遙感圖像空間增強方法分析【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　遙感圖像空間增強方法分析</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 海洋科學

2、 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　遙感圖像空間增強方法分析</p><

3、;p>　　[摘要]：遙感( Remote Sensing) 技術是一門新興技術,是空間技術、應用光學、無線電電子、計算機技術等結合的產(chǎn)物。遙感技術獲取的信息大多是多光譜數(shù)字圖像，對多光譜圖像進行增強處理是現(xiàn)代數(shù)字圖像處理的重要內容。在遙感應用研究中,經(jīng)過處理后形成的高清晰圖像，對展開以后的工作具有重要的作用。而圖像增強技術對于改善圖像的對比度,突出某些局部細節(jié)等方面都起著積極的作用，遙感圖像增強目的在于改進圖像的顯示，提高遙感圖像

4、的視覺效果和解譯性。</p><p>　　本文簡單介紹了遙感圖像的增強方法以及遙感數(shù)據(jù)的預處理。列舉了遙感數(shù)據(jù)預處理的一般方法，包括遙感圖像的輻射校正處理、幾何校正處理、鑲嵌處理、裁切處理等，有利于減少遙感圖像在成像過程中受傳感器性能下降、大氣擾動等因素造成的影響。并對遙感圖像空間增強處理的卷積增強、銳化處理、傅立葉變換等方面進行了分析研究。并應用 ERDAS IMAGINE軟件對舟山海域的ETM+衛(wèi)星遙感圖像進

5、行了增強處理，分析不同的增強方法對ETM+數(shù)據(jù)的增強效果。熟悉總結各空間增強方法的特點與實際對遙感圖像產(chǎn)生強效果，合理使用各種遙感圖像增強方法，以應對各種特點的遙感圖像來達到各種自己想要的遙感信息的目的。</p><p>　　[關鍵詞]:遙感圖像，空間增強，預處理，卷積增強</p><p>　　Research Progress of The Application of Remote s

6、ensing technology in water quality and safety early warning system</p><p>　　[Abstract]:RS (Remote Sensing) technology is an emerging technology, space technology, optics, radio electronics, computer technolo

7、gy, combined with the product. Much of the information obtained by remote sensing technology is a multi-spectral digital images, multi-spectral image enhancement processing of modern digital image processing is an import

8、ant part. Research in remote sensing applications, the formation of processed high-resolution images of the future work to start with an important ro</p><p>　　This paper introduces the method of image enhanc

9、ement of remote sensing and remote sensing data preprocessing. Lists the general method of remote sensing data preprocessing, including radiometric calibration of remote sensing image processing, geometric correction, mo

10、saic processing, cutting processing, helps to reduce the remote sensing image sensor in the imaging process by the performance degradation caused by atmospheric disturbances and other factors impact. And enhancement of r

11、emote sensin</p><p>　　[Key word]:remote sensing image,Image enhance,Pretreatment,Enhanced convolution</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄III</b></p>&l

12、t;p><b>　　引言1</b></p><p>　　1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)域介紹3</p><p>　　1.1 ETM+3</p><p>　　1.2 舟山海域介紹3</p><p>　　1.3 ERDAS IMAGINE軟件簡介4</p><p>　　2 遙感圖像數(shù)字處理基礎知識

13、8</p><p>　　2.1遙感圖像解譯8</p><p>　　2.2 遙感圖像的表示8</p><p>　　2.2.1 光學圖像9</p><p>　　2.2.2 數(shù)字圖像9</p><p>　　2.3遙感圖像的獲取10</p><p>　　3 數(shù)據(jù)預處理12</p>

14、<p>　　3.1遙感數(shù)據(jù)的輸入輸出12</p><p>　　3.2 遙感圖像的輻射校正14</p><p>　　3.2.1輻射校正概念14</p><p>　　3.2.2 輻射誤差產(chǎn)生的原因和校正方法14</p><p>　　3.3 遙感圖像的幾何校正15</p><p>　　3.3.1 遙感

15、圖像的幾何畸變15</p><p>　　3.3.2遙感圖像的幾何校正16</p><p>　　3.4遙感圖像的鑲嵌17</p><p>　　3.5遙感圖像的裁切17</p><p>　　4 遙感圖像空間增強方法分析18</p><p>　　4.1 遙感圖像增強概念及分類18</p><p

16、>　　4.2遙感圖像空間增強19</p><p>　　4.2 卷積增強19</p><p>　　4.3傅立葉變換22</p><p>　　4.4 銳化處理23</p><p>　　4.4.1微分法23</p><p>　　4.4.2卷積處理24</p><p>　　4.4.3統(tǒng)

17、計區(qū)分法24</p><p>　　4.4.4頻率域的高通濾波24</p><p>　　4.4.5操作步驟25</p><p>　　4.5 各種空間增強方法的比較27</p><p>　　5 結論與討論28</p><p><b>　　參考文獻29</b></p><

18、p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　遙感( Remote Sensing) 技術是一門新興技術,是空間技術、應用光學、無線電電子、計算機技術等結合的產(chǎn)物。遙感技術在地球資源的探測,地震、火山爆發(fā)的預測,環(huán)境污染的監(jiān)測以及治金、地質、石油、農業(yè)、林業(yè)、水利、測繪、氣象、海洋等部門經(jīng)

19、濟建設和國防建設中,都有著廣泛的應用[1]。遙感技術通過不同的遙感傳感器來獲取地表數(shù)據(jù)，然后進行處理、分析，最后獲得感興趣地物的有關信息。遙感技術獲取的信息大多是光譜數(shù)字圖像，對多光譜圖像進行增強處理是現(xiàn)代數(shù)字圖像處理的重要內容。隨著遙感技術的發(fā)展，這種技術所獲得的信息越來越豐富，對于改善圖像質量的處理技術的要求越來越高，現(xiàn)有的處理手段也越來越豐富。在遙感應用研究，通過正確的增強處理手段，以得到高清晰圖像，對以后的工作展開具有重要的意義

20、。每當一幅圖像從一種形式變到另一種形式, 例如經(jīng)過圖像的生成、復制、掃描、傳輸或變換以后, 由于多種因素的影響, 輸出圖像的“質量”或多或少地有所降低或退化[2]。為了某些預期的效果，就需要利用計算機對圖像進行一系列的操作，也就是數(shù)字圖像處理。數(shù)字圖像處理也稱為計算機圖像處理，是利用計算機對圖像信息進行加工以滿足人</p><p>　　數(shù)字圖像處理的發(fā)展時間不長，始于20世紀60年代，由于當時的圖像存儲成本高，處

21、理設備價格高，并沒有得到廣泛的應用。直到1963年，美國加州理工學院的噴氣推進實驗室，對“徘徊者7號”太空船發(fā)回的照片進行了首次處理，這才標志著圖像處理技術的實際應用的開始。70年代出現(xiàn)的CT和衛(wèi)星遙感圖像很好的促進了數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展。80年代，憑借著計算機的快速發(fā)展，極大的促進了數(shù)字圖像處理技術的普及與應用。90年代進入了數(shù)字圖像的高速發(fā)展時期，對于龐大的圖像信息量，數(shù)字圖像處理技術面臨著處理速度的進一步提高的需求。21世紀，數(shù)

22、字圖像處理技術向高速，高質，高效方面發(fā)展，開發(fā)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)軟件以達到實時處理，保存和提取圖像包含的最完整的豐富信息，實現(xiàn)圖像的智能生成，處理，理解，識別和分類。</p><p>　　遙感圖像處理技術是指對遙感圖像一系列的操作，以達到預期的目的，一般可以分為兩類，光學處理和數(shù)字圖像處理。</p><p>　　光學處理時利用光學、照相和電子學的方法對遙感模擬圖像，如照片、底片等進行處理。遙

23、感圖像光學處理已經(jīng)有了悠久的歷史，但是由于其處理精度不高、穩(wěn)定性差、設備笨重、操作復雜和工藝水平不高等因素限制了它的發(fā)展空間。到了60年代，在電子計算級技術的突飛猛進，數(shù)字圖像處理技術的高速發(fā)展下，大部分的遙感圖像光學處理的工作都被數(shù)字圖像處理技術所代替了。</p><p>　　到20世紀70年代，由于數(shù)字技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，給遙感圖像處理提供了先進的手段，遙感圖像數(shù)字處理也就從信息處理、自動控制系統(tǒng)論、

24、計算機科學、數(shù)字通信、電子技術等等科學中脫穎而出，稱為研究遙感圖像信息獲取，傳輸、存儲、變換、顯示、判讀與應用的一門嶄新學科。</p><p>　　傳統(tǒng)的遙感圖像增強方法是學習圖像增強的基礎，至今它們對于改善圖像質量仍發(fā)揮著重要的作用。本文通過ERDAS IMAGINE軟件著重研究了一般的圖像增強方法，通過觀察圖像的空間增強效果，發(fā)現(xiàn)空間增強過程中存在的問題，比較各種方法在遙感圖像解譯過程中的作用。實驗分析表明：

25、在實際應用中，不是所有圖像增強處理方法都要用到，具體采用哪種圖像增強處理方法，視具體的研究區(qū)域、研究內容和對象而定。</p><p>　　1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)域介紹</p><p>　　本文采用的是2002年的舟山海域的ETM+衛(wèi)星遙感圖像。</p><p><b>　　1.1 ETM+</b></p><p>　　由于各種

26、地物組成的物質成分、結構以及地物表面溫度的不同，其光譜特性也就不同，在黑白圖像上是色調的差異，在彩色圖像上是色別的不同，即使是同樣的地物在不同光譜的圖像上其色調（或色別）也會不同。不同圖像對不同地物的光譜效應不同[4]。</p><p>　　Landsat 7衛(wèi)星攜帶的傳感器ETM+是TM的增強型，它是一種改進型的多光譜掃描儀，其空間、光譜、輻射性能比MSS均有明顯提高，使數(shù)據(jù)質量與信息量大大增加，ETM+的掃描

27、鏡可在往返兩個方向進行掃描和獲取數(shù)據(jù)（MSS只能單方像），這樣可以降低掃描速率，增加停頓的時間，挺高測量精度，所以ETM+輻射分辨率從MSS的64、128個量級提高到256個量級。ETM+具有8個波段，與TM的波段，光譜特性和分辨率基本相似，最大的變化是增加了分辨率為15m的全色波段PAN（0.52~0.90μm），輻射定標誤差率小于5%，比Landsat5提高1倍[5]。</p><p>　　1.2 舟山海域介

28、紹</p><p>　　舟山背靠上海、杭州、寧波等大中城市群和長江三角洲等遼闊腹地，面向太平洋，具有較強的地緣優(yōu)勢，踞我國南北沿海航線與長江水道交 匯樞紐，是長江流域和長江三角洲對外開放的海上門戶和通道，與亞太新興港口城市呈扇形輻射之勢。 東臨太平洋，是遠東國際航線要沖，也是我國大陸地區(qū)唯一深入太平洋的海上戰(zhàn)略支撐基地[6]。</p><p>　　圖 2.1 舟山海域</p>

29、<p>　　Fig 2.1 Zhoushan sea area</p><p>　　1.3 ERDAS IMAGINE軟件簡介</p><p>　　ERDAS IMAGINE是美國ERDAS公司開發(fā)的專業(yè)的遙感圖像處理與地理信息系統(tǒng)軟件，是一個功能完整的，集遙感與地理信息系統(tǒng)于一體的專業(yè)軟件。ERDAS IMAGINE在遙感圖像處理方面有著很強大的功能如圖所示[6]。</

30、p><p>　　方便和直觀的操作步驟使用戶操作非常靈。ERDAS IMAGINE 的管理多窗口的功能非常齊全。不論是幾何校正還是航片、衛(wèi)片區(qū)域正射矯正以及其它與多個窗口有關的功能，IMAGINE都將相關的多個窗口非常方便地組織起來，免去了用戶開關窗口、排列窗口、組織窗口的麻煩，應用方便因而加快了產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。IMAGINE的窗口提供了卷簾、閃爍、設置透明度以及根據(jù)坐標進行窗口聯(lián)接的功能，為多個相關圖像的比較提供了方

31、便的工具。IMAGINE的窗口還提供了整倍的放大縮小、任意矩形放大縮小、實時交互式放大縮小、虛擬及類似動畫游戲式漫游等工具，方便對圖像進行各種形式的觀看與比較[7]。</p><p>　　圖 2.2 ERDAS IMAGINE功能體系</p><p>　　Fig 2.2 ERDAS IMAGINE function system</p><p>　　在ERDAS

32、IMAGINE軟件上的圖像增強方法可以分為：空間增強、輻射增強、光譜增強[9]。</p><p>　?。?）空間增強(Spatial Enhancement)。</p><p>　　空間增強技術是利用像元自身及其周圍像元的灰度值進行運算，達到增強整個圖像值目的。ERDAS IMAGINE 提供的空間增強處理功能如 表 2.1所示。</p><p>　　表 2.1 遙

33、感圖像空間增強命令及其功能</p><p>　　Tab 2.1 Space remote sensing image enhancement commands and their functions</p><p>　　表 2.2 遙感圖像輻射增強命令及功能 </p><p>　　Tab 2.2 Command remote sensing image and fu

34、nction of radiation</p><p>　　表 2.3 遙感圖像光譜增強命令及功能 </p><p>　　Tab 2.3 Spectral remote sensing image enhancement commands and functions</p><p>　　輻射增強（Radiometric Enhancement）</p>

35、<p>　　輻射增強處理是對單個像元的灰度值進行變換達到圖像增強的目的。ERDAS IMAGINE 提供的輻射增強處理功能如表 2.2所示。</p><p>　　光譜增強（Spectral Enhancement）</p><p>　　光譜增強處理是基于多波段數(shù)據(jù)對每個像元的灰度值進行變換，達到增強圖像的目的。ERDAS IMAGINE 提供的光譜增強處理功能如表2.3所示。&

36、lt;/p><p>　　本文主要研究的是空間增強的常用方法，詳細內容在下一章節(jié)中表述。</p><p>　　ERDAS IMAGINE的功能廣泛而強大，在本文中，主要運用ERDAS IMAGINE的圖像處理中的空間增強功能。參照不同方法在遙感圖像上的增強效果，比較各方法之間的優(yōu)缺點。應對不同的遙感圖像，為選用合適的空間增強方法提供參考。</p><p>　　2 遙感圖像

37、數(shù)字處理基礎知識</p><p><b>　　2.1遙感圖像解譯</b></p><p>　　遙感圖像的解譯就是根據(jù)圖像的幾何特征和物理性質，進行綜合分析，從而揭示出物體或現(xiàn)象的質量和數(shù)量特征，以及它們之間的相互關系，進而研究其發(fā)生發(fā)展過程和分布規(guī)律，也就是說根據(jù)圖像特征來識別它們所代表的物體或現(xiàn)象的性質。在對遙感圖像進行解譯時，必須要有高質量的圖像，即高幾何精度、高

38、分辨率的圖像，才有好的解譯效果。尤其是進行圖像增強和信息特征提取等預處理技術，對目視解譯很有幫助。因此要充分利用現(xiàn)有的各種處理手段，盡可恩的得到高質量的圖像。其中包括影像放大、影像數(shù)字化和圖像處理。 </p><p>　　ERDAS IMAGINE 軟件中的解譯模塊中就包含了遙感圖像空間增強、輻射增強、光譜增強、高光譜工具、傅里葉變換、地形分析、地理信息系統(tǒng)分析以及其他實用功能。</p><p

39、>　　遙感圖像處理內容包括：圖像復原、圖像增強和圖像分類[9]。</p><p>　?。?） 圖像復原。圖像復原是指借助某些方法，改正成像過程中因儀器性能弱點和大氣干擾等因素所導致的誤差，并期望使圖像失真縮小到最低程度，圖像復原主要進行幾何校正、大氣校正、輻射校正、掃描線脫落和錯位校正。在一般情況下，提高給使用人員的遙感圖像都進行了這項工作。所以圖像復原又稱預處理。</p><p>

40、　?。?）圖像增強。圖像增強時指利用光學儀器或電子計算機等手段，改變圖像的表現(xiàn)形式和影響特，使圖像變得更加清晰可判，目標物更加突出易辨。本文主要進行的就是遙感數(shù)字圖像的空間增強處理。</p><p>　?。?）圖像分類。圖像分類則是通過電子計算機對遙感圖像上的目標進行自動識別和類型劃分，直接得到解譯結果。</p><p>　　2.2 遙感圖像的表示</p><p>

41、　　地物的光譜特性一般以圖像的形式記錄下來。地面反射或發(fā)射的電磁波信息經(jīng)過地球大氣到達傳感器，傳感器根據(jù)地物對電磁波的反射強度一不同的亮度表示在遙感圖像上。遙感 傳感器記錄地物電磁波的形式有兩種：一種是以膠片或其他的光學成像載體的形式，另一種一數(shù)字形式記錄下來，也就是所謂的光學圖像和數(shù)字圖像的記錄方式記錄地物的遙感信息[10]。</p><p>　　與光學圖像處理相比，數(shù)字圖像的處理簡捷、快速，并且可以完成一些光

42、學處理方法所無法完成的各種特殊處理，隨著數(shù)字圖像處理設備的成本越來越低，數(shù)字圖像處理變的越來越普遍。本文主要討論遙感數(shù)字圖像處理的其中一種，遙感圖像空間增強方法。首先了解一些基礎的遙感數(shù)字圖像知識。</p><p>　　2.2.1 光學圖像</p><p>　　一個光學圖像，如相片或透明正片、負片等，可以看成是一個二維的連續(xù)的光密度（或透過率）函數(shù)。相片上的密度隨坐標x，y變化而變化，如果

43、取一個方向的圖像，則密度隨空間而變化，是一條連續(xù)的曲線[9]。我們用函數(shù)來表示，這個函數(shù)的特點是：它是連續(xù)變化的，其值是非負的和有限的，用下式表示：</p><p><b>　　（3—1）</b></p><p>　　2.2.2 數(shù)字圖像</p><p>　　數(shù)字圖像是一個二維的離散的光密度（或亮度）函數(shù)。相對于光學圖像，它在空間坐標（x，y）

44、和密近上都已離散化，空間坐標僅取離散值：</p><p><b>　　（3—2） </b></p><p><b>　?。?—3） </b></p><p>　　式中： 為離散化德坐標間隔。同時f（x，y）也僅取離，散值，一般去值區(qū)間為0,1,2，…，127或0,1,2，…，255等[13]。</p>

45、<p>　　數(shù)字圖像可用一個二維矩陣表示，即</p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　矩陣中每個元素稱為像元。</p><p>　　前面討論的光學圖像或數(shù)字圖像時一種空間域的表示形式，它是空間坐標x，y的函數(shù)。圖像還可以以另一種坐標空間來表示，即頻率域的形式來表示，這時圖像時頻率坐標的函數(shù)，用表示，通常域變

46、成頻率域是采用傅里葉變換，反之，則采用傅里葉逆變換。</p><p>　　2.3遙感圖像的獲取</p><p>　　目前遙感數(shù)字圖像的獲取,根據(jù)遙感傳感器其本構造和成像原理不向,大致可以分為攝影成像、掃描成像和雷達成像三類[11] .</p><p><b>　　(1)攝影成像</b></p><p>　　攝影成像是根據(jù)

47、鹵化銀物質在光照下會發(fā)生分解這一機制,將鹵化銀物質均勻地涂布在片基上,制成感光膠片.攝影時,通過曝光使感光膠片形成潛像,經(jīng)攝影處理(顯影、定影)后顯示出影像來.這種圖像是典型的遙感模擬圖像.</p><p><b>　　(2)掃描成像</b></p><p>　　掃描成像是掃描類遙感傳感器逐點逐行地以時序方式獲取的二維圖像.掃描成像的基本原理是,通過探測器將掃描獲得的

48、地物電磁波輻射轉變成電能,再由處理器對電能信號(視頻信號)進行放大、變換、校正、編輯等處理記錄在膠片上或記錄在磁帶(或光盤上).如要求記錄的信號為數(shù)字形式,則必須將視頻信號數(shù)字化,一般使用模/數(shù)變換器,對連續(xù)的模擬信號進行采樣、量化和編碼,變成離散的數(shù)字信號,形成記錄在磁帶(或光盤)上的遙感數(shù)字圖像.</p><p><b>　　(3)雷達成像</b></p><p>

49、;　　雷達成像是由發(fā)射機向側面發(fā)射—束窄脈沖,地物反射的微波脈沖(又稱回波),由無線收集后,被接收機接收.接收機接收到的信號經(jīng)電子處理器的處理,在陰極射線管上形成一條相應窄脈沖帶內各種地物反射特征的圖像線,記錄在膠片廣.遙感平臺向前飛行時,不斷地向側面發(fā)射一束一束窄脈沖,在陰極射線管上形成一個一個圖像線,這時膠片與遙感平臺速度同步轉動,就得到由回波信號強弱表示的雷達圖像.記錄在膠片上的圖像屬于遙感模擬圖像.</p><

50、;p><b>　　3 數(shù)據(jù)預處理</b></p><p>　　在遙感圖像的應用之前，常常需要對遙感圖像進行一些必要的處理，如不同格式的遙感數(shù)據(jù)的輸入輸出處理、多波段彩色合成處理、遙感圖像的輻射校正處理、幾何校正處理、鑲嵌處理、裁剪處理等，這些都稱為遙感圖像的預處理（Preprocessing）。遙感圖像的預處理能提高遙感數(shù)據(jù)的利用價值。</p><p>　　3.

51、1遙感數(shù)據(jù)的輸入輸出</p><p>　　我們在得到遙感數(shù)據(jù)之后，利用遙感數(shù)據(jù)之前，首先需要把各種格式的原始遙感數(shù)據(jù)輸入到計算機中個，轉換為各種遙感圖像處理軟件能夠識別的格式，才能夠進行下一部得應用，這就需要原始遙感數(shù)據(jù)的輸入輸出，以進行各種格式的原始遙感數(shù)據(jù)的轉換。</p><p>　　本文中研究的是舟山海域的ETM+遙感圖像，將ETM+格式轉換為IMG格式。具體步驟如下：</p&

52、gt;<p>　　在ERDAS IMAGINE 的圖標面板工具條中，點擊Import圖標打開輸入輸出對話框，選擇類型為 TM landsat-7 Fast-L7A EROS ，選擇要輸入的文件，給出輸出文件的名稱，點擊OK（如圖 4.1）。</p><p>　　點擊OK后進入下一個對話框，從這里可以看到該遙感圖像輸入輸出的詳細信息，直接點擊OK 就進入進程狀態(tài)。OK就完成了數(shù)據(jù)的輸入。</p&

53、gt;<p>　　圖 4.1 輸入輸出對話框</p><p>　　Fig 4.1 Input and output dialog box</p><p>　　圖 4.2 圖像信息</p><p>　　Fig 4.2 Image Information</p><p>　　3.2 遙感圖像的輻射校正</p><

54、p>　　3.2.1輻射校正概念</p><p>　　在遙感圖像成像時，由于各種因素的影響，使得遙感圖像存在一定的輻射量的失真現(xiàn)象。這些失真影響了圖像的質量和應用，必須進行消除。利用傳感器觀察目標的反射或輻射能量時，傳感器得到的測量值與目標的光譜反射率或光譜輻射亮度等物理量是不一致的，這是因為測量中包含了太陽位置和角度條件、薄霧等大氣條件所引起的失真[12]。為了正確評價目標的反射或輻射特性，也必須清楚這些失

55、真。消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度中的各種失真過程稱為輻射校正（Radiometric Correction）。</p><p>　　3.2.2 輻射誤差產(chǎn)生的原因和校正方法</p><p>　?。?）傳感器的靈敏度特性引起的輻射誤差校正</p><p>　　傳感器的光譜特響應特性和傳感器的輸出有直接的關系。在掃描方式的傳感器中，傳感器接收系統(tǒng)收集到的電磁波信號需經(jīng)光

56、電轉換系統(tǒng)變成電信號記錄下來，這個過程中會引起輻射量得誤差[13]。由于這種光電變換系統(tǒng)的靈敏度特性通常有很高的重復性，所以可以定期地在地面測量其特性，根據(jù)測量值可以對其進行輻射畸變校正。</p><p>　?。?）光照條件的差異引起的輻射誤差校正。</p><p>　　1）太陽高度引起的輻射誤差校正</p><p>　　由于太陽高度角的影響，在圖像上會產(chǎn)生陰影而壓

57、蓋地物，從而影響了遙感圖像定量分析和自動識別。為了盡量減少太陽高度角和方位角引起的輻射誤差，遙感的衛(wèi)星軌道大多設計在同一個地方時間通過當?shù)厣峡眨捎诩竟?jié)的變化和地理經(jīng)緯度的變化，造成太陽高度角和方位角的變化是不可避免的。太陽方位角的變化也會改變光照條件，它也隨成像季節(jié)、地理經(jīng)緯度的變化而變化。太陽方位角引起的圖像輻射值誤差通常只對圖像細節(jié)部特征產(chǎn)生影響，它可以采用與太陽高度角校正相類似的方法來進行處理。</p><

58、p>　　2）地形坡度引起的輻射誤差校正</p><p>　　太陽光線和地表作用以后再反射到傳感器的太陽光的輻射亮度和地面傾斜度有關。太陽光線垂直入射到水平地表和有一定傾角的坡面上所產(chǎn)生的輻射亮度是不同的，這樣由于地形起伏的變化，在遙感圖像上會造成同類地物灰度值不一致的。地形坡度引起的輻射校正方法需要有圖像對應地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，校正較為麻煩，一般情況下對地形坡度的誤差不做校正。</p><

59、p><b>　?。?）大氣校正</b></p><p>　　太陽光在到達地面目標之前，大氣會對其產(chǎn)生吸收和散射作用。同樣，來自目標物的反射和散射光在到達傳感器之前也會被吸收和散射。入射到傳感器的電磁波能量，除了地物本身的輻射以外還有大氣引起的散射光。從輻射數(shù)據(jù)處理的角度看，進入傳感器的輻射畸變成分包括：大氣的消光（吸收和散射）、天空光（大氣散射的太陽光）照射、路徑輻射。大氣的影響中主要

60、研究大氣散射的影響。散射作用降低遙感影響的發(fā)差比，反差比降低則使影響的分辨率降低。散射作用所增加的亮度值不包含有任何的地面信息，但卻降低了發(fā)差比，因此必須進行大氣的散射校正。</p><p>　　大氣校正的一般方法有：利用輻射傳輸方程進行大氣校正、利用地面實況數(shù)據(jù)進行大氣校正、利用輔助數(shù)據(jù)進行校正。</p><p>　　本文主要研究的是遙感圖像的空間增加方法，所以就不對圖像進行相關的輻射校

61、正。</p><p>　　3.3 遙感圖像的幾何校正</p><p>　　3.3.1 遙感圖像的幾何畸變</p><p>　　遙感圖像的幾何畸變，又稱幾何變形，是指圖像像元在圖像中的坐標與其他地圖坐標系等參考系統(tǒng)中的坐標之間的差異。遙感圖像上的幾何變形可分為靜態(tài)形和動態(tài)形兩大類[14]。靜態(tài)變形是指在一景圖像的形成過程中傳感器相對于地球表面呈靜止狀態(tài)時所具有的各種變

62、形差異。動態(tài)變形是指在一景圖像的形成過程中傳感器的運動所造成的各種圖像變形。在靜態(tài)變形中，有可分為內部畸變和外部畸變兩類。內部誤差是由傳感器結構等因素引起的，如攝像機的焦距變動、像主點的偏移、鏡頭畸變、光機掃描儀的掃描線首末點成像時間差、不同波段上相同位置的掃描線成像時間差、掃描棱鏡旋轉速度不均勻、掃描線的非直線性和非平行性等。內部畸變的大小因傳感器結構而異，一般誤差不大。外部畸變是指傳感器本身處在正常工作的條件下，有傳感器以為的各種因

63、素所造成的誤差，可進一步分為平臺引起的畸變和目標物（地球的自傳等）引起的畸變，有傳感器的外方位變化、傳感介質的不均勻、地球曲率、地形起伏、地球旋轉等因素所引起的誤差。</p><p>　　3.3.2遙感圖像的幾何校正</p><p>　　由于衛(wèi)星獲取圖像時的成像方式、傳感器方位元素、地形起伏、大氣折射等靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差的影響，使得某些地物在圖像上的幾何位置、尺寸和形狀與實際當中的地物特性

64、不一致，從而產(chǎn)生遙感影像的幾何畸變。不能將其直接用于項目研究應用，所以在利用遙感影像進行項目應用之前必須進行影像的幾何校正。幾何校正的目的是糾正影像成像過程中的幾何畸變，校正分為兩類:幾何粗校正和幾何精校正。幾何粗校正是系統(tǒng)級的誤差校正，針對傳感器內部畸變做出校正，它需要傳感器的有關成像參數(shù)幾何精校正是利用控制點進行的幾何校正。它是用一種數(shù)學模型來近似描述遙感圖像的幾何畸變過程，并利用畸變的遙感圖像與標準地圖之間的一些對應點求得這個幾何

65、畸變模型。然后利用此模型進行幾何畸變的校正。</p><p>　　幾何精校正是指從具體有幾何畸變的圖像中消除畸變的過程，也可以說是定量地確定圖像上的像元坐標（圖像坐標）與地理坐標（地圖坐標）的對應關系（坐標變換式），即把數(shù)據(jù)投影到理想的空間平面上，使之符合投影系統(tǒng)的過程。為了將所獲得的數(shù)據(jù)投影到理想的空間平面上產(chǎn)生精確的換算模型，需要借助一組地面控制點的GCP（Ground Control Point）來進行幾何

66、校正。遙感圖像幾何校正的一般步驟：</p><p>　?、俅_定校正方法：根據(jù)遙感圖像幾何畸變的性質和可用于校正的數(shù)據(jù)確定幾何校正的方法；</p><p>　?、诖_定校正公式：確定原始輸入圖像上的像點和幾何校正后的圖像的像點之間的變換公式，并根據(jù)控制點等數(shù)據(jù)確定變換公式中的未知參數(shù)；</p><p>　　③驗證校正方法、校正公式的有效性：檢查幾何畸變能否得到充分的校正

67、，探討校正公式的有效。當判斷為無效時，分析其原因，對新的校正公式（校正方法）進行探討，或對校正中所用的數(shù)據(jù)進行修改；</p><p>　　④重采樣、內插：對原始輸入圖像進行重采樣，在重采樣中，由于計算機的對應位置的坐標不是整數(shù)值，所以必須通過對周圍的像元值進行內插來求出新的像元值，得到消除幾何畸變的圖形。</p><p>　　3.4遙感圖像的鑲嵌</p><p>　

68、　圖像鑲嵌(Mosaic) 是將兩景或多景數(shù)字圖像(它們有可能是在不同的攝影條件下獲取的)拼接在一起 ，構成一幅整體圖像的技術過程[5]。在遙感圖像的應用中，常常需要吧研究區(qū)若干經(jīng)校正的單幅遙感影響拼接起來，稱為遙感圖像的鑲嵌后拼接。遙感圖像鑲嵌的要求：首先需要根據(jù)專業(yè)要求挑選合適的遙感數(shù)據(jù)，盡可能選擇成像時間和成像條件相近的遙感圖像；要求相鄰影像的色調一致；遙感影像鑲嵌之前要進行幾何校正，必須全部包含地圖的投影信息。要鑲嵌的遙感圖像的

69、像元大小可以不同，打必須具有相同的波段數(shù)[12]。</p><p>　　3.5遙感圖像的裁切</p><p>　　在處理遙感影像時，經(jīng)常需要從原始的很大范圍的整景遙感影響得到研究區(qū)得較小范圍的遙感影像，這就是遙感影像的裁切。遙感影像的裁切包括規(guī)則范圍的裁切和不規(guī)則范圍的裁切。規(guī)則的裁切包括矩形、正方形形狀的遙感圖像，不規(guī)則裁切包括不規(guī)則多邊形范圍的遙感圖像[12]。</p>

70、<p>　　4 遙感圖像空間增強方法分析</p><p>　　4.1 遙感圖像增強概念及分類</p><p>　　遙感圖像增強處理（Enhancement）是遙感圖像數(shù)字處理的最基本方法之一，通過增強處理可以突出遙感圖像中的有用信息，使圖像中感興趣的特征得以強調，使圖像變得清晰，遙感圖像增強處理的主要目的是為了提高遙感圖像的可解譯性[13]。</p><p&g

71、t;　　遙感圖像增強處理按照增強信息內容可以分為波普特性增強、空間特性增強以及時間信息增強三大類[15]。波普信息增強主要突出灰度信息；空間特性增強主要是對圖像中的線、邊緣、紋理結構特征進行增強處理；時間信息增強主要針對多時相圖像影響而言，其目的是提取多時相中波普與空間特征隨時間變化的信息。圖像增強處理方法就是按照這三種信息的提取而設計的，一些方法只用于特定信息的增強，而抑制或損失了其他的信息。例如，定向濾波是用來增強圖像中的線與邊緣特

72、征，在增強專題信息的同時，是以犧牲圖像中的波普信息為代價的；一些方法可以用于幾種信息的同時增強，例如對比度擴展，對比度擴展能夠突出特定的灰度變化信息，同時由于圖像對比度的加大，圖像中的線與邊緣特征也得到了加強。</p><p>　　遙感圖像增強處理既可以在空間域進行，也可以在頻率域進行[14]。從這個意義上來說，遙感圖像的增強處理又可以分為空間域增強和頻率域增強兩大類?？臻g濾波是在圖像空間變量范圍內進行局部計算，

73、使用二維空間卷積方法。空域圖像是指組成遙感圖像的像素集合，空域圖像增強是指圖像平面上直接對圖像中像素灰度值進行運算處理，如灰度變換，直方圖均衡化[16]，圖像的空域平滑和銳化處理等；頻域圖像增強是對圖像經(jīng)傅里葉變換后的頻譜成分進行操作，然后逆傅里葉變換獲得所需的結果，如低通濾波技術[17]，高通濾波技術[18]，帶通和帶阻濾波，同態(tài)濾波[19]。一般說來，頻率域方法與空間域方法實質上沒有太大差別，只是頻率域的算法計算量相對大些，精度較高

74、，一般無邊緣像點的損失，圖像顯示協(xié)調；而以窗口方法的空間域方法，計算簡單，易于實現(xiàn)，精度較差，常常要造成圖像邊緣像點的損失，圖像有不協(xié)調之感。</p><p>　　從遙感圖像處理的數(shù)學形式看，遙感圖像的增強處理技術可以分為點處理和領域處理兩大類[19]。點處理是一種比較簡單的圖像處理形式，點處理基于自己的值，不考慮周圍像元的值，把原圖像中的每一個像元值，按照特定的數(shù)學變換模式轉換成輸出圖像中的一個新的灰度值，例如

75、多波段圖像處理中的線性擴展、比值、直方圖變換等、領域處理中，輸出圖像的灰度不僅僅與原圖像中所對應像元點的灰度值有關，它是針對一個像元點周圍的一個小領域的所有像元而進行的，輸出值的大小除與像元點在原圖像中的灰度值大小有關外，還決定于它鄰近像元點的灰度值大小，這種技術對于每一個輸出像元需要處理很多像元。卷積運算，中值濾波、滑動平均等都是領域處理的例子。</p><p>　　遙感圖像特征增強是一個相對的概念，特定的圖像

76、增強處理方法往往只強調對某些方面信息的突出，而另一部分信息受到壓抑。同時一種圖像增強方法的效果好壞，除與算法本身的優(yōu)劣有一定的關系外，還與圖像的數(shù)據(jù)特征有直接關系。這就是說很難找到一種算法在任何情況下都是最好的。實際工作中應當根據(jù)遙感圖像的數(shù)據(jù)特點和工作要求來選擇合理的遙感圖像增強處理方法。遙感圖像增強處理方法很多，但從信息提取角度看，有些方法彼此之間的差異很小。</p><p>　　4.2遙感圖像空間增強<

77、;/p><p>　　圖像的濾波處理是指對圖像中某些空間文理特征的信息增強處理或抑制，如增強高頻信息抑制低頻信息，及突出邊緣、線條、文理、細節(jié)；增強低頻信息抑制高頻信息，即去掉細節(jié)，保留圖像中的主干、粗結構。圖像的濾波增強實質是增強圖像的某些空間頻率特征，即改變目標與其領域間像元的對比關系。濾波增強技術有兩種：空間域濾波和頻率域濾波?？臻g域濾波實質圖像的空間變量內進行局部運算，使用空間二維卷積方法實現(xiàn)濾波。頻率域濾波使

78、用傅里葉分析等方法，通過修正原圖像的傅里葉變換式實現(xiàn)濾波。比較兩種方法，空間域濾波運算簡單，易于實現(xiàn)，但精圖度較差，增強容易過度，使圖像有不協(xié)調的感覺；頻率濾波計算量相對較大，精度比較高，圖像顯示較協(xié)調。</p><p><b>　　4.2 卷積增強</b></p><p>　　圖像卷積運算是在空間域上對圖像作局部檢測的運算，已實現(xiàn)平滑和銳化的目的。圖 5.1是應用模

79、板進行增強的示意圖，具體運算方法如下：</p><p>　　選定一卷積函數(shù)，有稱作“模板”T（m，n），實際上是一個M×N圖像。</p><p>　　從圖像左上角開始開一與模板同樣大小的活動窗口，圖像窗口與模板像元的灰度值對應相乘再相加。假定模板大小為M×N，窗口為X（m，n），模板為T（m，n），則模板運算為</p><p><b>

80、　　（5—1）</b></p><p>　　將計算結果r（i，j）放在窗口中心的像元位置，成為像元的新灰度值。</p><p>　　然后活動窗口向有移動一個像元，在按上式同樣運算，仍舊計算結果放在移動后的窗口中心位置上。依此逐點逐行進行運算，直到全圖掃描一遍，生成新圖像。</p><p>　　圖5.1 空間域模板濾波示意圖</p><

81、p>　　Figure 5.1 Schematic diagram of spatial filtering template</p><p>　　本文中主要通過ERDAS IMAGINE 軟件完成上述的所有過程，具體操作步驟如下：</p><p>　　(1)在ERDAS圖標面板工具條中，點擊Interpreter/Spatial Enhancement/Convolution，打開C

82、onvolution對話框，選擇要輸入的文件，給出輸出文件的名稱，選擇輸出目錄，設置好如 下參數(shù)。</p><p>　　圖 5.2 卷積增強對話框</p><p>　　Figure 5.2 Convolution dialog box enhancements</p><p>　?。?）直接點擊OK 就進入進程狀態(tài)。OK就完成了數(shù)據(jù)的增強。</p>&

83、lt;p>　?。?）在ERADA圖標面板工具條中，點擊Viewer，打開Viewer對話框，點擊File/Open/Raster Layer，打開增強后的遙感圖像，在另一個窗口打開原圖像，對兩個圖像進行對比分析。</p><p>　　圖5.3 卷積增強后圖像</p><p>　　Figure 5.3 Convolution enhanced image</p><

84、p>　　圖 5.4 卷積增強原圖</p><p>　　Figure 5.4 Convolution enhanced artwork</p><p><b>　　4.3傅立葉變換</b></p><p>　　遙感圖像處理過程中常常需要對圖像進行傅立葉變換，因為在傅立葉變換前的空間中復雜的卷積運算在傅立葉變換后的頻率域中變?yōu)楹唵蔚倪\算，使算

85、法非常簡潔，有理于處理速度的提高。</p><p>　　遙感圖像時由灰度值組成的數(shù)字矩陣，是二維的離散數(shù)據(jù)，離散傅立葉變變換實際上就是將連續(xù)傅立葉變換中的積分號改成累加號即可。</p><p>　　一維離散變換的傅立葉變換為：</p><p><b>　　（5—2）</b></p><p><b>　　其逆變換

86、為：</b></p><p><b>　?。?—3）</b></p><p>　　對于二維離散變量（x,y），（x=0，1，…，N-1，y=0，1，…，M-1），其傅立葉變換為：</p><p><b>　?。?—4）</b></p><p><b>　　其逆變換為：</

87、b></p><p><b>　　（5—5）</b></p><p>　　傅立葉變換應該與其他變換如對數(shù)變換相結合起來完成在空間域質量關很難實現(xiàn)的圖像增強處理。例如，亮度值是照度和反射率的乘積，頻率域中照度和背景相關聯(lián)對應于低頻成分，而反射率和目標信息相關聯(lián)并對應于頻率域中的高頻成分。直接對圖像進行處理使背景減弱又同時增強目標信息是很困難的，但可以通過取對數(shù)的方

88、法，則亮度值的對數(shù)等于照度的對數(shù)和反射率的對數(shù)之后，前者成為后者的疊加，通過對他們進行傅立葉和變換和高通濾波，就可以實現(xiàn)所要求的目標增強。</p><p><b>　　4.4 銳化處理</b></p><p>　　遙感圖像的線與邊緣特征增強處理即圖像的銳化處理。常用的圖像銳化處理方法有微分法、卷基處理、統(tǒng)計區(qū)分法、頻率域高通濾波法分。</p><p

89、><b>　　4.4.1微分法</b></p><p>　　一次微風在離散的情況下可以用差分近似代替，其表達式為：</p><p><b>　　（5—6）</b></p><p>　　一次微分是圖像銳化的基本算法，一次微分是一種高通濾波器，其缺點是易于放大噪聲。一次微分是各向異性的，也就是說微分因方向不同而不同，因而

90、主要用于增強遙感圖像中的方向線與邊緣，也就是圖像的線與邊緣檢測。偶數(shù)次微分（如二次微分）是各向同性的，常常用于我明顯方向性的邊緣特征的檢測，如遙感圖像中的環(huán)形體的增強主要用二次微分。</p><p><b>　　4.4.2卷積處理</b></p><p>　　圖像的定向濾波又稱為圖像的卷積運算，也就是通過一定尺寸的方向模板對圖像進行卷積運算，并以卷積值代替各店亮度值來

91、實現(xiàn)的。卷積的運算是一種定向濾波運算，卷積的效果決定于模板的最大響應方向。</p><p>　　4.4.3統(tǒng)計區(qū)分法</p><p>　　統(tǒng)計區(qū)分法對邊緣進行處理增強處理也是采用鄰域處理的方法，去像元點（i，j）的一個鄰域，這個像元點的灰度輸出值有下式給出：</p><p><b>　?。?—7）</b></p><p>

92、;　　式中：f1（i，j）——原圖像像元點（i，j）的灰度值；</p><p>　　f2（i，j）——輸出圖像像元點（i，j）的灰度值；</p><p>　　S——原圖像像元（i，j）鄰域內所有像元灰度的標準差。</p><p>　　4.4.4頻率域的高通濾波</p><p>　　利用頻率域技術對遙感圖像進行銳化處理的原理與對圖像進行平滑處理

93、是相似的，所不同的是平滑處理用的是低通濾波器，而銳化處理用的是高通濾波器。與低通濾波器完全相反，高通濾波法設計一種傳遞函數(shù)G（u，v），使其在低頻域中讓高頻信息通過卻阻止低頻信息，起到高通濾波的器的作用，達到突出圖像邊緣信息，加大對比度，實現(xiàn)圖像銳化的目的。</p><p><b>　　4.4.5操作步驟</b></p><p>　　(1)在ERADA圖標面板工具條中

94、，點擊Interpreter/Spatial Enhancement/Crisp，打開Crisp對話框，選擇要輸入的文件，給出輸出文件的名稱，選擇輸出目錄，設置好如下參數(shù)。</p><p>　　圖 5.6銳化處理窗口</p><p>　　Figure 5.6 sharpening window</p><p>　　直接點擊OK 就進入進程狀態(tài)。OK就完成了數(shù)據(jù)的銳化

95、處理。</p><p>　?。?）在ERADA圖標面板工具條中，點擊Viewer，打開Viewer對話框，點擊File/Open/Raster Layer，打開增強后的遙感圖像，在另一個窗口打開原圖像，對兩個圖像進行對比分析。</p><p>　　圖 5.7 銳化處理后的細節(jié)圖像</p><p>　　Figure 5.7 details of the image

96、 after sharpening</p><p>　　圖5.8 銳化處理前的細節(jié)圖像</p><p>　　Figure 5.8 details of the image before sharpening</p><p>　　4.5 各種空間增強方法的比較</p><p>　　卷積增強方法主要體現(xiàn)在遙感圖像的背景如河流、海島、海岸線等主干及

97、大型線性構造等方面的線性邊緣增強效果，而圖像銳化處理的主要體現(xiàn)在房屋、樹木、公路等小地貌變換的邊緣增強。卷積增強以保留主干，主結構為目的，可以較快圖像主要信息的解譯速度。但是有可能會丟失地物的某些信息，損失像元點。不能夠很好的解譯圖像的細節(jié)信息。銳化處理雖然不能夠很好的增強遙感圖像的背景信息，但是可以很好的做到圖像細節(jié)信息的增強，突出遙感圖像的邊緣、線條、紋理、細節(jié)等部分。如果兩種方法能夠相互補充，就能為解譯帶來更好的解譯效果。<

98、/p><p>　　空間域增強方法雖然易于實現(xiàn)，但精度較差，增強容易過度，使圖像有不協(xié)調的感覺。如果結合頻率域增強方法如傅里葉變換，不僅能夠使空間中復雜的卷積運算變的簡單，有利于處理速度的提高，還可以提高圖像精度和協(xié)調感。</p><p><b>　　5 結論與討論</b></p><p>　　本文主要研究了舟山海域的ETM+衛(wèi)星遙感圖像的空間增強方

99、法。遙感圖像空間增強可以在空間域上進行，也可以在頻率域上進行。本文主要實驗了卷積增強與銳化處理等圖像增強方法，在實際解譯過程中也有很強大作用。但是兩種方法在增強的效果并不完全相同。</p><p>　　就如卷積增強在遙感圖像的背景如河流、海島、海岸線等主干及大型線性構造等方面的線性邊緣方面效果顯著，但是會丟失地物的某些信息，損失像元點，使圖像細節(jié)部分模糊化。又如銳化處理，主要增強的是較小的目標物體（如房屋，公路，

100、植被等）的邊緣效果。同時在處理圖像過程中可以進行傅立葉變換，以減少各運算的復雜程度。遙感圖像成像過程中存在畸變(誤差)，如輻射畸變、幾何畸變，在使用前要進行預處理。增強技術是數(shù)字圖像預處理的一項主要內容，它直接影響圖像的增強效果。</p><p><b>　　在實際應用時</b></p><p>　　遙感圖像增強技術的探索具有實驗性和多樣性，其增強的方法往往具有針對性

101、。在實際情況中，要找到一種有效的方法常常必須廣泛的進行實驗，在沒有給定圖像質量怎樣被降低的先驗知識時，要預測某種具體方法的效用是很困難的。經(jīng)常采用的方法是，使用幾種增強技術的組合或使用調節(jié)參數(shù)的方法，要取得對一幅圖像較好的改善效果，有時要綜合運用多種增強方法，發(fā)揮每種方法的特長，這就要求我們了解各種增強方法的特點。要依據(jù)圖像結構的特點和圖像處理的要求，選用相應的增強方法。對于某種具體的圖像增強方法，觀看增強圖的效果，分析取得較好效果圖像

102、的特點，這樣可以加快對圖像增強方法的選取。調節(jié)參量是圖像增強時經(jīng)常使用的一種方法，如何確定參量最佳數(shù)值，是取得較好圖像效果的關鍵因素[21]。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張小勤遙感技術的,發(fā)展與應用,山西煤炭管理干部學院學報,2005.</p><p>　　[2] 韓紅紅，李學春，掃描圖像的增強恢

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