遥感数字图像处理教程【1.1】

1 . 3 数字图像处理的发展和两个观点数字图像最早的应用之一是报纸业。早 在 2 0 世 纪 2 0 年代的图片传输系统就可以跨大西洋传送图片并打印出来。当时的图像效果比较差仅仅能够满足新闻的时效性要求。数字图像处理的历史与数字计算机的发展密切相关。计算机为数字图像处理提供了存储 、显示和传输等技术推动了数字图像处理的发展。第一台可以执行有意义的遥感图像处理任务的大型计算机出现在2 0 世 纪 6 0 年代早期。1964年 美国加利福尼亚的喷气推进实验室利用计算机技术改善了空间探测器发回图像的效果。当时“旅 行 者 7 号 ”卫星传送的月球图像由计算机进行了处理以校正航天器上电视摄像机产生的各种图像畸变。2 0 世 纪 6 0 年 代 末 7 0 年代初图像处理技术开始应用于医学图像、地球遥感监测和天文学等领域。2 0 世 纪 7 0 年代发明的计算机轴向断层技术(CT)是图像处理在医学上最重要的应用之一。断层技术的发明人英国工程师Godfrey N. Hounsfield先生和美国物理学家Allan M. Cormack教授共同获得了 1979年的诺贝尔医学奖。2 0 世 纪 9 0 年代以后随着计算机技术迅速发展和图像处理系统的成熟对地观测技术和遥感数字图像处理技术得到了迅速普及和应用。当前对于数字图像处理存在两种观点离散方法的观点和连续方法的观点。1 . 离散方法该观点认为一幅图像的存储和表示均为数字形式数字是离散的因此使用离散方法进行图像处理才是合理的。与该方法相关的一个概念是空间域。空间域图像处理以图像平面本身为参考直接对图像中的像素进行处理。2 . 连续方法该观点认为图像通常源自物理世界它们服从可用连续数学描述的规律因此具有连续 性 应该使用连续数学方法进行图像处理。有 关 这 方 面 的 详 细 内 容 请 参 阅 《现代数字图像处理》 (法 HenriMaitre等 著 孙 洪译电子工业出版社2006)。与连续方法相关的一个概念是频率域。频率域基于傅里叶变换频率域的图像处理是对傅里叶变换后产生的反映频率信息的图像进行处理。完成频率域图像处理后往往要变换到空间域进行图像的显示和对比。从本质上看所处理的数字图像等价于它所表示的连续图像。通过适当的图像显示或打印过程可以将数字图像恢复为原有的连续图像。采用数字方法可以达到原有物理过程才能产生的效果。遥感数字图像处理的方法和技术虽然大多来自于数字图像处理但 是 遥感数字图像的传感器特性、时空特性和巨大的数据量决定了所使用方法的特殊性。一般数字图像处理算法往往难以直接用于遥感数字图像处理。1.4 基础理论和知识要求遥感数字图像处理以物理学、地 学 、数学等为基础与社会经济发展紧密相连 给人类社会带来了巨大的效益。有效的学习、掌握和应用遥感数字图像处理技术需要具备以下基础理论与基本知识。1 . 物理学遥感建立在电磁辐射与地物相互作用的基础上遥感数字图像是地物电磁辐射特性的图像表示。遥感传感器是按照光学和电子技术原理设计和制造的不同传感器获得的图像具有各自的几何特征和物理特征。同时图像转换和图像处理的很多方法也基于光学、电子光学原理。因此物理学中的电磁辐射、信号处理、光学和电子光学等方面的知识不可缺少。2 . 地学遥感数字图像处理的目的是为了更好地探测、提取空间信息。现代遥感技术除了在军事领域的应用外主要以地球资源的探测和环境监测为目的。只有具备自然地理和人文地理知识 了解资源分布及其与周围环境的相互关系以及地理要素的分布规律才能采用适当的遥感图像处理方法进行有效的信息提取工作监测地理环境的变化并预测其发展方向。所以具备丰富的地学知识是进行遥感数字图像处理的基本条件。3 . 数学在遥感图像处理过程中无论是遥感平台的运行特征、传感器的性能参数和电磁辐射特性还是遥感数据的传输和遥感图像的信息提取等都以一定的数学模型为依据并运用计算技术进行定量计算。所以要深入掌握遥感数字图像处理技术必须具备扎实的数学基础。数值分析、线性代数、概率论与数理统计等是需要掌握的重点内容。4 . 信息理论遥感作为一项信息工程包括遥感信息的获取、记录、传输、信息处理和决策等内容。遥感数字图像处理是信息处理的主要组成部分。掌握了信息论的原理和方法才能在理论指导下进行遥感数字图像处理工作。5 . 计算机技术和地理信息系统计算机是图像处理的关键设备直接影响到图像处理能力和处理速度。进行数字图像处理不仅要掌握计算机的一般操作技能和计算机程序设计语言更要掌握数据结构和数据库原理等知识。地理信息系统是在计算机硬件和软件支持下通过综合分析各种地理数据进行模拟、决策、规划、预测和预报的技术。遥感可以快速获取现势性的地物信息遥感图像与G1S数据库中数据的叠合分析可大大提高G IS的决策能力。地理信息的空间分析和建模对于遥感数字图像处理同样重要。1 . 5 章 节 组 织 和 内 容 安 排本书内容从前到后依次是“基础知识一图像处理一图像应用”图 1 .2 ,箭头方向和分支表示工作流程。注意图中的箭头方向它给出了可能的工作流程。图像处理应用的一个关键内容是如何针对特定的工作目标构建有效的处理流程。在学习过程中不断的加深理解各种处理方法、处理效果及其间的关系对于图像处理应用是非常必要的。各章节主要内容如下。第 1 章主要介绍遥感数字图像的基本概念主要的图像处理软件和图像处理要点。第 2 章介绍遥感数字图像的获取和存储相关内容。遥感数字图像处理的对象是遥感传感器获得的遥感数据不同的遥感数据具有不同的特点。因此需要我们首先掌握遥感传感器基本特征以便对图像进行合理的解释。通过遥感传感器获取的数字图像以数字文件方式存储。遥感传感器的分辨力不同产生的图像的用途不同其文件格式和大小不同。数字图像处理是对图像中的像素进行的系列操作图像的处理过程就是文件的存取过程和数据处理过程。第 3 章遥感数字图像表示和度量是图像处理的基础。不同类型的遥感应用其图像模型和表示方式不同描述方法也不同。通过图像的统计获得对图像的一般性了解然后根据应用要求选择和提取图像特征在图像-光谱-特征空间三个视角上基于像素关系、图像特征进行综合分析才能对不同层次的处理对象进行有效的信息提取。第 4 章是图像显示和拉伸的内容这是最基本的也是使用最多的处理方法是连接数字和人类视觉的桥梁。图像显示有助于有效地理解数字图像中的内容、对比分析处理结果。图像拉伸用来提高图像的对比度突出图像中的信息改善图像的显示效果提高视觉对图像的感知能力。第 5 章的图像校正属于图像的预处理工作其目的是去除和抑制成像过程中各种因素影响导致的图像失真。图像校正内容包括辐射校正和几何纠正前者通过辐射定标和大气校正等处理将像素值从灰度级转变为辐亮度或反射率后者利用已有的参照体系修正像素的坐标,使得图像能够与基础地理信息相匹配或多景图像在空间上可以相互匹配。从工作顺序上看获取图像后就应进行图像校正,但是考虑到校正过程需要进行图像的合成显示和拉伸等处理,所以将图像校正内容放在了图像显示后面。第 6 章 和 第 7 章的图像变换和图像滤波是主要的图像增强方法也是图像特征的提取方法。处理的图像可以是原始图像也可以是校正后的图像。因为图像校正后会占用更多的存储空间所以实际工作中往往先处理原始图像通过多次实验寻找到合适的处理方法和工作流程后再进行图像校正和其他的图像处理。第 8 章的图像分割基于图像特征将图像划分为互不交叠的区域或从背景中分割出感兴趣的地物目标主要用于高空间分辨率图像的处理。第 9 章的图像分类根据特定的分类系统按照图像特征的相似性原则对相似的像素进行归并。图像分割结果可作为图像监督分类中的训练区的参考。随着我国对地观测技术的快速发展高光谱图像和高空间分辨率图像的应用范围越来越广。高光谱图像使得定量反演提取地物成分成为可能高空间分辨率图像则使得快速提取地物、制作大比例尺地图、快速更新基础地理信息成为可能。教 程 的 第 1 0 章对遥感信息提取进行了介绍重点是这两种图像的处理思路为学习更复杂的图像处理方法提供知识准备。更深入的学习和研究中需要明确区分图像处理与图像分析的概念。严格地讲图像处理是对图像像素进行操作的过程。图像分析是将图像像素值转换为非像素表示的过程是一个决策过程通常利用数学模型并结合图像处理技术来分析图像的像素特征和像素构成关系然后提取特定的信息。图像分析之后像素值表示的含义发生了变化。分析之前 像素值是地表辐射信息的度量分析之后像素值为特定类别的编号或某个物理量的量值。例如设图像像素值为x , 那么“x1” 是图像处理 是对像素x 所施加的操作。“如果 x l , 那么工为林地”产生这个判断的过程是图像分析而其中的比较6 1和赋值G 为林地是图像处理。图像分析和处理密不可分不同的是处理强调操作分析强调推理。需要区分图像处理和图像预处理的概念。图像处理包括了图像预处理的内容。图像预处理具有相对性指当前工作之前需要进行的准备工作是低层次图像上所进行的操作其目标是校正图像的某种退化如模糊、变形等等。图像预处理操作不会增加信息量相反一般都会降低图像的信息量。在遥感图像处理中预处理工作是图像获取后需要进行的第一个工作。本教程中的第5 章图像校正内容属于图像预处理工作。遥感信息提取是一个常见的概念。遥感数字图像处理的最终目标是进行遥感信息提取。将获取的遥感图像视为数据存在如下关系遥感信息亦遥感数据其中的/就是图像处理。高质量的数据可以得到高质量的信息。根据工作内容遥感信息提取的内容包括①类别信息提取。利用图像的空间、时间和光谱信息对地物进行识别并归类。②变化信息提取。利用不同时间的图像光谱信息探测地物发生的变化。③地物理化成分信息提取。利用光谱信息推算地物的生化-物理参数如温度、生物量等。④地物信息提取。构建遥感波段的组合或算法提取特定的地物信息包括特殊地物及其状态识别例如灾害状况、历史遗迹等的识别和管理评估。如 果 x 为图像的反射率或辐亮度 y 为 粮 食 产 量 千克/公顷那么 构造函数 /的 过 程 是 图 像 分 析 函数的实现是图像处理。这个利用遥感图像估算粮食产量的工作称为地物的理化成分信息提取是定量遥感的内容需要借助图像处理、物 理学、数学和地 学 相 关 的 专 业 知 识 才 能 完 成 。图像处理-图像分类-遥 感 信 息 提 取 是 从 简 单 到 复 杂 的 三 个阶 段 。本教程包括了遥感信息提取内容的①和④。 内容②变化探测主要用于军事和土地利用变化/覆盖等方面以精确配准的不同时间图像为基础需要更多的专业基础知识本书做了简单介绍。内容③遥感反演工作需要更多的专业和行业知识本书不进行讨论建议读者阅读梁 顺 林 2009年 在 科 学 出 版 社 出 版 的 《定量遥感》。遥 感 数 字 图 像 处 理 与 “摄影测量 与 遥 感 ”不 同 。“摄 影 测 量 与 遥 感 ”强调测量及其精确性和准确性遥感数字图像被当做数据源且以高空间分辨率的遥感图像为主。遥感数字图像处理更侧重于从图像中进行信息提取从图像处理的角度看可作为摄影测量与遥感的预处理。需要注意的是现代的遥感数字图像处理使用的方法至少包括了四个部分①数字图像处理方法。一般数字图像处理的方法可用于遥感数字图像处理。但由于遥感数字图像数据量大这些方法的使用会受到计算机内存的限制运行效率也会受到影响。②信号处理方法。遥感基于电磁波的理论图像的变换等都离不开信号处理。③计算机视觉。 自动化处理是图像处理的努力方向计算机视觉的相关方法大量应用在遥感图像的处理中可有效地提高自动化处理和信息提取的效率。④机器 学 习 。机器学习方法利用已知的大量数据借助于统计学和信息科学的最新技术进行图像处理和信息提取。掌握和融合这些方法需要更多的数学、物理和计算机的知识和技能。本教程中的图像处理方法适用于多光谱、高光谱和高空间分辨率遥感图像主要的方法也可用于微波图像的处理。但 是 考虑到微波图像成像原理及其预处理要求更深的专业基础知识教程中没有包括这部分的内容建议读者阅读电子工业出版社2009年 出 版 的 《合成孔径雷达图像理解》作为补充。思 考 题1 . 什么是图像什么是数字图像2 . 什么是遥感数字图像模拟图像照片与遥感数字图像有什么区别3 . 什么是遥感数字图像处理主要内容有哪些与数字图像处理有什么区别和联系4 . 常用的遥感数字图像处理系统有哪些主要功能和特点是什么 有什么差异5 . 什么是空间域图像处理什么是频率域图像处理6 . 什么是图像增强主要目的是什么主要方法有哪些7 . 怎么理解图像处理的两个观点8 . 遥感数字图像处理需要掌握哪些基础知识9 . 数字图像分析与数字图像处理有什么区别和联系10 . 遥感信息提取与遥感数字图像处理的关系是什么11 . 为什么要进行遥感数字图像处理12 . 什么情况下像素不是方的或 者 说 哪些媒体中图像像素不是方的13 . 遥感数字图像处理与医学图像、工业图像、视 频 图 像 、艺术图像处理有什么区别举例说明。14 . 遥感信息提取的主要内容有哪些1 2 遥感数字图像处理教程15 . 遥感数字图像处理与摄影测量之间的关系是什么16 . 遥感数字图像的像素值与一般数码照相机拍摄的图像的像素值有哪些异同17 . 为什么遥感数字图像能够作为科学研究的数据如果利用一般数码照相机的照片进行科学研究需要注意解决哪些问题18 . 与遥感图像有关的法律法规有哪些请自行上网查阅回答。19 . 现代遥感数字图像处理方法包括哪些方面20 . 当前我国对地观测的进展有哪些