)，濾波增強(qiáng)、變換增強(qiáng)等方法。3．圖像復(fù)合處理：對(duì)同一地區(qū)各種不同來源的數(shù)字圖像按統(tǒng)一的地理坐標(biāo)作空間配準(zhǔn)疊合，以進(jìn)行不同信息源之間的對(duì)比或綜合分析。通常也稱多元信息復(fù)合，既包括遙感與遙感信息的復(fù)合，也包括遙感與非遙感地學(xué)信息的復(fù)合。4．圖像分類處理：對(duì)多重遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)其像元在多維波譜空間的特征(亮度值向量)，按一定的統(tǒng)計(jì)決策標(biāo)準(zhǔn)，由計(jì)算機(jī)劃分和識(shí)別出不同的波譜集群類型，以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的自動(dòng)識(shí)別分類。有監(jiān)督和非監(jiān)督兩種分類方法。二、圖像恢復(fù)處理

圖像恢復(fù)處理的目的是為進(jìn)一步作增強(qiáng)或分類處理提供高質(zhì)量的可供使用的圖像數(shù)據(jù)，故也稱預(yù)處理。(一)大氣校正

粗制CCT產(chǎn)品一般只對(duì)由遙感器本身引起的系統(tǒng)(輻射)誤差作了校正，尚保留著主要由大氣散射效應(yīng)帶來的輻射失真。校正處理時(shí)通常僅考慮瑞利散射的影響，以MSS為例，它在4、5波段較大，6波段次之，7波段最小。波段4567大氣散射對(duì)MSS各波段的影響

在實(shí)際處理中一般是分波段統(tǒng)計(jì)地物目標(biāo)的亮度，分別與MSS7作二維對(duì)比圖，或者將各波段的直方圖與MSS7直方圖對(duì)比，相對(duì)于MSS7出現(xiàn)的偏移值a可視為大氣散射的影響。經(jīng)驗(yàn)表明MSS4的訂正值在9—13，MSS5為5—9，MSS6為1—5，MSS7為0—3。大氣校正會(huì)增加圖像的對(duì)比度，消除霧霾感(短波波段尤甚)，在做比值增強(qiáng)、彩色合成等處理時(shí)，事先做這種校正更為必要。(二)幾何校正

指消除遙感圖像在其形成過程中產(chǎn)生的各種幾何位置失真(畸變)的圖像處理過程。在粗制CCT產(chǎn)品中通常已對(duì)由遙感器本身和地球自轉(zhuǎn)造成的系統(tǒng)幾何畸變作了例行校正處理(粗糾正)，因此，遙感地質(zhì)人員需要做的，主要是對(duì)CCT中殘存的非系統(tǒng)(隨機(jī))畸變的糾正(精糾正)。數(shù)字圖像幾何精糾正的實(shí)質(zhì)是逐像元地將其圖像坐標(biāo)按一定的精度要求變換到地形圖的地理坐標(biāo)系中，再按恰當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)像元重新做亮度賦值。幾何精糾正能綜合校正所有因素造成的幾何畸變，能顯著改善數(shù)字圖像的幾何精度。(三)數(shù)字鑲嵌和數(shù)字放大

1數(shù)字鑲嵌：是指將相鄰且互有重疊的倆幅或數(shù)幅CCT數(shù)據(jù)，拼接生成一個(gè)在幾何形態(tài)上和色調(diào)分布上協(xié)調(diào)一致，統(tǒng)一為一個(gè)整體的新圖像文件的處理過程。1）相鄰圖像的幾何配準(zhǔn)：先在兩幅圖像的重疊區(qū)選取同名點(diǎn)像元作為幾何控制點(diǎn)，然后以其中一幅為準(zhǔn)，對(duì)另一幅作類似與上述幾何精糾正來實(shí)現(xiàn)。2）相鄰圖像之間的色調(diào)和反差調(diào)整：先對(duì)兩幅圖像的重疊區(qū)作均值，方差或直方圖匹配，而后根據(jù)求出的匹配系數(shù)，以一幅為準(zhǔn)，調(diào)整另一幅圖像的反差，使二者色調(diào)均衡。2數(shù)字放大：實(shí)際是數(shù)字圖