第1章-遥感数字图像处理概论

遥感数字图像处理第一章ERDASIMAGE应用基础1、遥感原理回顾遥感成像原理地球上任何物体都在不停吸收、发射和反射信息和能量（电磁波），不同物体的电磁波特性是不同的，遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和自身发射的电磁波，来提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出遥感处理过程地球的辐射源地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。被动遥感的辐射源太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～2.5um波段之间。（可见光和近红外）地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0um以上的波段。（热红外）00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.42.62.83.0大气上界太阳照度58000K黑体辐射海平面太阳照度太阳辐射大地辐射0~3占有0.2%3~5占有0.6%5~8占有10%8~14占有50%14~30占有30%30~100占有9%1mm占有0.2%mmmmmm大地也近似可看为黑体，向外辐射能量。大地辐射能量分布为：这就是热红外的波段划分的依据。注意：遥感夜晚成象可以反映地表温度。在0.3～2.5um波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。在2.5～6.0um波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）地球辐射的分段特性大气窗口太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）大气窗口地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。地物波谱的特性地物反射波谱特征太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量。一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。地物波谱特征地物波谱曲线的作用物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照，可以识别遥感影像中的同类地物。遥感处理过程遥感处理过程•定义待研究的假设---方法和模型•地面数据采集•遥感数据采集•数据处理•信息表达地物空间特征植被光谱特点：在可见光0.55um附近有一个反射率为10%-20%小反射峰；在0.45um、0.66um附近有两个明显吸收谷；在0.7-0.8um是一个陡坡，反射率急剧增高；在近红外波段0.8-1.3um之间形成一个反射率可达40%以上反射峰；在1.45um、1.95um、2.6-2.7um处有三个吸收谷。植物季节规律一幅图像实际上记录的是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、时间和波长的函数，即:I=(x,y,z,λ,t)。•遥感系统的辐射分辨率指遥感探测器记录地面反射、发射或后向散射的辐射通量对信号强度差异的敏感性，也称为量化等级遥感图像的辐射分辨率光谱分辨率NIRSWIRMWIRLWIR400nm70015003000RB500014000nmGPanchromatic:oneverywidebandLOWMultispectral:severaltotensofbandsMEDHyperspectral:hundredsofnarrowbandsHIGH空间分辨率——一个像元所代表的地面实际尺寸就是空间分辨率，简称分辨率。如1米分辨率，是指影像上的一个像元表示地面上边长为1米的正方形的范围。遥感图像的空间分辨率空间分辨率1metergroundsampledistance4metergroundsampledistance•遥感系统的时间分辨率指获取某一特定区域遥感影像的频率。遥感图像的时间信息多时相影像2001年5月2003年10月图像处理模拟图像处理数字图像处理遥感数字图像处理的内容它是研究图像的获取、传输、存储，变换、显示、理解与综合利用的一门崭新学科。根据抽象程度不同可分为三个层次：狭义图像处理、图像分析和图像理解。具体而言，遥感数字图像处理的内容包括：•图像的数字化•图像变换图像变换目的在于：处理问题简化、有利于特征提取、加强对图像信息的理解。图像变换算法很多，重点学习傅立叶变换的算法、性质和应用。如何由一幅模拟图像获取一幅满足需求的数字图像，使图像便于计算机处理、分析。•图像增强•图像的恢复与重建介绍各种增强方法及其应用。增强图像的有用信息，消弱噪声的干扰。把退化、模糊了的图像复原.包括图像辐射校正和几何校正等内容。由断层扫描重建二、三维图像。•图像编码简化图像的表示，压缩图像的数据，便于存储和传输。256K21k•图像分割图像分割是指将一幅图像划分为互不重叠的区域的处理。重点介绍图像分割的方法及其应用。•二值图像处理与形状分析介绍二值图像的几何概念、二值图像连接成分的各种变形算法和二值图像特征提取与分析的各种方法。检测或去掉小成分骨架提取边界提取•纹理分析主要介绍影像纹理的概念、特征提取与分析的一些方法与应用。•图像识别对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。遥感数字图像处理系统遥感数字图像处理系统由硬件和软件组成。具体分为以下几个模块：•采集•显示•存储•通信•主机•图像处理软件获取数字图像的设备即采集装置。•扫描仪•数码照相机•数码摄像机（1）图像采集模块采集装置都包括下面两个部件：•光敏感器件•模/数转换装置（2）图像显示模块图像显示的主要形式：•软拷贝形式•硬拷贝形式•常用硬盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等•在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、光盘塔等存储设备。（3）图像存储模块（4）图像通信模块图像通信就是把图像传送到远方终端。按传输图像种类分为•静止图像通信，如电报、传真和图文电视等•活动图像通信，如电视、可视电话等。（5）主机•以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像处理系统•采用大型机（6）图像处理软件由系统管理、图像数据管理和图像处理模块三部分组成。常用的有ERDAS和ENVI这两种遥感图像处理软件基础理论和基本知识要求遥感数字图像处理是多学科相互渗透的产物，它与模式识别、计算机图形学、计算机视觉等学科既相互联系又相互区别。图像理解描述狭义处理计算机图形学图像理解客观世界图像(人)计算机视觉图像符号新技术新工具新理论模式识别图像分析(转换)1.5.1数字图像处理的特点•精度高对于一幅图像而言，数字化时不管是用4比特、8比特还是其它比特表示，只需改变计算机中程序的参数，处理方法不变。所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能的。而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对装置进行大幅度改进。•再现性好不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。在传送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。而在模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。数字图像处理的特点及其应用•通用性、灵活性强对可见图像和不可见光图像（如X光图像、热红外图像和超声波图像等），尽管这些图像生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当把这些图像数字化后，对于计算机来说，都可同样进行处理，这就是数字处理图像的通用性。另外，改变处理图像的计算机程序，可对图像进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、拼接、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运算等，所以灵活性很高。数字图像处理的应用数字处理图像在生物医学、遥感、工业、军事、通信、公安等领域有着广泛的应用。生物医学：利用电磁波谱成像分析系统诊断病情。如显微镜图像分析，DNA成像分析等；CT及核磁共振、超声波、X射线成像分析等。如三维测量可视化软件系统可对各类医学断层图像进行分析处理，提供诊断依据。遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等等。RSApplicationinMonitoringtheChangesofLanduse(1)RSApplicationinMonitoringtheChangesofLanduse(2)1998年长江（枝城-岳阳）洪涝灾害监测工业生产：无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研制等。军事：航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、声纳图像处理，导弹制导，军事仿真等。在军事方面制作电子沙盘通信：图像传真，数字电视、网络可视聊天、可视电话网页动画等。独特的ExactTime和AutoBalance技术语音图像唇形同步超凡卓越的音频视频表现只需350毫秒Hi…Hello…地图符号识别公安：指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。气象预报：获取气象云图进行测绘、判读等。风云1号风云2号思考：•1、什么是图像？什么是数字图像？•2、遥感数字图像处理系统的主要构成有哪些？•3、试论述信息理论、计算机技术和地理信息系统与遥感数字图像处理之间的关系？课程内容第一章ERDASIMAGE应用基础课程目的•了解遥感处理的基本过程•学习遥感图像处理的基本方法•掌握常用遥感图像处理算法及软件操作•课程总成绩=平时成绩10%+实验成绩20%+期中成绩30%+期末成绩占40%教材及参考资料教材：•遥感数字图像处理实验教程（科学出版社）参考书目：•遥感数字影像处理导论（机械工业出版社）•遥感数字图像处理(章孝灿等编著,浙江大学出版社)ERDAS遥感图像处理1.1.1遥感数字图像遥感数字图像是以数字形式采集、存储、运算、表达、传输的遥感影像，它最基本单位是像素。像素是遥感数字图像最基本的构成单元，故而像素的特征决定了图像的特征。像素最基本特征：1.像素大小；2.像素空间位置；3.像素属性。1.1.2遥感数字图像处理对遥感图像进行一系列的操作，以求达到预期目的的技术称作遥感图像处理。图像处理：1.狭义的图像处理，强调图像之间变换，校正图像误差，图像压缩编码，是从一个图像到另一个图像的过程。2.图像分析，对图像中感兴趣的目标进行处理，是从一个图像到数值或符号表示的过程。3.图像解译研究图像各目标物的性质、特征和相互关系，得出对地物的判断进行解译。1.1.2.1图像转换根据目的不同，有时要将模拟图像输入计算机处理，处理后又需将数字图像转换为模拟图像输出的过程。光学图像又称模拟图像，把光学图像转换为数字图称模/数转换。1.1.2.2数字图像校正遥感数字图像校正，主要包括辐射校正和几何校正。1.辐射校正：因大气的影响和传感器本身影响产生的辐射误差。2.几何校正：遥感数字图像在几何位置上发生变化，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时，就说明发生了几何畸变。1.1.2.3数字图像增强采用一系列技术改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度、对比度，突出所需信息的工作。不以图像保真为原则，有选择的突出便于人或机器分析的某些感兴趣的信息，提高图像使用价值。1.1.2.4多源信息复合多种遥感平台，多时相遥感数据