第4章　遙感圖像處理

1熟悉顏色的三個屬性：明度、色調、飽和度，選取自然界的某些顏色例如：樹葉、鮮花、土地、建筑物等，比較它們三種屬性區別。

答：（1）明度

明度是指顏色的亮度。任何色彩都存在明暗變化，其中黃色明度最高，紫色明度最低，綠、紅、藍、橙的明度相近，為中間明度。另外在同一色相的明度中還存在深淺的變化。?

（2）色調

色調是指一幅圖片色彩外觀的基本傾向。常可以從色相、明度、冷暖、純度四個方面來定義一幅作品的色調。

（3）飽和度

飽和度是指彩色強度的濃度或鮮艷程度，也稱色彩的純度。飽和度取決于該色中含色成分和消色成分（灰色）的比例。含色成分越大，飽和度越大；消色成分越大，飽和度越小。

（4）舉例比較

①樹葉

樹葉一般為綠色，中間明度，冷色調，飽和度較高。

②鮮花

鮮花大多為紅或黃。明度相對高，暖色調，飽和度高。

③土地

土地一般為棕色。明度較低，冷色調，飽和度低。

2在圖4－1－2中，若有紅、綠、藍三原色分別位于紅：0.61μm，綠：0.54μm，藍：0.47μm附近，將這三點連成三角形，以此為基礎找到它們的補色位置，說明補色黃、品紅、青的波長及飽和度。

答：設紅、綠、藍三原色在CIE色度圖中對應的點分別為點O、P、Q，分別連接OC、PC、QC并延長，其與光譜曲線的交點即為對應的補色黃、品紅、青的波長。具體地，黃為0.49μm、品紅為0.75μm、青為0.573μm，且青的飽和度大于黃和品紅。

3理解加色法與減色法的原理和適用條件。在彩色合成時，有濾光片分別透光并照射到白色屏幕上利用什么原理？若是濾光片疊合透光又利用什么原理？分別解釋之并舉實際例子說明。

答：（1）加色法的原理和適用條件

①原理

加色法就是把不同色彩的光混合投射在一起，生成新的色光，這種配色的過程或方式也稱色光混合。加色法也可理解為：兩種色光疊加，亮度增加者為加色法。

②適用條件

彩色電視、電腦顯示器則為加色法色系，加色法適用于數字圖像。

（2）減色法的原理和適用條件

①原理

減色法就是把不同色彩的色料（顏料）混合在一起，生成新的顏色，所以也稱色料混合。減色法也稱色彩重疊。減色法也可理解為：凡兩種顏料疊加，色光減少者為減色法。

②適用條件

四色彩色印刷、噴墨打印機都是減色法色系，減色法適用于模擬圖像。

（3）應用原理分析

濾光片分別透光并照射到白色屏幕上利用加色法原理，如利用分層曝光法將不同波段的影像進行彩色合成時，彩色照片有三層乳劑，使每一層乳劑依次曝光得到彩色相片；濾光片疊合透光利用減色法原理，如染印法中將三種浮雕片上的染料分別轉印到三張透明膠片上重疊起來閱讀。

4利用標準假彩色影像并結合地物光譜特性，說明為什么在影像中植被呈現紅色，湖泊、水庫呈藍偏黑色，重鹽堿地呈偏白色。

答：（1）標準假彩色的概念

標準假彩色即當4、3、2波段分別賦予紅、綠、藍色時，即綠波段0.52～0.6μm賦予藍，紅色波段賦予綠，紅外波段賦予紅色時，這一合成方案稱為標準假彩色合成。

（2）植被呈現紅色的原因

對于2、3波段為吸收，對4波段為高反射，因此植被呈現4波段所賦予的顏色紅色。 

（3）水庫呈藍偏黑色的原因

水體在2波段有弱的反射，3、4波段表現為強烈吸收，因此在影像上表現為2波段賦予的藍色同時還偏黑。

（4）重鹽堿地呈偏白色的原因

鹽堿地在這個波段具為較好的反射，因此在圖像上表現為三者的合成顏色，為白色。

5一幅黑白影像，在以下兩種情況時，（1）人頭像，（2）單波段影像，分析對比度適中、過大、過小所造成的視覺影響。

答：（1）人像

對比度適中時，人像的五官清晰自然，過小則五官變模糊，給人的視覺感受是偏柔和，過大則五官變得更加清晰。

（2）單波段影像

對比度過大相對于對比度適中時，單波段影像地物之間的邊界更加明顯，有利于影像判讀；過小時則界限模糊，不同地物混雜在一起。

6數字圖像和模擬圖像有什么區別？為什么在計算機屏幕上顯示數字圖像時，常常感覺不出它與模擬圖像的區別？

答：（1）數字圖像和模擬圖像的區別

數字圖像是指能夠被計算機存儲、處理和使用的圖像。數字圖像與模擬圖像區別在于模擬量是連續變量而數字量是離散變量。

（2）感覺不出差別的原因

人眼所能識別的物體的大小是有限度的。當用計算機顯示數字影像時，由于屏幕的分辨率高，單個像素的大小很小，人眼便識別不出，視覺上就認為圖像是連續的。

7衛星或飛機的傳感器所接收的輻射信號除了地物直接反射的信息外，還混入了其他途徑來的輻射，需要作輻射校正把它們去掉。請分析有幾種其他輻射進入傳感器。

答：由于大氣的存在，經其入射和反射后會有一部分光進入傳感器。大氣對輻射散射后，來自各個方向的散射又重新以漫反射的形式照射地物，經過地物的反射及反射路徑上大氣的吸收進入傳感器，另外還有相當部分的散射光向上通過大氣直接進入傳感器。因此除了地物直接反射的信息外，還有以上兩種輻射進入傳感器。

8引起遙感影像位置畸變的原因是什么？如果不作幾何校正，遙感影像有什么問題？如果作了幾何校正，又會產生什么新的問題？

答：（1）遙感影像變形的原因

①遙感平臺位置和運動狀態變化的影響

包括航高、航速、俯仰、翻滾、偏航等。

②地形起伏的影響

產生像點位移。

③地球表面曲率的影響

a．像點位置的移動；

b．像元對應于地面寬度不等，距星下點愈遠畸變愈大，對應地面長度越長。

④大氣折射的影響

產生像點位移。

⑤地球自轉的影響

產生影像偏離。

（2）不作幾何校正產生的問題

如果不作幾何校正，遙感圖像則有在幾何位置上發生變化，產生諸如行列不均勻，像元大小與地面大小對應不準確，地物形狀不規則變化等。

（3）作幾何校正產生的問題

有時根據遙感平臺的各種參數已做過一次校正，但仍不能滿足要求，就需要作遙感影像相對于地面坐標、地圖投影坐標系統的配準校正，以及不同類型或不同時相的遙感影像之間的幾何配準復合分析，才能得到比較精確的結果。

9在作幾何校正時，控制點的選取很重要。若圖像一角沒有任何控制點，估計幾何校正后這一角的位置畸變將縮小還是增大？為什么？

答：位置畸變增大。在圖像邊緣處，在地面特征變化大的地區，如河流拐彎處等，由于沒有控制點，而靠計算推出對應點，會使圖像變形。圖像一角若沒有任何控制點，則會出現外推現象。

10右圖為數字圖像，亮度普遍在10以下，只有兩個像元出現15的高亮度（“噪聲”）

（1）采用模板為

　 

的均值平滑方法，求出新的圖像。

（2）采用中值濾波，仍用3×3窗口，求出新的圖像。

（注意計算前原圖像的左右上下各加一行或一列，亮度與相鄰亮度值相同，然后計算。）

答：（1）均值平滑的方法

根據模板為3行3列矩陣，區其中的3行3列。原圖像為

根據平滑公式將所有數字相加：4＋3＋7＋2＋15＋8＋5＋8＋9＝61，61/9≈6.7，結果取7，上面所取的表格中15變為7，即新表為

依此類推，取新的3行3列用相同的方法算，最后結果為

每個格子中的數字都要用原表中的數字計算，對于表邊上的數字，不能構成3行3列的，用對應的數字補為3行3列。

（2）中值濾波法

以每個象元為中心，取3×3矩陣，將這九個數從小到大排列，取中間值為該象元的值。如

進行排列2 3 4 5 7 8 8 9，中間數為7，15變為7，結果為

11數字圖像如右圖所示，用兩種方法提取邊緣：

（1）羅伯特方法求出新的圖像。

（2）索伯爾方法求出新的圖像。

（計算前原圖像的左右上下各加一行或一列，亮度與相鄰亮度值相同）。

答：

12彩色表示可以在紅綠藍（RGB）和色調、明度、飽和度（HLS）之間變換，設三種顏色：

（1）L_R=1，L_G=0，L_B=0

（2）LR=0，LG=0.5，LB=0.5

（3）LR=0.5，LG=0.5，LB=0.5

求每一種顏色的HLS值。

答：（1）計算公式

設下標max為L_R，L_G，L_B的三個值中的最大值；下標min為L_R，L_G，L_B的三個值中的最小值。則有：

①明度值

一般有。特殊情況下，Lmax=Lmin，說明LR=LG=LB為灰色，這時S=0，H無定義值。

②飽和度

a．若L≤0.5，則；

b．若L>0.5，則。

③色調

設，則有：

a．當時，則，這時色調位于黃和品紅之間；

b．當時，則，這時色調位于青和黃色之間，所以以紅段為基準加上2，跳到綠段附近；

c．當時，則，色調跳到藍區附近，即品紅和青之間。

（2）計算結果

①L=0.5，S=1，H=0°，即紅色。

②L=0.25，S=1，H=180°，即青色。

③L=0.5，S=0，H無定義，即灰色。

13結合地物光譜特征解釋比值運算能夠突出植被覆蓋的原因。

答：植被反射波譜曲線規律性明顯而獨特。可見光波段（0.4～0.76μm）有一個小的反射峰，兩側有兩個吸收帶。這是因為葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠光反射作用強。在近紅外波段（0.7～0.8μm）有一反射的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，形成植被的獨有特征。在中紅外波段（1.3～2.5μm）受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率大大下降，特別是在水的吸收帶形成低谷。比值運算可以檢測波段的斜率信息并加以擴展，以突出不同波段間地物光譜的差異，提高對比度。該運算常用于突出遙感影像中的植被特征、提取植被類型或估算植被生物量。

14根據陸地衛星Landsat的TM影像和SPOT衛星的HRV影像的波譜特征和空間分辨率，分析TM與SPOT影像復合的優越性，說明復合方法；除了書中所講方案，請再設計其他復合方案。

答：（1）TM和SPOT不同傳感器的信息源的特點

TM影像有7個波段，光譜信息豐富，特別是5和7波段。SPOT數據就沒有，但SPOT數據分辨率高，全色波段可達10m，比TM的30m和SPOT多光譜傳感器的20m都高，兩者復合既可以提高新圖像的空間分辨率又可以保持較豐富的光譜信息。

（2）TM與SPOT復合

選取TM三個波段4，3，2和SPOT全色波段共4個波段，復合時可采用以下幾種方法：

①每幅TM圖像均與SPOT圖像作逐點運算，如相加、相減或相乘，或其他運算方案，生成三幅圖像，進行彩色合成，生成復合圖像；

②設L_RTM、L_GTM、L_BTM分別為TM4，3，2波段的亮度值，L_SPOT為SPOT全色波段的亮度值，A為權函數，則生成三幅新圖像亮度值L_復為：

將新生成的圖像L_R復賦予紅色，L_G復賦予綠色，L_B復賦予藍色，彩色合成后生成復合圖像。

③代換法

a．對TM的所有波段進行主成分變換，然后用SPOT的高分辨率全色波段代換變換后的TM第1主成分，將代換后的所有波段再做一次主成分變換的反變換。這種處理方法既保持了原有TM數據的光譜分辨率，又增加了SPOT的高空間分辨率的特點，大大提高了數據質量。

b．對假彩色合成的任意三個波段實行HLS變換，然后用SPOT的高分辨率全色波段代換變換后的明度成分，將代換后的三個波段再做HLS到RGB的反變換，生成新的彩色合成圖大大提高了空間分辨率。

15結合遙感與地理信息系統的發展，談談遙感與非遙感信息復合的重要意義。

答：（1）信息復合的概念

信息復合著重于同一區域內各遙感信息之間或遙感與非遙感信息之間的匹配復合，包括空間配準和內容復合，以便在統一的地理坐標系統下構成一組新的空間信息或合成一幅新的圖像。

（2）遙感與非遙感信息復合的意義

遙感是以不同空間、時間、波譜、輻射分辨率提供電磁波譜不同譜段的數據。由于成像原理不同和技術條件的限制，任何一個單一遙感器的遙感數據都不能全面反映目標對象的持征，也就是都有一定的應用范圍和局限性。各類非遙感數據也有它自身的特點和局限性，倘若將多種不同特征的數據結合起來，相互取長補短，便可以發揮各自的優勢、彌補各自不足、有可能更全面地反映地面目標．提供更強的信息解譯能力和更可靠的分析結果，這樣不僅擴大廠各數據的應用范圍，而且提高了分析精度、應用效果和實用價值。

（3）舉例說明

如遙感影像與地圖復合生成影像地圖——既利用了遙感影像直觀、形象的豐富信息，又利用了地圖的數學基礎和地理要素。在地形起伏的山區，遙感圖像數據與數字高程模型（DEM）的融合，不僅可以用來糾正因地形起伏所造成的圖像畸變，還可以用來提高遙感對土地覆蓋、森林覆蓋等的分類精度。