遥感数字图像处理ch1

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,遥感数字图像处理,主讲教师：杜华强,浙江农林大学环境与资源学院,2011,年,09,月,第一章 绪论,Chapter 1 Introduction,教学要求：,1,、了解图像与数字图像的概念,2,、掌握遥感数字图像处理的概念、主要方法及主要内容,3,、掌握遥感图像的数字化及遥感数字图像的基本特点,4,、了解遥感数字图像的处理软件。,教学重点：,图像与数字图像、遥感图像数字化及特点,教学内容,1.1,遥感数字图像,1.2,遥感数字图像处理的基本概念,1.3,遥感数字处理系统,1.4,遥感数字图像处理的发展及与其他学科,的关系,1.1,遥感数字图像,图像,：,是对客观对象的一种相似性的描述或写真，它包含了被描述或写真对象的信息，是人们最主要的信息源。,图像的含义十分广泛。英文,picture,指图片、图画，各种照片以及光学影像，它是用绘画或拍照的方法，对人、物、景的模拟（,likeness,）。英文,image,的意义代表,“,像,”,，它是人或景物（,scene,）的再现（,representation,）,或者说它是人或景物通过透镜等光学系统产生的景物的视觉印象（,visual impression,）。,图（,picture,）,是物体反射或透射光的分布，它是客观存在的,像（,Image,）,是人的视觉系统所接收的图在人的大脑中所形成的印象和认识,按图像明暗程度和空间坐标的连续性划分，图像可以分为,数字图像,和,模拟图像,模拟图像与数字图像,模拟图像,：也称光学图像，是指空间坐标和明暗程度连续变化的，计算机无法直接处理的图像，它属于可见图像。,数字图像,：是指能被计算机存储、处理和使用的图像，是空间坐标和灰度均不连续，用离散数字表示的图像,A/D,（模,/,数转换）,D/A,（数,/,模转换）,遥感图像的获取方式,摄影成像,扫描成像,雷达成像,航向重叠,60%,旁,向,重,叠,30-20%,航向,Strip 3,Strip 2,Strip 1,单片,摄影,感光胶片,磁带或光盘,雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。按照雷达的工作方式可分为：,成像雷达,和,非成像雷达,。成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达,图像数字化,通过摄影、扫描和雷达等传感器所获得的地面信息，记录在胶片上得到的图像，都属于遥感模拟图像。要获得遥感数字图像，必须利用数码相机或扫描仪等设备，把模拟图像转变为遥感数字图像，使计算能够处理，这一转换过程称为图像的数字化,采样（空间离散）,空间上连续的图像变化成离散点的操作成为采样，实际上是,空间坐标,(x,y),的数字化，即按一定的间隔,(,x,y),将图像划分,M,行,N,列的网格,显然，采样网格的大小关系到图像的质量及,所包含的信息,10241024,128128,256256,512512,6464,3232,f(x,y),x,y,量化,(,灰度离散,),函数,f(x,y),取值的数字化被称为图像的量化,(,如量化到,256,个灰度级,),也即图像灰度的离散化。,265180,13390,6645,3322,256,灰度级,16,灰度级,8,灰度级,4,灰度级,采样大小与量化等级对图像质量的影响,遥感数字图像的基本特点,1,遥感图像便于计算机处理与分析,2,图像信息损失低,3,图像的抽象性强,4,图像保存方便,遥感图像的类型,1,按灰度值可分为二值图像和多值图像,二值图像,:,每个像素灰度由,0,或,1,构成,多值图像,:,每个象素灰度由,0,2,n,之间的数,表示（,n1,）,2,按波段量可分为单波段、彩色或多波段数字图像,遥感数字图像的分辨率,Radiometric,Resolution,8bit(0-255),Spectral,Resolution,0.52-0.6,1day,17day,31day,30,30,Spatial,resolution,1pixel=30,30,Temporal,resolution,Same area,viewed,every16,多波段遥感数字图像的数据格式,Image data can be arranged in several ways on a tape or other media. The most common storage formats are,图像用以下常用的三种方式存贮在磁带或其他的介质上如光盘, BSQ (band sequential),波段顺序, BIL (band interleaved by line),波段与行, BIP (band interleaved by pixel),波段象素,文件头,文件信息，如标识、波段数、文件头长度等，图像数据的记录方式,各类注记与辅助信息,与成像相关的辅助信息及与预处理相关的信息，如卫星编号、传感器、成像时间、中心点经纬度、轨道号、星下点经纬度、波段数、太阳高度角、投影方法传感器增益等,波段,1,波段,2,尾部,数据的质量信息,位图（,.BMP,）文件格式,文件标题,(BITMAPFILEHEADER),文件标识、整个文件长度、文件头长度,信息标题,(BITMAPINFOHEADER),信息标题结构字节数、位图的宽度、高度、每像素的位数、位图颜色索引数等,调色板信息,（,RGBQUAD,）,储存了,biBitCount,个,RGBQUAD,个结构，,RGBQUAD,结构成员变量包含蓝、绿、红的亮度,实际图像信息,在不压缩时，位图文件是按行顺序存储，每一行从左到右进行存储。每行在位图中的存储位置是按照从下到上的顺序进行的。,40,40,42,40,55,62,42,60,65,44,44,45,45,55,60,45,60,60,10,10,12,10,50,82,12,80,80,40,44,10,40,44,10,42,45,12,40,45,10,55,55,50,62,60,82,42,45,12,60,60,80,65,60,80,40,40,42,44,44,45,10,10,12,40,55,62,45,55,60,10,50,82,42,60,65,45,60,60,12,80,80,40,40,42,40,55,62,42,60,65,44,44,45,45,55,60,45,60,60,10,10,12,10,50,82,12,80,80,BIP,逐像元按波段,BIL,逐行按波段,BSQ,按波段顺序,头,尾,头,尾,头，第,1,波段,头，第,2,波段,头，第,3,波段,尾,尾,尾,1.2,遥感,数字,图像处理的基本概念,1,、遥感数字图像处理,光学处理：,利用光学、照相和电子学的方法对遥感模拟图像（照片、底片）进行处理,遥感数字图像处理：,利用计算机对遥感数字图像进行一系列操作，从而得到某种预期结果的技术,三个层次,对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。,从图像到数据的过程,（数据可以是对目标特征测量的结果，或是基于测量的符号表示，它描述了图像中目标的特点和性质）,进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的关系，并得出对图像内容含义的理解及对原理客观场景的解释，从而为生产、科研提供全面、真实的信息。,是借助知、经验进行遥感图像解译的过程,着重强调在图像之间进行的变换。主要图图像进行各种操作以改善图像的视觉效果，或校正图像误差，或对图像进行压缩编码，以减少存贮空间或传输时间。,从一个图像到另一个图像的过程,2,、遥感数字图像处理的内容,（,1,）图像转换,：,A/D D/A;,变换,（,2,）数字图像校正：辐射校正和几何校正,（,3,）数字图像增强：改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度、对比度，突出所需要的信息。,（,4,）多元信息复合：多遥感平台数据、多时相数据、遥感数据与非遥感数据之间的信息组合匹配。,（,5,）计算机解译：以遥感数字图像为研究对象，在计算机系统支持下，综合运用地学分析、遥感图像处理、地理信息系统、模式识别与人工智能技术，实现地学专题信息的智能化获取,3,、遥感数字图像处理的特点,（,1,）图像信息损失低，处理精度高,（,2,）抽象性强，再现性好,（,3,）通用性广，灵活性高,4,遥感数字图像处理的应用,获得满足一定要求的各种图件,快速准确的获取所需要的信息,为计算机自动解译奠定基础,1.3,遥感数字图像处理系统,1,、硬件系统：计算机及其配件包括输入、储存、显示、输出等外围设备,2,、软件：对遥感数字图像进行处理时所编写的各种程序，目前流行的大型商品化遥感图像处理软件包括：,Image Eradas,，,ENVI,，,PCI,、,ERmap,等,1.4,遥感数字图像处理的发展及与其他学科的关系,1,、遥感数字图像处理技术的发展历史,（,1,）发展时期：,20,世纪,60,70,年代,（,2,）成熟时期：,20,世纪,80,年代时地理信息系统普及和推广应用阶段。,（,3,）应用时期：,20,世纪,90,年代,2,、遥感数字图像处理技术的与其他学科的关系,Education,Transportation,City Planning,Natural,Resources,Atlanta, Heat,Island Experiment,California, Teacher Training (alert),Baltimore, Lyme,Disease Study,Agriculture,Kansas, Precision,Farming,Mississippi, Road Siting,Hurricane Landfall,Forecasting,Disaster,Management,遥感应用是推动遥感发展的原动力，要使遥感在不同领域得到很好很好的应用，必须掌握相关领域的知识。,（,1,）数学知识，尤其是计算机技术和数理统计,（,2,）必须掌握地学方面的知识、理论,（,3,）具有信息论的基础知识,（,4,）计算机技术与地理信息系统技术,（,5,）现代物理学，特别是有关电磁波理论和电子光学方面的基本知识。,光盘,数学,地图学,地理学,地理信息系统,遥感技术,GPS,技术,测量学,地面调查技术,计算机图形学,数据库技术,虚拟现实技术,人工智能,问题解决方案,地学空间分析方法、模型,GIS,的外设备,用户界面,空间数据库管理,（图形与属性一体化管理；,面向对象的管理；,空间数据引擎；）,数字化输入；,RS,、,GPS,数据；,检查编辑；,预处理；,数据格式转换；,常规空间分析（系统提供）；,空间分析应用模型的构建（用户开发）；,可视化输出,GIS,及其相关技术,软件的结构,GIS,的功能,1.,数据的采集、检验与编辑,2.,数据处理,3.,空间数据库管理,4.,基本空间分析,5.,应用模型的构建方法,6.,结果显示与输出,一、概念与术语,遥感 数字 数字图像 图像处理 遥感数字图像处理,数字,与采样数字方法或离散单元进行的计算有关，如果我们定义数字图像为一个物体的数字表示，则像素就是离散的单元，量化灰度就是数字量值。,图像,是对客观对象的一种相似性的描述或写真,处理,是让某个事物受到一个过程的作用，一个过程（,process,）是指能导致某个所期望目标的一系列的动作或操作,数字图像,指的是一个被抽样和量化后的二维函数。 一幅数字图像就是一个被量化的采样数值的二维矩阵。,数字图像处理,指将一幅图像变为另一幅经过修改的图像的过程，以得到所期望的结果。,数字图像分析,将一幅图像转化为非图像的表示。,数字图像理解,是借助知、经验进行遥感图像解译的过程,遥感数字图像处理,是利用计算机通过数字处理的方法来增强和提取遥感图像中的专业信息。,本章回顾与总结,二、哲学观念,每个涉足数字图像处理这类学科的人都不能不带有自己的一套概念和想法，换个说法就是自己的哲学观点,连续方法和离散方法,一般采用离散的技术处理连续世界的图像；数字图像处理不是指,“,处理数字图像,”,，而是,“,图像的数字处理,”,；,一方面，希望能够刻画对原来是连续形式的图像施行数字化后所产生的影响；另一方面，寻求从模拟图像到数字图像、再由数字图像到模拟图像的转换过程中，保证我们感兴趣的内容不丢失或不明显损失的方法，第三，我们能够预测采样效应，并有效降低或消除这种影响。这样就将连续和离散的处理过程集成为一个更一般的方法。如此，所处理的数字图像本质上等价于它所表示的连续图像。,图像间的对应,在大多数的数字图像处理应用中，处理一个物体的图像目的是为了取得物体本身的信息。由于只有数字图像才能被计算机处理，因此数字图像只是该物体的一个临时表示，这样我们就建立一个物体和表示该物体的图像之间的对应关系。因为我们不能对一个物体进行数字处理，甚至不能处理一幅非数字图像，所以我们只能局限于它们所对应的数字图像,三、遥感数字图像处理的数学基础,1,线性代数：线性相关，线性空间，线性组合，线性变换，矩阵，特征向量等。,2,图像变换：（离散）傅立叶变换，拉普拉斯算子，,K-L,变换。,3,概率统计与误差：概率分布、分布密度、数学期望、方差、标准差、相关系数、协方差矩阵、样本、直方图、权、回归分析、系统误差、随机误差。,4,信息论：马尔可夫过程、熵、信息量等。,四、图像处理的地学基础,1,天体与地球：太阳、地球、经纬度、时差。,2,大气圈：对流层、平流层、中间层、电离层、逃逸区、热带、温带、寒带等。,3,水圈：海、湖泊、水系、洪水、泛滥区。,4,岩石圈：地质学、地层学、岩石学、地貌学、冰川、山系。,5,生物圈：生态学、植被、土壤学、荒漠,6,地理圈：自然地理学，区划，地面控制点，地面实况调查。,岩 石 圈,水 圈,土 壤 圈,生物圈,智慧圈,大 气 圈,地球圈,地球圈,蒸,腾,五、图像处理的物理基础,电磁波谱,电磁波信号是遥感研究的对象，区分电磁波特性的主要因子之一是波长（频率），电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。,紫外,可见,近红外,中红外,热红外,微 波,0.3,m,1.0,m,3.0,m,10.0,m,100%,0%,大气,透过率,X,C,S,L,P,K,Ka,Ku,大气窗口,1 m,m,1 c,m,1 m,六、遥感数字图像处理的内容与方法,图像信息的获取,图像信息的存储,图像信息的传输,数字图像处理,图像信息输出与显示,图像恢复校正,图像增强,多元信息复合,图像变换,图像解译,几何校正,辐射校正,方法：空域法和变换域法,主要参考文献,朱述龙 等，遥感图像处理与应用，科学出版社，,2006,姚敏等 编著，数字图像处理，机械工业出版社，,2006,贾永红，数字图像处理，武汉大学出版社，,2003,汤国安编著，,遥感数字图像处理,，科学出版社，,2004,章毓敏，数字图像处理，清华大学出版社，,1999,范文义、罗传文，,“,3S,”,理论与技术，,2003,游先祥，遥感原理及在资源监测中的应用，,2003,Rafael C.Gonzalez,et al, Digital Image Processing Using MATLAB,电子工业出版社，,2004,王晓丹等，基于,MATLAB,的系统分析与设计图像处理，西安电子科技大学出版社，,2000,胡昌华等，基于,MATLAB,的系统分析与设计小波分析，西安电子科技大学出版社，,2000,朱述龙 等，遥感图像获取与分析，科学出版社，,2000,Thomas M.Lillesand,Ralph W.Keifer,著，彭望琭，余先川等译著，遥感与图像解译，电子工业出版社，,2003,周成虎等，,遥感影像地学理解与分析,，科学出版社，,1999,日本遥感研究会编，刘勇卫、贺雪鸿译，,遥感精解,，测绘出版社，,1993,陈述彭、赵英时，,遥感地学分析,，测绘出版社，,1990,