第五章

圖像校正與增強(qiáng)要

點(diǎn)：遙感數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí)，介紹遙感數(shù)字圖像幾何糾正、圖像增強(qiáng)的基本原理和方法、圖像分類等。原因：輻射校正由于遙感檢測(cè)系統(tǒng)、大氣散射和吸收等原因引起的圖像模糊失真、分辯率和對(duì)比度下降等輻射失真；幾何校正是由于搭載傳感器的遙感平臺(tái)飛行資態(tài)變化、地球自傳、地球曲率等原因引起的圖像幾何益畸變。5.1

數(shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)5.1.1數(shù)字圖像和圖像數(shù)字化（一）數(shù)字圖像的概念早期的遙感技術(shù)通過攝影成像方法得到的像片稱之為光學(xué)圖像。

能在計(jì)算機(jī)里存儲(chǔ)、運(yùn)算、顯示和輸出的圖像稱為數(shù)字圖像。

光學(xué)圖像可以看成是由無數(shù)個(gè)很小的單元點(diǎn)子（像元）組成的，每個(gè)單元點(diǎn)子的明暗程度記錄了成像瞬間對(duì)應(yīng)的物體的反射光強(qiáng)度（灰度），在遙感圖像其實(shí)質(zhì)就是探測(cè)范圍內(nèi)電磁輻能量分布圖。數(shù)字方法表示圖像：

(x,y)表示像元的位置；f(x,y)表示（x,y）位置上的對(duì)應(yīng)地物電磁輻射強(qiáng)度。對(duì)于模擬圖像,x,y,f(x,y)的取值是連續(xù)的。

要經(jīng)過“離散化”取樣才能變成計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)和運(yùn)算的數(shù)字圖像。

函數(shù)f(x,y)的取值：離散整數(shù)取樣是根據(jù)需要，將灰度空間分成2n級(jí)（目前n的取值有1、4、7、8，甚至更多），然后根據(jù)方格內(nèi)電磁輻射強(qiáng)弱取其平均值整數(shù)作為函數(shù)f(x,y)的值。一幅模擬圖像表示為數(shù)字圖像其實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)字矩陣。數(shù)字矩陣可以計(jì)算機(jī)里進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算。（二）圖像數(shù)字化

一幅光學(xué)圖像經(jīng)過上述離散取樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的過程即圖像數(shù)字化。

圖像的數(shù)字化內(nèi)容：

（1）圖像空間位置的數(shù)字化，即圖像的空間取樣。

（2）圖像灰度的數(shù)字化，即指從圖像灰度的連續(xù)變化中進(jìn)行離散的采樣，目前經(jīng)常使用的灰度量度有2級(jí)，64級(jí)，128級(jí)，256級(jí)。

除光學(xué)圖像可以數(shù)字化為數(shù)字圖像外，更多的遙感圖像源于傳感器獲得后直接的數(shù)字產(chǎn)品，如SPOT,MSS,TM,ETM等航天遙感數(shù)字。（三）灰度直方圖用平面直角坐標(biāo)系表示一幅灰度范圍為0-n數(shù)字圖像像元灰度分布狀態(tài)。橫軸表示灰度級(jí)，縱軸（Pi=mi/M)表示灰度級(jí)為gi的像元個(gè)數(shù)mi占像元總數(shù)Ｍ的百分比。將2n個(gè)Pi繪于圖上，所形成的統(tǒng)計(jì)直方圖叫灰度直方圖。通過灰度直方圖可以直觀地了解圖像增強(qiáng)的效果。二、圖像處理系統(tǒng)與處理內(nèi)容（一）

圖像處理系統(tǒng)5.1.2遙感圖像計(jì)算機(jī)處理的主要內(nèi)容

１.圖像校正：輻射校正、幾何校正等；2.增強(qiáng)處理：彩色增強(qiáng)、直方圖增強(qiáng)、圖像運(yùn)算、多信息融合等；3.圖像變換：消除干擾、濾掉噪聲、提高圖像的質(zhì)量，如Ｋ－Ｌ變換等；4.計(jì)算機(jī)信息提?。悍潜O(jiān)督分類、監(jiān)督分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類、模糊分類、空間信息撮等。5.2

圖像輻射校正5.2.1系統(tǒng)輻射校正（一）光學(xué)攝影機(jī)內(nèi)部輻射誤差校正

光學(xué)攝影機(jī)內(nèi)部輻射誤差主要是由鏡頭中心和邊緣的透射光的強(qiáng)度不一致造成的，它使得在圖像上不同位置的同一類地物有不同的灰度值。設(shè)原始圖像灰度值g，校正的圖像灰度g’,則有g(shù)’=g/cosa

a為像點(diǎn)成像時(shí)光線與主光軸夾角。（二）光電掃描儀內(nèi)部輻射誤差的校正

兩類誤差：（1）光電轉(zhuǎn)換誤差；（2）探測(cè)器增益變化引起的誤差。消除方法：楔校準(zhǔn)處理方法；5.2.2大氣校正定義：指消除主要由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程。（一）公式法

與衛(wèi)星掃描同步進(jìn)行野外波譜測(cè)試，將地面測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星影像對(duì)應(yīng)像元亮度值進(jìn)行回歸分析，回歸方程為：式中，LAi為衛(wèi)星觀測(cè)值；Ri為地面反射率；

a和b為回歸系數(shù)；系數(shù)a為大氣散射引起對(duì)輻射的干擾部分式中，Si為系統(tǒng)增益因素；Lbi為大氣路徑輻射率；b表示輻射率Lai隨地面反射率Ri遞增而增長(zhǎng)的程度大??；Ti為大氣透射率；Hi為太陽輻照度；θ為太陽天頂角；

由于這個(gè)公式計(jì)算方法是對(duì)于各個(gè)波段分別進(jìn)行的，所以以上各參數(shù)都帶有i，代表各波段的序號(hào)。將上式代入可得：上式說明決定Lai的因素比較復(fù)雜，用這一公式計(jì)算Lai時(shí)需要獲得當(dāng)時(shí)具體氣象參數(shù)。

由前面的公式可得：

式中，L’Ai即為校正后圖像灰度值；a為大氣附加輻射部分。

（二）回歸分析法

用長(zhǎng)波數(shù)據(jù)來校正短波數(shù)。

作法：在不受大氣影響的波段（如TM5）和待校正的某一波段圖像中，選擇由最亮至最暗的一系列目標(biāo)，將每一目標(biāo)的兩個(gè)待比較的波段灰度值提取出來進(jìn)行回歸分析。例如：式中，

X平均為TM5波段的亮度均值；

Y平均為TM1亮度均值；a1,b1計(jì)算如下：T1、T5表示TM1與TM5波段灰度值，

T’1

為TM1波段校正后的灰度值。輻射回歸分析圖：（三）直方圖校正法通過灰度直方圖對(duì)比找出校正量。5.3

幾何校正的原理與方法幾何畸變：遙感圖像在獲取過程中由于多種原因?qū)е戮拔镏心繕?biāo)物相對(duì)位置的坐標(biāo)關(guān)系圖像中發(fā)生變化。5.3.1遙感圖像幾何畸變來源（一）傳感器成像幾何形態(tài)影響傳感器一般的成像幾何形態(tài)有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等幾種不同類型。1、全景投變形紅外機(jī)械掃描儀、CCD線陣推帚式傳感器。2、斜距投影變形側(cè)視雷達(dá)屬斜距投影，其成像變形規(guī)律如圖（二）

傳感器外方位元素變化畸變（三）地球自轉(zhuǎn)的影響地球自轉(zhuǎn)對(duì)于瞬時(shí)光學(xué)成像遙感方式?jīng)]有影響，對(duì)于掃描成像則造成圖像平行錯(cuò)動(dòng)。（四）地球曲率影響1、在星下點(diǎn)視場(chǎng)角較小，曲率影響可忽略。2、產(chǎn)生的誤差原理與航空像片像點(diǎn)位移相同。5.3.2遙感圖像幾何校正原理遙感圖像幾何校正包括光學(xué)校正和數(shù)字糾正兩種方法。

數(shù)字糾正是通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像每個(gè)像元逐個(gè)地解析糾正處理完成的，其包括兩方面：一是像元坐標(biāo)變換；二是像元灰度值重新計(jì)算（重采樣）。（一）坐標(biāo)變換的兩種方案

首先要確定原始圖像和糾正后圖像之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。對(duì)其包括：直接法：從原始圖像陣列出發(fā)，依次對(duì)其中每一個(gè)像元分別計(jì)算其在輸出（糾正后）圖像的坐標(biāo)，即：

式中，x,y為P點(diǎn)原始圖像的行數(shù)和列數(shù)；X，Y為P在新圖像中的坐標(biāo)（即地面坐標(biāo)系），并把P（x,y）的灰度值重新計(jì)算后送到P（X，Y）位置上去。間接法：從空白圖像陣列出發(fā)，依次計(jì)算每個(gè)像元P（X，Y）在原始圖像中的位置P（x,y），然后把該點(diǎn)的灰度值計(jì)算后返送給P(X,Y)。其糾正公式為：(二)輸出圖像的邊界大小輸出圖像邊界的地面坐標(biāo)值是由包括糾正后圖像在內(nèi)的最小長(zhǎng)方形范圍來確定的。1、把原始圖像的4個(gè)角點(diǎn)按公式：投影到輸出坐標(biāo)系中來。2、獲取各自的最大和最小值（Xb、Yb和Xa、Ya）；3、令地面上坐標(biāo)（Yb、Xa）和(Ya、Yb)的點(diǎn)（圖像左上角點(diǎn)）為輸出圖像的第一行第一列像元，以dx和dy劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格代表輸出圖像的一個(gè)像元，在它輸出圖像陣列中的位置為：式中，X，Y為地面某網(wǎng)格中心的坐標(biāo)值；I，J為該網(wǎng)格位于輸出圖像陣列中的行列序號(hào)；dx,dy為輸出圖像陣列像元的地面尺寸；（三）數(shù)字圖像灰度值的重采樣

校正前后圖像的分辨率變化、像元點(diǎn)位置相對(duì)變化引起輸出圖像陣列中的同名點(diǎn)灰度值重采樣：P’的灰度值取決于周圍列陣點(diǎn)上像元的灰度值對(duì)其所作的貢獻(xiàn)，這就是灰度值重采樣.1、最近鄰法

用距離投影點(diǎn)最近像元灰度值代替輸出像元灰度值。2、雙線性內(nèi)插法

投影點(diǎn)周圍4個(gè)相鄰像元灰度值，并根據(jù)各自權(quán)重計(jì)算輸出像元灰度值，公式簡(jiǎn)述為：3、雙三次卷積法獲取與投影點(diǎn)鄰近的16個(gè)像元灰度值計(jì)算輸出像元灰度值，公式為：5.3.3數(shù)字圖像幾何校正方法數(shù)字圖像幾何校正方法有多項(xiàng)式糾正法和共線方程糾正法。前者常用。多項(xiàng)式糾正法的基本思想：回避成像的空間幾何過程，而真接對(duì)圖像變形的本身進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。常用的二元齊次多項(xiàng)式糾正變換方程為：式中，x,y為某像元的原始圖像坐標(biāo)；X,Y為糾正后同名點(diǎn)的地面（或地圖）坐示；ai,bi為多項(xiàng)式系（i=0,1,2…實(shí)際工作中，多項(xiàng)式系數(shù)求出后，根據(jù)上述公式可以求解原始圖像任一像元的坐標(biāo)，并對(duì)圖像灰度進(jìn)行內(nèi)插，獲取某種投影的糾正圖像。

一般選擇最小控制點(diǎn)的數(shù)量為:(n+1)(n+2)/2,

為多項(xiàng)式次數(shù)。5.3.4遙感圖像數(shù)字鑲嵌

數(shù)字鑲嵌在理論和方法上與幾何校正類似，有幾點(diǎn)注意：

1、鑲嵌要有足夠?qū)挼闹丿B區(qū)，最好不少于圖像的1/5。

2、相鄰的圖像色調(diào)或灰度值應(yīng)一致（通過“直方圖匹配”等方法）；

3、最好依據(jù)地圖投影方式先分幅校正，后鑲嵌，以保證較高的精度。5.3.5多圖像幾何配準(zhǔn)

在實(shí)際應(yīng)用過程經(jīng)常需要將同一地區(qū)的不同類型傳感器獲得的各種遙感數(shù)據(jù)“匹配”起來，以期利用各自優(yōu)點(diǎn)，這種作法稱為多圖像幾何配準(zhǔn)。5.4

遙感圖像增強(qiáng)處理5.4.1彩色增強(qiáng)處理假彩色合成原理：選取同一目標(biāo)的三個(gè)多光譜數(shù)據(jù)合成一幅彩色圖像。5.4.2空間域增強(qiáng)處理定義：空間域指圖像平面所在的二維空間，空間域圖像增強(qiáng)是指在圖像平面上應(yīng)用某種數(shù)學(xué)模型，通過改變圖像像元灰度值達(dá)到增強(qiáng)效