專利名稱：主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬遙感技術及其在資源環(huán)境的識別和分析中的應用技術領域。包括陸地衛(wèi)生(Landsat)TM(主題制圖儀)圖像的有用信息的提取及其有關應用技術。
(2)圖像處理技術(彩色合成；圖像增強；圖像算術運算，即圖像的加、減、乘、除；圖像分類等)。
陸地衛(wèi)星TM圖像問世以來，主要還是使用原始數(shù)據(jù)圖像。由于數(shù)據(jù)量極大，圖像處理費時、費力、費錢；又由于其各波段間多數(shù)是彼此高度相關，如TM1，TM2，TM3之間高度相關，TM4，TM5，TM7之間甚至它們和TM6之間也是高度相關，故處理起來，有很大一部分是相同信息的重復運算。更重要的是，由于它們彼此間的高度相關，使得許多有用而獨立的信息混雜在各個波段信息之間。各波段的信息基本上都是反射輻射的強度L，只TM6為熱輻射強度。欲掌握其獨立有用的信息，需要復雜的分析和處理，且結果仍不理想。例如，由于各波段信息高度相關，選擇其中任意3個波段作彩色合成，實際上只有兩個波段的信息較為獨立。如TM3和TM4，TM2和TM4，TM5和TM5等。結果所得彩色合成圖像，就基色來說，實為二色圖像。例如最通常使用的4、3、2合成，得到的圖像上就是一種接近于紅色的圖像和另一種似藍似綠的蘭綠過渡色(由兩個相關波段形成)圖像。
針對以上問題，國際上在很久以前曾提出過KL變換和Kauth-Thomas變換及HIS變換等來解決。其中HIS只是彩色變換，仍源于選出的3個原始波段。KL和KT變換較好。但它們存在的問題是(1)運算都極為復雜。LK包括大量矩陣、逆矩陣、特征向量、特征根等運算，KT使用另一種復雜的Kramer-Schmit運算。(2)這些原來都是在MSS圖像情況下使用的，后來證明在MSS情況下，二者都只能變換出兩個有意義的圖像——Brightness(亮度)圖像和Greenness(綠度)圖像。其第三、第四圖像基本上都是噪音。而且KL變換圖像信息分布極不均勻，絕大多數(shù)集中在第一主成分中，剩下一部分在第二主成分中，其它主成分信息就微乎其微了。當它們用于MSS圖像彩色合成時，就基色而言，實際上還是只有兩種主色調(diào)。后來這兩種變換都用于TM圖像，但KL變換仍是信息分布極不均勻，KL變換較好。(3)地學含義仍不很明確KL變換第一主成分常被定義為亮度，第二主成分常被定義為綠度，其它主成分沒有定義。除此以外，有時第一主成分并不是亮度，有可能是綠度，第二主成分也不一定是綠度，而可能是亮度或別的什么。KT變換，提出者(Karth-Thomsa)將第一個圖像定義為亮度(土壤)，第二個定義為綠度(植被)，第三個定義為黃度(yellowness)。但在MSS情況下，黃度實際上是噪音，在TM圖像下沒有明確定義?，F(xiàn)在有時只叫它老三(Third)，例如在著名的ENVI圖像處理系統(tǒng)(2000年版)中就是如此。有時則叫它濕度(Wetness)，例如E.P.CRIST。
申請者提出的MSS圖像信息提取及應用技術(前項專利)解決了有關一些問題。例如變換圖像計算簡單信息分布均勻、地學含義明確，同時也達到降維和信息獨立等。
但該項信息提取和應用技術，不能直接應用于TM圖像，因為TM圖像波段比MSS多，波段也MSS不同，且不能從TM 7個波段中選出與MSS的4個波段相對應的波段，尤其是TM波段中根本沒有與MSS圖像中的MSS6對應的波段。它不能在相應的輻射曲線形成輻射低谷。因此，以輻射值二次曲線計算為基礎的MSS圖像的L、B、V信息提取與應用方法，不能直接應用于TM圖像，需要對原方法作重大調(diào)整或重新設計新的方法。
三、技術內(nèi)容1、技術問題本發(fā)明的目的就是要提供一種解決TM圖像中有明確地學意義的獨立信息的提取及其應用的主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成。
2、技術方案一種主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于采用從TM圖像的原始7個波段中選出4個波段的方法，即選用代表性好的“TM2、TM3、TM4、TM5”4個波段來進行信息提取，在圖像提取中采用圖像的原始灰度值即數(shù)碼值，使用回歸計算的方法，即以選定的各波段波長值為橫坐標值，以相應的灰度值為縱坐標值，進行一次和二次回歸方程的構建；同時規(guī)定在作二次回歸方程時，波段5的灰度值取為原始值的6倍。得出回歸方程后，又規(guī)定取橫坐標為0值時，由二次回歸方程算得的灰度值即二次曲線在y軸上的截距為地物總輻射水平L值，規(guī)定取一次回歸方程一次項的系數(shù)即回歸直線的斜率的負值為地物可見——紅外輻射平衡值B；規(guī)定取二次回歸方程4個波段殘差值的特殊和的負值為地物輻射隨波段變化的向量值V，從而從TM原始圖像數(shù)據(jù)中提取出有特殊物理和地字意義的L、B、V值，形成三個黑白數(shù)字圖像，然后將L、B、V賦予色彩后，合成彩色圖像，在選用代表性好的波段時，根據(jù)實際需要也可以由TM1代替TM3和TM4，用TM7代表TM5或TM4，在TM圖像的各波段中，TM2的取值在0.52-0.60微米的0.52倍處，TM3的取值在0.63-0.69微米的0.68或0.69倍處，TM4的取值在0.76-0.90微米的0.89或0.90倍處，TM5的取值在1.55-1.75微米的1.55-1.58倍處，L、B、V的值根據(jù)方程組L＝a1+a2D2+a3D3+a4D4+a5D5B＝b1+b2D2+b3D3+b4D4+b5D5V＝c1+c2D2+c3D3+c4D4+c5D5L＝3.621562B2-0.075012B3-3.175864B4+3.775878B5V＝0.649329B2-1.347445B3+0.760016B4-0.061901B5B＝0.607728B2+0.363108B3+0.042044B4-1.012881B5用TM原始數(shù)據(jù)的圖像乘法運算和圖像加法運算得出，在彩色合成圖像時，在取出的3個黑白數(shù)字圖像中，規(guī)定L賦紅色、V賦綠色、B賦藍色，就能得到近似自然界的彩色圖像，也可以賦予L、B、V三種其它顏色，得到特殊的色彩圖像。
3、技術效果①.原波段圖像的各波段數(shù)值間與TM原始波段圖像比TM1、TM2和TM3之間高度相關，均反映可見光的輻射強度，TM4、TM5和TM7之間高度相關，均反映紅外光的輻射強度。彩色合成時任取3個波段，總有兩個波段是高度相關的。因此彩色合成圖主要是兩種顏色，過渡色也少，顯示信息少，各顏色地學含義不夠明確。本方法產(chǎn)生的LBV圖像各自的地學含義十分明確，自彼此互不相關，其中L是總輻射或總亮度的高低，B是水體面積和水分含量的高低，V是植被密度和植被生長茂盛程度的大小。因此，各黑白的圖像的特色十分清楚，判讀容易；彩色合成圖像，是三色圖像，即紅色、綠色、藍色各自飽和平衡，一級過渡色黃、紫色、青色和二級過渡色都出來了，顯示彩色非常豐富，即信息十分豐富，其各顏色地學含義十分明確，各顏色間的邏輯關系和各地物間的邏輯關系完全一致，例如紅色為裸地，綠色為植被，藍色為水體；紅+綠為黃，即代表裸地+植被＝稀疏植被；紅+藍為紫，即代表裸地+水＝濕地；綠+藍為青，即代表植被+水＝水草沼澤或水植混合體等。因此，彩色合成圖像的解譯比原始被原彩色合成圖像容易得多，不僅可憑經(jīng)驗解釋，重要的是可憑理論和邏輯關系解釋。LBV數(shù)字圖像用于分類只用3個圖像就可以了，分類計算迅速，分類結果很直接，據(jù)LBV數(shù)值判斷各類的地物含義，這對非監(jiān)督分類尤其有利。LBV圖像還易于實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)，全國的和全球的地物數(shù)值分析。
②.與著名的KL變換(主成分變換)圖像相比a.LBV各圖像地學含義明確，KL變換圖像地學含義不明確，KL變換圖像得到的是成分圖像。第一主成分可能是亮度，第二主成分可能是植被，第三、第四等主成分含義不明或是噪音。但因圖像和地區(qū)而易，有時第一主成分可能變成植被，第二主成分可能變?yōu)榱炼取?br> b.LBV各圖像中信息分布均勻，KL變換圖像則不然，第一主成分集中了全部信息中的大部分，一般達70％左右，第二主成分集中了剩下信息中的大部分，可占總信息的30％左右。這兩個主成分集中了全部信息中的90％以上。結果的壞處是，第一、二主成分仍是綜合信息，即許多信息混在一起，其地學含義不明，不易分辯；另一結果是第三、第四、第五等主成分中信息很少，甚至全顯噪音。地學含義更加不明。因此選用其3個圖像作彩色合成時，難于達到紅、綠、藍三色平衡、飽和，各顏色地學含義也不明確，顏色間邏輯關系無法與地物間邏輯關系一致，解譯困難，且仍主要憑經(jīng)驗。
c.KL變換一般要使用6-7個原始波段圖像來進行，若只有4個波段，其結果只能得到兩個有意義的圖像，其第3、第4圖像基本上是噪音或全部是噪音。LBV變換只用4原始波段圖像變換即可達到KL變換用7個波段圖像變換都不能達到的好效果。
d.LBV變換計算十分簡單，省時、省力、省錢。如“背景技術”節(jié)所述，用三個較簡單的線性方程就可以了，任何圖像處理人員都可直接使用。例為ENVI系統(tǒng)中用“band math”可實現(xiàn)變換，在ILWIS中用Spatial Modelling即可實現(xiàn)變換，也可自編簡單程序實現(xiàn)變換。KL變換不同，它的計算十分復雜，需要計算大量的向量矩陣，逆矩陣，特特征根等運算，計算費時、費力、費錢。且一般不可能自編程序，而必須依賴于商用軟件系統(tǒng)。如無系統(tǒng)即不可實行。
③.與著名的纓帽變換相比a.TM圖像纓帽變換要5個以上波段才能運行，要6-7個波段才能達到較好效果，若把TM圖像視作MSS的圖像選取用4個波段運行，則也只能得到兩個有意義的變換圖像，其第3、第4圖像基本上都是噪音。LBV變換只用4個波段即可達到非常好的效果，已為前述。
b.纓帽變換得到的圖像一般只有兩個波段的地學含義十分明確，即第1個圖像是亮度，第2個圖像是植被。第二、第三或其它圖像在MSS的中基本上是噪音，在TM圖像中尚無明確定義，一般只將其第3個圖像稱作“老三”(the third)，如在國際著名的美國ENVI圖像處理軟件系統(tǒng)中就是如此。LBV變換的1、2、3都非常明確。
c.纓帽變換計算也十分復雜，系用克拉默—施米特算法(Cramer-SchmitProcess)，計算費時、費力、費錢，一般也不能靠自編程序進行。沒有專門的圖像處理軟件，系統(tǒng)便不能進行。LBV變換則不同，三個簡單線性方程易于自編軟件，甚至根本不必軟件，只在ENUF的bond math中或ILWIS的SpatialMoclelling中輸入方程即可運行，且省時、省力、省錢。
五、具體實施方案本發(fā)明的主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于采用從TM圖像的原始7個波段中選出4個波段的方法，即選用代表性好的“TM2、TM3、TM4、TM5”4個波段來進行信息提取，在圖像提取中采用圖像的原始灰度值即數(shù)碼值，使用回歸計算的方法，即以選定的各波段波長值為橫坐標值，以相應的灰度值為縱坐標值，進行一次和二次回歸方程的構建；同時規(guī)定在作二次回歸方程時，波段5的灰度值取為原始值的6倍。得出回歸方程后，又規(guī)定取橫坐標為0值時，由二次回歸方程算得的灰度值即二次曲線在y軸上的截距為地物總輻射水平L值，規(guī)定取一次回歸方程一次項的系數(shù)即回歸直線的斜率的負值為地物可見——紅外輻射平衡值B；規(guī)定取二次回歸方程4個波段殘差值的特殊和的負值為地物輻射隨波段變化的向量值V，從而從TM原始圖像數(shù)據(jù)中提取出有特殊物理和地字意義的L、B、V值，形成三個黑白數(shù)字圖像，然后將L、B、V賦予色彩后，合成彩色圖像，在選用代表性好的波段時，根據(jù)實際需要也可以由TM1代替TM3和TM4，用TM7代表TM5或TM4，在TM圖像的各波段中，TM2的取值在0.52-0.60微米的0.52倍處，TM3的取值在0.63-0.69微米的0.68或0.69倍處，TM4的取值在0.76-0.90微米的0.89或0.90倍處，TM5的取值在1.55-1.75微米的1.55-1.58倍處，L、B、V的值根據(jù)方程組L＝a1+a2D2+a3D3+a4D4+a5D5B＝b1+b2D2+b3D3+b4D4+b5D5V＝c1+c2D2+c3D3+c4D4+c5D5L＝3.621562B2-0.075012B3-3.175864B4+3.775878B5V＝0.649329B2-1.347445B3+0.760016B4-0.061901B5B＝0.607728B2+0.363108B3+0.042044B4-1.012881B5用TM原始數(shù)據(jù)的圖像乘法運算和圖像加法運算得出，在彩色合成圖像時，在取出的3個黑白數(shù)字圖像中，規(guī)定L賦紅色、V賦綠色、B賦藍色，就能得到近似自然界的彩色圖像，也可以賦予L、B、V三種其它顏色，得到特殊的色彩圖像。
①.在收集世界范圍內(nèi)大量的遍及各種地物類型圖像分析的基礎上，認定了TM衛(wèi)星圖像的7個波段圖像中，所能反映的地物遙感特性只有4個。a.地物的輻射強度L；b.地物可見光輻射與紅外輻射的平衡B；c.地物輻射隨波的變化的方向和速度V；d.地物的熱輻射程度I。
②.熱輻射強度I只為TM波段6圖像所表征，且相對獨立于其他波段，故可獨立使用，不必提??；且不能與其他波段混合在一起來提取。其它三個特征混合存在于TM波段1、2、3、4、5、7共6個波段中。但波段1、2、3均是可見光波段，其波段彼此高度相關，取其中兩個波段(通?？扇?和3)，已得可見光信息的絕大部分(接近全部)；波段4、5、7均是紅外光波段，同樣彼此高度相關，取其中2個波段(通常取4和5)，已得紅外光信息的絕大部分(接近全部)。因此，TM圖像中三個地物遙感特征的提取，取4個波段圖像即可。通常以取2、3、4、5波段較好。特別應用時，可用1代替2和用7代替5。
③.地球表面上任一地段的地物，在通常情況下都是由三種基本地表要素——植被、水體(含水分)和裸地(廣義裸地，包括裸巖、水泥建筑、沙、鹽等)，以不同比例組合而構成(特殊情況下尚有云、雪、陰影等)。所以地面地物識別的核心是要從原始各波段衛(wèi)星遙感圖像中分離出植被、水體、裸地信息。本技術使植被與提取的V信息一致，水體與提取的B信息一致，裸地(含亮地物)與提取的L信息一致。若以V、L、B構成一個信息正三角形，以植被、水體、裸地構成一個地物正三角形，則兩個正三角形可完全套合對應。
④世界上所有的顏色包括彩色合成圖像上的所有顏色，均是由三個基色——紅、綠、藍——以不同比例組合而構成。本技術使紅色(R)與提取的信息L和對應的地物裸地(含亮地物)相一致，使綠色(G)與所提取的信息V和對應的植被相一致，使藍色(B)與所提取的信息B和對應的水和水分相一致。如將綠、藍、紅構成顏色正三角形，則顏色正三角形與信息正三角形和地物正三角形三三套合對應(見附圖
)。
⑤與MSS圖像信息提取和數(shù)據(jù)變換不同，MSS圖像數(shù)據(jù)變換使用輻射值曲線回歸法，但TM圖像沒有與MSS圖像波段6對應的波段，不能形成輻射值曲線的低谷，原輻射值曲線回歸法變換已不實用。還有其它一些技術問題。故TM圖像信息提取方法又經(jīng)過了長期研究，終于在2000年4月獲得成功。它的變換用灰度值曲線回歸法。但L值和B值已均不再用二次項式回歸曲線極值點計算，而是L用二次多項式回歸曲線在y軸(灰度值軸)上的截距計算，B值用一次回歸曲線的斜率計算，V值用二次回歸曲線(灰度值曲線)的殘差特殊和計算。
⑥L、B、V的計算公式如下L＝a1+a2D2+a3D3+a4D4+a5D5B＝b1+b2D2+b3D3+b4D4+b5D5V＝c1+c2D2+c3D3+c4D4+c5D5作為例子，具體的計算方程可選擇下述兩組之一第一組L＝3.621562B2-0.075012B3-3.175864B4+3.775878B5
V＝0.649329B2-1.347445B3+0.760016B4-0.061901B5B＝0.607728B2+0.363108B3+0.042044B4-1.012881B5第二組L＝3.659642B2-0.207001B3-3.140632B4+4.127946B5V＝0.620682B2-1.345152B3+0.796200B4-0.071728B5B＝0.647435B2+0.368792B3+0.024586B4-1.040813B5在此計算公式中a、b、c分別為不同的系數(shù)，D2～D5分別為2波段到5波段的數(shù)據(jù)值。此結果是有負值帶小數(shù)的數(shù)字圖像。在目前通用的各種遙感圖像處理軟件或地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件中均能自動轉換成0-255的整數(shù)值圖像(byte圖像)，因此，不必進行任何附加處理即可使用這些圖像。
為欲使L、B和V變成標準差為25、平均值為128的標準化圖像，可先用上式運算，取得標準差后，求出它與25的比值，用此比值乘各項系數(shù)，再用改變了系數(shù)的方法運算，即可得標準差為25的圖像。然后求新圖像的平均值，再求此值與128的差，作為方程的常數(shù)項，再運算即可得平均值為128，標準差為25的圖像。同理，可得任何規(guī)定標準差與平均值的圖像。
⑦.LBV的各個數(shù)字圖像經(jīng)掃描、照相、洗印或打印，即可成為LBV的黑白硬拷貝圖像(膠片、洗印片、打印片)。它們地物含義之明確遠超過原波段。
⑧.在計算機中分別賦L、B、V以不同彩色，采用各種現(xiàn)在的彩色含成方法(線性伸，在方圖均衡、動態(tài)彩色含成等)，即可得到不同彩色的彩色含成圖像。為L賦紅色，V賦綠色，B賦藍色，可得接近于自然界色彩(植被綠色，水藍色，裸地紅色)的彩色合成圖像。用直方圖均衡法一般可得很好的結果。還可分別對全景(scroll)、前景(image)或放大景(zoom)分別拉伸，可選出最理想彩色合成圖像。LBV的彩色合成圖像也可用它們的黑白圖像，進行光學合成而得到。此方法生成的彩色合成圖像色彩之豐富，信息量之豐富和地物含義之明確，均遠遠超過原波段圖像。數(shù)字彩色合成圖像經(jīng)掃描、照相、洗印或打印，可得各種形式的硬拷貝彩色圖像。
⑨.LBV的數(shù)字圖像也可用來進行地物分類，地質或全球地物數(shù)值分析等，將取得比使用源波段更好的效果。
權利要求
1.一種主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于采用從主題制像的原始7個波段中選出4個波段的方法，即選用代表性好的“TM2、TM3、TM4、TM5”4個波段來進行信息提取，在圖像提取中采用圖像的原始灰度值即數(shù)碼值，使用回歸計算的方法，即以選定的各波段波長值為橫坐標值，以相應的灰度值為縱坐標值，進行一次和二次回歸方程的構建；同時規(guī)定在作二次回歸方程時，波段5的灰度值取為原始值的6倍，得出回歸方程后，又規(guī)定取橫坐標為0值時，由二次回歸方程算得的灰度值即二次曲線在y軸上的截距為地物總輻射水平L值，規(guī)定取一次回歸方程一次項的系數(shù)即回歸直線的斜率的負值為地物可見——紅外輻射平衡值B；規(guī)定取二次回歸方程4個波段殘差值的特殊和的負值為地物輻射隨波段變化的向量值V，從而從TM原始圖像數(shù)據(jù)中提取出有特殊物理和地學意義的L、B、V值，形成三個黑白數(shù)字圖像，然后將L、B、V賦予色彩后，合成彩色圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于在選用代表性好的波段時，根據(jù)實際需要也可以由TM1代替TM3和TM4，用TM7代表TM5或TM4。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于在TM圖像的各波段中，TM2的取值在0.52-0.60微米的0.52倍處，TM3的取值在0.63-0.69微米的0.68或0.69倍處，TM4的取值在0.76-0.90微米的0.89或0.90倍處，TM5的取值在1.55-1.75微米的1.55-1.58倍處。
4.根據(jù)權利要求1所述的主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于L、B、V的值根據(jù)方程組L＝a1+a2D2+a3D3+a4D4+a5D5B＝b1+b2D2+b3D3+b4D4+b5D5V＝c1+c2D2+c3D3+c4D4+c5D5L＝3.621562B2-0.075012B3-3.175864B4+3.775878B5V＝0.649329B2-1.347445B3+0.760016B4-0.061901B5B＝0.607728B2+0.363108B3+0.042044B4-1.012881B5用TM原始數(shù)據(jù)的圖像乘法運算和圖像加法運算得出。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像的彩色圖像生成，其特征在于在彩色合成圖像時，在取出的3個黑白數(shù)字圖像中，規(guī)定L賦紅色、V賦綠色、B賦藍色，就能得到近似自然界的彩色圖像，也可以賦予L、B、V三種其它顏色，得到特殊的色彩圖像。
全文摘要
主題制圖儀圖像信息提取與黑白圖像和彩色圖像的生成，采用從TM圖像的原始7個波段中選出4個波段的方法來進行信息提取，在圖像提取中采用圖像的原始灰度值即數(shù)碼值，以選定的各波段波長值為橫坐標值，以相應的灰度值為縱坐標值，進行一次和二次回歸方程的構建；得出回歸方程后，又規(guī)定取橫從標為0值時，由二次回歸方程算得的灰度值即二次曲線在y軸上的截距為地物總國徽水平L值，規(guī)定取一次回歸方程一次項的系數(shù)即回歸直線的斜率的負值為地物可見—紅外國徽平衡值B；規(guī)定取二次回歸方程4個波段殘差值的物殊和的負值為地物國徽隨波段變化的向量值V，從而合成彩色圖像。
文檔編號G06T5/40GK1431626SQ0215726
公開日2003年7月23日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權日2002年12月27日
發(fā)明者曾志遠 申請人:南京師范大學