1、第三章第三章 遥感成像原理与遥感成像原理与 遥感图像特征遥感图像特征v3.1 遥感平台遥感平台遥感平台是搭载传感器的工具遥感平台是搭载传感器的工具. .分为分为三类三类: : 航天平台航天平台, ,航空平能航空平能, ,地面平地面平台台. .本节简单介绍航天平台本节简单介绍航天平台, ,即各种即各种人造卫星人造卫星. .第三章第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感成像原理与遥感图像特征3.1 遥感平台遥感平台按照服务内容按照服务内容, ,航天遥感平台分为三航天遥感平台分为三个卫星系列个卫星系列: :气象卫星系列气象卫星系列陆地卫星系列陆地卫星系列海洋卫星系列海洋卫星系列气象卫星系列气象卫星系列
2、 轨道分为高低两种轨道分为高低两种, ,低低轨轨(800-1600km)(800-1600km)为为太阳同步卫星太阳同步卫星, ,南北向南北向绕地运行绕地运行, ,每天两圈每天两圈; ;高轨高轨( (约约36000km)36000km)为为地球同步卫星地球同步卫星, ,由西向东绕地运行由西向东绕地运行, ,每天每天一圈一圈. .用于天气预报用于天气预报, ,气候研究气候研究, ,环境监测环境监测等等. .第三章第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感成像原理与遥感图像特征3.1 遥感平台遥感平台陆地卫星系列陆地卫星系列 (1)LandSat(1)LandSat卫星卫星, , 太阳同步太阳同步,
3、, 覆盖地球覆盖地球周期周期1818天天, ,所获所获ETMETM图像空间分辨率图像空间分辨率15m15m(2)SPOT(2)SPOT卫星卫星, ,太阳同步太阳同步, ,高高830km,26830km,26天天, ,最好空间分辨率最好空间分辨率10m10m(3)(3)中巴地球资源卫星中巴地球资源卫星(CBERS),(CBERS),太阳同太阳同步步,26,26天天,778m,19.5m,778m,19.5m(4)(4)高空间分辨率陆地卫星高空间分辨率陆地卫星(IKONOS-(IKONOS-2(2(美美),),最好空间分辨率最好空间分辨率1m1m第三章第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感成像原理
4、与遥感图像特征3.1 遥感平台遥感平台海洋卫星系列海洋卫星系列 SeaSat1,Nimbus-7 (SeaSat1,Nimbus-7 (美美),MOS1(),MOS1(日日),ERS-),ERS-1(1(欧空局欧空局),RADARSAT(),RADARSAT(加加),), 太阳同步太阳同步, ,高高轨道轨道, ,使用微波使用微波, , 用于观测海洋用于观测海洋, ,大气大气, ,环环境等境等第三章第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感成像原理与遥感图像特征3.1 遥感平台遥感平台第三章第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感成像原理与遥感图像特征3.1 遥感平台遥感平台本节重点本节重点(1)重要
5、概念重要概念: 遥感平台遥感平台;(2)陆地卫星系列主要有哪些卫星陆地卫星系列主要有哪些卫星第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.2 摄影成像摄影成像摄影机摄影机: :分幅式摄影机全景(扫描)摄影机多光谱摄影机数字摄影机一次曝光产生一张像片一次曝光产生一张像片通过与航向垂直的缝隙通过与航向垂直的缝隙(或镜头转动或镜头转动)连续曝光连续曝光摄影产生一张大的航带摄影产生一张大的航带像片像片可同时获取可见光和近可同时获取可见光和近红外多个波段的影像红外多个波段的影像用光敏元件而不是感光用光敏元件而不是感光材料曝光摄影材料曝光摄影第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像摄影方向 分二类垂直
6、摄影:摄影机主光轴垂直于地面(或近垂直),主要用于航空摄影测量和制图.倾斜摄影:摄影机主光轴偏离垂线3以上.获取的像片称倾斜像片.有畸变需校正.像片的投影摄影像片一般都是拍摄对象的中心投影,而不是垂直投影.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像中心投影与垂直投影的区别(1)(1)垂直投影垂直投影像片大小与投影距离(平台高度)无关,比例尺到处一致; 中心投影中心投影像片大小及比例尺与摄像机焦距及投影距离有关第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像平台高则像片小平台高则像片小焦距长则像片大焦距长则像片大(2)(2)当投影面倾斜时,垂直投影像片只表现为比例尺有所放大; 中心
7、投影像片比例尺畸变,各点比例关系不保持原样第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像中心投影与垂直投影的区别 oa和和ob不等距不等距 oa和和ob等距等距(3)(3)当地形有起伏时,垂直投影像片上的点没有水平方向的位移中心投影像片上的点发生水平位移第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像中心投影与垂直投影的区别若地形高于基准面若地形高于基准面,像点向离开像主点方向位移像点向离开像主点方向位移若地形低于基准面若地形低于基准面,像点向像主点方向位移像点向像主点方向位移位移情况位移情况:a0-a; b0-b中心投影的透视规律在中心投影的像片上,各种物体的形状及位置不同,其变形
8、情况也不同,了解这些变形的规律性对于像片解译是必要的.(1)点的投影仍是点;(2)位于同一投影线上的多个点投影成一点;(3)与像面平行的直线,投影为一直线;(4)与投影线方向一致的直线,投影为一点;第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像(5)与像面斜交或垂直且不与投影线方向一致的直线,投影为缩短的直线,越近中心越短.(6)平面上曲线投影为曲线,形状不畸变;(7)水平面状物体投影为面状,形状不畸变;(8)垂直面若位于投影中心处,投影为直线;若不是位于中心处,投影为面,畸变;(9)倾斜面状物体投影后形状复杂,取决于边线的位置和形状第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像
9、中心投影的透视规律像片的平均比例尺像片比例尺是指像片上两点距离与地面上相应两点的实际距离的比值.比例尺计算公式:1/m = f/H其中f为摄影机焦距H为摄影高度(航高).由于忽略了地形,故为平均比例尺.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像如果不知道参数f和H,但可在像片中找到实际距离AB已知的两点,则可量取像片上该两点的距离ab,从而算出比例尺:1/m = ab/AB注意ab和AB的单位要统一.以上两种方法适于较小的像片并且地形较平坦的情况.实际上中心投影像片中心和边部的比例尺是不同的.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像像片的平均比例尺像点位移像点位移是指由于
10、实际地形的起伏引起的像片上点位置的移动.某一点上移动量的大小,是该点的垂直投影与中心投影在同一水平面上的“投影误差”,用 表示.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像根据相似三角形关系,可以推得Saa0oA0AA1OhHf像平面 = hr/H其中,h为地面高差;r为像点到像主点的距离;H为平台高度第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像 像点位移r = hr/H表现了以下规律性:(1)位移量与地面高差h成正比.当h为负(地形低洼),位移量为负,表示向像主点方向位移;h为正向离开像主点方向位移.(2)位移量与像点到像主点距离r成正比,越边上的点位移越大.(3)位移量与平
11、台高度成反比,所以卫星照片的像点位移常很小.像点位移公式第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像 像点位移= hr/H = 1000m 9 cm / 700km=10001009/(7001000100)(cm)=9/700(cm)= 0.013cm设地球卫星轨道高度H=700km,该卫星所拍像片大小1818cm,像片边部某处地面实际高差1000m.计算该点的像点位移量.例题第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像 像点位移第三章 遥感成像原理与遥感图像特征 3.2 摄影成像本节重点本节重点(1)重要概念重要概念: 垂直摄影和倾斜摄影垂直摄影和倾斜摄影;中心中心投影和垂
12、直投影投影和垂直投影;像片的平均比例尺像片的平均比例尺;像像点位移点位移(2) 中心投影的透视规律中心投影的透视规律;(3) 像片的平均比例尺计算方法像片的平均比例尺计算方法;(4)像点位移规律及计算方法像点位移规律及计算方法3.3 3.3 扫描成像扫描成像该部分请自学,阅读教材第67-71页第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 3.4 微波遥感与成像微波遥感与成像微波是波长为1mm到1m的电磁波.微波遥感是通过微波传感器获取目标地物的微波辐射经分析处理而识别地物的技术.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征微波遥感的特点(1)可以可以全天候全天时全天候全天时工作工作.微波的波长较可见可和红外
13、线大,几乎不受云雾的散射影响.(瑞利散射强度与波长四次方成反比).(2)微波波谱对某些地物来说特征明显波谱对某些地物来说特征明显,特别是很好区分水和冰(在微波波段两者的比辐射率悬殊,分别为0.4和0.99)第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感(3)对冰对冰,雪雪,森林森林,土壤等有一定穿透能力土壤等有一定穿透能力. 因此可用于探测隐蔽的目标.趋肤深度:电磁波衰减(振幅减小)1/e倍(约37%)的穿透深度称为趋肤深度(H):H = 5.3 10-31/2-1其中, 地物介电常数; 地物导电率第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感微波遥感的特点单位:m(4)对海洋遥感具有
14、特殊意义对海洋遥感具有特殊意义. 微波对海水海风等的变化敏感(5)分辨率较低分辨率较低.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感微波遥感的特点微波遥感的传感器(1)雷达雷达(无线电测距和定位)雷达雷达是由发射机通过天线在很短时间内向目标物发射一束大功率电磁波脉冲,然后用同一天线接收目标物体反射的回波的一种传感器.利用从发射到接收到回波的时间差,可计算物体距离(已知波速为光速).第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感雷达雷达可用于测定运动物体的速度,是利用“多谱勒效应”:反射波的频率变化与其运动速度成正比.不同地物对微波反射的能力不同,这是微波雷达识别地物的根据.微波在与传
15、播方向垂直的不同方向上,电场振动的振幅不同,称极化现象.极化在微波雷达中应有很广.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感微波遥感的传感器(1)雷达雷达按工作波长:多为微波,也有红外雷达等.雷达分类雷达分类: :按工作方式:雷达成像雷达非成像雷达真实孔径侧视雷达合成孔径侧视雷达第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感微波遥感的传感器(1)雷达雷达真实孔径侧视雷达脉冲宽度脉冲宽度发一个脉冲发一个脉冲,陆续陆续收到一连串回射收到一连串回射,而且回射的特性而且回射的特性随地物不同而异随地物不同而异飞行方向飞行方向第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感微波遥感的传感器(
16、1)雷达雷达侧视雷达的两种分辨力距离分辨力距离分辨力Pg (单位m)Pg = 0.5 c cos其中,为脉冲宽度(时间); c为波速; 为俯角例: 设俯角50,脉冲宽度0.1s,则距离分辨力Pg = 0.5 0.110-6(s) 2.898 108(m/s)/cos 50= 0.5 0.1 2.988 / 0.642788 100 = 23.2m第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感微波遥感的传感器(1)雷达雷达方位分辨力Pa (单位m)(飞行方向上的分辨力)Pa = (/D)R其中, 为脉冲微波波长; D为雷达天线孔径; R为距目标地物的距离例: 设卫星天线孔径D=4m,波长=3
17、cm,距目标地物200km, 则方位分辨力Pg = 3 10-2(m)/4(m)200103(m) =1500m若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m.(这是不可能的)第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感侧视雷达的两种分辨力合成孔径侧视雷达由于真实孔径侧视雷达的方位分辨力低,发展了合成孔径侧视雷达.合成孔径侧视雷达用排成一线的多个天线代替一个接收天线,然后合成多个接收天线的信号,从而得到较好的方位分辨率.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感侧视雷达的两种分辨力第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.4 微波遥感本节重点本节重点(1)微波遥感的概念及其特点微波
18、遥感的概念及其特点.(2) 趋肤深度趋肤深度;(3) 什么是雷达什么是雷达;雷达的种类雷达的种类;(4)侧视雷达的方位分辨力和距离分辨力侧视雷达的方位分辨力和距离分辨力的概念及计算公式的概念及计算公式第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征通过遥感,人们要获取三方面信息(1)目标地物的形状,大小和空间分布;(2)目标地物的属性;(3)目标地物的动态变化.因此,遥感图像的特征有三个方面是重要的,即几何特征,物理特征,时间特征这三方面特征表现为四个技术参数,即:空间分辨率,光谱分辨率,辐射分辨率,时间分辨率第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的空间分辨率是指像元(Pixel)
19、所代表的地面面积大小,或像片能分辨的地面物体的最小尺寸.尺寸越小,分辨率越高.LandSat TM的1-5波段和第7波段的图像,每个像素代表地面28.5m 28.5m,即空间分辨率为28.5m,也可粗略地说空间分辨率为30m第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的空间分辨率对于摄影成像的图像,空间分辨率Rg取决于胶片分辨率和镜头分辨率所构成的系统分辨率Rs,还取决于摄影机焦距f及航高H :第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征RsfHRg =式中, Rs的单位为线对/mm(每毫米可分辨的线条数); f的单位为mm,H
20、的单位为m第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的空间分辨率遥感图像的空间分辨率例:设摄影机焦距f=152mm,航高H =6000m,系统分辨率Rs=40线对/mm,则图像的地面分辨率为:= 40152/6000 = 1线对/m第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征遥感图像的特征RsfHRg =或 = 2线/m (1线对=两条线)或 = 0.5m每米可区分两条线,即每条可区分的线占半米,即分辨率为半米.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的空间分辨率空间分辨率是遥感信号(主要是图像)的重要技术参数.不同目的的研究,对空间分别率要求不同,如果达不到该要求,遥感就不能取
21、得应有的效果.例如,大比例尺的环境研究及工程建设需要空间分辨率达到10m或更高;大规模或全球环境研究(如海洋洋流),空间分辩率达到数百米就可以了.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的波谱分辨率是指传感器在接收目标辐射时能分辩出的最小波长间隔. 间隔越小,波谱分辨率越高.波谱分辨率对于地物识别具有重要作用.千变万化的不同地物,其辐射特征常在某些较窄的波长间隔内有区别,为了捕捉这些不同特征从而区分地物,就需要有较高的波谱分辨率.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征例如,在波谱分辨率达到16nm或更高时,可以识别出水
22、铝矿在1.2m处的双谷波谱特征,从而可将该矿物与其它物体相区别.但在波谱分辨率低到32nm或更低时,不能识别该矿物.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的辐射分辨率是指传感器在接收目标辐射时能分辩出的最小辐射能量差. 该能量差越小,辐射分辨率越高.辐射分辨率在遥感图像上表现为像元的辐射量化分级.辐射分辨率越高分级越细,图像质量越高.在相同的温度和波长条件下,辐射分辨率越高,越能够区别不同目标物辐射能量的差别,因而有利于识别地物.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征第三章 遥感成像原理与遥感图像特征遥感图像的时间分辨率是指对同一地点进行遥感采样的时间间隔,即采样的时间频
23、率. 也称重访周期.时间分辨率随遥感平台不同而异.地球同步卫星的时间分辨率一般为1次/0.5小时;太阳同步卫星为2次/天; LandSat 1次/16天; CBERS为1次/26天. 有的卫星有不定重访周期. 第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征遥感数据的时间分辨率较高,才能更好地用于对目标动态变化的研究.第三章 遥感成像原理与遥感图像特征3.5 遥感图像的特征本节重点本节重点遥感图像的遥感图像的空间分辨率空间分辨率, ,光谱分光谱分辨率辨率, ,辐射分辨率辐射分辨率, ,时间分辨率时间分辨率的概念及意义的概念及意义4.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理第四章 遥感图
24、像处理颜色的性质物体(光源)的颜色是物体(光源)反射(或发射)了特定波长的光线而吸收了(或未发射)其它波长的光线,被人眼感觉后所产生的结果. 例如, 波长为0.62-0.72m为红色,0.5-0.56 m为绿色, 等等.第四章 遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理 颜色的性质颜色的性质物体或光源的颜色可以用以下三个性质描述:明度明度: 是人眼对光源或物体明亮程度的感觉.(与辐射亮度概念不同,但有联系).色调色调: 指光源或物体的主要的或有区分性的色彩.相当于混合波段的波长众值.饱和度饱和度:色指彩纯洁的程度.或相当于波长区间的宽度,越窄饱和度越高.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4
25、.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理任何物体的颜都可以任何物体的颜都可以用用明度明度,色调色调和和饱和饱和度度三个指标来描述三个指标来描述. 为了形象表示颜色各为了形象表示颜色各性质之间的关系性质之间的关系,可可用颜色立体用颜色立体.颜色立体是一个颜色立体是一个三维坐标系三维坐标系,任一任一种颜色是该坐标种颜色是该坐标系中的一点系中的一点.颜色立体第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理是一个变形的椭球体. 是一种更符合实际和更标准化的颜色立体.它也是一个三维坐标系,任一种颜色是坐标系中的一点.孟赛尔颜色立体明度明度0-10色调色调50种种饱和
26、度与色调饱和度与色调有关有关,故非正圆故非正圆颜色标颜色标准编号准编号第四章 遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理不同颜色相互混合可产生新的颜色,有一定规律,符合颜色相加原理.先看一些有关概念.颜色相加原理互补色互补色: 若两种颜色混合可产生白色或灰色,则这两种颜色叫做互补色. 如黄和蓝是互补色;绿和品红也是互补色,等等.第四章 遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理颜色相加原理三原色(三基色): 若三种颜色,其中任一种都不能由另两种混合而成,而这三种颜色按不同比例混合可产生任何其它颜色,则这三种颜色叫做三原色.实验证明,红,绿,蓝三种颜色是最优的三原色.第四章第四章 遥感图像处理遥感图
27、像处理 4.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理颜色相加原理颜色相加原理颜色相加原理: 任何一种颜色都可由三原色按特定比例相加而得到.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理颜色相加原理颜色相加原理色度图: 用光谱来解释和表示颜色混合基本规律.比颜色立体图更深刻地揭示颜色相加的物理规律.横坐标为红基色比例横坐标为红基色比例绿基色比例绿基色比例与与C点连线的长点连线的长度为度为饱和度饱和度白光白光色调曲线马蹄形内的颜马蹄形内的颜色有对应波长色有对应波长;外无外无(只由视觉只由视觉引起引起) m和n为互补色 K为M和N按比例相加 该点颜色无对应的波长
28、 世界上没有该点对应的颜色CIE(国际照明委员会国际照明委员会)1931色度图色度图第四章 遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理颜色相加原理色度图与现实生活(引自中学教材)第四章 遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理颜色相减原理: 白色光通过某种颜色的滤光片后,该颜色的补色被滤光片吸收.通过逐次吸掉某种色光可以获得特定的颜色.黄片滤去蓝光青片滤去红光剩下绿光品红片吸绿青片吸红剩蓝第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理光学原理与光学处理光学处理用光学方法处理遥感影像,使其有用信息更加突出,更适于目视判读, 是遥感数据处理的重要方法之一, 在过去是常用方法. 但
29、随着数字图像的大量产生和计算机技术的发展,遥感图像的计算机处理已成为主流,光学处理的使用者越来越少. 因此该节省略. 第四章 遥感图像处理 4.1 光学原理与光学处理本节重点本节重点重要概念重要概念: :颜色颜色; ;明度明度; ;饱和度饱和度, ,色调色调; ;颜色立体颜色立体; ;孟赛尔颜色立体;互补色;三原色;色度图及其读色度图及其读法法;颜色相加原理;颜色相减原理第四章 遥感图像处理数字图像是指能够被计算机存贮,处理和使用的图像. 用摄影机和感光胶片得到的,或打印机打出的图像为光学图像,或模拟图像. 光学图像可以经一定方法变为数字图像,该过程叫做数字化. v4.2 数字图像校正数字图像
30、D/A转换或A/D转换: 是指数字图像与光学(模拟)图像之间的互相变换. (Digital / Analogue)第四章 遥感图像处理 4.2 数字图像校正 数字图像光学图像在每个像素或称像元(如胶片的银粒)上是一个模拟量,而数字图像在每个像元上是一个数字量.前者是连续的,后者是离散的.二者可相互变换,称为D/A转换或A/D转换.A/D转换的过程是将模拟图像的连续像元值离散化和量化.例如,将一张黑白照片的连续灰度分为多个级别,如256个,每个级别用一个数表示(如0-255,0表示黑色,255表示白色,其它值为不同深度的灰色), 从而该像片的每个像元都用一个数量表示灰度,所有像元的灰度级别值构成
31、一个数据表或矩阵, 其行列与原图像的像元排列一致. 该数据矩阵代表了一张数字图像.第四章 遥感图像处理 4.2 数字图像校正 数字图像数字图像在计算机中的存贮: 完全黑白图像每一位可存一个像元,0表示黑,1表示白;灰度图度图像的像元值用字节型变量存贮, 其值为0-255; 真彩色图像3-4字节/像元. 数字遥感图像常需要很大的存贮空间.例如,一景LandSat TM图像7个波段,每波段61662像元,每像元用1字节, 共需252M的存贮空间. 故近年各种图像压缩技术发展很快.第四章 遥感图像处理 4.2 数字图像校正 数字图像6 6像元的数字像元的数字图像图像对应的灰度图像对应的灰度图像250
32、150150100701002501501501007010080140140822554909090110828290909011082821254254251120253该该数字数字图像的图像的直方图直方图(示意示意)像元频率像元频率亮度值亮度值1254第四章 遥感图像处理 4.2 数字图像校正 数字图像第四章 遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像的像元亮度值是传感器接收到的辐射强度的反映. 在实际遥感测量中, 进入传感器的辐射强度不仅取决于太阳对目标地物的辐射强度和地物的反射率,而且还受到仪器误差和大气影响.仪器误差和大气影响使辐射信号发生畸变,增加噪声,降低图像质量,称为图像的辐
33、射畸变辐射畸变.辐射校正是指消除辐射畸变消除辐射畸变,提高图像质量的过程.辐射校正第四章 遥感图像处理 4.2 数字图像校正辐射校正在辐射校正中,仪器误差的校正一般由数据生产单位根据传感器参数来完成; 数据的用户只需考虑大气影响大气影响引起的畸变的校正.大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响:反射,折射,吸收吸收,散射散射.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正(1)吸收减弱吸收减弱信号信号;(2)散射散射减弱信号减弱信号;(3)散射直接或散射直接或通过反射进通过反射进入传感器入传感器(称称为为程辐射程辐射),增加噪声增加噪声. 以以上三种作
34、用上三种作用降低图像对降低图像对比度比度.大气影响降低对比度大气影响降低对比度,“不再黑白分明不再黑白分明”吸收吸收,散射散射,减减10%程辐射进入程辐射进入,全加全加10%第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正粗略辐射校正方法大气影响非常复杂, 精确辐射校正困难很大甚至不可能,所以常采用一些简单的粗略校正方法.主要有如下两种:直方图最小值去除法回归分析法第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正(直方图)最小值去除法 步骤:对于某一波段:(1)确定图像中是否有反射亮度或辐射亮度应为应为0的地段.如
35、有即可用该法校正,如无则该法不能用.“亮度应为0”的地区如高山的阴影区.(2)找到图像内最小的反射亮度或辐射亮度值vmin.(3)图像内所有像元的亮度值都减去vmin.(完成)第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正回归分析法:用一个受程辐射影响小的波段的数据对另一个波段的数据进行校正.由于瑞利散射和米氏散射的强度分别与波长的4次方和2次方成反比,所以波长大的波段如红外波段,受程辐射影响小. 所以常可用红外波段数据对可见光数据进行校正.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正回归分析法步骤:在一个图
36、像中:以一个受程辐射程辐射影响小的波段a的亮度La为自变量,以另一波段b亮度Lb为因变量, 进行一元线性回归分析一元线性回归分析,如果两波段相关性较好,则可得到回归方程:Lb =La+ 常数是波段a亮度为0处,波段b的亮度,可认为由程辐射引起. 将图像中波段将图像中波段b的所的所有像元的亮度值都有像元的亮度值都减去减去 ,即完成校正.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正每一点代表一个像元每一点代表一个像元回归值线回归值线: Lb =La+ 调整前直方图调整前直方图调整后直方图调整后直方图第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像
37、校正数字图像校正辐射校正辐射校正cosyxgyxf，第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正辐射校正辐射校正第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.2 数字图像校正数字图像校正大气传输模型大气传输模型地面目标反射率与传感器入瞳处反射率的关系可由下面的方程表示:其中,为地表反射率, (S ,v , S , 0.5 时S = ( Lmax - Lmin ) / (1- Lmax)+(1- Lmin )第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强彩色变换彩色变换HLS变换色调 H : 设L = Lmax Lmin , 当 L 0:当Lm
38、ax= LR 时: H = 60(LG- LB)/ L 当Lmax= LG 时: H = 602+(LB- LR)/ L 当Lmax= LB 时: H = 604+(LR- LG)/ L 当 L = 0时,灰色, 色调无定义, 饱和度为0.色调H为0,360区间上的实数.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强彩色变换彩色变换例例:将下列三种颜色的将下列三种颜色的RGB值变为值变为HLS值值.(1) LR=1, LG=0, LB=0; (2) LR=0, LG=0.5, LB=0.5; (3) LR=0.5, LG=0.5, LB=0.5解解: (1) Lmax
39、= LR=1; Lmin= LB=0 ; L = Lmax Lmin = 1明度: L = ( Lmax + Lmin ) / 2 = 0.5饱和度: S =( Lmax - Lmin ) / ( Lmax + Lmin ) = 1色调: H = 60 ( LG- LB ) / L = 60(0-0)/1 = 0第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强彩色变换彩色变换例例:将下列三种颜色的将下列三种颜色的RGB值变为值变为HLS值值.(1) LR=1, LG=0, LB=0; (2) LR=0, LG=0.5, LB=0.5; (3) LR=0.5, LG=0.
40、5, LB=0.5解解: (2) Lmax= LG=0.5; Lmin= LR=0 ; L = Lmax Lmin = 0.5明度: L = ( Lmax + Lmin ) / 2 = 0.25饱和度: S =( Lmax - Lmin ) / ( Lmax + Lmin ) = 1色调: H = 60 2+( LB- LR ) / L = 602+(0.5-0)/0.5 = 180第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强彩色变换彩色变换例例:将下列三种颜色的将下列三种颜色的RGB值变为值变为HLS值值.(1) LR=1, LG=0, LB=0; (2) LR=
41、0, LG=0.5, LB=0.5; (3) LR=0.5, LG=0.5, LB=0.5解解: (3) Lmax= LG=0.5; Lmin= LR=0.5 ; L = Lmax Lmin =0明度: L = ( Lmax + Lmin ) / 2 = 0. 5饱和度: S =( Lmax - Lmin ) / ( Lmax + Lmin ) = 0色调 H 无定义第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强彩色变换彩色变换第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强图像运算指在两幅或多幅单波段图像的对应像元之间进行各种运算,从而起到图
42、像增强的作用.差值运算差值运算: 将两幅行列数相同的图像的对应像元亮度值分别相减. 同一地物对不同波段的反射率不同,通过差值运算,反射率差别较大的那些地物得到突出. 例如红外波段与红波段相减可突出植被.又如,研究某种面积的动态变化,用同一波段不同时间的两图像相减.第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强图像运算图像运算比值运算: 将两幅行列数相同的图像的对应像元亮度值分别相除(除数不能为0). 可以检测不同波段间地物反射率的差异.常用于研究植被, 某些波段的比值称为植被指数,用VI(Vagetation Index)示, 主要包括: VI = 近红外/红VI =
43、 255 (近红外 - 红)/(近红外 + 红)例如, NVI = 255 (TM4-TM3)/(TM4+TM3),称为规格化植被指数(Normalized)还可用于其它方面如阴影消除等.Landsat MSS bsnd 7 / band 4, then stretched. Growing vegetation is shown in nearly white tones. 第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强图像运算图像运算第四章 遥感图像处理 4.3 数字图像增强多光谱变换多光谱空间: 是一个n维坐标系, 每个轴代表一个波段, 坐标值为亮度值, 每个像
44、元是该坐标系中的一点, 可表示为向量:X = (x1,x2,xn)T多光谱变换是指多光谱空间的线性变换.常用的多光谱变换主要有主成分变换和缨帽变换两种.设一幅图像有N个像元,则图像可表示为矩阵I= x11 x12 x1n x21 x22 x2n xN1 xN2 xNnIT x11 x12 x1n x21 x22 x2n xN1 xN2 xNnT第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强多光谱变换多光谱变换主成分变换(又称K-L变换) 用变换矩阵A对每个像元值向量X进行变换得新的像元值向量Y:Y = AX或:= a11 a12 a1n a21 a22 a2n am1
45、 am2 amn y1 y2 ym x1 x2 xn从而得到m个新的主成分图像.(或一个主成分可看出一个新的“波段”).变换矩阵A是原图像的像元值矩阵I的协方差矩阵的前m个特征向量构成的矩阵的转置.S = (1/N) (I M)T (I M) =图像图像I的协方差矩阵的协方差矩阵S为为: x11-m1 x12-m2 x1n-mn xN1-m1 xN2-m2 xNn-mn x21-m1 x22-m2 x2n-mnT=T x11-m1 x12-m2 x1n-mnT xN1-m1 xN2-m2 xNn-mn x21-m1 x22-m2 x2n-mn(1/N)用一定方法用一定方法(如雅可比法如雅可比法
46、)可求出可求出S的特征值和特征向的特征值和特征向量量(各各n个个),将将n个特征值从大到小排列个特征值从大到小排列,如果前如果前m个特个特征值的和占到特征值总和的征值的和占到特征值总和的85%以上以上, 则可认为前则可认为前m个个主成分主成分代表了原图像中绝大部分信息代表了原图像中绝大部分信息,而其余主成而其余主成分主要代表噪声分主要代表噪声,或次要地物或次要地物. 一般可以认为一般可以认为,一个主成分一个主成分 代表一类地物代表一类地物,或或光谱间密切相关的地物光谱间密切相关的地物; 不同主成分代表不不同主成分代表不同的地物同的地物,或光谱之间不相关的地物或光谱之间不相关的地物.进行主进行主
47、成分分析成分分析, 将一张图像分解为多张不同的主将一张图像分解为多张不同的主成分图像成分图像,有利于突出某些信息有利于突出某些信息,达到达到图像增图像增强强的目的的目的.此外此外,主成分分析也可用于数据压缩主成分分析也可用于数据压缩. 如果少数几如果少数几个主成分能够代表绝大多数信息个主成分能够代表绝大多数信息,则只保存这几则只保存这几个主成分数据即够了个主成分数据即够了,故可节省存贮空间故可节省存贮空间.总之总之, ,主成分分析的过程如下主成分分析的过程如下: :多光谱数字图像多光谱数字图像(如如TM图像图像)选择一个区域选择一个区域(也可为整个图像也可为整个图像)计算该块图像的多光谱协方差
48、矩阵计算该块图像的多光谱协方差矩阵计算协方差矩阵的特征值和特征向量计算协方差矩阵的特征值和特征向量找到最大的找到最大的m个特征值所对应的特征向量个特征值所对应的特征向量,构成构成变换矩阵变换矩阵.通过线性变换求出各主成分图像通过线性变换求出各主成分图像(或各或各“主成主成分波段分波段”).第四章第四章 遥感图像处理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强多光谱变换多光谱变换 两个波段（X1，X2）数据间有相关性，沿分布形状做成新轴（Z），把各数据投影到Z轴上。通过投影，各数据可以表示为Z轴上的点数据（一维）。信息量丢失？信息量丢失？遥感中的主成分分析遥感中的主成分分析 遥感应用中通过彩色
49、合成，同时能够被视觉感知的仅限于3个波段（R、G、B），因此在多波段数据中，只有一部分信息能同时被视觉感知。可是利用主成分分析法，把数据压缩到3个波段上，就可以用彩色显示出更多的信息。例如，原数据的维数（波段数）为6，累积作用率为80时，主成分数为3的话，则在被汇集的 1 2的数据中包含有全部数据的 80的信息量。三波段合成三波段合成主成分分析主成分分析可以任意选择波段组可以任意选择波段组合进行主成分分析合进行主成分分析主分量、主分量、主分量、主分量、主成分的合成影像主成分的合成影像与原始波段对比与原始波段对比主成分的合成主成分的合成影像与原始波段对比影像与原始波段对比第四章第四章 遥感图像处
50、理遥感图像处理 4.3 数字图像增强数字图像增强多光谱变换多光谱变换缨帽变换(又称K-T变换) 用变换矩阵B对每个像元值向量X进行变换得新的像元值向量Y:Y = BX或:= b11 b12 b1n b21 b22 b2n bm1 bm2 bmn y1 y2 ym x1 x2 xn从而得到m个新的图像.(或m个新的“波段”).变换矩阵B是在研究农业遥感中得到的经验数据. 方法与主成分变换相似,只是变换矩阵不同,故意义不同.缨帽变换(K-T变换)中的B矩阵(Crist和Cicone, 1984)6列,分别对应于TM图像的1-5和7波段;第一行为各波段的加权系数,变换后的y1为“亮度”; 第二行可见
