第4章 遥感图像处理
1熟悉颜色的三个属性：明度、色调、饱和度，选取自然界的某些颜色例如：树叶、鲜花、土地、建筑物等，比较它们三种属性区别。
答：（1）明度
明度是指颜色的亮度。任何色彩都存在明暗变化，其中黄色明度最高，紫色明度最低，绿、红、蓝、橙的明度相近，为中间明度。另外在同一色相的明度中还存在深浅的变化。
（2）色调
色调是指一幅图片色彩外观的基本倾向。常可以从色相、明度、冷暖、纯度四个方面来定义一幅作品的色调。
（3）饱和度
饱和度是指彩色强度的浓度或鲜艳程度，也称色彩的纯度。饱和度取决于该色中含色成分和消色成分（灰色）的比例。含色成分越大，饱和度越大；消色成分越大，饱和度越小。
（4）举例比较
①树叶
树叶一般为绿色，中间明度，冷色调，饱和度较高。
②鲜花
鲜花大多为红或黄。明度相对高，暖色调，饱和度高。
③土地
土地一般为棕色。明度较低，冷色调，饱和度低。
2在图4－1－2中，若有红、绿、蓝三原色分别位于红：0.61µm，绿：0.54µm，蓝：0.47µm附近，将这三点连成三角形，以此为基础找到它们的补色位置，说明补色黄、品红、青的波长及饱和度。
答：设红、绿、蓝三原色在CIE色度图中对应的点分别为点O、P、Q，分别连接OC、PC、QC并延长，其与光谱曲线的交点即为对应的补色黄、品红、青的波长。具体地，黄为0.49µm、品红为0.75µm、青为0.573µm，且青的饱和度大于黄和品红。
3理解加色法与减色法的原理和适用条件。在彩色合成时，有滤光片分别透光并照射到白色屏幕上利用什么原理？若是滤光片叠合透光又利用什么原理？分别解释之并举实际例子说明。
答：（1）加色法的原理和适用条件
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，这种配色的过程或方式也称色光混合。加色法也可理解为：两种色光叠加，亮度增加者为加色法。
②适用条件
彩色电视、电脑显示器则为加色法色系，加色法适用于数字图像。
（2）减色法的原理和适用条件
①原理
减色法就是把不同色彩的色料（颜料）混合在一起，生成新的颜色，所以也称色料混合。减色法也称色彩重叠。减色法也可理解为：凡两种颜料叠加，色光减少者为减色法。
②适用条件
四色彩色印刷、喷墨打印机都是减色法色系，减色法适用于模拟图像。
（3）应用原理分析
滤光片分别透光并照射到白色屏幕上利用加色法原理，如利用分层曝光法将不同波段的影像进行彩色合成时，彩色照片有三层乳剂，使每一层乳剂依次曝光得到彩色相片；滤光片叠合透光利用减色法原理，如染印法中将三种浮雕片上的染料分别转印到三张透明胶片上重叠起来阅读。
4利用标准假彩色影像并结合地物光谱特性，说明为什么在影像中植被呈现红色，湖泊、水库呈蓝偏黑色，重盐碱地呈偏白色。
答：（1）标准假彩色的概念
标准假彩色即当4、3、2波段分别赋予红、绿、蓝色时，即绿波段0.52～0.6μm赋予蓝，红色波段赋予绿，红外波段赋予红色时，这一合成方案称为标准假彩色合成。
（2）植被呈现红色的原因
对于2、3波段为吸收，对4波段为高反射，因此植被呈现4波段所赋予的颜色红色。
（3）水库呈蓝偏黑色的原因
水体在2波段有弱的反射，3、4波段表现为强烈吸收，因此在影像上表现为2波段赋予的蓝色同时还偏黑。
（4）重盐碱地呈偏白色的原因
盐碱地在这个波段具为较好的反射，因此在图像上表现为三者的合成颜色，为白色。
5一幅黑白影像，在以下两种情况时，（1）人头像，（2）单波段影像，分析对比度适中、过大、过小所造成的视觉影响。
答：（1）人像
对比度适中时，人像的五官清晰自然，过小则五官变模糊，给人的视觉感受是偏柔和，过大则五官变得更加清晰。
（2）单波段影像
对比度过大相对于对比度适中时，单波段影像地物之间的边界更加明显，有利于影像判读；过小时则界限模糊，不同地物混杂在一起。
6数字图像和模拟图像有什么区别？为什么在计算机屏幕上显示数字图像时，常常感觉不出它与模拟图像的区别？
答：（1）数字图像和模拟图像的区别
数字图像是指能够被计算机存储、处理和使用的图像。数字图像与模拟图像区别在于模拟量是连续变量而数字量是离散变量。
（2）感觉不出差别的原因
人眼所能识别的物体的大小是有限度的。当用计算机显示数字影像时，由于屏幕的分辨率高，单个像素的大小很小，人眼便识别不出，视觉上就认为图像是连续的。
7卫星或飞机的传感器所接收的辐射信号除了地物直接反射的信息外，还混入了其他途径来的辐射，需要作辐射校正把它们去掉。请分析有几种其他辐射进入传感器。
答：由于大气的存在，经其入射和反射后会有一部分光进入传感器。大气对辐射散射后，来自各个方向的散射又重新以漫反射的形式照射地物，经过地物的反射及反射路径上大气的吸收进入传感器，另外还有相当部分的散射光向上通过大气直接进入传感器。因此除了地物直接反射的信息外，还有以上两种辐射进入传感器。
8引起遥感影像位置畸变的原因是什么？如果不作几何校正，遥感影像有什么问题？如果作了几何校正，又会产生什么新的问题？
答：（1）遥感影像变形的原因
①遥感平台位置和运动状态变化的影响
包括航高、航速、俯仰、翻滚、偏航等。
②地形起伏的影响
产生像点位移。
③地球表面曲率的影响
a．像点位置的移动；
b．像元对应于地面宽度不等，距星下点愈远畸变愈大，对应地面长度越长。
④大气折射的影响
产生像点位移。
⑤地球自转的影响
产生影像偏离。
（2）不作几何校正产生的问题
如果不作几何校正，遥感图像则有在几何位置上发生变化，产生诸如行列不均匀，像元大小与地面大小对应不准确，地物形状不规则变化等。
（3）作几何校正产生的问题
有时根据遥感平台的各种参数已做过一次校正，但仍不能满足要求，就需要作遥感影像相对于地面坐标、地图投影坐标系统的配准校正，以及不同类型或不同时相的遥感影像之间的几何配准复合分析，才能得到比较精确的结果。
9在作几何校正时，控制点的选取很重要。若图像一角没有任何控制点，估计几何校正后这一角的位置畸变将缩小还是增大？为什么？
答：位置畸变增大。在图像边缘处，在地面特征变化大的地区，如河流拐弯处等，由于没有控制点，而靠计算推出对应点，会使图像变形。图像一角若没有任何控制点，则会出现外推现象。
10右图为数字图像，亮度普遍在10以下，只有两个像元出现15的高亮度（“噪声”）
（1）采用模板为
的均值平滑方法，求出新的图像。
（2）采用中值滤波，仍用3×3窗口，求出新的图像。
（注意计算前原图像的左右上下各加一行或一列，亮度与相邻亮度值相同，然后计算。）
答：（1）均值平滑的方法
根据模板为3行3列矩阵，区其中的3行3列。原图像为
根据平滑公式将所有数字相加：4＋3＋7＋2＋15＋8＋5＋8＋9＝61，61/9≈6.7，结果取7，上面所取的表格中15变为7，即新表为
依此类推，取新的3行3列用相同的方法算，最后结果为
每个格子中的数字都要用原表中的数字计算，对于表边上的数字，不能构成3行3列的，用对应的数字补为3行3列。
（2）中值滤波法
以每个象元为中心，取3×3矩阵，将这九个数从小到大排列，取中间值为该象元的值。如
进行排列2 3 4 5 7 8 8 9，中间数为7，15变为7，结果为
11数字图像如右图所示，用两种方法提取边缘：
（1）罗伯特方法求出新的图像。
（2）索伯尔方法求出新的图像。
（计算前原图像的左右上下各加一行或一列，亮度与相邻亮度值相同）。
答：
12彩色表示可以在红绿蓝（RGB）和色调、明度、饱和度（HLS）之间变换，设三种颜色：
（1）LR=1，LG=0，LB=0
（2）LR=0，LG=0.5，LB=0.5
（3）LR=0.5，LG=0.5，LB=0.5
求每一种颜色的HLS值。
答：（1）计算公式
设下标max为LR，LG，LB的三个值中的最大值；下标min为LR，LG，LB的三个值中的最小值。则有：
①明度值
一般有
。特殊情况下，Lmax=Lmin，说明LR=LG=LB为灰色，这时S=0，H无定义值。
②饱和度
a．若L≤0.5，则
；
b．若L>0.5，则
。
③色调
设
，则有：
a．当
时，则
，这时色调位于黄和品红之间；
b．当
时，则
，这时色调位于青和黄色之间，所以以红段为基准加上2，跳到绿段附近；
c．当
时，则
，色调跳到蓝区附近，即品红和青之间。
（2）计算结果
①L=0.5，S=1，H=0°，即红色。
②L=0.25，S=1，H=180°，即青色。
③L=0.5，S=0，H无定义，即灰色。
13结合地物光谱特征解释比值运算能够突出植被覆盖的原因。
答：植被反射波谱曲线规律性明显而独特。可见光波段（0.4～0.76µm）有一个小的反射峰，两侧有两个吸收带。这是因为叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。在近红外波段（0.7～0.8µm）有一反射的“陡坡”，至1.1µm附近有一峰值，形成植被的独有特征。在中红外波段（1.3～2.5µm）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是在水的吸收带形成低谷。比值运算可以检测波段的斜率信息并加以扩展，以突出不同波段间地物光谱的差异，提高对比度。该运算常用于突出遥感影像中的植被特征、提取植被类型或估算植被生物量。
14根据陆地卫星Landsat的TM影像和SPOT卫星的HRV影像的波谱特征和空间分辨率，分析TM与SPOT影像复合的优越性，说明复合方法；除了书中所讲方案，请再设计其他复合方案。
答：（1）TM和SPOT不同传感器的信息源的特点
TM影像有7个波段，光谱信息丰富，特别是5和7波段。SPOT数据就没有，但SPOT数据分辨率高，全色波段可达10m，比TM的30m和SPOT多光谱传感器的20m都高，两者复合既可以提高新图像的空间分辨率又可以保持较丰富的光谱信息。
（2）TM与SPOT复合
选取TM三个波段4，3，2和SPOT全色波段共4个波段，复合时可采用以下几种方法：
①每幅TM图像均与SPOT图像作逐点运算，如相加、相减或相乘，或其他运算方案，生成三幅图像，进行彩色合成，生成复合图像；
②设LRTM、LGTM、LBTM分别为TM4，3，2波段的亮度值，LSPOT为SPOT全色波段的亮度值，A为权函数，则生成三幅新图像亮度值L复为：
将新生成的图像LR复赋予红色，LG复赋予绿色，LB复赋予蓝色，彩色合成后生成复合图像。
③代换法
a．对TM的所有波段进行主成分变换，然后用SPOT的高分辨率全色波段代换变换后的TM第1主成分，将代换后的所有波段再做一次主成分变换的反变换。这种处理方法既保持了原有TM数据的光谱分辨率，又增加了SPOT的高空间分辨率的特点，大大提高了数据质量。
b．对假彩色合成的任意三个波段实行HLS变换，然后用SPOT的高分辨率全色波段代换变换后的明度成分，将代换后的三个波段再做HLS到RGB的反变换，生成新的彩色合成图大大提高了空间分辨率。
15结合遥感与地理信息系统的发展，谈谈遥感与非遥感信息复合的重要意义。
答：（1）信息复合的概念
信息复合着重于同一区域内各遥感信息之间或遥感与非遥感信息之间的匹配复合，包括空间配准和内容复合，以便在统一的地理坐标系统下构成一组新的空间信息或合成一幅新的图像。
（2）遥感与非遥感信息复合的意义
遥感是以不同空间、时间、波谱、辐射分辨率提供电磁波谱不同谱段的数据。由于成像原理不同和技术条件的限制，任何一个单一遥感器的遥感数据都不能全面反映目标对象的持征，也就是都有一定的应用范围和局限性。各类非遥感数据也有它自身的特点和局限性，倘若将多种不同特征的数据结合起来，相互取长补短，便可以发挥各自的优势、弥补各自不足、有可能更全面地反映地面目标．提供更强的信息解译能力和更可靠的分析结果，这样不仅扩大厂各数据的应用范围，而且提高了分析精度、应用效果和实用价值。
（3）举例说明
如遥感影像与地图复合生成影像地图——既利用了遥感影像直观、形象的丰富信息，又利用了地图的数学基础和地理要素。在地形起伏的山区，遥感图像数据与数字高程模型（DEM）的融合，不仅可以用来纠正因地形起伏所造成的图像畸变，还可以用来提高遥感对土地覆盖、森林覆盖等的分类精度。