数字图像的性质与特点-课件

数字图像的性质与特点2.12.1遥感数字图像的性质与特点遥感数字图像的性质与特点 由由于于传传感感器器上上探探测测元元件件的的灵灵敏敏度度直直接接影影响响有有效效量量化化的的级级数数，因因此此，不不同同传传感感器器提提供的有效量化的级数是不同的。供的有效量化的级数是不同的。常用的遥感数字图像有效量化级数。22.1 2.1 数字图像的性质与特点数字图像的性质与特点 像素（像元）是遥感数字图像最基本的单位，像素（像元）是遥感数字图像最基本的单位，是成像过程的采样点，也是计算机图像处理的是成像过程的采样点，也是计算机图像处理的最小单元。像素具有空间特征和属性特征。最小单元。像素具有空间特征和属性特征。由于传感器从空间观测地球表面，因此每个由于传感器从空间观测地球表面，因此每个像素含有特定的地理位置的信息，并表征一定像素含有特定的地理位置的信息，并表征一定的面积。对于多光谱扫描仪提供的数字图像来的面积。对于多光谱扫描仪提供的数字图像来说，一个像素对应的地表面积是由传感器上瞬说，一个像素对应的地表面积是由传感器上瞬间视场角所决定的，瞬间视场角在地表的投影间视场角所决定的，瞬间视场角在地表的投影面称地面分辨率（或空间分辨率），由于传感面称地面分辨率（或空间分辨率），由于传感器种类不同，它的瞬间视场角也不同，因此，器种类不同，它的瞬间视场角也不同，因此，对应的地面分辨率是不同的。对应的地面分辨率是不同的。32.1 数字图像的性质与特点42.1 2.1 数字图像的性质与特点数字图像的性质与特点 像像素素的的属属性性特特征征采采用用亮亮度度值值来来表表达达，在在不不同同波波段段上上，相相同同地地点点的的亮亮度度值值可可能能是是不不同同的的，这这是是因因为为地地物物在在不不同同波波段段上上辐辐射射电电磁磁波波的的特特征征不同造成的。不同造成的。遥遥感感数数字字图图像像中中像像素素的的数数值值是是由由传传感感器器所所探探测测到到的的地地面面目目标标地地物物的的电电磁磁辐辐射射强强度度决决定定的的。入入射射到到传传感感器器中中的的电电磁磁波波被被探探测测器器元元件件转转化化为为电电信信号号，经经过过模模/数数转转换换，成成为为绝绝对对辐辐射射亮亮度度值值R R。为为便便于于应应用用，R R又又被被转转换换为为能能够够表表征征地地物物辐辐射亮度的相对值。射亮度的相对值。52.1 2.1 数字图像的性质与特点数字图像的性质与特点像素有正像素和混合像素之分。像素有正像素和混合像素之分。正正像像素素：像像素素内内只只包包含含一一种种地地物物。如如水水体体，它它的亮度值代表了水体的光谱特征。的亮度值代表了水体的光谱特征。混混合合像像素素：像像素素内内包包括括两两种种或或两两种种以以上上地地物物。如如出出苗苗不不久久的的麦麦田田，它它的的一一个个像像素素亮亮度度位位内内包含麦苗和土壤的光谱特征。包含麦苗和土壤的光谱特征。62.1 2.1 数字图像的性质与特点数字图像的性质与特点数字图像的特点数字图像的特点便便于于计计算算机机处处理理与与分分析析：计计算算机机是是以以二二进进制制方方式式处处理理各各种种数数据据的的。采采用用数数字字形形式式表表示示遥遥感感图图像像，便便于于计计算算机机处处理理。因因此此，与与光光学学图图像像处处理理方方式式相相比比，遥遥感感数数字字图像是一种适于计算机处理的图像表示方法。图像是一种适于计算机处理的图像表示方法。图图像像信信息息损损失失低低：由由于于遥遥感感数数字字图图像像是是用用二二进进制制表表示示的的，因因此此在在获获取取、传传输输和和分分发发过过程程中中，不不会会因因长长期期存存储储而而损损失失信信息息，也也不不会会因因多多次次传传输输和和复复制制而而产产生生图图像像失失真真。而而模模拟拟方方法法表表现现的的遥遥感感图图像像会会因因多多次次复复制制而而使使图像质量下降。图像质量下降。抽抽象象性性强强：尽尽管管不不同同类类别别的的遥遥感感数数字字图图像像，有有不不同同的的视视觉觉效效果果，对对应应不不同同的的物物理理背背景景，但但由由于于它它们们都都采采用用数数字字形形式式表表示示，便便于于建建立立分分析析模模型型，进进行行计计算算机机解解译译和运用遥感图像专家系统。和运用遥感图像专家系统。7大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点82.2 2.2 遥感图像的空间特征遥感图像的空间特征遥感图像数据在很大程度上可以看成是随遥感图像数据在很大程度上可以看成是随机变量，其亮度值受到多方面随机变化的机变量，其亮度值受到多方面随机变化的因素影响，其亮度值也是随机变化的，具因素影响，其亮度值也是随机变化的，具有统计性质。有统计性质。因此，在进行图像处理之前对遥感图像的因此，在进行图像处理之前对遥感图像的统计特征的了解，有利于应用统计特征改统计特征的了解，有利于应用统计特征改善图像的质量，提高善图像的质量，提高图像处理的效率。图像处理的效率。92.2.1 图像的基本统计量包括：包括：中心趋势统计量（均值、中值和众数）；中心趋势统计量（均值、中值和众数）；变化程度统计量（数值域、方差、标准变化程度统计量（数值域、方差、标准差）。差）。10均值：均值：指一幅图像中所有像元的亮度值指一幅图像中所有像元的亮度值的算术平均值。的算术平均值。X=X=xijMi=1j=1NMNM行，N列X 小，图像暗，X大，图像亮11中值：图像中所有不同亮度值的中间值。中值：图像中所有不同亮度值的中间值。Med=(Max+Min)/2 众数：是图像中出现的次数最多的一个众数：是图像中出现的次数最多的一个亮度值，代表图像中分布较广的一种地亮度值，代表图像中分布较广的一种地物类型。物类型。均值、中值、众数在多数情况下是比较均值、中值、众数在多数情况下是比较接近的，少数情况下，他们之间有显著接近的，少数情况下，他们之间有显著差别。这与图像数据的概率分布或直方差别。这与图像数据的概率分布或直方图的特征有密切关系。图的特征有密切关系。12f亮度XMed众数13方差方差 S S2 2 S2=(XiX)2Ni=1N衡量由每个像元值衡量由每个像元值X Xi i与均值与均值X X的差异的差异所累积形成的总的离散程度。所累积形成的总的离散程度。方差的平方根（取正值）就是标准差：方差的平方根（取正值）就是标准差：(XiX)2Ni=1N=14图像中均值和标准差在很大程度上反映图像中均值和标准差在很大程度上反映了亮度值分布的数值范围及信息量的多了亮度值分布的数值范围及信息量的多少。少。影响图像的显示效果和判别能力的最基影响图像的显示效果和判别能力的最基本统计量是：图像反差（或叫对比度）本统计量是：图像反差（或叫对比度）其有多种形式表示：其有多种形式表示：C C1 1=DN=DNmaxmax/DN /DN minmin;C C2 2=SD(=SD(标准差标准差)。标准差小，反差。标准差小，反差小，反之则大。小，反之则大。152.2.2 概率分布及直方图 即每个波段中所有不同亮度值的概率即每个波段中所有不同亮度值的概率（频率）分布。（频率）分布。16频数直方图：即依次显示每个亮度值的频数直方图：即依次显示每个亮度值的像元数所占比例数。像元数所占比例数。0255f17累积直方图：把各个亮度值的频数逐次累积直方图：把各个亮度值的频数逐次累加而构成的直方图。累加而构成的直方图。100%255018正态分布：由于图像数据具有随机性，正态分布：由于图像数据具有随机性，在图像像元数目相当大而地物类型差异在图像像元数目相当大而地物类型差异不很悬殊的情况下，概率密度分布应接不很悬殊的情况下，概率密度分布应接近于正态分布：近于正态分布：F(x)=exp-21(x-u)222(标准差)u(均值)19直方图的偏斜：表现为均值与众数或中值的直方图的偏斜：表现为均值与众数或中值的明显的不一致。明显的不一致。当当 Mod Med X Mod Med Med X Mod Med X 直方图右偏。直方图右偏。MedMod21直方图中有多个峰值，是由于图像中包直方图中有多个峰值，是由于图像中包含着波谱特征差别显著的两个或更多的含着波谱特征差别显著的两个或更多的类别。类别。22纹理纹理统计量与统计量与直方图直方图232.2.3 2.2.3 多波段数据的统计特征多波段数据的统计特征 对多波段数据，可以把每个像元在不对多波段数据，可以把每个像元在不同波段的亮度值作为一个向量，计算和统同波段的亮度值作为一个向量，计算和统计这些亮度值向量在多维空间中概率密度计这些亮度值向量在多维空间中概率密度分布或多维直方图。分布或多维直方图。24以二维直方图为例：以二维直方图为例：两个波段两个波段X X1 1和和X X2 2之间的协方差之间的协方差S S12122 2(或或S S21212 2)为为:S S12122 2=(1/N)(X=(1/N)(X1i1i-X-X1 1)(X)(X2i2i-X-X2 2)N-N-像元数目，像元数目，X X1 1、X X2 2均值。均值。Ni=125X2X1P2221X1X226n n个波段构成的协方差矩阵为个波段构成的协方差矩阵为 S112 S122 S1n2 S212 S22 S2n2 Sn12 Sn22 Snn2=Sjk=Skj 为对称矩阵，主对角线上为各波段的方差。为对称矩阵，主对角线上为各波段的方差。27反映两个变量之间的相关程度大小为反映两个变量之间的相关程度大小为相关系数。相关系数。ij=Sij2/(Si Sj)ij=ji n个波段数据之间相关矩阵个波段数据之间相关矩阵R为为:1 12 1n 12 1 2n n1 n2 1 R=为对称矩阵主对角线上的为一个波段自身的相关系数为最高值1。28图像的增强处理在很大程度上是为了压图像的增强处理在很大程度上是为了压缩或排除不同波段之间的相关性或信息缩或排除不同波段之间的相关性或信息的重复，突出那些不相关的部分，以明的重复，突出那些不相关的部分，以明确分辨不同的地物。因而对于相关特征确分辨不同的地物。因而对于相关特征不同的图像应该区别对待，选择不同的不同的图像应该区别对待，选择不同的方法或处理参数以及不同的波段和比值方法或处理参数以及不同的波段和比值结合，才能取得事半功倍的效果。通过结合，才能取得事半功倍的效果。通过研究图像数据的统计特征，来指导图像研究图像数据的统计特征，来指导图像处理工作。处理工作。相关系数是反映图像数据和信息内容相关系数是反映图像数据和信息内容的重要标志。的重要标志。292.3 2.3 遥感图像的数据结构遥感图像的数据结构 HDTHDT高高密密度度磁磁带带（在在卫卫星星和和遥遥感感飞飞机机上上或或卫卫星星地地面面站站接接收收的的数数据据），后后用用专专用用图图像像处处理理系系统统（EDIPSEDIPS和和 TMIPSTMIPS系系统统）转转导导到到计算机兼容带计算机兼容带(CCT)(CCT)或光盘上。或光盘上。30图像数据磁带的格式图像数据磁带的格式有两种规格：有两种规格：部分处理（未做几何校正）部分处理（未做几何校正）ACCT-AM（MSS，多波段扫描仪），多波段扫描仪）CCT-AR（RBV，反束光导管摄像仪，反束光导管摄像仪，SPOT）CCT-AT（TM，专题成像仪），专题成像仪）全部处理全部处理 P CCT-PM CCT-PR CCT-PT 31下面介绍下面介绍CCT式的主要特点：式的主要特点：（1）按像元对波段交叉式（）按像元对波段交叉式（BIP2）：）：特特点点：把把一一幅幅多多波波段段图图像像划划分分为为四四个个纵纵向向条条带带，图图像像数数据据的的记记录录是是按按条条带带顺顺序序自自左左至至右右排排列列的的，而不是按波段顺序排列的。而不是按波段顺序排列的。组组成成：按按条条带带顺顺序序排排列列的的四四个个图图像像文文件件+后后面面附附加的专用注记带（加的专用注记带（SIAT）文件。）文件。每每个个图图像像文文件件（条条带带）的的开开头头有有一一个个标标志志（ID）记记录录块块（包包括括卫卫星星编编号号摄摄像像时时间间、图图像像条条带带、单单位位记记录录长长度度、图图像像注注记记带带号号等等）和和一一个个注注记记（AN）记记录录块块（相相当于陆地卫星相片下方的文字注记内容）。当于陆地卫星相片下方的文字注记内容）。32专专用用注注记记带带：是是为为对对图图像像进进行行几几何何校校正正处处理理所所提提供供的的参参数数，包包括括图图像像的的经经纬纬度度坐坐标标参参数数、处处理理命命令令数数据据、遥遥感感器器性性能能参参数数、飞飞行行姿姿态态参参数数（侧侧滚滚、俯俯仰仰、偏航）、飞行器高度及速度等。偏航）、飞行器高度及速度等。记记录录格格式式：每每个个条条带带的的图图像像数数据据都都包包括括了了所所有有的的波波段段。每每一一个个条条带带中中图图像像数数据据是是按按行行（扫扫描描线线）排排列列的的。每每一一行行记记录录的的顺顺序序是是以以一一对对像像元元为为基基本本单单位位，按按波波段段顺顺序序记记录录其其亮亮度度值值（值值），自左向右，一对像元记完后再记下一对，即：自左向右，一对像元记完后再记下一对，即：.x i(4),x i+1(4),x i(5),x i+1(5),x i+1(7),x i+1(4)其中其中I 为奇数，代表第为奇数，代表第n个像元。个像元。33(2)按波段顺序式（按波段顺序式（BSQ）及）及按行波段交叉式（按行波段交叉式（BIL）3435(3)三种三种CCT格式的优缺点：格式的优缺点：BIP2BSQBIL优优点点便便于于从从整整幅幅图图像像中中提提取取小小的的子子区区，因因为为一一个个子子区区往往往往在在一一、二二个个条条带带之之内内。便便于于作作多多维维波波谱谱向向量量的的处处理理运运算算和和样样式式识识别别及及分分类。类。便便于于单单波波段段的的选选取和处理取和处理 适适用用于于多多波波段段运算和分类；运算和分类；便便于于作作多多维维波波谱谱向向量量的的处处理理运运算算和样式识别及分类。和样式识别及分类。36专题制图仪（专题制图仪（TM）图像的）图像的CCT格式可分格式可分为为CCT-AT及及CCT-PT两类两类.在在BSQ格式中，一个图像文件是一格式中，一个图像文件是一个波段。第一盘磁带上是第一、二波段，个波段。第一盘磁带上是第一、二波段，第二盘磁带上为第三、四波段，第三盘第二盘磁带上为第三、四波段，第三盘包括第五、六、七波段。包括第五、六、七波段。在在BIL格式中，一个图像文件包括一格式中，一个图像文件包括一个象限的所有波段。个象限的所有波段。37