遥感图像处理实例分析01(算法、图像增强)

图像处理（Image processing）

基本概念

数字图像处理（digital image processing）指的是使用计算机巧妙处理以数字格式存储图像数据的过程。其目的是提高地理数据质量，使其对使用者更有意义，并能提取定量信息，解决问题。

数字图像（digital image）的存储是以二维数组或网格的形式保存像素值，每个像素在空间上对应着地表一块小面积。数组或网格又称光栅，所以图像数据经常叫着光栅数据。光栅数据的排列是这样：水平行叫着线（lines），垂直列叫着样品（samples）（如图1-1）。图像光栅数据的每个像素代表着是数字（digital number），简称DN。

图1-1 光栅数据

图像数字DNs在不同的数据源中，代表着不同的数据类型。如对Landsat、SPOT卫星数据，DNs代表的是地物在可见光、红外或其它波段的反射强度。对雷达图像，DNs代表的是雷达脉冲返回到天线的强度。对数字地形模型（DTMs），DNs代表的是地形高程。

通过应用数学变换，图像转化为数字图像。ER Mapper可以增强数字图像，突出和提取传统手工方法难以得到的细小信息。这就是为什么图像处理能成为所有地球科学应用的强大工具的原因

多光谱数据（multispectral data）指的是多波段数据，图像数据中含有多个波段的反射强度。图像处理技术随着合并不同波段的信息而发展，突出了一些特别类型的信息，如植被指数、水质量参数、地表矿物出现类型等。

图像处理广泛应用在地球科学的制图、分析和模型应用上。主要有：土地利用/土地覆盖制图和变迁勘察（land use/land cover mapping and change detection）、农业评价和监测（agricultural assessment and monitoring）、海岸线和海洋资源管理（coastal and marine resource management）、矿产勘查（mineral exploration）、石油和天然气勘查（o il & gas exploration）、森林资源管理（forest resource management）、城市规划和变迁勘察（ urban planning and change detection）、无线通讯定点和规划（telecommunications siting and planning）、海洋物理学（physical oceanography）、地质和地形制图（geology and topographic mapping）、冰川探测和制图（sea ice detection and mapping）等。

ER Mapper图像处理特点：发展了一个全新的方法，叫算法，将许多处理过程合并成简单的

一步，没有原始数据的复制存储，只将处理步骤保存在算法文件中（如图1-2）。处理结果在屏幕上实时显示。取代了传统的图像处理中的每步文件保存的方法。

图1-2 ER Mapper图像处理方法示意图

ER Mapper中算法可用于数据简单浏览、多图像的复杂处理和模型操作、数据转换、不同类型数据叠加等，将图像融合、镶嵌、各种类型的数学变换如波段比、主成分分析等变得更加容易。

图像处理任务：从数据输入到最终结果输出，图像处理的主要任务可概括为一个流程图，如图1-3。

图1-3 ER Mapper图像处理流程示意图

数据读入（Data read/import）

“数据读入”是图像处理的第一步。ER Mapper中基本的数据类型有二种，为光栅数据(.ers)和矢量数据(.erv)。

光栅图像数据是常用的输入数据类型。主要来源有：卫星图像、数字航空相片、数字地形模型和地球物理、地震勘测数据。

ER Mapper可以直接读取的数据格式有：ER Mapper Raster Dataset (.ers)、E R Mapper compressed image (.ecw)、ESRI BIL and GeoSPOT (.hdr)、Windows BMP (.bmp)、GeoTIFF/TIFF (.tif)、JPEG (.jpg)、USGS Digital Ortho Quad (.doq)、RESTEC/NASDA CEOS (.dat)。其它格式的数据需要经过ER Mapper的数据转换。

矢量数据是保存线、点、多边形的数据。矢量数据是许多地理系统保存数据的一个格式。在图像处理中，有时在卫星图像上叠加公路网格的矢量数据是很有用的。

“图像显示”（Image display）

输完数据，接下来一步就是将图像在监视器上显示出来。显示的方法有：简单黑白或假彩色显示、RGB （red-green-blue）或HSI（hue-saturation-intensity）彩色合成显示，可以通过图形形式如直方图、散点图、剖面图等查看图像数据的统计信息。

“图像校正”（Image geocoding）

多数情况下，光栅图像数据是以原始状态提供的，包含着几何误差。无论何时，精确的

地区、方向和距离测量是必需的。原始图像数据必须进行处理，消除几何误差或校正图像到真实的世界坐标系统。

注册（Registration）是几何校正图像的过程，允许图像被分层或覆盖。

校正（Rectification）是几何矫正光栅图像的过程，使图像对应真实世界地图和坐标系统（如Latitude/Longitude or Eastings/Northings）。

正射投影校正（Orthorectification）是更精确的校正方法，它考虑了地形和传感器校准数据。高级的正射投影校正还用到平台位置资料。

图像镶嵌（Image mosaicing）

镶嵌是指将两副或多副有重叠的图像拼接成一副连续地区的图像。已校正的图像可以参照同样的处理算法，ER Mapper将自动完成图像镶嵌的建立。每个图像在镶嵌中都是一个独立的实体，保存数据时无须将所有图像存入一个大文件中。

图像增强（Image enhancement）

图像增强通常用于数字图像处理，是为了提高使用者对图像的可视化解释或提取定量信息而进行的多种类型的图像处理操作。许多人认为“图像增强”就是“图像处理”，其实不然。

典型的图像增强操作包括：

图像融合（Image merging or data fusion），合并不同质量的图像，来帮助解释。例如融合Landsat TM 和SPOT Pan 图像，即将SPOT Pan 空间详细数据合并到Landsat TM图像上。

彩色覆盖（Colordraping），将一种类型的数据覆盖到另一种类型的数据上，建立合并显示，允许分析2个或3个变量。例如将由卫星数据得到的植被图覆盖到同地区的空间磁场图像上，检测它们的相关性。

对比度增强（Contrast enhancements），最大化图像黑白区的对比度，提高图像的表达。或突出某特定数据范围或空间区域的图像。

滤波（Filtering），增强边界、平滑噪音，或突出或压制图像中的线性或空间特性。例如应用一个方向递度滤波，可以突出南北方向的线性特征。

公式处理（Formula processing），应用数学操作来合并多波段图像数据，推出特殊专题信息。如阀值、不同波段比值、主成分分析和空间模型。

分类（Classification），将图像数据的统计组或群定义为专题类或特性类。例如在Landset 卫星图像上分类出土地覆盖类型的专题图。

彩色平衡（Color balancing），平衡不同航空相片镶嵌的色彩，建立它们之间的无缝连接。

动态连接层（Dynamic Link layers）

ER Mapper提供了与外界产品或文件格式进行连接的动态连接方式，建立的连接数据放在光栅图像数据的头文件中。主要的连接类型有：与GIS产品连接（Links to GIS products），提取和显示ARC/INFO 软件的GIS产品，如覆盖GIS矢量数据，如公路网、行政边界或土地利用分类。与数据库连接（Links to database products），提取和显示象Oracle数据库中的表格数据，如覆盖地理参照点符号数据，如城市、井点位置或地表样品点位置。与外界文件格式连接（Links to external file formats），显示专业化注释、矢量数据或以PostScript, DXF, DGN等格式保存的数据文件。