ENVI遥感图像增强处理

任务五图像增强
目录
1.空间域增强处理 (1)
1.1卷积滤波 (1)
2.辐射增强处理 (2)
2.1交互式直方图拉伸 (2)
3.光谱增强处理 (4)
3.1波段比的计算 (4)
3.2色彩空间变换 (5)
3.3NDVI计算 (6)
4.傅里叶变换 (6)
4.1快速傅里叶变换 (6)
4.2定义FFT滤波器 (7)
4.3反向FFT变换 (8)
5.波段组合 (8)
5.1RGB合成显示 (8)
图像增强的主要目的是提高图像的目视效果，以便处理结果图像比原图像更适合于特定的应用要求，方便人工目视解译、图像分类中的样本选取等。

ENVI图像增强的内容主要包括：
●空间域增强处理
●辐射增强处理
●光谱增强处理
●傅里叶变换
●波段组合
1.空间域增强处理
空间域增强处理是通过直接改变图像中的单个像元及相邻像元的灰度值来增强图像。

1.1卷积滤波
卷积滤波是通过消除特定的空间频率来增强图像。

它们的核心部分是卷积核，ENVI提供很多卷积核，包括高通滤波、低通滤波、拉普拉斯算子、方向滤波、高斯高通滤波、高斯低通滤波、中值滤波、Sobel、Roberts，还可以自定义卷积核。

使用数据：lena.jpg
具体操作：
通过尝试ENVI提供的各种图像增强算子，观察比较图像增强的效果。

（1）打开图像文件lena.jpg。

（2）在主菜单中，选择Filter→Convolutions and Morphology。

（3）在Convolutions and Morphology Tool中，选择Convolutions→滤波类型。

（4）不同的滤波类型对应不同的参数，主要包括三项参数：
●Kernel Size（卷积核的大小）
卷积核的大小，以奇数来表示，如3×3、5×5等，有些卷积核不能改变大小，包括Sobel和Roberts。

●Image Add Back（输入加回值）
将原始图像中的一部分“加回”到卷积滤波结果图像上，有助于保持图像的空间连续性。

该方法常用于图像锐化。

“加回”值是原始图像在结果输出图像中所占的百分比。

●Editable Kernel（编辑卷积核中各项的值）
在文本框中双击鼠标可以进行编辑，选择Kernel可以把卷积核保存为文件（.ker），选择Kernel可以打开一个卷积核文件。

（5）卷积增强图像中的单个波段
a）选择Convolutions→High Pass，其他项按照默认设置，单击Quick Apply按钮，第一次点击此按钮会提示选择增强的波段，增强后的波段在Display中显示。

如果要更改卷积增强波段，选择Options→Change Quick-Apply Input Band。

b）选择Quick Result to File，可以将增强结果保存
（6）卷积增强图像文件
a）单击Apply To File按钮，在Convolution Input File对话框中选择图像文件。

b）选择输出路径及文件名。

2.辐射增强处理
辐射增强处理是通过对单个像元的灰度值进行变换来增强处理，如直方图匹配、直方图拉伸、去条带噪声等。

2.1交互式直方图拉伸
使用数据：lena.jpg
将一个多光谱图像打开并在Display中显示。

在主图像窗口中，选择Enhance→Interactive stretching，就可以打开交互式直方图拉伸操作对话框（图1）。

图1 交互式直方图拉伸操作对话框
在交互式直方图拉伸操作对话框中：
●显示一个输入直方图和一个输出直方图，它们表明当前的输入数据以及分别应用的拉
伸。

●两条垂线（虚线）表明当前拉伸所用到的最小值和最大值，其值显示在Stretch标签的
两个文本框中。

●对于彩色图像来说，直方图的颜色与所选择的波段颜色一致（系统默认显示红色波段），
可以用鼠标选择RGB波段。

●在状态栏中列出拉伸类型和直方图来源，或者当前十字指针指定DN值和指定DN值的
像元数、直方图及累计直方图。

在交互式直方图拉伸操作对话框中的菜单命令及其功能。

菜单命令功能
Export Stretch Save Stretch to LUT Restore LUT Stretch Save Plot As 输出图像拉伸结果
拉伸结果（LUT表）可以保存为ASCII文件或默认拉伸LUT 打开原先保存的LUT
导出直方图为图像文件
放大窗口（Zoom）、整个原始波段（Band）和感兴趣区（ROI）。

Default命令菜单包括一些默认拉伸方式以及直方图生成源，与主图像菜单中Enhance的默认拉伸一致。

交互式直方图拉伸的操作过程：
（1）在Display中加载图像，在主图像窗口中，选择Enhance→Interactive stretching，打开交互式直方图拉伸操作对话框。

（2）要浏览像元DN值和指定DN值的像元个数、百分比以及累计百分比，可以在直方图内按住鼠标左键并拖动随之产生的白色十字交叉指针，在状态栏中显示信息。

（3）在交互式直方图拉伸操作对话框中，选择Stretch_Type→拉伸方法。

不同拉伸方法操作和参数设置不一样，常用操作如下：
●Linear（线性拉伸）
（1）选择Stretch_Type→Linear
（2）选择Options→Auto Apply，打开自动应用功能
（3）设定拉伸范围，使用鼠标左键，移动输入直方图中的垂直线（白色虚线）到所需要的位置，或在“Stretch”文本框中输入所需要的DN值或一个数据百分比
●Piecewise Linear（分段线性拉伸）
（1）选择Stretch_Type→Piecewise Linear
（2）选择Options→Auto Apply，打开自动应用功能
（3）一个转换函数（初始伟一条白色直线）将被绘制在输入直方图中。

在输入直方图的任何位置点击鼠标中键，为转换函数增加一个节点，绘制的线段将把端点和绘制的节点标记连接起来。

（4）要移动一个点的位置，在标记上按住鼠标左键，然后把它拖放到一个新位置。

要删除
点，在标记上点击鼠标右键。

也可以手动地键入输入和输出值，选择Options→Edit Piecewise Linear。

●Gaussian（高斯拉伸）
（1）选择Stretch_Type→ Gaussian
（2）选择Options→Auto Apply，打开自动应用功能
（3）设定拉伸范围，使用鼠标左键，移动输入直方图中的垂直线（白色虚线）到所需要的位置，或在“Stretch”文本框中输入所需要的DN值或一个数据百分比
（4）选择Options→ Set Gaussian Stdv，设置高斯标准差
（5）输出直方图用一条红色曲线显示被选择的Gaussian函数。

被拉伸数据的分布呈白色，并叠加显示在红色Gaussian函数上
●Equalization（直方图均衡化拉伸）
（1）选择Stretch_Type→ Equalization
（2）选择Options→Auto Apply，打开自动应用功能
（3）设定拉伸范围，使用鼠标左键，移动输入直方图中的垂直线（白色虚线）到所需要的位置，或在“Stretch”文本框中输入所需要的DN值或一个数据百分比
（4）根据拉伸DN值范围自动缩放数据，使每个直方图中的DN数相均衡。

输出直方图用一条红色曲线显示均衡化函数，被拉伸数据的分布呈白色叠加显示（图2）。

图2 直方图均衡化
3.光谱增强处理
光谱增强处理是基于多光谱数据对波段进行变换达到图像增强处理，如主成分变换、独立成分变换、色彩空间变换、色彩拉伸等。

3.1波段比的计算
计算波段的比值可以增强波段之间的波谱差异，减少地形的影响。

用一个波段除以另一个波段生成一幅能提供相对波段强度的图像，该图像增强了波段之间的波谱差异。

计算波段
比，必须输入一个“分子”波段和一个“分母”波段，波段比是分子与分母的比值。

使用数据：can_tmr.img
计算波段比的具体操作如下：
（1）打开一个多波段图像文件（TM图像）。

（2）在主菜单中，选择Transforms Band Ratios。

（3）在Band Ratios Input Bands对话框中，从可用波段列表（Select from the Available Band）中选择分子（Numerator）和分母（Denominator）波段。

例如，近红外波段/红波段（图3）。

单击Clear按钮可以清除选择的分子和分母波段。

（4）单击Enter Pair按钮，将比值波段添加到Selected Ratio Pairs中。

（5）选择输出文件路径及文件名，单击OK按钮。

（6）将得到的近红外波段/红波段比值图像与近红外波段和红波段的灰度图像进行对比，特别是植被、裸地的灰度变化。

图3 波段比的计算
3.2色彩空间变换
ENVI支持将三波段红、绿、蓝图像变换到一个特定的彩色空间，并且能从所选彩色空间变换回RGB。

两次变换之间，通过对比度拉伸，可以生成一个色彩增强的彩色合成图像。

ENVI支持的彩色空间包括“色度、饱和度、颜色亮度值（HSV）”，“色度、亮度、饱和度（HLS）”和描述土壤岩石颜色特征的HSV（USGS Munsell）。

使用数据：can_tmr.img
色彩空间变换操作比较简单，下面以RGB to HSV为例，各种色彩空间变换操作过程类
似。

（1）打开多光谱图像can_tmr.img，显示为RGB彩色图像。

（2）在主菜单中，选择Transforms→Color Transforms→RGB to HSV。

在RGB to HSV Input 对话框中，可以从一个显示的彩色图像窗口或可用波段列表中选择3个波段进行变换。

（3）在RGB to HSV Parameters对话框中，选择输出路径及文件名，单击OK按钮完成。

3.3NDVI计算
归一化植被指数NDVI计算可以将多光谱数据变换成一个单独的图像波段，用于显示植被分布。

较高的NDVI值预示着包含较多的绿色植被。

ENVI的NDVI使用如下标准算法：
NIR-Red
NDVI=
NIR+Red
NDVI值的范围为-1~+1。

ENVI已经为A VHRR、Landsat MSS Landsat TM、SPOT和A VIRIS数据预设值了相应波段，对于其他数据类型，可以自己指定波段来计算NDVI值。

使用数据：0112024.img
（1）打开TM图像0112024.img。

（2）在主菜单中，选择Transforms→NDVI。

在NDVI Calculation Input File对话框中，选择TM图像，单击OK按钮。

（3）在NDVI Calculation Input File对话框中，Input 选择Landsat TM。

用于计算NDVI的波段将被自动导入到“Red”和“Near IR”文本框中。

（4）在Output Data Type选择输出字节型（Byte）或浮点型（Floating Point）。

如果选择字节型输出，键入最小NDVI值，该值将被拉伸为0；键入最大NDVI值，该值将被拉伸为255，获得的ENVI将被拉伸为0~255范围内。

如果选择浮点型，ENVI数值范围保持为-1~1。

（5）选择输出路径及文件名，单击OK按钮。

4.傅里叶变换
傅里叶变换是将图像从空间域转换到频率域，首先，把图像波段转换成一系列不同频率的二维正弦波傅里叶图像；然后，在频率域内对傅里叶图像进行滤波、掩模等各种操作，减少或者消除部分高频或者低频成分；最后，把频率域的傅里叶图像变换为空间域图像。

傅里叶变换主要用于消除周期性噪声，还可以消除由于传感器异常引起的规律性错误。

使用数据：lena.jpg
4.1快速傅里叶变换
应用傅里叶变换的第一步是把图像波段转换为一系列不同频率的二维正弦波傅里叶图像。

这个过程由傅里叶变换（FFT）来完成，具体操作如下：
（1）打开图像。

（2）在主菜单中，选择Filters→FFT Filtering→Forward FFT。

在Forward FFT Input File对话框中，选择输入图像文件。

（3）在Forward FFT Parameters对话框中，选择输出路径及文件名。

在可用波段列表中，选择一个FFT图形显示在Display中。

中间很亮的部分集中了图像的低频信息；外围较暗的部分集中了图形的高频信息；图中外边框两个较明显的小白条是周期性条带噪声，方向与空间域中图像垂直（图4）。

图4 lena的频率域图像
4.2定义FFT滤波器
在快速傅里叶变换得到的结果上，可以定义一些滤波器进行频率域的增强处理，过程如下：
（1）在Display窗口中显示一幅FFT图像。

（2）在主菜单中，选择Filters→FFT Filtering→Filter Definition。

在Filter Definition选择对话框中，选择当前显示FFT图像的Display窗口；另外的“No Display”选项指出该滤波器不与某个特定显示图像有关，并且需要在“Samples”和“Lines”文本框中键入滤波器的尺寸大小，单击OK按钮。

（3）在Filter Definition对话框中，选择Filter_Type→滤波器类型。

选择不同的滤波器类型需要设置的参数不一样，下面是对各种滤波做一个介绍：
●Circular Pass和Circular Cut
Circular Pass为低通滤波器，Circular Cut为高通滤波器，需要在“Radius”文本框中以像元为单位输入滤波半径。

“Number of Border Pixels”参数用于细化滤波器（平滑滤波器的边缘），0值代表没有平滑。

●Band Pass和Band Cut
对于“Band Pass”或“Band Cut”滤波器，在“Inner Radius”和“Outer Radius”文本框中，以像元为单位键入所需值，构成一个圆环，Band Pass滤波器保留圆环以外的能量谱，Band Cut滤波器保留圆环以内的能量谱。

“Number of Border Pixels” 参数用于细化滤波器（平滑滤波器的边缘），0值代表没有平滑。

●User Defined Pass和User Defined Cut
User Defined Pass和User Defined Cut是自定义滤波器，借助注记工具，可以构建自定义滤波器。

4.3反向FFT变换
ENVI反向FFT变换程序包含两步操作，先应用FFT滤波，然后将FFT图像变换回空间域数据。

操作过程如下：
（1）在主菜单中，选择Filter→FFT Filtering→Inverse FFT，在Inverse FFT Input File对话框中，选择FFT图像，单击OK按钮。

（2）在Inverse FFT Filter File对话框中，选择应用的滤波图像，单击OK按钮。

（3）在Inverse FFT Parameters窗口中，选择输出文件路径及文件名。

在适当的下拉菜单中，选择输出数据的类型（字节型、整型、浮点型等），单击OK按钮处理图像。

5.波段组合
通常，在Display窗口中显示的彩色图像是RGB假彩色合成图像。

根据不同的用途选择不同波长范围内的波段作为RGB分量合成RGB彩色图像，如经常用到的自然彩色图像、标准假彩色图像、模拟真彩色图像。

5.1RGB合成显示
使用数据：can_tmr.img
ENVI的RGB合成彩色图像显示过程是在可用波段列表（Available Bands List）中完成的。

（1）在Available Bands List中，选择RGB Color模式。

（2）分别为RGB分量选择波段，可以从具有相同像元大小的不同图像文件中选择波段。

（3）单击Load RGB按钮，就能在Display窗口中显示合成的RGB彩色图像。

当图像文件的各个波段具有中心波长时（Wavelength），ENVI提供自然真彩色和标准假彩色显示方式。

在列表中单击文件名右键，选择Load True Color或者Load CIR。

不同的波段合成显示可以增强不同地物，表1是在长期实践中总结得出的Landsat TM 不同波段合成对地物增强的效果。

表1 Landsat TM波段合成说明
453 非标准假彩色图像（1）利用了一个红波段、两个红外波段，因此凡
是与水有关的地物在图像中都会比较清楚；（2强调
显示水体，特别是水体边界清晰，有益于区分河渠
与道路；（3）由于采用的都是红波段或红外波段，
对其他地物的清晰显示不够，但对海岸及其滩涂的
调查比较适合；（4）具备标准假彩色图像的某些特
点，但色彩不会很饱和，图像看上去不够明亮；（5）
水浇地与旱地的区分容易。

居民地的外围边界虽不
十分清晰，但内部的街区结构特征清楚；（6）植物
会有较好的显示，但是植被类型的细分会有困难
345 非标准接近于真色的
假彩色图像对水系、居民点及街道和公园水体、林地的图像判读是比较有利的
根据参考答案，思考典型地物在不同假彩色影像上的彩色规律。