第七章 遥感图像辐射处理

以后我国将发射自己的各类遥感卫星，因此建立地面辐射
校正场具有十分重要的现实意义。 我国根据需要选择了敦煌西戈壁作为可见光和红外波 段的辐射校正场，青海湖作为热红外波段和红外低发射率 的辐射校正场。
植 被 指 数 真 实 性 检 验
定 标 前
定 标 后
全 球 洋 面 气 溶 胶 真 实 性 检 验
定 标 前
定 标 后
§7.2 遥感图像辐射增强
基本目的：图像更易判读
图像增强的实质：是增强感兴趣目标和周围背景图 像间的反差。 常用的图像增强处理技术可以分为两大类： 空间域和频率域的处理。
–空间域处理
–频率域处理
7.2.1 图像灰度直方图
灰度直方图可以看成是一个随机分布密度函数，其 分布状态用灰度均值和标准差两个参数来衡量。
由于传感器中各个探测元件之间存在差异，使传感器 探测数据图像出现一些条带。
相对辐射定标的目得就是降低或消除这些影响。
7.1.3 大气校正
大气的影响：减少照射到地面的能量，增加对传感器探 测到的，与地面特征无关的散射。 消除大气的影响是非常重要的，消除大气影响的校正过
程称为大气校正。
校正的方法：寻找0反射目标。 条件：整个图像在相同的大气条件下获得。
第七章 遥感图像辐射处理
§7.1 遥感图像的辐射处理 §7.2 遥感图像的辐射增强 §7.3 遥感图像的平滑和锐化 §7.4 遥感图像运算
§7.5 遥感图像融合
§7.1 遥感图像的辐射处理
问题的提出 传感器接收的电磁波能量与目标本身辐射的能量是不一致的。 传感器输出的能量包含了由于太阳位置和角度条件、大气条件、 地形影响和传感器本身的性能等所引起的各种失真，这些失真不是 地面目标本身的辐射，因此对图像的使用和理解造成影响，必须加 以校正或消除。 辐射定标和辐射校正 辐射定标和辐射校正是遥感数据定量化的最基本环节。
可以用累积值直方图来图解解求，均衡直方图在原灰度轴上的区间，如图所示， 在P轴上等分m份，通过累积值曲线，投影到G轴上，则G轴上交出的各点就为均 衡所取的原直方图灰度轴上的区间值。一般先求出区间阈值，列成查找表，然后 对整幅图像每个像元查找它们变换后的灰度值。
直方图均衡后每个灰度级的像元频率，理论上应相等，实际 上为近似相等，直接从图像上看，直方图均衡效果是： • 各灰度级所占图像的面积近似相等，因为具有相同灰度值 的像素不可能分割； • 原图像上频率小的灰度级被合并，频率高的灰度级被保留， 因此可以增强图像上大面积地物与周围地物的反差。 • 如果输出数据分段级较小，则会产生一个初步分类的视觉 效果。
一般情况下，散射主要发生在短波图像，对近红外几乎没有 影响，如MSS-7几乎不受大气辐射的影响，把它作为无散射影响 的标准图像，通过对不同波段图像的对比分析来计算大气影响。
a.回归分析法
在不受大气影响的波段图像和待校正的某一波段图像中，
选择从最亮到最暗的一系列目标，对每一目标的两个波段亮度
值进行回归分析，如MSS的第4和7波段，其亮度值分别为L4和 L7，回归方程为：y=a4+b4x
2．建立地面辐射校正场可以弥补星上定标的不足。 3．满足多种遥感资料的应用需要。 通过建立地面辐射校正场对卫星传感器进行绝对辐射 定标，能够实现卫星传感器之间数据的相互匹配，符合一 个统一的标准，进行有效的比较和综合应用。地面辐射校 正场已经成为各种新型传感器实现质量控制和相互比对的
重要部分。
现有的定标场
常用校正方法
1)基于地面场地数据或辅助数据进行辐射校正
在遥感成像的同时，同步获取成像目标的反射率，或通过预
先设置已知反射率的目标，把地面实况数据与传感器的输出数据 进行比较，来消除大气的影响。本方法假设地面目标反射率与传
感器所获得的信号之间属于线性关系。
2) 利用某些波段特性来校正其它波段的大气影响。
其中x，y为两个波段图像灰度的平均值。
b.直方图法
目标：图像中存在亮度为零的目标。 理想情况：图像的亮度值应为零。 实际情况：目标的亮度值不为零。
方法：根据具体大气条件，各波段要校正的大气影响是不 同的。为确定大气影响，显示有关图像的直方图,从图上可 以得知最黑的目标亮度为零，即第七波段图像的最小亮度 值为零，第四波段的亮度最小值为a4，则a4就是第四波段 图像的大气校正。
a4
band4
band1
7.1.4 太阳高度角、日地距离校正和地形影响引起 的辐射误差校正
考虑了太阳在地球上的相对位置的季节变化。通过该 改正，不同太阳高度角照射条件下的图像数据的像元亮度 值，被标准化到假设太阳在天顶时的像元亮度值。
E E0 cos 这里为局部太阳入射角
图像镶嵌和变化检测的需要
1 R 1 L 1 X X ij R L i 0 j 0 1 2 (Xi X ) M 1 i 0
M 1 1/2
mi Pi M M mi
i 0 2n 1
a图像直方图靠近低灰度区，该图像属于低反射率景物图像； b图像为高反射率景物图像； c图像直方图标准差偏小，为低反差景物图像； d图像直方图的标准差较大，为高反差景物的图像；
日地距离校正
用于标准化地球和太阳间的距离的季节变化。太阳辐射 随日地距离的平方减小。 在忽略大气的影响下，太阳天顶角和日地距离对于地球
表面辐射的影响：
7.1.5 像元灰度值DN和辐射率的转换
1）可见光
利用头文件中记录的辐射校正参数，用户可方便地计算出地
物在大气顶部的辐射亮度或反射率。计算式如下： L = gain * DN + bias ρ= πL ds2/ (E0 cosθ) 其中：L，DN，gain和bias可从头文件中得到，ρ是地物反射率，
dij
dij dmin dmax dmin
n
五、其他非线性变换
非线性变换有很多方法，如对数变换、指数变换、平方根
变换、标准偏差变换、直方图周期性变换。
四、直方图匹配
通过非线性变换使得一个图像的直方图与另一个图像直方 图类似。用于处理不同时间获取的图像，或者由于太阳高度角或大
气影响引起差异的图像。
要求 1．图像直方图总体形状应类似；
2．图像中黑与亮特征应相同；
3．对某些应用，图像的空间分辨率应相同； 4．图像上地物分布应相同，尤其是不同地区的图像匹配。 如果一幅图像里有云，而另一幅没有云，那么在直方图匹 配前，应将其中一幅里的云去掉。
进行。
2. 绝对定标方法
设传感器入口处波段i的辐射度Li和传感器输出的亮
度值ＤＮi之间存在线性关系，
卫星运行时，传感器的辐射灵敏度将随时间而变，故 传感器的绝对辐射定标中的增益和偏置量要不断更新。这 一更新利用卫星上的太阳标定器和地面标定场来完成。
3. 相对辐射定标
又称为传感器探测元件归一化 为了校正传感器中各个探测元件响应度差异而对卫星 传感器测量到的原始亮度值进行归一化的一种处理过程。
ds是日地天文单位距离，E0太阳辐照度，θ是太阳天顶角。
2）热红外 热红外波段主要在求出地物的辐射亮度后，以普朗克
百度文库
公式求出地物温度。
对热红外波段(6L和6H)，可用下列公式计算地物的传 感器温度(K)：
其中：L6是由上式给出的地物在大气顶部的辐射亮度，K1 和K2是计算常数，分别为：K1= 666.093 W/m2 . ster.μm，
e图像直方图呈现出多峰，图中有多种地物出现的频率较高；
f图像直方图呈现出双峰，并且高亮度地物（如云、白背景等） 出现频率高。
7.2.2 图像反差调正
一、线性变换
简单线性变换：按比例拉伸原始图像灰度等级范围
目的：为了充分利用显示设备的显示范围，使输出直方 图的两端达到饱和。
特点：一对一关系，像元总数不变。
三、直方图正态化
将随机分布的原图像直方图修改成高斯分布的直方图。
图像是非负的、有限的，数字图像又是离散函数，正态公式可写为：
对于某一区间的频率累加值为：
修改直方图的方法与直方图均衡类似，采用累加方法，即当
时原图像直方图上灰度值0—K合并为正态化图像的灰度值0，当
时，则原图像上灰度值k+1—L合并为正态化图像的第一个灰度值，依 次类推，可以得到状态化后的图像。
辐射定标：指传感器探测值的标定过程方法，用以确定传感器入口
处的准确辐射值。 辐射校正：指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的
辐射能量中的各种噪声的过程。
7.1.1 辐射误差
1. 传感器接收的电磁波能量：从辐射传输方程可以看出，传
感器接收的电磁波能量包含三部分： 太阳经大气衰减后照射到地面，经地面反射后，又经大 气第二次衰减进入传感器的能量； 地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量；
一个完整的地面试验场对地理环境和技术准备有极高 的要求。目前世界上比较典型的地面辐射场有：1979年美
国在新墨西哥州白沙建立的地面辐射定标场，1987年法国
在马赛西北La Crau建立的地面辐射定标场。利用地面辐射 定标场对有关的传感器进行了定标，取得了预期的成果。
我国地面辐射校正场
从二十世纪八十年代接收和应用国内外气象和陆地卫 星数据时，已认识到了在我国建立自己的地面辐射校正场 的重要性和迫切性，以提高数据辐射定标和辐射校正精度。
其数学表达式为：
Adij B dij
假设有一幅图，由于成象时光照不足，使得整幅图偏暗(例如，灰度范围从0到 63)；或者成象时光照过强，使得整幅图偏亮(例如，灰度范围从200到255)， 我们称这些情况为低对比度，即灰度都挤在一起，没有拉开。线性变换可以把 所感兴趣的灰度范围拉开，使得该范围内的象素，亮的越亮，暗的越暗，从而 达到了增强对比度的目的。
图像直方图匹配：可以建立一个查找表，作为将一个直方图转换成 另一个直方图的函数。
五、密度分割
密度分割与直方图均衡类似。产生一个阶梯状查找表，
原始图像的灰度值被分成等间隔的离散的灰度级，每一级 有其灰度值。进行密度分割时，需知道输出直方图的范围 和密度分割层数，然后建立阶梯级查找表，使得输出的每 一个层有相同的输入灰度级。最后对每一层赋新灰度值或 颜色，就可以得到一幅密度分割图像。
K2= 1282.7108 K。
7.1.6 地面辐射校正场
当遥感数据进行辐射定标和辐射校正后，如何评价其精 度，需要通过地面辐射校正场来对计算结果进行验证和修正。 因此通过地面辐射校正场来提高辐射定标和校正的精度具有 特别重要的意义。 1．建立地面辐射校正场符合遥感数据定量化的需要。卫星 传感器输出的是相对值，只有给出遥感传感器对应像元、地 物的实际辐射亮度值，才能发挥其作用。由于各种因素的影 响，在轨运行的卫星需要进行地面辐射场定标。更好地对不 同传感器、不同时间获取的数据进行定量比较。
线性增强
d min d max A d max d min B Ad min d min
dij dmin dmax dmin
dij
d min ) (dmax
查找表（LUT） 建立原始图像灰度和变换后图像灰度之间对应值， 在变换时只需使用查找表进行变换即可，这样计算速度 将极大提高。
大气散射、反射和辐射的能量。
2. 遥感图像的辐射误差
传感器本身的性能引起的辐射误差；
地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差； 大气的散射和吸收引起的辐射误差。 相应的辐射处理包括传感器辐射定标和辐射误差校 正等。
7.1.2 传感器辐射定标
辐射定标：绝对定标和相对定标。
1. 目的
绝对定标：对目标作定量的描述，要得到目标的辐射绝 对值； 相对定标：只得出目标中某一点辐射亮度与其他点的相 对值。 绝对定标要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射 能量之间的数量关系，即定标系数，在卫星发射前后都要
设增强前灰度最大值为159，最小值为0，则线性变换中的系 数A、B表达式为：
d min d max 255 0 A 1.6 d max d min 159 0
1.6 0 0 0 B Admin d min
二、直方图均衡 将随机分布的图像直方图修改成均匀分布的直方图， 其实质是对图像进行非线性拉伸，重新分配图像像元值， 使一定灰度范围内的像元的数量大致相等。