遥感图像处理实习指导手册（ENVI软件平台）

特别说明：本手册大部分文字资料和实验图像资料来自《遥感数字图像处理实验教程》（韦玉春 编著，科学出版社），仅供学生教学实习之用。

遥感图像处理实习指导手册

(ENVI软件平台)

中国人民大学土地管理系

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目 录

准备知识：ENVI软件基本功能菜单的认识与掌握 实验一：图像处理基本操作 实验二：图像合成和显示增强实验三：遥感图像的几何精纠正实验四：图像变换实验五：图像滤波实验六：图像分割实验七：图像分类实验八：地图制图操作实验九：使用

ENVI进行三维曲面的浏览和飞行

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准备知识：ENVI软件基本功能菜单的认识与掌握

【目的和要求】认识和熟悉ENVI软件的基本功能菜单，根据菜单的功能分类学习和掌握。

第一部分 ENVI基础

一、通用的图像显示概念

ENVI中的图像显示由一组三个不同的图像窗口组成：主图像窗口、滚动窗口和缩放窗口。ENVI图像显示的一个例子如图1所示。一个显示组的单个图像窗口可以被缩放和放置在屏幕的任何一处。多个图像的显示可以通过从ENVI的window下拉菜单下的选择Start New Display window来启动，或通过点击可用波段列表内的“New Display”。

图1 ENVI的显示窗口

（一）主图像窗口

主图像窗口由一幅以全分辨率显示的图像的一部分组成。该窗口在第一次载入一幅图像时自动地被启动。窗口的起始大小由在envi.cfg配置文件中设置的参数控制。它也能动态地被缩放。ENVI允许装载多个主图像窗口及相应的的滚动和缩放窗口。

（二）主图像窗口内的功能菜单

在主图像窗口中，功能菜单条包括5个下拉菜单：File，Overlay，Enhance，Tools，Window。这些菜单共同排列在显示窗口的菜单栏中，使用这些菜单来访问普通的显示操作和交互功能。

（三）滚动窗口

滚动窗口是一个以二次抽样的分辨率显示整幅图像的显示窗口。滚动窗口位置和大小最初在envi.cfg文件中被设置并且可以被修改。只有要显示的图像比主图像窗口以全分辨率能显示的图像大时，才会出现滚动窗口。可以动态地将其缩放到任何大小直至全屏。当练习这一选项时，重采样系数会自动改变以适用于新的图像大小。重采样系数出现在滚动窗口标题栏的括号内。对于滚动窗口中被再次重采样的大图像，可以缩放到区域内，并减少重采样系数。可能出现多个滚动窗口，每个窗口对应于一个已

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载入的主图像窗口。

（四）缩放窗口

缩放窗口是一个小的图像显示窗口，它以用户自定义的缩放系数使用像元复制来显示主图像窗口的一部分。缩放窗口的大小、位置和系统默认的缩放系数最初在envi.cfg文件中被设置，并且可以被用户修改。缩放窗口提供无限缩放能力，缩放系数出现在窗口标题栏的括号中。缩放窗口能动态地调整大小，直至屏幕中可利用的尺寸。可以显示多个缩放窗口, 每个窗口对应于一个已载入的主显示窗口。

（五）调整窗口大小

许多ENVI窗口能动态调整大小直至全屏。这包括图像显示、矢量窗口及所有除散布图和动画窗口之外的辅助窗口。窗口大小的调整通过用鼠标指针点住它的一角并拖到所需要的图像大小来实现。

（六）当前活动显示

每次只有一幅显示的图像（主图像、滚动和缩放窗口的组合）是”激活”的。激活的显示是下一幅图像将被载入的那个显示组。通过在现有波段列表中输入适当的显示数，来设置活动显示。请注意：没有必要为了将一个功能应用到一个显示而激活该显示，并且使用这些功能不会激活显示。

（七）辅助窗口

ENVI图像显示可以有很多相关的辅助窗口。这些窗口典型地由ENVI的交互显示功能来启动，并且可以包括X、Y、Z及任意的剖面、直方图、散点图、表面图（透视图）和动画窗口。它们都各自附属于一个特定的图像显示组。多个显示可以有各自独立的辅助窗口组。

（八）矢量显示列表

矢量显示列表由一个矢量窗口及与之相关的 “Vector Window Params” 对话框组成。一个矢量显示组的例子如图1-2所示。同图像显示窗口一样，矢量窗口可以调整大小及放置于屏幕任何位置。

（九）显示窗口中的快捷菜单

在一个显示窗口中点击右键，从显示的菜单中选择所需的选项。通过窗口中的任何一个快捷菜单，都可以访问许多显示窗口栏中的交互功能

图2 ENVI矢量窗口

二、数据管理

ENVI为管理图像、矢量数据、对话框和单个窗口提供很多工具。这些工具将在以下部分讨论。

（一）可用波段列表

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可利用波段列表是用于存取ENVI图像文件和这些文件的单个图像波段的控制面板。无论何时一个图像文件被打开，现有波段列表在它自己的对话框中出现，它包含所有打开的文件和任何内存数据项（在内存中进行计算，但不保存）的现有图像波段的一个列表，可以为配准过的图像显示地图信息。不管图像是否显示，若打开了多个文件，那么所有文件的所有波段按先后顺序列出，最新打开文件的波段位于列表最顶部。现有波段列表用于将灰阶和彩色图像装载到活动显示、打开和关闭文件、或从内存中删除单个波段。

（二）可用矢量列表

可利用矢量列表包含一列内存中现有的用于在图像显示窗口或矢量显示窗口显示的所有矢量文件。一旦载入，所有读入内存的矢量层按先后顺序列出，最新读入的矢量位于列表最顶部。将使用现有的矢量列表启动矢量显示组，以及从内存中删除矢量层。

（三）浏览目录列表和Geo－Browser

浏览目录列表列出一个已选择的目录中的所有ENVI文件，打印文件信息，允许打开选定的文件，以及启动Geo－Browser文件显示。Geo－Browser在一张世界地图上用一面红旗标记所有的地理编码数据的位置。用户可以缩放地图，然后在红旗上点击来选择所需要的文件。

（四）打开文件列表

打开文件列表是一个用于管理ENVI图像文件的工具。它列出了当前打开文件和任何内存数据项的所有名字。选择一个文件名，将列出该文件所有的已知信息。这包括诸如完整的路径和图像名等参数；线、样点和波段数；标题大小；文件类型；数据类型；交叉；数据的字节顺序；以及是否采用了地理坐标定位，是否波长与波段相关联。选项包括删除内存数据项，关闭或删除单个文件，以及将内存计算结果写到磁盘文件。这些操作允许最优使用系统内存。

（五）ENVI窗口查找器

ENVI窗口查找器列出所有已打开的主要的ENVI窗口，包括：主图像、滚动和缩放窗口、所有辅助窗口，以及许多ENVI交互功能中使用的其它窗口和对话框。可以通过在名字上点击，调用任何窗口或对话框到前景。例如，若你需要访问现有波段列表，但它隐藏在你的图像后面，步骤如下：

（1） 选择Window > window finder。 （2） 点击”可利用波段列表”。

（六）ENVI处理状态窗口

当计算进行时，大多数ENVI功能显示处理状态。功能启动后（通常通过点击OK按钮），会立即出现一个标准的状态窗口。窗口标题与正在执行的功能相匹配，并且显示结果是否被置于内存或到一个输出文件中。当数据被处理时，一个标有 ”% Complete” 的滑动块及时地更新。标有“Inc:”的文本框显示每个数据处理增量的大小，这基于tile size。功能自动地判定处理增量的大小。当在滑动块工具条上显示时，分数的增量将舍入到最接近的整数）。

注意：若增量小于100%，可以用“Cancel”按钮终止处理。此时，当下一个增量发生时，功能将被中断。若增量等于100%，不可能再中断功能。

三、内存管理

ENVI允许通过调整系统内存来处理大的数据集,例如, 典型的处理任务经常在只有16Mb物理内存的机器上使用大于200Mb的数据集。若处理一项任务没有足够内存，数据集被分成易处理的片段，在内

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如果将图像文件保存为TFF/GeoTIFF格式，请使用主菜单文件菜单下的“保存文件为”子菜单。

（六）图像合并

将具有相同行列的单个图像文件合并为一个图像文件。某些图像处理要求所有的波段保存在一个文件中。

操作：主菜单File – Save File as – ENVI Standard。

在显示的New File Builder窗口中，点击“Import File..”，选择bl，..，b7。

单击“Reorder Files..”，出现文件排序Reorder Files窗口。使用鼠标左键选择波段名称然后上下拖放进行排序，使得从1-7分别对应bl，..，b7，确定。输出的文件名为AA，确定。AA是以后各次实验用的图像文件名称。

（七）关闭文件

在“Available Bands List”窗口，点击：File – Close All Files。 注意：关闭显示窗口，并没有关闭文件。要关闭文件必须使用上述操作。

（八）编辑头文件

编辑图像“AA”头文件。

操作：显示头信息窗口，在头信息窗口点击“编辑属性”。 输入如下信息：

波段名称：bl，b2，b3，b4，b5，b6，b7。

波长：取波段的中心波长值，分别为：478.700，561.000，661.400，834.600，1650.000，11500.000，2208.000。使用纳米作为波长单位。 像素大小：b6为 120米，其余为 30米。 传感器类型：Landsat TM。

数据中忽略值：0值。根据图像内容确定此值，其对图像显示影响大。（见下图）。

注意：图像头文件中“数据中忽略值”一项参数很重要，影响着图像的显示和统计的结果！在获取的图像中，是不会有0值的。但是处理变换后的图像可能有0值。必须根据图像数据本身的数值范围进行设定。

（九）图像剪裁

将图像的局部空间或波段剪裁出来，保存为单独的文件，分别称为创建空间子集和创建光谱子集。

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实验：将玄武湖范围的1-4波段数据剪裁保存为新文件。 操作：关闭所有窗口。单色显示第4波段。

剪裁操作：点击主菜单 Basic Tools – Resize Data。

在出现的输入文件窗口(Resize Data Input File)中，选择AA。 1、空间范围剪裁

点击空间子集 (Select Spatial Subset)。

剪裁可以：（1）基于显示的图像Image，在图像上确定矩形范围；（2）打开的己有文件File；（3）其他的矢量文件ROI/EVF。

这里使用方式（1）。单击按钮Image，出现窗口“利用图像创建子集 (Subset by Image)”，其中的红框为剪裁后的图像范围。左键单击红框中间移动位置。单击红框的四个角拉伸框的范围。 移动到玄武湖周围，拉伸红框确定范围。输入需要的数据行数和列数。单击确定返回到Resize Data Input File窗口。 2、光谱范围剪裁

在Resize Data Input File窗口，单击光谱子集 (Spectral Subset)按钮。在出现的文件光谱子集 (File Spectral Subset)窗口，使用Shift + 鼠标左键选择要保留的波段，确定。在Resize Data Input File窗口，单击确定。

窗口中的几个参数，在学习完几何纠正后会有更好的理解。现在使用默认的参数。 保存输出结果到文件中：AA_XWH。

（十）改变图像大小

可以通过重采样来改变图像的大小。对于图像AA，将空间分辨率分别重采样到20米和60米。 菜单：主菜单Basic Tools – Resize Data。

选择图像AA，确定后，出现改变数据大小参数 (Resize Data Parameters) 窗口，单击其中的按钮：Set Output Dims by Pixel Size..。

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如果你看到输出的X和Y的像素大小为1米，那么请退出本操作，设置头文件中的像素大小参数、然后重复上述步骤。像素大小应该为30米。

对于20米，输入X和Y的大小分别为20米，确定。（见下左图）

注意Resize Data Parameters窗口中的xfac和yfac参数的变化和图像行列数的变化。保存结果到内存中。重复上述过程，重采样为60米。（下右图）

思考：使用不同的空间分辨率进行重采样后，图像发生了什么变化？

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（十一）查看帮助信息

点击主菜单 “Help” –“ Start ENVI help”，阅读帮助文件。从“index”中，输入“display images”，查看帮助信息。 输入“TM”，查看相关的帮助信息。

三、问题

（1）实验图像AA数据包括几个波段？各波段数据有什么特点？如何查看这些信息？ （2）本实验光盘中图像“BKmoon.bmp”包括几个波段？各波段数据有什么特点？ （3）本实验光盘中图像“南海之滨.bmp”包括几个波段？各波段数据有什么特点？ （4）问题 (2)、(3)的两个图像与AA图像的差异是什么？ （5）如何连接多个显示窗口？为什么要进行连接显示？

（6）如何将多个单独的图像文件合并为一个数据文件？文件合并的前提条件是什么？

（7）如何将图像窗口显示的图像保存为GeoTIFF格式？如何将图像文件另存为GeoTIFF格式？ （8）图像头文件信息的作用是什么？如何编辑图像头文件中的信息？ （9）如何进行图像的剪裁？ENVI中有哪些图像的剪裁方式？

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实验二 图像合成和显示增强

一、目的和要求

【目的】掌握图像合成和显示增强的基本方法，理解存储的图像数据与显示的图像数 据之间的差异。

【要求】根据图像中的地物特征进行图像合成显示、拉伸、图像均衡化等显示增强操作；理解直方图的含义，能熟练地利用直方图进行多波段的图像显示拉伸增强处理。 【数据】TM图像数据。上次实验合并后的图像数据文件AA。

二、实验内容 （一）图像合成

数据：图像AA。

图像合成方法：伪彩色合成、彩色合成两种方式。其中彩色合成包括:真彩色合成、假彩色合成、模拟真彩色合成。模拟真彩色合成将在图像变换部分进行实验。 操作：使用 (4，3，2)进行RGB合成显示图像。图像窗口为#1。

移动图像窗口的红色选框到玄武湖，将光标“+”字放在红框内，双击，显示光标位置窗口。该窗口中出现了Scrn（被拉伸的图像）和Data（原始数据），二者后面的RGB的值是不同的（Scrn和Data两个值分别是什么含义？为什么不同？）。

1、伪彩色合成

在新的窗口显示第4波段图像，窗口为#2。

菜单：窗口菜单 Tools – Color Mapping – Density Slice..，选择Band 4，确定。 在“Density Slice..”窗口中，单击“应用”按钮，窗口#2的图像变成了彩色。 设置默认的分级数为3个：在“Density Slice..”窗口，点击Options – Set Number of Default Range，输入3，确定。单击Options – Apply Default Range，单击Apply按钮。 请查看窗口#2内的变化。

重复上面步骤，设置分级数为10，查看图像的变化。（见下图）

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合成后图像基本的特征是：长江是绿色的，玄武湖是红色的。

在新的窗口显示波段4，窗口编号#3。

窗口菜单 Tools – Color Mapping – ENVI Color Tables…。

依次点击Color Tables 下的颜色方案列表，查看#3图像的变化。点击Rainbow彩色表，查看显示效果。思考：哪种颜色方案能够突出水陆的差异？

2、真彩色合成

TM图像的3，2，1分别对应R，G，B三个波段范围，所以，(3，2，1) 的合成就是真彩色合成。使用 (3，2，1)进行RGB合成显示，窗口为#4。 3、假彩色合成

任意三个波段合成显示，如果不是真彩色，那么就是假彩色。 窗口#1中的(4，3，2)合成就是标准的假彩色合成。

使用 (5，4，2)进行RGB合成显示，窗口为#5。合成结果比较见下图。

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将#l到#5窗口连接显示，比较不同合成方式的差异：在#5窗口，点击Tools – Link – Link Displays..。按照#1-#5的顺序排列各个窗口以便于显示。 思考：哪种合成方法更好地突出了植被与水体的差异？ 4、模拟真彩色合成

本部分内容需要利用代数运算的知识，在图像变换部分进行练习。

关闭所有的窗口：单击ENVI菜单Window – Close All Display Windows。

（二）图像拉伸

图像拉伸包括：线性拉伸，2%拉伸，高斯拉伸，平方根拉伸，交互拉伸等，常用的是2%拉伸和交互拉伸。

数据：图像AA。

流程：图像合成显示 - 图像拉伸 - 图像保存。图像保存并不总是必要的。

菜单：图像窗口中的“Enhance”。

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拉伸输入的数据可以是：(1)全景窗口Scro11；(2)图像窗口Image；(3)放大窗口Zoom。 1、窗口图像拉伸

按照 (4，3，2)彩色合成显示图像。窗口编号为#1。

依次点击菜单中Scroll，Image，Zoom对应Linear 2%拉伸，查看三个窗口显示的变化。 思考：（1）为什么相同的拉伸方法，选择不同的窗口拉伸，其效果不同？（2）单击Scroll Linear O~255，图像发生了什么变化？

双击Image窗口中的红色选框，显示光标位置的像素值，可以看到Scrn和Data后面对应的像素值相同。（为什么会有上述差异？从Data到Scrn，数据怎么变化的？）

单击Image Linear 2%，这两行的值不同。ENVI默认图像打开时进行了2%的线性拉伸显示。 对于TM图像，原始数据为8位量化，所以，Linear O~255显示原始数据中的全部灰度级，没有经过处理。Linear2%显示的是经过了拉伸后的图像。

Scrn是拉伸处理后的图像数据。Data是存储在硬盘上的图像文件中的数据。

拓展实验：高斯、平方根拉伸。将Image窗口中的选取移动到如下图所示的位置，单击：Zoom Gaussian。各个窗口中图像的显示发生了哪些变化？图像中最突出的颜色是什么？

2、交互拉伸

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交互是最常用最灵活的拉伸方式。拉伸的效果取决于对图像与直方图关系的理解。

点击：Image窗口菜单 Enhance – Interactive Stretching..，显示初始的图像直方图。所谓的查看图像直方图，也是进行如上的操作。

A.影响图像直方图的选项

数据源：通过Histogram_Source菜单设置。对于整个图像的直方图，要设置为Band。 直方图的参数：通过Options – Histogram Parameters设置。

影响输出直方图的是拉伸类型。通过窗口菜单Stretch - Type设置。一般使用线性拉伸。 将Scroll窗口的选区框移到该窗口的左上角，点击直方图窗口菜单：Histogram – Source - Image，查看图像的变化。移动Scroll窗口中的选区，查看直方图的变化。

将Image窗口的选取框移到如下图的位置，设置直方图的来源为Zoom。

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思考：绘制图像直方图的数据源由哪个菜单项控制?

B.交互拉伸

在直方图窗口中，将R波段 (对应4波段)的右边界 (上图中的竖虚线)移动到30，单击应用 (Apply)按钮。查看图像显示的变化。

移动右边界到不同的位置，单击应用。对比窗口显示的变化。 分别点击直方图窗口的R，G，B，查看对应波段的直方图。

将直方图的输入设置为波段，然后查看RGB三个通道的直方图。

在直方图窗口，将默认的拉伸改为Scroll Linear 2%，然后分别查看RGB的直方图。比较直方图的变化。注意直方图横轴的含义和坐标值的变化。

（三）图像均衡化

点击图像窗口：Enhance- Scroll Equalization。

查看直方图的变化。特别是输入与输出直方图的形状的对比。 点击：Image - linear，Image – Linear 2%。 思考：（1）图像对比度较好时，输出图像的直方图是什么形状？（2）直方图什么形状时，图像较暗？

（四）图像规定化

对#1的Image窗口进行线性拉伸。

使用 (7，4，3)合成显示。窗口编号为#2。查看图像的直方图。

连接#1和#2的显示。在#1窗口，点击：Enhance – Histogram Matchng..（直方图匹配），选择#2为参考窗口，输入的图像为Scroll，确定。

分别比较#1，#2窗口RGB的直方图形状 (见下图)。 思考：规定化与均衡化有什么区别？

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(a)(7，4，3)合成图像的直方图，作为规定化的参考

(b)(4;3，2)合成图像的直方图，规定化后的结果

三、问题思考

(1)图像拉伸与哪些图像基本操作结合后才能进行有效的显示增强? (2)如何确定直方图交互拉伸需要的输入参数值的大小? (3)如何增强显示Zoom窗口中的图像? (4)直方图的均衡化与规定化有什么区别? (5)影响图像直方图的因素有哪些?

(6)ENVI中图像直方图的数据源有哪些?有哪些拉伸方法?

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实验三 遥感图像的几何精纠正

一、目的和要求

【目的】使用多项式方法对TM遥感图像进行几何精纠正。

【要求】能熟练根据地图、GPS测点数据或具有投影的图像对遥感图像进行几何精纠正。能够正确选择几何纠正中的各种参数。能够对纠正结果进行评价。掌握几何精纠正的基本方法和操作要点。

二、实验内容

根据MapInfo格式的矢量数据，对南京市Landsat5的TM图像进行几何精纠正。受保密等因素的影响，我们只提供了一个基本的能够用于图像纠正实验练习的地图数据。 图像的几何精纠正有两种方式：图像-地图 和 图像-图像。

图像-地图方式是使用地图作为标准参考对图像进行纠正，这些地图一般是地区的基础地理信息，或全要素的地形图。

图像-图像方式是其他图像作为参考进行纠正。作为参考的图像可以具有投影坐标，也可以不具有投影。如果是后者，往往被称为相对纠正。例如，进行变化探测分析时，图像必须纠正到相同的坐标系，相互配准。

在本实验中，如果安装了MapInfo，则可使用图像-地图的方式 (使用“2.获取地图信息”显示矢量图的方式来获取地面参考坐标)。如果没有安装MapInfo，则只能练习图像-图像纠正，此时可以直接进入“3.显示图像”。

（一）几何精纠正的步骤

(1)图像剪裁：根据研究区域的范围对图像进行初步的剪裁。

(2)获取GCP点：首先从待纠正的图像上找到标志点，然后从地图或其他图像上获取GCP点。 (3)选择坐标和投影。 (4)输入GCP坐标。

(5)选择纠正方程和重采样方法。 (6)进行纠正。 (7)评价纠正结果。

（二）获取地图信息

对于图像-地图的方式，可以选择从地图上直接量测参考的GCP点。对于电子地图，则需要使用GIS软件来获取GCP点。

本实验是假设具有了作为参考的矢量图。使用Maplnfo作为GIS软件的代表（也可以使用其他相关软件）。

运行MapInfog9.0软件(MapInfo9.5后图层控制界面与本部分略有区别)。默认安装在C:\\Program Files\\MapInfo\\目录中。 1、显示地图

打开工作空间文件“C3几何纠正\\nj city.WOR”，显示使用的地图。该地图系南京旅游图使用手持GPS纠正后的图像，仅用来练习工作。实际工作中，需要打开1:5万 (对于TM图像，也可以使用1:10万)的地形图电子数据。

地图窗口包括两个图层：测点位置和DSCFOO77。其中“测点位置”为矢量图，内容为实测的手持GPS坐标点，后面实验申建立的GCP点也保存在本图层中。“DSCFO077”为扫描的南京市旅游图。 当前的地图投影设定为高斯-克吕格投影，6度分带，20带。 2、查看地图投影

在MapInfo中获取当前地图的投影信息。

操作：Map – Option - Projection。显示结果如下图所示。

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3、获取点位坐标

操作：设置“测点位置”图层为可编辑 (在地图窗口点击右键，点击“图层控制”，在出现的窗口中，设置“测点位置”图层可编辑，然后确认，关闭对话框)。

双击地图窗口中的位置点，显示如下图所示。

图中显示的是鼓楼东侧点的坐标

文本框中的坐标可以被拷贝下来，粘贴到ENVI中的坐标文本框中。 单击OK关闭对话框。

（三）显示图像

运行ENVI软件。打开合并后的南京市的TM图像AA，使用 (4，3，2)进行假彩色合成显示在#1窗口。

操作：顺序点击Band4，Band3和Band2，使之分别与RGB相对应。点击Load RGB显示图像。

对于图像-图像纠正，请打开图像文件“C3几何纠正\\参照数据\\njlv_pz”，并在#2窗口中显示。

（四）选择地面控制点

1、初始设置 A.图像-地图纠正

根据地图纠正遥感图像需要设置投影信息。首先要在待纠正图像

中选择标志点，这些点应该具有明确的可识别的位置和色调，比较稳定。一般情况下，选择“+”字的中心作为标志点。这些“+”字可以是：路-路，路-水，房屋拐角等。标志点在图像中的分布尽可能均匀。

可以通过不同的图像合成来寻找合适的标志点。

与标志点对应的地图上的点为GCP。有时候，二者都叫GCP。

操作：Map – Registration – Select GCPs：Image to Map。

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在“图像到地图注册”(Image to Map Registration)窗口中 (见上右图)，根据参照的矢量图地图信息，选择GK Zone 2O(Pulkova l942)。确定后，出现如下窗口。其中，地图坐标来自于矢量 地图，图像坐标来自于图像文件。

首先在图像窗口移动光标，根据GCP确定的原则确定GCP位置，然后在矢量地图窗口确定同名地物点，并将其坐标拷贝到本窗口中的地图坐标文本框中。确认合适后，单击“Add Point”产生一个同名地物点。重复操作，继续寻找下一个GCP点，直到符合数量要求，一般是10-20个。 B.图像-图像纠正

将图像作为地面参照进行纠正。

操作：Map – Registration – Select GCPs：Image to image。

在弹出的对话框中，Base Image为参照图的，Warp Image为需要纠正的图像。见下左图。 确定后，显示下右图所示窗口。

首先在图像窗口找GCP，然后在参照图像窗口中寻找相同的位置。确认后，单击“Add Point”，产生一个同名地物点。重复操作，继续寻找下一个GCP，直到符合要求。

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2、同名地物点

在ENVI的图像窗口，找到玄武湖公园中两个岛的连接桥 (下图Zoom窗口的“+”字线中心)，单击鼠标左键，作为第一个GCP的图像坐标。

A、图像-地图纠正

在Maplnfo的地图窗口中找到该位置，单击图标 Add point 增加点，在该位置单击鼠标左键增加一个新的位置点 (注意：此时测点图层应该是可以编辑的)，然后双击该点，显示点的坐标信息。拷贝X的坐标。

在ENVI的“选择地面控制点”窗口中 (见上一页图)，单击“E”左侧的文本框，按Ctrl+V，粘贴刚刚拷贝的X坐标。

重复上面的操作，将Y坐标拷贝并粘贴到“N”左侧的文本框中。 单击Add point，保存坐标。

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B、图像-图像纠正

在#2窗口找到对应的位置作为第一个GCP的参照点，单击鼠标左键。单击鼠标左键。 单击Add point，保存坐标。 单击Show list，显示创GCP点。

至少选择6个控制点，并且控制点分布要比较均匀。 C、图像-地图GCP列表 (Image to Map GCP List)

本窗口中各个按钮的功能如下：

Goto：在图像窗口定位当前的控制点。

On/Off：使用/忽略当前的控制点。被忽视的控制点在该行的左侧具有标记“-”，在纠正中不被采用。

Delete：删除当前的控制点。

Update：使用新的位置更新当前行的控制点坐标。

上图列表窗口中，初始选择了11个控制点，最后使用了5个控制点(列表中，+为使用的控制点，-为不用的控制点)。

注意：表格的最右侧RMS是对应的均方根误差，越小越好。

将表中有效位置的坐标：ImageX，ImageY，MapX，MapY拷贝到Exel中备用。 通过On/Off控制GCP的分布，比较控制点分布对纠正结果的影响。

（五）几何纠正

1、保存GCP坐标

窗口：Ground Control Point Selection

如果有必要，保存当前的控制点坐标信息到文件中。在以后的工作中，可以通过“Restore GCPs from ASCII..”来恢复保存的控制点。

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操作如图4·12所示。

2、纠正图像文件

选择“Options – Warp File.. ”，打开纠正窗口(见上图)。从列表中选择要纠正的图像名称。

选择纠正用的参数，包括多项式的阶数 (Degree)，重采样方法等(下图)。

由于这里只有5个控制点，所以使用1阶多项式、最近邻重采样方法。

注意：除非确认图像有扭曲变形，否则不建议选择3阶多项式。控制点多而且分布均匀，高阶多项式才能得到比较好的纠正效果。

纠正后的图像可以保存在文件中或保存在内存中。作为最后的结果或对于大图像文件需要保存到文件中，否则，建议保存到内存。

思考：控制点分布对纠正结果有什么影响?

（六）纠正结果分析

在#3窗口打开纠正后的图像，使用与原始图像相同的合成方式显示，进行对比分析 (见下图)。

在可用波段列表窗口中显示几何纠正后的图像，会出现地图信息 (Map Info)项。

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（本图的图像没有得到合适纠正）

（七）结果评估

从纠正后的图像窗口至少选择10个点 (在图像范围内均匀分布)，读取其地理坐标作为X1，Y1。从MapInfo地图窗口或参照图像窗口，读取对应位置的地理坐标作为X2，Y2，将结果保存到Excel中。 计算对应点的距离参数，统计最大距离，最小距离、平均距离和标准差。 将计算结果与GCP列表中的RMS值进行比较，给出纠正结果的精度评定。

（八）保存

如果精度较好 (如小于2个像素)，那么保存几何纠正图像到文件中。 存盘文件：njtm_pz。在图像分类的实验中将使用本结果。 思考：使用什么方法确定图像之间的差异?

（九）纠正结果比较

使用上述的GCP数据，在几何纠正的第四步，分别使用其他的重采样方法进行纠正，存盘文件分别为：aa_pz1，aa_pz2。

然后显示图像，通过窗口的连接，比较不同采样方法产生的纠正图像之间的差异。

（十）自定义地图投影

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有时候我们需要自定义地图投影，以便正确地显示图像和统计面积。 1、坐标系

坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定。坐标系是地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的结合。 我国当前使用的坐标系有两个，分别是1954北京坐标系和1980西安坐标系。

我国的大地测量基本上仍以1954北京坐标系作为参照，1954北京与1980西安坐标系之间的转换需要查阅国家测绘局公布的对照表。

GPS测量的坐标为经纬度，使用WGS84椭球体，它是地心坐标系，即以地心作为椭球体中心。 2、地图投影

地图投影 (Projection)是将地图从球面转换到平面的数学变换。如果有人说：该点北京54坐标值为X=4231898、Y=21655933，实际上指的是1954北京坐标系基准面下的投影坐标，也就是1954北京坐标系基准面下的经纬度坐标在直角平面坐标上的投影结果。

我国规定1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万等比例尺地形图，均采用高斯-克吕格投影。小于等于1:2.5万比例尺地形图采用经差6度分带，大于1:2.5万比例尺地形图采用经差3度分带。

高斯-克吕格投影以6度或3度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网，投影带中央经线投影后的直线为X轴 (纵轴，纬度方向)，赤道投影后为Y轴 (横轴，经度方向)。为了防止经度方向的坐标出现负值，规定每带的中央经线西移5OOkm，即假东偏移值为5OOkm，由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，因此规定在横轴坐标前加上带号，例如，21 655933，其中21即为带号，同样所偏移值也需要加上带号，例如，21带的假东偏移值为21500000米。

高斯-克吕格投影的中央经线长度比等于l，UTM投影(通用横轴墨卡托投影)规定中央经线为0.9996。

知识补充：

墨卡托投影，又称等角正切圆柱投影，其原理是假设有一个与在赤道与地球相切的圆柱面，先把球面映射到这个圆柱面，再把这个圆柱面展开成为一个平面。

高斯－克吕格投影，是等角横切椭圆柱投影。它是设想用一个椭圆柱套在地球椭球外面，并与某一条子午线相切（此子午线称为中央子午线或中央经线），椭圆柱的中心轴位于椭球的赤道面上，如图5－10所示，再按高斯－克吕格投影所规定的条件，将中央经线东、西各一定的经差范围内的经纬线交点投影到椭球柱面上，并将此圆柱展为平面，即得本投影。

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通用横轴墨卡托投影简称UTM投影。与高斯－克吕格投影相比，这两种投影之间仅存在着很少的差别。从几何意义看，UTM投影属于横轴等角割投影，圆柱割地球于两条等高圈（对地球而言）上，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度比小于1。

基本的坐标投影设置参数如下：

投影代号 (Type)，基准面 (Datum)，单位 (Unit)，中央经度(OriginLongitude)，原点纬度 (OriginLatitude)，比例系数 (ScaleFactor)，假东偏移(FalseEasting)，假北偏移 (FalseNorthing)。 3、基本参数

我国地图常用的一些参数见下表。 坐标系 投影 椭球体 基准面 北京54 Gauss-Kruger Krasovsky 北京54 西安80 Gauss-Kruger IAG一75 西安80

椭球体 年代 长半径（m） 扁率 WGS84 1984 6378137 1：298.257 Krasovsky 1940 6378245 1：298.3 IAG一75 1975 6378140 1：298.257

4、自定义地图投影

ENVI中的坐标定义文件存放在HOME\\ITT\\IDL708\\products\\envi46\\map_proj文件夹下(HOME是系统安装的目录，如C:\\Program Files(x86)\\)，其中的三个文件记录了坐标系的相关信息。 Ellipse.txt: 椭球体参数文件 Datum.txt: 基准面参数文件

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Map_proj.txt: 坐标系参数文件

使用纯文木编辑器修改这些文件。注意：标点符号必须为半角!

这里假设是自定义：1980西安坐标系，3度分带。中央经度120度。

对于ellipse.txt，文件末尾增加：Xian_1980，6378140.0，6356755.3。 对于datum.txt，文件末尾增加：D_Xian_l980，Xian_l980，0，0，0。

运行 ENVI（如果己经运行，退出，重新运行），选择 Map - Customize Map Projections，在出现的窗口中进行定义。

输入投影名称: Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_40。 投影类型: Transverse Mercator。 投影基准: D_Xian_1980。 假东和假北 :

对于 3度分带，False easting 中增加带号，输入为: 40500000。 假北(False northing): 0。 投影原点的纬度: 0。 投影原点的经度: 120.0。

对于 Gauss-Kruger，Scale factor为 l。 定义完成后的窗口如下图。

按如下操作加入新定义的投影(下左图)。然后通过窗口菜单 File 保存定义的投影，覆盖原来的文件(下右图)。保存后关闭窗口。

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打开文件 map_proj.txt，会看到里面增加了如下字符串：3，6378140.0，6356755.3，0.000000，120.000000，40500000.0，0.0，l.00000O，D_Xian_1980，Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_40 5、转换投影

将具有投影的图像转换为其他投影。

操作：主菜单 Map – Convert Map Projection。

将纠正后的图像指定为输入图像后，弹出如下图所示窗口。

单击“改变投影”(change projeotion)按钮，指定新的投影为Xian_1980_3_Degree_GK_ Zone_40。 检查像素的大小，建议保存GCP，然后设定输出的文件名即可。

三、问题思考

(1)控制点选择应该注意哪些问题？如何有效地选择控制点？

(2)对于初步选择的多个控制点，如何确定最后使用哪个控制点？依据是什么？ (3)控制点选择5个或10个，纠正结果有什么差异？

(4)使用1阶多项式和2阶多项式的纠正结果有什么差异？ (5)控制点的分布对图像纠正结果有什么影响？

(6)如何使用己有的“测点位置”图层对纠正结果进行检查？ (7)如何评估纠正结果的误差？

(8)使用哪些波段组合更容易找到TM图像中的GCP？

(9)如何在ENVI中自定义1980西安坐标系高斯-克吕格投影？假定3度分带，地区中央经度为120度。

(10)使用GPS测量结果作为GCP的数据源进行图像几何精纠正应该注意哪些问题？

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实验四 图像变换

一、目的和要求

【目的】掌握图像变换的基本操作，对比变换前后图像的差异，理解不同变换方法之间的区别。

【要求】能够根据图像的特征设定傅里叶变换的滤波器，消除图像中的条纹。能够解释主成分变换后的图像，利用主成分变换消除图像中的噪声。能够利用KT变换结果进行图像合成、解释地物信息。 熟练利用代数运算产生不同的波段组合。利用彩色变换进行图像的合成和融合。能够解释变换后的图像，并根据工作目的选择合适的图像变换方法。

二、实验内容

本实验中待处理图像的分辨率相同。如果不同，需要重采样到相同的大小。

（一）SPOT图像的傅里叶变换

使用傅里叶变换去除SPOT图像中水体部分的条带噪声。

数据：SPOT图像的PAN波段，南京长江大桥周边。数据文件名：“C4图像交换\\fft CJ_spot”。 流程：傅里叶正变换 - 设定滤波器 - 傅里叶逆变换。

菜单：主菜单Filter – FFT Filtering(见下图)。

要点：数据要求具有偶数行和偶数列。如果数据不符合该要求，需要对数据进行重采样！如果图像数据太大，如数百兆，需要计算机具有足够的内存。一般认为，需要的内存是图像大小的8倍。 以下为具体实验操作步骤。

1、图像的傅里叶正变换

点击主菜单：Filter – FFT Filtering – Forward FFT。 选择 “CJ_spot”，单击“OK”，输出结果设定为“内存”。 在可用波段列表窗口，显示为:

以灰阶方式打开Memoryl的FFT，然后进行2%的线性拉伸，其频率域图像如下图所示。窗口为#1。注意：图像中心为低频成分，周围为高频成分。亮度大小为幅值。高亮度处的频率成分明显。

2、设定滤波器

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点击主菜单：Filter – FFT Filtering – Filter Definition。

选择输入为前向FFT结果图像 (频率域图像)的窗口#1(上右图)。在出现的滤波器定义 (Filter Definition)窗口中，点击菜单“Filter_Type”选择滤波器。系统默认为低通滤波器。

对于低通 (Circular Pass)、高通 (Circular Cut)、带通 (Band Pass)、带阻滤波器 (Band Cut)，可直接在窗口中输入参数。这些参数均以频率域图像中心为中心。

实际工作中，常用的是用户自定义滤波器(下图)。

用户自定义滤波器的操作如下。 A.选择滤波器类型

以用户自定义阻断滤波器为例。 在“Filter Definition”窗口，点击“Filter_Type” – “User Defined Cut”。 B.定义滤波器

单击前向FFT结果图像窗口#1中的菜单“Overlay” – “Annotation..”。

在出现的注释 (Annotation)窗口中（上右图），点击选择对象“Object”类型为“矩形”(Rectangle)，选择绘制滤波器对象的窗口为“Zoom”。右键单击Color右侧的色块，设置颜色为红色。其余默认(见下图)。

在前向FFT结果图像的窗口#1，单击鼠标左键绘制多边形。双击右键结束。其结果如上右图。 注意：ENVI中，矢量对象的绘制操作为，单击鼠标左键，绘制对象。完成绘制，双击右键。

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在滤波器定义窗口“Filter Definition”，指定输出结果为“内存”，单击应用按钮“Apply”产生滤波器。其名称为

可以通过灰阶显示方式查看该滤波器。 3、逆变换

单击主菜单：Filter – FFT Filtering – Inverse FFT。 在出现的逆变换FFT输入文件窗口，双击[Memoryl]。 在出现的逆变换FFT滤波器文件窗口，双击[Memory2]。 指定输出结果为内存，输出的数据类型保留默认类型。 产生的输出为

在#2窗口显示逆变换图像，#3窗口显示原始图像，连接窗口#2和#3，对比图像差异 (下图)。

（交换前）

使用用户自定义阻断滤波器。滤波器的位置和形状如下图所示。

（交换后）

（自定义滤波器）

分别使用下面的三个滤波器，比较变换后的图像的差异。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1p8x.html