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1 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 题 目 : 黄 河 流 域 遥 感 影 像 NDVI 植 被 覆 盖 指 数 参 数 提 取 系 别 : 水 利 水 电 工 程 系 专 业 : 水 利 水 电 工 程 姓 名 : 王 皓 指 导 教 师 : 辅 导 教 师 : 王 光 谦 刘 家 宏 2006 年 6 月 15 日

2 关 于 学 位 论 文 使 用 授 权 的 说 明 本 人 完 全 了 解 清 华 大 学 有 关 保 留 使 用 学 位 论 文 的 规 定, 即 : 学 校 有 权 保 留 学 位 论 文 的 复 印 件, 允 许 该 论 文 被 查 阅 和 借 阅 ; 学 校 可 以 公 布 该 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容, 可 以 采 用 影 印 缩 印 或 其 他 复 制 手 段 保 存 该 论 文 ( 涉 密 的 学 位 论 文 在 解 密 后 应 遵 守 此 规 定 ) 签 名 : 导 师 签 名 : 日 期 :

3 综 合 论 文 训 练 任 务 书 姓 名 王 皓 学 号 班 号 水 工 22 系 别 水 利 系 同 组 姓 名 指 导 教 师 王 光 谦 一 课 题 名 称 : 黄 河 流 域 遥 感 影 像 NDVI 植 被 覆 盖 指 数 参 数 提 取 二 论 文 主 要 内 容 及 进 度 安 排 : 主 要 内 容 : 1 使 用 ERDAS 软 件 制 作 覆 盖 整 个 黄 河 流 域 遥 感 影 像 的 NDVI 参 数 图 2 使 用 ARCGIS 软 件 为 所 得 到 的 NDVI 参 数 图 加 入 坐 标 和 投 影 信 息 3 对 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 进 行 监 督 和 非 监 督 分 类 进 度 安 排 : 前 两 项 工 作 计 划 1 8 周 完 成 ; 第 三 项 工 作 后 8 周 完 成

4 三 论 文 主 要 要 求 ( 如 主 要 指 标 ): 1 得 到 覆 盖 整 个 黄 河 流 域 TIFF 格 式 的 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 2 对 1983 年 1 月 到 2000 年 12 月 的 216 张 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 加 入 坐 标 和 投 影 信 息 3 基 本 掌 握 遥 感 影 像 专 题 图 分 类 技 术 四 主 要 参 考 文 献 : [1] [ 日 ] 遥 感 研 究 会. 遥 感 精 解 ( 刘 勇 卫, 贺 雪 鸿 译 ). 北 京 : 测 绘 出 版 社, ~168,204~220 [2] 党 安 荣.ERDAS IMAGINE 遥 感 图 像 处 理 办 法. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,2002.1~ 225,260~338 [3] 党 安 荣, 贾 海 峰 等.ArcGIS 8 Desktop 地 理 信 息 系 统 应 用 指 南. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,2003,1~56,371~419,526~567 [4] 汤 国 安, 张 友 顺 等. 遥 感 数 字 图 像 处 理. 北 京 : 科 学 出 版 社,2004,1~273 [5] 王 光 谦, 刘 家 宏. 数 字 流 域 模 型. 北 京 : 科 学 出 版 社,2006,1~112 [6] 孔 祥 元. 大 地 测 量 学 基 础. 武 汉 : 武 汉 大 学 出 版 社,2001,1~118 教 学 负 责 人 签 字 年 月 日

5 中 文 摘 要 遥 感 技 术 在 水 文 学 中 的 应 用 可 大 致 分 为 两 个 方 面 : 一 是 利 用 遥 感 资 料 推 求 各 种 水 体 ( 如 湖 泊 湿 地 等 ) 的 面 积 变 化 监 测 冰 川 和 积 雪 的 融 化 状 态 以 及 洪 水 过 程 的 动 态 监 测 等, 这 是 遥 感 技 术 在 水 文 学 中 的 直 接 应 用 ; 二 是 利 用 遥 感 资 料 进 行 有 关 水 文 过 程 中 的 参 数 和 变 量 的 推 求, 如 土 地 覆 盖 状 况 植 物 ( 作 物 ) 生 长 和 发 育 情 况, 继 而 利 用 一 些 经 验 公 式 统 计 模 型 和 概 念 性 水 文 模 型 等 来 获 取 诸 如 径 流 土 壤 水 分 区 域 蒸 发 等 水 文 变 量 这 是 遥 感 技 术 在 水 文 学 中 的 间 接 应 用 遥 感 技 术 可 提 供 面 状 信 息 而 非 点 状, 可 在 直 接 或 间 接 测 量 常 规 手 段 无 法 测 量 到 的 水 文 变 量 和 参 数 ( 如 区 域 土 壤 湿 度 ), 可 提 供 长 期 动 态 和 连 续 的 大 范 围 资 料 值, 因 此, 在 水 文 学 上 有 着 广 泛 的 前 景 据 科 学 家 估 计, 遥 感 在 水 文 学 中 应 用 的 投 入 产 出 比 为 1:75~1:100, 这 主 要 是 指 遥 感 用 于 防 洪 抢 险 水 资 源 规 划 与 管 理 中 的 效 率, 利 益 驱 动 将 推 动 遥 感 在 水 文 水 资 源 研 究 中 的 应 用 未 来 水 文 科 学 的 发 展 在 很 大 程 度 上 取 决 于 水 文 数 据 的 获 得 和 精 度 尽 管 目 前 遥 感 在 水 文 学 中 的 应 用 还 受 到 传 感 器 分 辨 率 ( 时 空 ) 以 及 释 译 图 象 精 度 等 的 影 响, 但 遥 感 图 象 可 为 水 文 学 提 供 大 量 有 关 数 据 已 是 无 可 辨 驳 的 事 实 在 未 来, 如 果 水 文 学 离 开 遥 感 技 术 的 支 持, 它 将 会 停 滞 不 前 甚 至 倒 退 ; 反 之, 在 遥 感 信 息 的 支 持 下, 水 文 学 研 究 将 会 不 断 深 入, 进 入 新 的 发 展 阶 段, 更 好 地 为 人 类 服 务 本 文 即 通 过 遥 感 图 像 处 理 ERDAS 软 件 系 统 和 地 理 信 息 系 统 ARCGIS 软 件 系 统, 完 成 了 整 个 黄 河 流 域 NDVI 水 文 参 数 专 题 图 的 制 作, 为 经 验 公 式 水 文 模 型 等 提 供 所 需 要 的 水 文 变 量 关 键 词 :ERDAS,ARCGIS, 遥 感, 地 理 信 息 系 统, 投 影 转 换,NDVI, 植 被 覆 盖 指 数, 监 督 分 类, 非 监 督 分 类 I

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7 ABSTRACT The applcatons n the hydrology of the remote sensng technque mostly conclude two respects. One s usng remote sensng data to deduce the area varety of varous water (such as the lake and march etc.) to Montor the melts appearance of glacer and accumulated snow as well as the flood dynamc detecton and so on. Ths s the drect use of remote sensng n hydrology. Secondly, remote sensng s adopted n the deducton of hydrologc parameters, such as the status of the land havng been developed, the plant (crop) growth crcumstances, then, wth these parameters we apply some experenced formula to compute our new varables, whch s the ndrect usage of remote sensng. The remote sensng technque can provde area data not pont data; can acqure data whch s unable to be got by tradtonal method. Therefore t has a broad foreground n the hydrology feld. In the future the progress of the hydrology rests wth the accuracy of the remote sensng data most partly. Though now the remote sensng s stll affected by the sensor, tme and space resoluton etc, the remote sensng mage s able to provde huge nformaton whch s absolutely rght.afte tme, appartng from the sustan of remote sensng, hydrology would be destned to take back road, on contrary, hydrology wll be better and better. In ths artcle, the author have completed the creaton of NDVI parameters of the Yellow rver vallay n the use of ERDAS and ARCGIS software system.the NDVI specal subject mage could be used n the dgtal Yellow rver model. Keywords:ERDAS,ARCGIS,remote sensng,geography Informaton System, project transton,ndvi,supervsed classfcaton,unsupervsed classfcaton. III

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9 目 录 中 文 摘 要... I ABSTRACT...III 第 一 章 遥 感 概 论 遥 感 的 概 念 遥 感 系 统 目 标 物 的 电 磁 波 特 性 遥 感 信 息 的 获 取 遥 感 信 息 的 接 收 遥 感 信 息 的 处 理 遥 感 信 息 的 应 用 遥 感 的 分 类 按 遥 感 平 台 分 按 传 感 器 的 探 测 波 段 分 按 工 作 方 式 分 按 遥 感 的 应 用 领 域 分 遥 感 卫 星 遥 感 的 特 点 大 面 积 的 同 步 观 测 时 效 性 数 据 的 综 合 性 和 可 比 性 经 济 性 局 限 性 遥 感 小 结...3 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 遥 感 数 字 图 像...3 V

10 2.1.1 图 像 和 遥 感 数 字 图 像 的 概 念 遥 感 图 像 的 数 字 化 多 波 段 遥 感 数 字 图 像 的 数 据 格 式 遥 感 数 字 图 像 的 校 正 遥 感 数 字 图 像 增 强 处 理 辐 射 增 强 空 间 增 强 图 像 运 算 遥 感 图 像 的 计 算 机 分 类 遥 感 图 像 计 算 机 分 类 的 一 般 原 理 判 别 函 数 非 监 督 分 类 监 督 分 类...3 第 三 章 ERDAS 和 ARCGIS 软 件 介 绍 ERDAS 软 件 概 述 ERDAS 功 能 简 介 ARCGIS 软 件 概 述 ARCGIS 功 能 简 介...3 第 四 章 投 影 变 换 地 理 空 间 地 理 空 间 概 念 地 理 空 间 模 型 描 述 地 理 空 间 坐 标 系 地 图 投 影 地 图 投 影 相 关 概 念 地 图 投 影 变 形 地 图 投 影 分 类...3 VI

11 4.4 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 投 影 坐 标 转 换 asc 文 件 到 raster 栅 格 文 件 的 格 式 转 换 Lambert 平 面 投 影 信 息 Raster 栅 格 文 件 向 asc 文 本 文 件 的 转 换 椭 球 投 影 文 本 文 件 到 栅 格 文 件 的 格 式 转 换 Raster 栅 格 文 件 向 Tff 文 件 格 式 的 转 换...3 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 NDVI 植 被 覆 盖 指 数 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 制 作 流 程 景 遥 感 影 像 的 确 定 遥 感 影 像 波 段 合 成 景 遥 感 影 像 的 Degrade 退 化 处 理 遥 感 影 像 针 对 4 3 波 段 的 代 数 运 算 黄 河 流 域 遥 感 影 像 的 Mosac 拼 接 SML 语 言 对 LUT 查 找 表 的 线 形 拉 伸 黄 河 流 域 边 界 分 离 小 结...3 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 遥 感 专 题 图 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 分 类 黄 河 流 域 的 非 监 督 分 类 黄 河 流 域 的 监 督 分 类 p123r35 遥 感 数 字 影 像 分 析...3 插 图 索 引...III 表 格 索 引...III 参 考 文 献...III 致 谢...III 声 明...III VII

12 附 录 A 外 文 资 料 原 文...III 附 录 B 外 文 资 料 的 书 面 翻 译...III VIII

13 第 一 章 遥 感 概 论 1.1 遥 感 的 概 念 遥 感 是 一 种 远 离 目 标, 通 过 非 直 接 接 触 而 判 定 测 量 并 分 析 目 标 性 质 的 技 术 对 目 标 进 行 信 息 采 集 主 要 是 利 用 了 从 目 标 反 射 或 辐 射 的 电 磁 波 此 外 重 力 和 磁 也 作 为 信 息 采 集 手 段 而 加 以 利 用, 这 些 都 包 含 在 广 义 的 遥 感 之 中 接 收 从 目 标 中 反 射 或 辐 射 的 电 磁 波 的 装 置 叫 做 遥 感 器 (remote sensor), 照 相 机 及 扫 描 仪 等 即 属 于 此 类 此 外, 搭 载 这 些 遥 感 器 的 移 动 体 叫 做 遥 感 平 台 (platform), 如 现 在 使 用 的 飞 机 及 人 造 卫 星 等 遥 感 这 一 词 汇 是 60 年 代 在 美 国 创 造 的 技 术 用 语, 它 是 综 合 以 前 所 使 用 的 摄 影 测 量 像 片 判 读 地 质 摄 影 而 提 出 的 特 别 是 在 1972 年, 随 着 第 一 颗 地 球 观 测 卫 星 Landsat 的 发 射 成 功 而 迅 速 得 到 普 及 利 用 遥 感 技 术, 通 过 观 测 电 磁 波, 从 而 判 读 和 分 析 地 表 的 目 标 及 现 象, 是 利 用 了 物 体 的 电 磁 波 特 性, 即 一 切 物 体, 由 于 其 种 类 及 环 境 条 件 不 同, 因 而 具 有 反 射 或 辐 射 不 同 波 长 的 电 磁 波 的 特 性 所 以 遥 感 也 可 以 说 是 一 种 利 用 物 体 反 射 或 辐 射 电 磁 波 的 固 有 特 性, 通 过 观 测 电 磁 波 达 到 识 别 物 体 及 物 体 存 在 的 环 境 条 件 的 技 术 由 于 不 同 目 标 所 固 有 的 电 磁 波 特 性 受 到 太 阳 及 大 气 等 环 境 条 件 的 影 响, 通 过 遥 感 器 观 测 并 经 过 计 算 机 数 据 处 理 或 人 工 图 像 判 读, 最 终 应 用 于 各 种 领 域 1.2 遥 感 系 统 根 据 遥 感 的 定 义, 遥 感 系 统 包 括 : 被 测 目 标 的 信 息 特 征 信 息 的 提 取 信 息 的 传 输 与 记 录 信 息 的 处 理 和 信 息 的 应 用 五 大 部 分 目 标 物 的 电 磁 波 特 性 任 何 目 标 都 具 有 发 射 反 射 和 吸 收 电 磁 波 的 性 质, 这 是 遥 感 的 信 息 源 目 1

14 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 标 物 与 电 磁 波 的 相 互 作 用, 构 成 了 目 标 物 的 电 磁 波 特 性, 它 是 遥 感 探 测 的 依 据 遥 感 信 息 的 获 取 接 收 记 录 目 标 物 电 磁 波 特 征 的 一 起, 称 为 传 感 器 或 遥 感 器 如 扫 描 仪 雷 达 摄 影 机 摄 像 机 辐 射 计 等 装 载 传 感 器 的 平 台 称 为 遥 感 平 台, 主 要 有 地 面 平 台 ( 如 遥 感 车 手 提 平 台 地 面 观 测 台 等 ) 空 中 平 台 ( 如 飞 机 气 球 其 他 航 空 器 等 ) 空 间 平 台 ( 如 火 箭 人 造 卫 星 宇 宙 飞 船 空 间 实 验 室 航 天 飞 机 等 ) 遥 感 信 息 的 接 收 传 感 器 接 收 到 目 标 地 物 的 电 磁 波 信 息, 记 录 在 数 字 磁 介 质 或 胶 片 上 胶 片 是 由 人 或 回 收 舱 送 至 地 面 回 收, 而 数 字 磁 介 质 上 记 录 的 信 息 则 可 通 过 卫 星 上 的 微 波 天 线 传 输 给 地 面 上 的 卫 星 接 收 站 遥 感 信 息 的 处 理 地 面 站 接 收 到 遥 感 卫 星 传 送 来 的 数 字 信 息, 记 录 在 高 密 度 的 磁 介 质 上 ( 如 高 密 度 磁 带 HDDT 或 光 盘 等 ), 并 进 行 一 系 列 的 处 理, 如 信 息 恢 复 几 何 校 正 辐 射 校 正 空 间 滤 波 投 影 变 换 等, 再 转 换 为 用 户 可 使 用 的 通 用 数 据 格 式, 或 转 换 成 模 拟 信 号 记 录 在 胶 片 上, 才 能 被 用 户 使 用 地 面 站 或 用 户 可 根 据 精 度 需 要 进 行 精 校 正 处 理 和 专 题 信 息 处 理 分 类 等 遥 感 信 息 的 应 用 获 取 遥 感 信 息 的 目 的 是 要 应 用 这 项 工 作 由 各 专 业 人 员 按 不 同 的 应 用 目 的 进 行 在 应 用 过 程 中, 也 需 要 大 量 的 信 息 处 理 和 分 析, 如 不 同 遥 感 信 息 的 融 合 及 遥 感 与 非 遥 感 信 息 的 复 合 等 总 之, 遥 感 技 术 是 一 个 综 合 性 的 系 统, 它 涉 及 到 航 空 航 天 光 电 物 理 计 算 机 和 信 息 科 学 以 及 诸 多 的 应 用 领 域, 它 的 发 展 与 各 学 科 的 应 用 紧 密 相 关 2

15 第 一 章 遥 感 概 论 1.3 遥 感 的 分 类 遥 感 的 分 类 方 法 有 很 多, 主 要 有 以 下 几 种 : 按 遥 感 平 台 分 地 面 遥 感 : 传 感 器 设 置 在 地 面 平 台 上, 如 车 载 船 载 手 提 固 定 或 活 动 高 架 平 台 等 ; 航 空 遥 感 : 传 感 器 设 置 于 航 空 器 上, 主 要 是 飞 机 气 球 等 ; 航 天 遥 感 : 传 感 器 设 置 于 环 绕 地 球 的 航 空 器 上, 如 人 造 地 球 卫 星 航 天 飞 机 空 间 站 火 箭 等 ; 航 宇 遥 感 : 传 感 器 设 置 于 星 际 飞 船 上, 指 对 地 月 系 统 外 的 目 标 的 探 测 按 传 感 器 的 探 测 波 段 分 紫 外 遥 感 : 探 测 波 段 在 0.05~0.38μm 之 间 ; 可 见 光 遥 感 : 探 测 波 段 在 0.38~0.76μm 之 间 ; 红 外 遥 感 : 探 测 波 段 在 0.76~1mm 之 间 ; 微 波 遥 感 : 探 测 波 段 在 1mm~10m 之 间 ; 多 波 段 遥 感 : 指 探 测 波 段 在 可 见 光 波 段 和 红 外 波 段 范 围 内, 再 分 成 若 干 窄 波 段 来 探 测 目 标 按 工 作 方 式 分 主 动 遥 感 和 被 动 遥 感 : 主 动 遥 感 由 探 测 器 主 动 发 射 一 定 电 磁 波 能 量 并 接 收 目 标 的 后 向 散 射 信 号 ; 被 动 遥 感 的 传 感 器 不 向 目 标 发 射 电 磁 波, 仅 被 动 接 收 目 标 物 的 自 身 辐 射 和 对 自 然 辐 射 源 的 反 射 能 量 成 像 遥 感 与 非 成 像 遥 感 : 前 者 传 感 器 接 收 的 目 标 电 磁 辐 射 信 号 可 以 转 换 成 数 字 或 模 拟 图 像 ; 后 者 传 感 器 接 收 的 目 标 电 磁 辐 射 信 号 不 能 形 成 图 像 按 遥 感 的 应 用 领 域 分 从 大 的 应 用 领 域 可 分 为 外 层 空 间 遥 感 大 气 层 遥 感 陆 地 遥 感 海 洋 遥 感 3

16 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 等 ; 从 具 体 应 用 领 域 可 分 为 资 源 遥 感 环 境 遥 感 农 业 遥 感 林 业 遥 感 气 象 遥 感 水 文 遥 感 城 市 遥 感 工 程 遥 感 及 灾 害 遥 感 军 事 遥 感 等, 还 可 以 划 分 为 更 细 的 研 究 对 象 进 行 各 种 专 题 应 用 1.4 遥 感 卫 星 搭 载 遥 感 器, 从 宇 宙 空 间 观 测 地 球 的 人 造 卫 星 叫 遥 感 卫 星, 或 者 叫 地 球 观 测 卫 星 其 中 以 气 象 观 测 为 主 要 目 的 的 卫 星 称 气 象 卫 星, 以 便 和 其 他 地 球 观 测 卫 星 相 区 别 遥 感 卫 星 通 常 由 观 测 遥 感 器 数 据 记 录 装 置 姿 态 控 制 系 统 通 信 系 统 电 源 系 统 热 控 制 系 统 等 组 成 前 两 者 叫 功 能 设 备, 其 余 的 称 通 用 设 备 遥 感 卫 星 的 主 要 功 能 有, 记 录 准 确 地 遥 感 器 的 位 置, 可 靠 的 获 取 数 据 以 及 将 获 取 的 数 据 传 送 到 地 面 站 所 以, 利 用 卫 星 上 的 姿 态 控 制 系 统 测 量 位 置, 进 行 观 测 仪 器 的 监 视 ( 包 括 地 面 跟 踪 记 录 的 管 制 系 统 ) 和 数 据 传 送 是 非 常 重 要 的, 它 们 在 整 体 上 构 成 一 个 大 规 模 的 系 统 常 见 的 遥 感 卫 星 有 美 国 的 Landsat 卫 星 NOAA 卫 星 法 国 的 SPOT 卫 星 等 等 由 于 本 文 对 黄 河 流 域 的 研 究 采 用 的 是 Landsat 卫 星 提 供 的 TM 影 像, 因 此 下 面 仅 对 Landsat 卫 星 做 个 简 单 的 介 绍 : Landsat 是 美 国 于 1972 年 在 世 界 上 第 一 次 发 射 的 真 正 的 地 球 观 测 卫 星, 由 于 它 的 出 色 的 观 测 能 力, 推 动 了 卫 星 遥 感 的 飞 跃 发 展 Landsat 目 前 已 经 发 射 了 1 号 到 7 号 星 (1) 轨 道 参 数 Landsat 卫 星 采 用 的 飞 行 高 度 为 705km, 轨 道 倾 角 为 98 度 的 太 阳 同 步 准 回 归 轨 道, 通 过 赤 道 时 刻 为 地 方 平 均 时 上 午 9:39 它 用 16 天 时 间 对 整 个 地 球 观 测 一 遍, 第 17 天 返 回 到 同 一 地 点 的 上 空 (2) 观 测 仪 器 星 上 搭 载 多 光 谱 扫 描 仪 (MSS) 和 专 题 扫 描 仪 (TM) 两 种 遥 感 器 TM 是 4

17 第 一 章 遥 感 概 论 4 号 以 后 的 卫 星 搭 载 的, 两 种 遥 感 器 都 是 采 用 扫 描 镜 进 行 机 械 扫 描 的 方 式,6 号 星 以 后 仅 搭 载 ETM 遥 感 器, 并 追 加 了 IFOV 为 15m 的 全 色 波 段 (3) 数 据 参 数 MSS TM 的 数 据 是 以 景 为 单 元 构 成 的,1 景 约 相 当 地 面 上 185 km km =34225 km 的 面 积 各 景 的 位 置 根 据 卫 星 轨 道 所 确 定 的 轨 道 号 和 由 中 心 纬 度 所 确 定 的 行 号 进 行 定 位, 这 一 系 统 称 为 WRS(world reference system) 比 如 日 本 全 土 可 用 轨 道 号 从 104 到 114, 行 号 从 28 到 42 的 约 63 景 遥 感 影 像 覆 盖 数 据 通 常 用 CCT 提 供 给 用 户, 在 CCT 上, 每 个 数 据 单 位 即 像 元 是 把 与 遥 感 器 的 分 辨 率 几 乎 相 同 的 地 面 面 积 上 的 反 射 亮 度 强 度 记 录 到 每 个 波 段 上, 各 波 段 强 度 用 8bt 的 数 值 表 示 (4)TM 图 像 TM 影 像 在 光 谱 分 辨 率 方 面, 它 采 用 7 个 波 段 来 记 录 遥 感 器 获 取 的 目 标 地 物 信 息, 遥 感 器 设 计 制 造 人 员 根 据 MSS 数 据 使 用 的 经 验 与 光 谱 适 用 范 围 研 究 结 果, TM 在 波 长 范 围 与 光 谱 位 置 上 都 作 了 调 整 在 辐 射 分 辨 率 方 面,TM 采 用 双 向 扫 描, 改 进 了 辐 射 测 量 精 度, 目 标 地 物 模 拟 信 号 经 过 A/D 转 换, 以 256 级 辐 射 亮 度 来 描 述 不 同 地 物 的 光 谱 特 性, 一 些 在 MSS 中 无 法 觉 察 出 的 地 物 电 磁 波 辐 射 中 的 细 小 变 化, 现 在 可 以 在 TM 波 段 内 观 测 到 在 地 面 分 辨 率 方 面,TM 瞬 间 视 场 角 对 应 的 地 面 分 辨 率 为 30m( 第 6 波 段 除 外 ) 在 1999 年 4 月 15 日, 发 射 的 Landsat-7, 采 用 了 ETM+ 遥 感 器 来 获 取 地 球 表 层 信 息, 它 与 TM 的 区 别 是 增 加 了 全 色 波 段, 分 辨 率 为 15m, 并 改 进 了 热 红 外 波 段 的 空 间 分 辨 率 Landsat 卫 星 的 TM 影 像 技 术 参 数 各 波 段 主 要 应 用 范 围 如 下 面 表 格 所 示 : 5

18 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 表 格 1-1 Landsat-7 上 TM 技 术 参 数 波 段 序 号 波 长 范 围 /μm 波 段 名 称 地 面 分 辨 率 /m ~0.52 蓝 色 ~0.60 绿 色 ~0.69 红 色 ~0.90 近 红 外 ~1.75 短 波 红 外 ~12.50 热 红 外 ~2.35 短 波 红 外 30 PAN 0.50~0.90 全 色 波 段 15 表 格 1-2 TM 影 像 的 主 要 应 用 范 围 波 段 序 号 波 段 主 要 应 用 领 域 1 蓝 色 对 水 体 有 透 射 能 力, 能 够 反 射 浅 水 水 下 特 征, 可 区 分 土 壤 和 植 被 编 制 森 林 类 型 图 区 分 人 造 地 物 类 型 2 绿 色 探 测 健 康 植 被 绿 色 反 射 率 可 区 分 植 被 类 型 和 评 估 作 物 长 势, 区 分 人 造 地 物 类 型, 对 水 体 有 一 定 的 透 射 能 力 3 红 色 可 测 量 植 物 绿 色 素 吸 收 率, 并 依 次 进 行 植 物 分 类, 可 区 分 人 造 地 物 类 型 4 近 红 外 测 定 生 物 量 和 作 物 长 势, 区 分 植 被 类 型, 绘 制 水 体 边 界 探 测 水 中 生 物 的 含 量 和 土 壤 湿 度 5 短 波 红 外 用 于 探 测 植 物 含 水 量 及 土 壤 湿 度, 区 分 云 与 雪 6 热 红 外 探 测 地 球 表 面 不 同 物 质 的 自 身 热 辐 射 的 主 要 波 段, 可 用 于 热 分 布 制 图, 岩 石 识 别 和 地 质 探 矿 等 方 面 7 短 波 红 外 探 测 高 温 辐 射 源, 如 监 测 森 林 火 灾 火 山 活 动 等, 区 分 人 造 地 物 类 型 6

19 第 一 章 遥 感 概 论 1.5 遥 感 的 特 点 遥 感 技 术 在 各 行 各 业 有 着 如 此 重 要 的 应 用, 这 是 由 它 本 身 不 可 替 代 的 特 点 决 定 的 : 大 面 积 的 同 步 观 测 在 地 球 上, 进 行 资 源 和 环 境 调 查 时, 大 面 积 同 步 观 测 所 取 得 的 数 据 是 最 宝 贵 的 依 靠 传 统 的 地 面 调 查, 实 施 起 来 非 常 困 难, 工 作 量 很 大 而 遥 感 观 测 则 可 以 为 此 提 供 最 佳 的 获 取 信 息 的 方 式, 并 且 不 受 地 形 阻 隔 等 限 制 遥 感 平 台 越 高, 视 角 越 宽 广, 可 以 同 步 观 测 到 的 地 面 范 围 就 越 大, 容 易 发 现 地 球 上 一 些 重 要 目 标 物 空 间 分 布 的 宏 观 规 律, 而 有 些 宏 观 规 律, 依 靠 地 面 观 测 是 难 以 发 现 或 必 须 经 长 期 大 面 积 调 查 才 能 发 现 的 如 一 景 美 国 的 陆 地 卫 星 Landsat 图 像, 覆 盖 2 面 积 为 185 km 185 km =34225 km, 在 5~6mn 内 即 可 扫 描 完 成, 实 现 对 地 的 大 面 积 同 步 观 测 ; 而 一 景 地 球 同 步 气 象 卫 星 图 像 可 覆 盖 三 分 之 一 地 球 表 面, 实 现 更 宏 观 的 同 步 观 测 时 效 性 遥 感 探 测, 尤 其 是 空 间 遥 感 探 测, 可 以 在 短 时 间 内 对 同 一 地 区 进 行 重 复 探 测, 发 现 地 球 上 许 多 事 物 的 动 态 变 化 这 对 于 研 究 地 球 上 不 同 周 期 的 动 态 变 化 非 常 重 要 比 如 地 球 资 源 卫 星 ( 如 美 国 的 Landsat 法 国 的 SPOT 和 中 国 与 巴 西 合 作 的 CBERS) 则 分 别 以 16 天 26 天 或 4~5 天 对 同 一 地 区 重 复 观 测 一 次, 以 获 得 一 个 重 访 周 期 内 的 某 些 事 物 的 动 态 变 化 的 数 据 而 传 统 的 地 面 调 查 则 须 在 大 量 的 人 力 物 力, 用 几 年 甚 至 几 十 年 时 间 才 能 获 得 地 球 上 大 范 围 地 区 动 态 变 化 的 数 据 因 此, 要 敢 遥 感 大 大 提 高 了 观 测 的 时 效 性 这 对 于 天 气 预 报 火 灾 水 灾 等 的 灾 情 监 测, 以 及 军 事 行 动 等 非 常 重 要 数 据 的 综 合 性 和 可 比 性 遥 感 获 得 的 地 物 电 磁 波 特 性 数 据 综 合 反 映 了 地 球 上 许 多 自 然 人 文 信 息 7

20 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 红 外 遥 感 昼 夜 均 可 探 测, 微 波 遥 感 均 可 全 天 时 全 天 候 观 测, 人 们 可 以 从 中 有 选 择 地 提 取 所 需 的 信 息 由 于 遥 感 的 探 测 波 段 成 像 方 式 成 像 时 间 数 据 记 录 等 均 可 按 要 求 设 计, 使 其 获 得 的 数 据 具 有 同 一 性 或 相 似 性 同 时 考 虑 到 新 的 传 感 器 和 信 息 记 录 都 可 向 下 兼 容, 所 以, 数 据 具 有 可 比 性 与 传 统 地 面 调 查 和 考 察 比 较, 遥 感 数 据 可 以 较 大 程 度 地 排 除 人 为 干 扰 经 济 性 遥 感 的 费 用 投 入 与 所 获 取 的 利 益, 与 传 统 的 方 法 相 比, 可 以 大 大 地 节 省 人 力 物 力 财 力 和 时 间, 具 有 很 高 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 局 限 性 目 前, 遥 感 技 术 所 利 用 的 电 磁 波 还 很 有 限, 仅 是 其 中 的 几 个 波 段 范 围 在 电 磁 波 谱 中, 尚 有 许 多 谱 段 的 资 源 有 待 进 一 步 开 发 此 外, 已 经 被 利 用 的 电 磁 波 谱 段 对 许 多 地 物 的 某 些 特 征 还 不 能 准 确 反 映, 还 需 要 发 展 高 光 谱 分 辨 率 遥 感 以 及 和 遥 感 以 外 的 其 他 手 段 相 配 合, 特 别 是 地 面 调 查 和 验 证 尚 不 可 缺 少 但 随 着 遥 感 技 术 的 进 一 步 发 展, 所 能 利 用 的 电 磁 波 谱 段 将 越 来 越 多, 成 像 的 空 间 分 辨 率 和 光 谱 分 辨 率 也 越 来 越 高, 其 感 测 的 目 标 更 广, 对 地 球 上 的 资 源 和 环 境 的 调 查 监 测 将 起 到 更 大 的 作 用 1.6 遥 感 小 结 图 表 1-1 8

21 第 一 章 遥 感 概 论 所 谓 遥 感 通 俗 地 说 就 是 遥 远 的 感 知 它 的 主 角 就 是 遥 感 卫 星, 遥 感 卫 星 借 助 遥 感 器 对 地 物 地 貌 进 行 拍 摄, 提 供 给 我 们 的 成 品 就 是 遥 感 影 像, 我 们 从 遥 感 影 像 中 获 取 我 们 想 要 的 定 量 信 息, 以 代 替 传 统 的 实 地 考 察 遥 感 影 像 有 很 多 传 统 方 法 不 可 比 拟 的 优 点, 比 如 遥 感 影 像 可 以 进 行 超 大 范 围 拍 摄, 本 文 研 究 的 黄 河 流 域 含 多 沙 粗 沙 区, 有 仅 80 万 平 方 公 里, 通 过 传 统 的 方 法 是 不 可 能 获 得 全 流 域 的 信 息 的 遥 感 影 像 中 的 定 量 关 系 蕴 含 在 每 个 像 素 点 不 同 的 灰 度 值 当 中, 由 于 不 同 的 地 物 地 貌 对 电 磁 波 的 反 射 强 度 不 一 样, 反 映 在 遥 感 影 像 中 就 是 像 素 点 的 灰 度 值 的 差 异, 也 就 是 说 遥 感 影 像 中 每 个 像 素 点 的 灰 度 值 大 小 正 是 该 点 所 对 应 实 际 地 物 反 射 电 磁 波 强 度 的 量 度, 我 们 通 过 对 遥 感 影 像 像 素 点 灰 度 值 的 解 译 来 得 到 我 们 想 要 的 定 量 信 息 而 遥 感 影 像 的 解 译 可 以 说 是 一 个 复 杂 的 系 统 工 程, 我 们 在 以 后 的 章 节 中 将 陆 续 讲 到 9

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23 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 2.1 遥 感 数 字 图 像 图 像 和 遥 感 数 字 图 像 的 概 念 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 根 据 波 段 的 多 少, 图 像 可 以 分 为 单 波 段 多 波 段 和 超 波 段 图 像 单 波 段 图 像 在 每 个 点 只 有 一 个 亮 度 值 ; 多 波 段 ( 也 称 多 光 谱 ) 图 像 上 每 个 点 不 只 一 个 特 性, 例 如 在 彩 色 图 像 上, 每 个 点 具 有 红 绿 蓝 三 个 亮 度 值, 这 三 个 值 表 示 在 不 同 光 波 段 上 的 强 度, 人 眼 看 来 就 是 不 同 的 颜 色 ; 超 波 段 图 像 上 每 个 点 具 有 几 十 甚 至 几 百 个 特 性, 它 已 超 出 人 眼 的 分 辨 能 力 按 图 像 的 明 暗 程 度 和 空 间 坐 标 的 连 续 性 划 分, 图 像 可 分 为 数 字 图 像 和 模 拟 图 像 数 字 图 像 是 指 被 计 算 机 存 储 处 理 和 使 用 的 图 像, 是 一 种 空 间 坐 标 和 灰 度 均 不 连 续 的 用 离 散 数 学 表 示 的 图 像, 它 属 于 不 可 见 图 像 模 拟 图 像 ( 又 称 光 学 图 像 ) 是 指 空 间 坐 标 和 明 暗 程 度 都 连 续 变 化 的 计 算 机 无 法 处 理 的 图 像, 它 属 于 可 见 图 像 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展, 模 拟 图 像 和 数 字 图 像 可 以 实 施 转 换, 把 模 拟 图 像 变 成 数 字 图 像 称 为 模 \ 数 转 换, 即 A\D 转 换 ; 把 数 字 图 像 变 成 模 拟 图 像 称 为 数 \ 模 转 换, 即 D\A 转 换 遥 感 数 字 图 像 是 以 数 字 形 式 表 示 的 遥 感 影 像 遥 感 数 字 图 像 最 基 本 的 单 位 是 像 素 像 素 是 遥 感 成 像 过 程 的 采 样 点, 或 者 是 在 A\D 转 换 中 的 取 样 点, 它 也 是 计 算 机 图 像 处 理 的 最 小 单 元 每 个 像 素 具 有 其 空 间 位 置 特 征 和 属 性 特 征 像 素 的 空 间 位 置 用 离 散 的 X 值 和 Y 值 表 示 一 幅 遥 感 图 像 可 以 表 示 为 一 个 矩 阵, 若 X 方 向 有 N 个 像 素,Y 方 向 有 M 个 像 素, 则 成 为 有 MN 个 像 素 的 矩 阵 函 数, 可 以 表 示 为 : 11

24 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 f (0,0), f (0,1), f (1,0), f (1,1), f ( X, Y ) = f (2,0), f (2,1), M M f ( M 1,0), f ( M 1,1), 式 中 :M 表 示 行 数 ;N 表 示 列 数 f (0,2) L f (1,2) L f (2,2) L M f ( M 1,2) L f (0, N 1) f (1, N 1) f (2, N 1) M f ( M 1, N 1) M N 为 正 整 数, 矩 阵 中 的 每 一 个 元 素 代 表 遥 感 数 字 图 像 的 像 素, 其 大 小 相 当 于 模 拟 图 像 分 割 取 样 的 最 小 单 元 Δ X, ΔY 遥 感 数 字 图 像 像 素 的 属 性 特 征 用 亮 度 值 来 表 示, 在 不 同 图 像 上 ( 不 同 波 段 不 同 时 期 不 同 种 类 的 图 像 ), 相 同 地 点 的 亮 度 值 是 可 能 不 同 的, 这 是 因 为 地 物 反 射 或 发 射 电 磁 波 的 不 同 和 大 气 电 磁 辐 射 影 响 引 起 的 遥 感 数 字 图 像 亮 度 值 的 大 小 是 由 遥 感 传 感 器 所 探 测 到 的 电 磁 辐 射 强 度 决 定 的 入 射 到 传 感 器 中 的 电 磁 波 被 探 测 元 件 转 化 为 信 号 ( 或 被 卤 化 银 物 质 的 光 化 学 反 应 记 录 ), 经 过 A\D 转 换, 成 为 绝 对 辐 射 亮 度 值 R 为 了 便 于 应 用,R 又 被 转 换 为 能 够 表 征 地 物 的 辐 射 亮 度 的 相 对 值 V 两 者 的 关 系 可 表 示 为 R = V ( R D + R 公 式 2-1 max Rmn ) / max mn 式 中 : R max 为 探 测 器 可 检 测 到 的 最 大 辐 射 亮 度 值 ; R mn 为 探 测 器 可 检 测 到 的 最 小 辐 射 亮 度 值 ; D 为 级 数 ;R 为 绝 对 辐 射 亮 度 值, 单 位 为 mw /( cm 2. sr) ;V max 为 像 素 表 征 的 地 物 辐 射 亮 度 的 相 对 值, 在 黄 河 流 域 TM 遥 感 影 像 中 0 V 遥 感 图 像 的 数 字 化 通 过 摄 影 扫 描 和 雷 达 等 传 感 器 获 得 的 地 面 地 物 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 字 化 扫 描 仪 或 数 码 相 机 等 设 备, 把 一 幅 模 拟 图 像 送 入 计 算 机 转 换 成 遥 感 数 字 图 像, 即 变 成 计 算 机 能 处 理 的 形 式 这 一 转 换 过 程 称 为 图 像 的 数 字 化 12

25 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 灰 度 亮 度 彩 色 的 分 布 模 拟 图 像 图 表 2-1 数 字 图 像 图 像 数 字 化 包 括 采 样 和 量 化 两 个 过 程 1 采 样 将 空 间 上 连 续 的 图 像 变 换 成 离 散 点 的 操 作 称 为 采 样 采 样 间 隔 和 采 样 孔 径 的 大 小, 关 系 到 图 像 分 辨 率 的 大 小, 即 关 系 到 图 像 包 含 何 种 程 度 的 细 微 的 浓 度 变 化 一 般 来 说, 采 样 间 隔 大, 所 得 图 像 像 素 数 越 少, 空 间 分 辨 率 越 低, 图 像 质 量 差, 严 重 时 出 现 像 素 成 块 状 国 际 棋 盘 效 应 ; 采 样 间 隔 小, 图 像 分 辨 率 高, 质 量 好, 但 数 据 量 大 例 如, 在 水 平 方 向 和 垂 直 方 向 上 分 别 以 1/100cm 间 距 作 为 采 样 间 隔, 其 分 辨 率 即 为 0.1mm 空 间 采 样 可 以 将 模 拟 遥 感 图 像 具 有 的 连 续 灰 度 ( 或 色 彩 ) 信 息 转 换 为 每 行 有 N 个 像 素 每 列 M 个 像 素 的 遥 感 数 字 图 像 采 样 孔 径 的 形 状 和 大 小 与 采 样 方 式 有 关, 采 样 孔 径 有 圆 形 方 形 等 2 量 化 遥 感 模 拟 图 像 经 离 散 采 样 后, 可 得 到 由 MN 个 像 素 点 组 合 表 示 的 图 像, 但 其 灰 度 ( 或 色 彩 ) 仍 是 连 续 的, 还 不 能 用 计 算 机 处 理 它 们 还 要 进 一 步 离 散 并 归 并 到 各 个 区 间, 分 别 用 有 限 个 整 数 来 表 示, 这 称 之 为 量 化 一 幅 遥 感 数 字 图 像 中 不 同 灰 度 值 的 个 数 称 为 灰 度 级, 用 G 表 示 若 一 幅 数 字 图 像 的 量 化 灰 度 级 8 数 G = 2 级, 灰 度 取 值 范 围 一 般 是 0~255 的 整 数 由 于 用 8bt 就 能 表 示 灰 度 图 像 像 素 的 灰 度 值, 因 此 常 称 为 8bt 量 化 彩 色 图 像 可 采 用 24bt 量 化, 分 别 给 红 绿 蓝 三 原 色 8bt, 每 个 颜 色 层 面 数 据 为 0~255 级 1 像 素 灰 度 级 只 有 2 级 的 图 像 称 为 二 值 图 像, 通 常 取 0 为 白 色,1 为 黑 色 13

26 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 遥 感 模 拟 图 像 数 字 化 前 需 要 决 定 影 像 大 小 ( 行 数 M 列 数 N) 和 灰 度 级 的 取 值 一 般 在 数 字 图 像 处 理 中, 使 这 些 量 化 为 2 的 整 数 幂, 即 M 2 m n g = 2, N = 2, G = 这 样 存 储 一 幅 大 小 为 M N, 灰 度 级 为 G 的 图 像, 所 需 的 存 储 空 间 或 称 图 像 的 数 据 量 为 M N G (bt) 公 式 多 波 段 遥 感 数 字 图 像 的 数 据 格 式 多 波 段 遥 感 数 字 图 像 记 录 格 式 随 计 算 机 的 发 展 而 有 不 同 程 度 的 变 化 常 见 的 数 据 格 式 有 三 种 :BIP BSQ 和 BIL 格 式, 这 里 只 介 绍 黄 河 流 域 使 用 图 像 的 BSQ 格 式, 其 他 格 式 可 查 阅 相 关 书 籍 BSQ 是 按 波 段 顺 序 依 次 排 列 的 数 据 格 式 数 据 排 列 遵 循 以 下 规 律 : 第 一 波 段 位 居 第 一, 第 二 波 段 位 居 第 二, 第 n 波 段 位 居 第 n 位 在 每 个 波 段 中, 数 据 依 据 行 号 顺 序 依 次 排 列, 每 一 列 内, 每 一 列 内, 数 据 按 像 素 顺 序 排 列 表 格 2-1 BSQ 数 据 排 列 表 第 一 波 段 (1,1) (1,2) (1,3) (1,4) (1,n) (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (2,n) (m,1) (m,2) (m,3) (m,4) (m,n) 第 二 波 段 (1,1) (1,2) (1,3) (1,4) (1,n) (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (2,n) 第 n 波 段 (1,1) (1,2) (1,3) (1,4) (1,n) (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (2,n) (m,1) (m,2) (m,3) (m,4) (m,n) 以 计 算 机 兼 容 磁 带 (CCT) 或 CD-ROM 提 供 的 遥 感 数 字 图 像 的 文 件 中, 除 了 数 字 图 像 本 身 的 数 据 外, 还 附 有 各 种 辅 助 信 息, 这 些 信 息 或 数 据 是 进 行 数 据 14

27 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 分 发 图 像 处 理 时 的 参 考 或 说 明 2.2 遥 感 数 字 图 像 的 校 正 遥 感 数 字 图 像 的 校 正, 主 要 包 括 辐 射 校 正 和 几 何 校 正 两 种 辐 射 校 正 : 校 正 因 大 气 的 影 响 和 因 传 感 器 本 身 的 影 响 而 产 生 的 辐 射 误 差 称 辐 射 校 正 进 入 传 感 器 的 电 磁 辐 射 强 度 反 映 在 遥 感 数 字 图 像 上 就 是 亮 度 值 辐 射 强 度 越 大, 亮 度 值 就 越 大 该 值 与 地 物 的 反 射 率 或 发 射 率 保 持 一 定 的 对 应 关 系, 但 因 受 大 气 辐 射 的 影 响, 受 传 感 器 本 身 产 生 辐 射 误 差 的 影 响, 这 种 对 应 关 系 发 生 了 改 变, 这 一 改 变 部 分 就 是 需 要 校 正 部 分 由 仪 器 本 身 产 生 的 辐 射 误 差, 导 致 了 接 收 图 像 不 均 匀, 产 生 条 纹 和 噪 声, 一 般 来 说, 应 该 由 图 像 生 产 单 位 根 据 传 感 器 参 数 进 行 校 正, 而 不 需 要 用 户 自 己 校 正 由 大 气 辐 射 影 响 产 生 的 辐 射 误 差, 一 般 来 说, 应 由 用 户 根 据 使 用 图 像 的 目 的 根 据 具 体 情 况 采 用 适 当 的 方 法 予 以 校 正 几 何 校 正 : 当 遥 感 数 字 图 像 在 几 何 位 置 上 发 生 了 变 化, 产 生 诸 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, 即 说 明 遥 感 数 字 图 像 发 生 了 几 何 畸 变 校 正 几 何 畸 变 的 工 作 称 之 为 几 何 校 正, 或 称 几 何 纠 正 遥 感 图 像 的 几 何 变 形 误 差 可 分 为 静 态 误 差 和 动 态 误 差 两 大 类 静 态 误 差 是 指 在 成 像 过 程 中, 传 感 器 相 对 于 地 球 表 面 呈 静 止 状 态 时 所 具 有 的 各 种 变 形 误 差 ; 动 态 误 差 则 主 要 是 由 于 在 成 像 过 程 中 地 球 的 旋 转 所 造 成 的 图 像 变 形 误 差 遥 感 图 像 几 何 纠 正 的 手 段 一 般 分 为 光 学 纠 正 和 数 字 纠 正 两 大 类 光 学 纠 正 通 常 不 能 对 卫 星 遥 感 图 像, 特 别 是 动 态 遥 感 图 像 进 行 严 格 的 纠 正, 而 遥 感 数 字 图 像 纠 正 正 是 建 立 在 严 格 的 数 学 基 础 上, 并 可 以 逐 点 或 逐 像 素 地 对 图 像 进 行 纠 正, 因 而 原 则 上 它 可 以 对 任 何 类 型 的 传 感 器 图 像 进 行 严 格 的 纠 正 2.3 遥 感 数 字 图 像 增 强 处 理 有 些 遥 感 图 像 的 目 视 效 果 较 差, 例 如 对 比 度 不 够 图 像 模 糊 ; 有 些 图 像 总 体 目 视 效 果 较 好, 但 对 所 需 要 的 信 息, 如 边 缘 部 分 或 线 状 地 物 不 够 突 出 ; 有 些 15

28 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 像 波 段 多 数 据 量 大, 例 如 TM 图 像, 但 各 波 段 的 信 息 量 存 在 一 定 的 相 关 性, 为 进 一 步 的 处 理 造 成 困 难 针 对 以 上 问 题, 需 要 对 图 像 进 行 增 强 处 理 通 过 图 像 增 强 技 术, 改 善 图 像 质 量 提 高 图 像 目 视 效 果 突 出 所 需 要 的 信 息 压 缩 图 像 数 据 量, 为 进 一 步 的 图 像 分 析 判 读 做 好 预 处 理 工 作 图 像 增 强 的 主 要 目 的 有 : 改 变 图 像 的 灰 度 等 级, 提 高 图 像 的 对 比 度 ; 消 除 边 缘 和 噪 声, 平 滑 图 像 ; 突 出 边 缘 或 线 状 地 物, 锐 化 图 像 ; 合 成 彩 色 图 像 ; 压 缩 图 像 数 据 量, 突 出 主 要 信 息 等 图 像 增 强 的 方 法 主 要 可 分 为 空 间 域 增 强 和 频 率 域 增 强 两 种 方 法 空 间 域 增 强 是 通 过 改 变 单 个 像 元 及 相 邻 像 元 的 灰 度 值 来 增 强 图 像 ; 而 频 率 域 增 强 是 对 图 像 进 行 傅 立 叶 变 换, 然 后 对 变 换 后 的 频 率 域 图 像 的 频 谱 进 行 修 改, 达 到 增 强 图 像 的 目 的 辐 射 增 强 空 间 域 是 指 图 像 平 面 所 在 的 二 维 平 面, 空 间 域 增 强 是 指 在 图 像 平 面 上 直 接 针 对 每 个 像 元 进 行 处 理, 处 理 后 像 元 的 位 置 不 变 空 间 域 增 强 是 图 像 增 强 技 术 的 基 本 组 成 部 分, 它 包 括 点 运 算 和 邻 域 运 算 点 运 算 虽 然 简 单 却 是 一 种 很 重 要 的 一 类 技 术 对 于 一 幅 输 入 图 像, 经 过 点 运 算 后 产 生 的 输 出 图 像 的 灰 度 值 仅 由 相 应 输 入 像 素 点 的 灰 度 值 决 定, 与 周 围 的 像 元 不 发 生 关 系 点 运 算 又 可 称 为 对 比 度 增 强 对 比 度 拉 伸 或 灰 度 变 换, 是 辐 射 增 强 的 主 要 方 法 辐 射 增 强 是 一 种 通 过 直 接 改 变 图 像 中 像 元 的 亮 度 值 来 改 变 图 像 的 对 比 度, 从 而 改 善 图 像 质 量 的 图 像 处 理 方 法 人 的 眼 睛 鉴 别 图 像 时 能 够 分 辨 20 级 左 右 的 灰 度 级, 而 显 示 设 备 显 示 灰 度 的 动 态 范 围 要 大 得 多, 例 如 计 算 机 显 示 器 能 够 显 示 256 个 灰 度 级, 灰 度 值 范 围 为 0~255 因 此, 辐 射 增 强 能 够 使 一 幅 图 像 充 分 利 用 成 像 设 备, 达 到 最 佳 动 态 范 围, 大 大 改 善 目 视 效 果 增 强 处 理 可 将 其 灰 度 值 范 围 拉 伸 到 0~255 之 间, 从 而 使 图 像 对 比 度 提 高, 质 量 改 善 辐 射 增 强 主 要 以 图 像 的 灰 度 直 方 图 作 为 分 析 处 理 的 基 础 16

29 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 直 方 图 1 定 义 灰 度 直 方 图 是 灰 度 级 的 函 数, 描 述 的 是 图 像 中 具 有 该 灰 度 级 的 像 元 的 个 数 确 定 图 像 像 元 的 灰 度 值 范 围, 以 适 当 的 灰 度 间 隔 为 单 位 将 其 划 分 为 若 干 等 级, 以 横 轴 表 示 灰 度 级, 以 纵 轴 表 示 每 一 灰 度 级 具 有 的 像 元 数 或 该 像 元 数 占 总 像 元 数 的 比 例 值, 做 出 的 条 形 统 计 图 即 为 灰 度 直 方 图 例 如, 一 幅 7 7 的 数 字 图 像 ( 见 图 表 2-2), 图 表 2-2 数 字 图 像 灰 度 最 大 值 为 16, 最 小 值 为 0, 取 灰 度 间 隔 为 1, 对 各 灰 度 级 的 像 元 数 及 比 例 值 的 统 计 见 表 格 2-2 根 据 表 的 统 计 值, 做 出 这 幅 图 像 的 直 方 图 ( 见 图 表 2-3) 表 格 2-2 直 方 图 统 计 表 灰 度 级 像 元 数 比 例 值 像 元 数 灰 度 图 表

30 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 2 直 方 图 的 性 质 (1) 直 方 图 反 映 了 图 像 中 的 灰 度 分 布 规 律 它 描 述 每 个 灰 度 级 具 有 的 像 元 个 数, 但 不 包 含 这 些 像 元 在 图 像 中 的 位 置 信 息 (2) 任 何 一 幅 特 定 的 图 像 都 有 唯 一 的 直 方 图 与 之 对 应, 但 不 同 的 图 像 可 以 有 不 同 的 直 方 图 (3) 如 果 一 幅 图 像 有 两 个 不 相 连 的 区 域 组 成, 并 且 每 个 区 域 的 直 方 图 已 知, 则 整 幅 图 像 的 直 方 图 是 该 两 个 区 域 的 直 方 图 之 和 (4) 根 据 直 方 图 的 形 态 可 以 大 致 推 断 图 像 质 量 的 好 坏, 由 于 图 像 包 含 有 大 量 的 像 元, 假 定 像 元 的 灰 度 值 是 随 机 分 布 的, 那 么 其 直 方 图 的 分 布 应 符 合 正 态 分 布, 通 过 有 目 的 地 改 变 直 方 图 形 态 可 改 善 图 像 的 质 量 线 性 变 换 对 像 元 灰 度 值 进 行 变 换 可 使 图 像 的 动 态 范 围 增 大, 图 像 的 对 比 度 扩 展, 图 像 变 得 清 晰, 特 征 明 显 如 果 变 换 函 数 是 线 性 或 分 段 线 性 的, 这 种 变 换 即 为 线 性 变 换 线 性 变 换 是 按 比 例 扩 大 原 始 灰 度 级 的 范 围, 以 充 分 利 用 显 示 设 备 的 动 态 范 g(, j) 围, 使 变 换 后 图 像 的 直 方 图 两 端 达 到 饱 和 例 如, 某 一 图 像 直 方 图 的 最 小 b 2 b 1 灰 度 值 为 10, 最 大 灰 度 值 为 72, 经 过 线 性 变 换 后, 输 出 的 最 小 值 为 0, 最 大 0 a a 1 2 图 表 2-4 f (, j) 值 为 255, 原 图 像 上 其 他 灰 度 值 等 比 例 换 算 如 图 表 2-5 所 示, 原 图 像 f (, j) 的 对 比 度 较 18

31 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 差, 灰 度 范 围 为 a, ] ; 经 线 性 变 换 后 图 像 g (, j) 的 对 比 度 提 高, 灰 度 范 围 扩 大 [ a 1 2 为 b, ] 变 换 方 程 可 写 为 [ b 1 2 g(, j) b b b f (, j) = a 2 a a 1 1 公 式 2-3 其 中 : f, j) [ a, a ], g(, j) [ b, ], 于 是 有 ( b2 b b g = + ] 公 式 (, j) [ f (, j) a1] b1 a2 a1 通 过 以 上 的 变 换 将 原 来 较 窄 的 直 方 图 变 为 范 围 较 宽 的 直 方 图, 这 种 变 换 称 为 直 方 图 拉 伸 拉 伸 后 的 图 像 动 态 范 围 扩 大, 对 比 度 改 善, 提 高 了 图 像 质 量 图 像 的 变 化 随 直 线 方 程 的 不 同 而 不 同 直 线 与 横 轴 的 夹 角 大 于 45 度 时, 图 像 被 拉 伸, 反 之, 图 像 被 压 缩, 灰 度 范 围 缩 小 非 线 性 变 换 非 线 性 变 换 有 很 多 种, 比 如 指 数 变 换, 主 要 用 于 增 强 图 像 中 亮 的 部 分, 扩 大 灰 度 间 隔, 进 行 拉 伸 ; 而 对 于 暗 的 部 分, 缩 小 灰 度 间 隔, 进 行 压 缩 ; 对 数 变 换 与 指 数 变 换 相 反, 主 要 用 于 拉 伸 图 像 中 暗 的 部 分, 而 在 亮 的 部 分 压 缩 ; 对 于 大 多 数 原 始 的 遥 感 图 像 由 于 其 灰 度 分 布 集 中 在 较 窄 的 范 围 内, 使 图 像 的 细 节 不 够 清 晰, 对 比 度 较 低 为 了 使 图 像 的 灰 度 范 围 拉 开 或 使 灰 度 均 匀 分 布, 从 而 增 大 反 差, 使 图 像 细 节 清 晰, 以 达 到 增 强 的 目 的, 通 常 采 用 直 方 图 均 衡 化 及 直 方 图 规 定 化 两 种 变 换 直 方 图 规 定 化 又 称 直 方 图 匹 配, 是 指 使 一 幅 图 像 的 直 方 图 变 成 规 定 形 状 的 直 方 图 而 对 图 像 进 行 变 换 的 增 强 方 法 通 过 直 方 图 匹 配 可 以 部 分 消 除 由 于 太 阳 高 度 角 或 大 气 影 响 造 成 的 相 邻 图 像 的 色 调 差 异 对 非 线 性 变 换 的 详 细 了 解 可 参 阅 相 关 书 籍, 这 里 不 再 赘 述 19

32 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 空 间 增 强 辐 射 增 强 主 要 是 通 过 单 个 像 元 的 运 算 在 整 体 上 改 善 图 像 的 质 量, 而 空 间 增 强 则 是 有 目 的 的 突 出 图 像 上 的 某 些 特 征, 如 突 出 边 缘 或 线 性 地 物 ; 也 可 以 有 目 的 的 去 除 某 些 特 征, 如 抑 制 图 像 上 在 获 取 和 传 输 过 程 中 所 产 生 的 各 种 噪 声 空 间 增 强 的 目 的 性 很 强, 处 理 后 的 图 像 从 整 体 上 看 可 能 与 原 图 像 差 异 很 大, 但 却 突 出 了 重 要 的 信 息 或 削 弱 了 不 需 要 的 信 息, 从 而 达 到 了 增 强 的 目 的 空 间 增 强 在 方 法 上 强 调 了 像 元 与 其 周 围 相 邻 像 元 的 关 系, 采 用 空 间 域 中 邻 域 处 理 的 方 法, 在 被 处 理 像 元 周 围 的 像 元 参 与 下 进 行 运 算 处 理, 这 种 方 法 也 叫 做 空 间 滤 波 领 域 处 理 对 于 图 像 中 的 任 一 像 元 (,j), 把 像 元 的 集 合 {+p,j+q}(p q 取 任 意 整 数 ) 叫 做 该 像 元 的 邻 域, 常 用 的 邻 域 如 图 表 2-5 所 示, 分 别 表 示 中 心 像 元 的 4- 邻 域 和 8- 邻 域 (,j) (,j) (a)4- 邻 域 (b)8- 邻 域 图 表 2-5 像 元 的 邻 域 在 对 图 像 进 行 处 理 时, 某 一 像 元 处 理 后 的 值 g (, j) 由 处 理 前 该 像 元 f (, j) 的 小 邻 域 N (, j) 中 的 像 元 值 确 定, 这 种 处 理 称 为 局 部 处 理, 或 称 为 邻 域 处 理 邻 域 运 算 的 计 算 表 达 式 为 g(, j) = ψ [ N(, j)] 公 式 2-5 其 中 : ψ 表 示 对 N (, j) 邻 域 内 的 像 元 进 行 的 某 种 运 算 N N 20

33 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 卷 积 运 算 卷 积 运 算 是 在 空 间 域 上 对 图 像 进 行 邻 域 检 测 的 运 算 选 定 一 个 卷 积 函 数, 又 称 为 模 板, 实 际 上 是 一 个 M N 的 小 图 像, 例 如 等 图 像 的 卷 积 运 算 是 运 用 模 板 来 实 现 的 选 定 模 板 ψ ( m, n), 其 大 小 为 M N, 从 图 像 的 左 上 角 开 始, 在 图 像 上 开 一 个 与 模 板 同 样 大 小 的 活 动 窗 口 图 表 2-6 保 持 图 像 大 小 不 变 f ( m, n), 使 图 像 窗 口 与 模 板 像 元 的 灰 度 值 对 应 相 乘 再 相 加 计 算 结 果 g (, j) 作 为 窗 口 中 心 像 元 的 新 的 灰 度 值 模 板 运 算 公 式 为 g (, j) M N = m= 1 n= 1 f ( m, n) ψ ( m, n) 公 式 2-6 然 后 沿 同 一 行 将 模 板 向 右 移 动 一 列, 图 像 上 的 窗 口 也 对 应 移 动, 按 上 式 计 算 并 把 结 果 作 为 新 窗 口 中 心 像 元 的 新 的 灰 度 值 依 此 类 推, 逐 列 逐 行 将 全 幅 图 像 扫 描 一 遍, 产 生 新 的 图 像 在 实 际 应 用 中, 经 常 使 图 像 窗 口 与 模 板 像 元 的 灰 度 值 对 应 相 乘 再 相 加, 相 加 的 结 果 总 和 再 除 以 模 板 内 所 有 值 的 和 作 为 中 心 像 元 新 的 灰 度 值 模 板 运 算 的 公 式 为 g(, j) M N m= 1 n= 1 = M f ( m, n) ψ ( m, n) N m= 1 n= 1 ψ ( m, n) 公 式 2-7 若 模 板 的 和 为 0, 则 除 以 1 假 设 模 板 的 大 小 为 3 3, 从 图 像 的 左 上 角 开 始 运 算 时, 中 心 像 元 位 于 第 二 行 21

34 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 第 二 列, 则 第 一 行 第 一 列 的 像 元 无 法 进 行 模 板 计 算 ; 模 板 移 动 到 右 侧 及 下 侧 时 也 会 出 现 同 样 的 情 况 因 此, 新 图 像 比 原 图 像 左 右 各 少 一 列, 上 下 各 少 一 行 ; 若 模 板 为 5 5, 则 各 少 两 行 两 列, 依 次 类 推 为 了 保 持 图 像 大 小 不 变, 可 在 新 图 像 的 上 下 左 右 各 加 一 行 或 一 列, 是 所 加 像 元 的 值 与 相 邻 像 元 相 同 或 全 部 为 0, 见 图 表 2-6, 由 于 新 的 灰 度 值 位 于 窗 口 的 中 心, 所 以 模 板 的 大 小 M N 一 般 取 奇 数, 而 且 常 常 M=N 卷 积 运 算 主 要 用 于 对 图 像 进 行 平 滑 和 锐 化 处 理, 下 面 简 单 介 绍 两 种 方 法 : 平 滑 图 像 在 获 取 和 传 输 的 过 程 中, 由 于 传 感 器 的 误 差 及 大 气 的 影 响, 会 在 图 像 上 产 生 一 些 亮 点 ( 噪 声 点 ), 或 者 图 像 中 出 现 亮 度 变 化 过 大 的 区 域, 为 了 抑 制 噪 声 改 善 图 像 质 量 或 减 少 变 化 幅 度, 使 亮 度 变 化 平 缓 所 做 的 处 理 即 称 为 图 像 平 滑 1 均 值 平 滑 均 值 平 滑 方 法 均 等 地 对 待 邻 域 中 的 每 个 像 元, 对 于 每 个 像 元 在 以 它 为 中 心 的 邻 域 内 取 平 均 值, 作 为 该 像 元 新 的 灰 度 值 常 用 的 邻 域 有 4- 邻 域 和 8- 邻 域 假 定 邻 域 大 小 为 M N, 且 M=N, 则 均 值 平 滑 的 计 算 公 式 为 1 g(, j) = 公 式 2-8 M M N f ( m, n) 2 m= 1 n= 1 对 于 式 2-8 用 3 3 的 模 板 进 行 运 算, 此 时 模 板 ψ ( m, n) 为 邻 域 模 板 邻 域 模 板 图 表 2-7 为 了 避 免 中 心 像 元 值 过 高 影 响 平 均 值 升 高, 在 运 算 时 可 不 取 中 心 值, 用 周 22

35 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 围 4 个 或 8 个 像 素 进 行 计 算, 模 板 如 下 : 邻 域 模 板 邻 域 模 板 图 表 2-8 均 值 平 滑 算 法 简 单, 计 算 速 度 快, 但 在 去 掉 尖 锐 噪 声 的 同 时 造 成 图 像 模 糊, 特 别 是 对 图 像 的 边 缘 和 细 节 削 弱 很 多 而 且 随 着 邻 域 范 围 的 扩 大, 在 去 噪 能 力 增 强 的 同 时 模 糊 程 度 越 严 重 为 了 保 留 图 像 的 边 缘 和 细 节 信 息, 可 对 上 述 算 法 进 行 改 进, 引 入 阈 值 T, 将 原 图 像 灰 度 值 f (, j) 和 平 均 值 g (, j) 之 差 的 绝 对 值 与 选 定 的 阈 值 进 行 比 较, 根 据 比 较 结 果 决 定 像 元 (, j) 的 最 后 灰 度 值 G (, j) 当 差 小 于 阈 值 时 取 原 值 ; 差 大 于 阈 值 时 取 均 值 其 表 达 式 为 g(, j), 当 f (, j) g(, j) > T G(, j) = f (, j), 当 f (, j) g(, j) T 公 式 中 值 滤 波 中 值 滤 波 是 对 以 每 个 像 元 为 中 心 的 M N 邻 域 内 的 所 有 像 元 按 灰 度 值 大 小 排 序, 用 其 中 值 作 为 中 心 像 元 新 的 灰 度 值, 因 此 它 是 一 种 非 线 性 的 图 像 平 滑 法 一 般 M N 取 奇 数, 窗 口 运 算 与 模 板 运 算 相 同 中 值 滤 波 以 中 值 替 代 平 均 值, 起 到 滤 波 器 的 作 用, 在 抑 制 噪 声 的 同 时 能 有 效 地 保 留 边 缘, 减 少 模 糊 例 如 表 示 一 幅 5 5 的 图 像, 采 用 1 3 的 模 板 对 其 做 中 值 滤 波, 令 最 左 和 最 右 两 列 保 留 原 值 23

36 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 2-9 从 中 值 滤 波 的 结 果 可 以 看 出, 在 噪 声 点 10 和 12 被 去 除 的 同 时, 图 像 中 间 部 分 的 灰 度 变 化 趋 势 保 守 中 值 滤 波 和 均 值 平 滑 的 目 的 都 是 为 了 去 除 图 像 上 的 尖 锐 噪 声, 平 滑 处 理 图 像, 但 二 者 之 间 又 有 区 别, 选 用 哪 一 种 方 法 要 根 据 图 像 特 点 和 处 理 目 的 来 决 定 锐 化 为 了 突 出 边 缘 和 轮 廓 线 状 目 标 信 息, 可 以 采 用 锐 化 的 方 法 锐 化 可 使 图 像 上 边 缘 与 线 性 目 标 的 反 差 提 高, 因 此 也 称 为 边 缘 增 强 平 滑 通 过 积 分 过 程 使 得 图 像 边 缘 模 糊, 图 像 锐 化 则 通 过 微 分 使 图 像 边 缘 突 出 清 晰 1 梯 度 法 平 滑 通 过 对 邻 域 窗 口 内 的 图 像 积 分 使 得 图 像 边 缘 模 糊, 图 像 锐 化 则 通 过 对 邻 域 窗 口 内 的 图 像 微 分 使 图 像 边 缘 突 出 清 晰 最 常 用 的 微 分 方 法 是 梯 度 法 图 像 f ( x, y) 在 像 元 点 ( x, y) 处 的 梯 度 可 定 义 为 一 个 矢 量 gradf f x, y) = f ' x ( ' y f ( x, y) x = f ( x, y) y 公 式 2-10 梯 度 的 模 为 各 分 量 的 平 方 和 再 求 平 方 根, 即 为 2 ( x, y) ( x, y) gradf ( x, y) = + 公 式 2-11 x y 从 梯 度 的 定 义 可 知, 梯 度 实 际 上 反 映 了 相 邻 像 元 之 间 的 变 化 率, 图 像 中 的 2 24

37 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 边 缘, 例 如 河 流 湖 泊 的 边 界 道 路 等 处 灰 度 的 变 化 率 较 大, 因 此 在 边 缘 处 一 定 有 较 大 的 梯 度 值 ; 而 大 面 积 的 平 原 海 面 灰 度 变 化 较 小, 一 定 具 有 较 小 的 灰 度 值 ; 对 于 灰 度 级 为 常 数 的 区 域, 梯 度 值 为 0 因 此, 以 梯 度 值 替 代 像 元 的 原 灰 度 值 生 成 梯 度 图 像, 在 梯 度 图 像 上 梯 度 值 较 大 的 部 分 就 是 边 缘 设 t f ( x, y) = x 1, t f ( x, y) = y 2 则 用 绝 对 值 可 得 到 以 下 近 似 的 结 果 gradf ( x, y) = t + t 公 式 gradf ( x, y) t + t 公 式 2-13 对 于 数 字 图 像, 式 2-13 中 的 连 续 导 数 形 式 可 以 用 求 差 来 近 似 表 示 即 t t 1 2 = = f ( x, y) f ( x, y) f ( x + 1, y) f ( x, y + 1) 则 gradf ( x, y) f ( x, y) f ( x + 1, y) + f ( x, y) f ( x, y + 1) 公 式 2-14 梯 度 算 法 对 应 的 模 板 为 1 0 t 1 = -1 0 t 2 = Roberts 梯 度 图 表 2-10 Roberts 梯 度 采 用 交 叉 差 分 的 方 法 设 t t 1 2 = = f ( x, y) f ( x + 1, y) f ( x + 1, y + 1) f ( x, y + 1) 公 式 2-15 代 入 式 2-12 计 算 梯 度 其 表 达 式 为 gradf ( x, y) f ( x, y) f ( x + 1, y + 1) + f ( x + 1, y) f ( x, y + 1) 公 式 2-16 用 模 板 可 以 表 示 为 25

38 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 1 0 t 1 = 0-1 t 2 = 图 表 2-11 Roberts 梯 度 相 当 于 在 图 像 上 开 一 个 2 2 的 窗 口, 用 模 板 t 1 计 算 后 取 绝 对 值 再 加 上 模 板 t 2 计 算 后 取 绝 对 值 将 计 算 值 作 为 中 心 像 元 ( x, y) 的 梯 度 值 如 图 所 示 这 种 算 法 的 意 义 在 于 用 交 叉 的 方 法 检 测 出 像 图 表 2-12 f ( x, y) f ( x, y + 1) f ( x + 1, y) f ( x + 1, y + 1) 元 与 其 在 上 下 之 间 或 左 右 之 间 或 斜 方 向 之 间 的 差 异 采 用 Roberts 梯 度 对 图 像 中 的 每 一 个 像 元 计 算 其 梯 度 值, 最 终 产 生 一 个 梯 度 图 像, 达 到 突 出 边 缘 的 目 的 对 于 图 像 锐 化 的 方 法 还 有 Prewtt 梯 度 法 Sobel 梯 度 法 Laplace 算 法 等, 这 里 不 再 一 一 赘 述 图 像 运 算 对 于 遥 感 多 光 谱 图 像 和 经 过 空 间 配 准 的 两 幅 或 多 幅 单 波 段 遥 感 图 像, 可 以 进 行 一 系 列 的 代 数 运 算, 从 而 达 到 某 种 增 强 的 目 的 加 法 运 算 加 法 运 算 是 指 两 幅 同 样 大 小 的 图 像 对 应 像 元 的 灰 度 值 相 加 相 加 后 像 元 的 值 若 超 出 了 显 示 设 备 允 许 的 动 态 范 围 ( 一 般 为 0~255), 则 需 乘 一 个 整 数 a, 以 确 保 数 据 值 在 设 备 的 动 态 显 示 范 围 内 算 式 为 设 加 法 运 算 后 的 图 像 为 f c ( x, y), 两 幅 图 像 为 f ( x, ) 与 f ( x, ), 则 加 法 运 1 y f c x, y) = a[ f ( x, y) + f ( x, )] 公 式 2-17 ( 1 2 y 2 y 加 法 运 算 主 要 用 于 对 同 一 区 域 的 多 幅 图 像 求 平 均, 可 以 有 效 地 减 少 图 像 的 加 性 随 机 噪 声 26

39 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 差 值 运 算 差 值 运 算 是 指 两 幅 同 样 大 小 的 图 像 对 应 像 元 地 灰 度 值 相 减 相 减 后 像 元 的 值 有 可 能 出 现 负 值, 找 到 绝 对 值 最 大 的 负 值 -b, 给 每 个 像 元 的 值 都 加 上 这 个 绝 对 值 b, 使 所 有 像 元 的 值 都 为 非 负 数 ; 再 乘 以 正 数 a, 以 确 保 像 元 的 值 在 显 示 设 备 的 动 态 范 围 内 设 差 值 运 算 后 的 图 像 为 f D ( x, y), 两 幅 图 像 为 f ( x, ) 和 f ( x, ), 则 1 y 2 y f D x, y) = a{[ f ( x, y) f ( x, y)] + } 公 式 2-18 ( 1 2 b 差 值 图 像 提 供 了 不 同 波 段 或 不 同 时 相 图 像 间 的 差 异 信 息, 能 用 在 动 态 监 测 运 动 目 标 检 测 与 跟 踪 图 像 背 景 消 除 及 目 标 识 别 等 工 作 中 当 差 值 运 算 应 用 于 两 个 波 段 时, 运 算 后 的 图 像 反 映 了 同 一 地 物 在 这 两 个 波 段 的 反 射 率 之 差 不 同 地 物 的 反 射 率 差 值 不 同, 在 差 值 图 像 上, 差 值 大 的 地 物 得 到 突 出, 从 而 被 识 别 例 如 : 健 康 的 植 被 具 有 明 显 的 特 点, 在 0.65 μ m 附 近 有 一 个 明 显 的 吸 收 谷, 反 射 率 很 低 ; 在 0.7~0.8 μ m 处 是 一 个 陡 坡, 反 射 率 急 剧 上 升, 并 在 0.8~1.3 μ m 之 间 形 成 一 个 高 的 反 射 率 可 达 40% 或 更 大 的 反 射 峰, 这 种 反 射 光 谱 曲 线 是 含 有 叶 绿 素 植 物 的 共 同 特 点 ( 叶 绿 素 陡 坡 反 射 特 征 ) 在 红 外 波 段 植 被 与 浅 色 土 壤, 在 红 波 段 与 深 色 土 壤 及 水 体 反 射 率 接 近 无 法 分 开 当 用 红 外 波 段 减 红 波 段 时, 由 于 植 被 在 这 两 个 波 段 的 反 射 率 差 异 很 大, 相 减 后 植 被 像 元 具 有 很 高 的 差 值 ; 而 土 壤 和 水 体 在 这 两 个 波 段 的 反 射 率 差 异 很 小, 差 值 很 小, 因 此 在 差 值 图 像 中 植 被 信 息 得 到 突 出, 很 容 易 找 到 其 分 布 区 域 和 面 积 差 值 运 算 还 可 以 监 测 同 一 区 域 在 一 段 时 间 内 的 动 态 变 化, 例 如, 用 森 林 火 灾 发 生 前 后 的 图 像 做 差 值 运 算, 在 差 值 图 像 上, 火 灾 地 区 由 于 变 化 明 显 而 高 亮 显 示, 其 他 地 区 则 变 化 不 大, 因 而 过 火 区 域 得 到 了 突 出, 可 以 精 确 计 算 过 火 面 积 差 值 运 算 还 可 以 监 测 洪 水 灾 情 变 化, 估 计 损 失 ; 监 测 河 口 河 岸 的 泥 沙 淤 积 及 河 湖 海 岸 的 污 染 以 及 监 测 城 市 的 扩 展 模 式 及 速 度 等 27

40 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 比 值 运 算 比 值 运 算 是 指 两 个 不 同 波 段 的 图 像 对 应 像 元 的 灰 度 值 相 除 ( 除 数 不 能 为 0), 是 遥 感 图 像 处 理 中 常 用 的 方 法 相 除 以 后 若 出 现 小 数, 则 必 须 取 整, 并 乘 以 正 数 a 将 其 值 调 整 到 显 示 设 备 的 动 态 范 围 之 内 设 比 值 运 算 后 的 图 像 为 f E ( x, y), 两 幅 图 像 为 f ( x, ) 和 f ( x, ), 则 1 y f1( x, y) f E ( x, y) = Integer[ a ] 公 式 2-19 f ( x, y) 2 2 y 在 比 值 图 像 上, 像 元 的 亮 度 反 映 了 两 个 波 段 光 谱 比 值 的 差 异 因 此, 这 种 算 法 对 于 增 强 和 区 分 在 不 同 波 段 的 比 值 差 异 较 大 的 地 物 有 明 显 的 效 果 遥 感 图 像 在 获 取 时, 由 于 地 形 起 伏 以 及 太 阳 斜 射 地 面 等 因 素 的 影 响, 造 成 在 不 同 的 地 形 部 位, 如 阳 坡 和 阴 坡 的 辐 射 量 有 很 大 的 不 同 受 地 形 阻 隔 的 影 响, 阴 坡 处 的 太 阳 辐 射 很 低, 因 此 在 阴 坡 会 形 成 阴 影, 特 别 是 在 山 区, 阴 影 的 面 积 很 大, 这 样 会 造 成 同 一 地 物 在 不 同 地 形 部 位 的 反 射 能 量 有 很 大 的 差 异, 在 图 像 上 形 成 亮 度 差 异, 即 同 物 异 谱 现 象 比 值 算 法 能 去 除 地 形 坡 度 和 方 向 引 起 的 辐 射 量 变 化, 在 一 定 程 度 上 消 除 同 物 异 谱 现 象, 是 图 像 自 动 分 类 前 常 采 用 的 预 处 理 方 法 之 一 比 值 运 算 也 可 以 利 用 不 同 波 段 的 图 像 进 行 加 减 乘 除 四 则 混 合 运 算 在 处 理 时, 要 深 入 研 究 目 标 物 的 光 谱 特 征 和 变 化, 利 用 四 则 运 算 达 到 突 出 目 标 物 的 目 的 2.4 遥 感 图 像 的 计 算 机 分 类 在 遥 感 技 术 的 研 究 中, 通 过 遥 感 影 像 判 读 识 别 各 种 目 标 是 遥 感 技 术 发 展 的 一 种 重 要 环 节, 无 论 是 专 业 信 息 提 取, 动 态 变 化 预 测, 还 是 专 题 地 图 制 作 和 遥 感 数 据 度 的 建 立 都 离 不 开 分 类 近 年 来 随 着 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展, 计 算 机 识 别 分 类 成 了 遥 感 应 用 的 一 个 重 要 组 成 部 分 28

41 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 遥 感 图 像 计 算 机 分 类 的 一 般 原 理 概 述 1 光 谱 特 征 为 了 将 各 个 波 段 影 像 中 像 元 的 亮 度 值 与 地 面 景 物 特 征 联 系 起 来, 必 须 发 现 其 中 的 规 律 性, 在 不 同 的 波 段 各 种 地 物 的 反 射 率 有 差 异, 任 意 选 取 卫 星 影 像 同 一 景 中 的 两 个 或 两 个 以 上 波 段, 以 每 一 波 段 的 亮 度 ( 灰 度 ) 为 轴 做 多 光 谱 空 间, 可 以 发 现, 对 应 于 地 面 同 一 类 地 物 的 像 元 点 在 多 光 谱 空 间 内 位 置 都 很 接 近, 有 聚 集 的 倾 向 如 图 表 2-12 所 示 波 段 3 小 麦 沙 漠 雪 湿 地 波 段 1 图 表 2-13 这 种 同 类 聚 集 的 特 性 说 明, 如 果 按 照 地 物 类 别 聚 集 的 规 律 把 多 光 谱 空 间 划 分 为 若 干 个 子 空 间, 每 个 子 空 间 包 含 有 一 个 类 别, 这 样 就 可 以 把 图 像 中 未 知 的 像 元 进 行 分 类, 把 他 们 分 配 到 各 自 的 子 空 间 中 去 2 遥 感 图 像 的 计 算 机 分 类 图 像 分 类 过 程 实 际 上 是 将 图 像 中 的 每 个 像 元 点 或 区 域 归 属 于 若 干 个 类 别 中 的 一 类, 或 若 干 个 专 题 要 素 中 的 一 种, 它 完 成 将 图 像 数 据 从 二 维 灰 度 空 间 转 换 到 目 标 模 式 空 间 的 工 作 分 类 的 结 果 是 将 图 像 空 间 划 分 为 若 干 个 区 域, 每 个 子 29

42 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 区 域 代 表 一 种 实 际 地 物 (1) 监 督 分 类 和 非 监 督 分 类 遥 感 图 像 的 统 计 分 类 一 般 分 为 两 种 方 法 : 监 督 分 类 和 非 监 督 分 类 前 者 是 基 于 对 于 遥 感 图 像 上 样 本 区 内 的 地 物 的 类 属 已 有 先 验 的 知 识, 即 已 经 知 道 它 所 对 应 的 地 物 类 别, 于 是 可 以 利 用 这 些 样 本 类 别 的 特 征 作 为 依 据 来 判 断 非 样 本 数 据 的 类 别 ; 后 者 则 是 遥 感 图 像 地 物 的 属 性 不 具 有 先 验 知 识, 纯 粹 依 靠 不 同 光 谱 数 据 组 合 在 统 计 上 的 差 别 来 进 行 盲 目 分 类, 事 后 再 对 以 分 出 各 类 的 地 物 属 性 进 行 确 认 的 过 程 (2) 分 类 处 理 与 增 强 处 理 的 异 同 图 像 增 强 处 理 与 图 像 分 类 处 理 都 是 为 了 增 强 和 提 取 遥 感 图 像 中 的 目 标 信 息 图 像 增 强 处 理 主 要 是 增 强 图 像 的 视 觉 效 果, 提 高 图 像 的 可 解 译 性 因 此 可 以 说, 图 像 增 强 处 理 给 目 视 解 译 提 供 的 信 息 是 定 性 的 而 图 像 分 类 则 着 眼 于 地 物 类 别 的 区 分, 所 以 说 图 像 分 类 给 目 视 解 译 提 供 的 是 定 量 信 息 (3) 遥 感 图 像 分 类 处 理 的 特 点 多 波 段 多 时 相 是 遥 感 对 地 观 测 的 特 点 之 一, 一 景 影 像 常 常 包 含 多 个 波 段, 周 期 性 的 观 测 有 时 使 得 参 加 分 类 的 遥 感 图 像 集 中 包 含 多 个 时 相 的 图 像, 在 遥 感 图 像 分 类 处 理 时, 波 段 之 间 的 运 算 也 可 产 生 一 些 新 的 变 量 因 此, 遥 感 图 像 分 类 是 多 变 量 图 像 分 类, 是 把 多 维 特 征 空 间 划 分 为 互 不 重 叠 子 空 间 的 过 程, 是 在 多 维 空 间 中 进 行 的 图 像 分 类 前, 首 先 要 对 图 像 进 行 预 处 理, 包 括 图 像 校 正 图 像 增 强 以 及 特 征 选 择 等 过 程 所 谓 的 特 征 选 择 实 际 上 就 是 确 定 分 类 的 信 息 源 多 光 谱 图 像 一 般 有 波 段 多 数 据 量 大 等 特 点, 在 分 类 时, 特 别 是 用 最 大 似 然 分 类 方 法, 要 对 每 一 类 计 算 均 差 和 协 方 差 矩 阵, 以 及 判 别 式 的 比 较, 计 算 量 是 非 常 大 的 实 际 上, 并 不 是 每 一 个 波 段 都 是 分 类 时 最 好 的 信 息 源, 有 时 一 些 波 段 之 间 高 度 相 关, 因 此, 有 选 择 地 去 掉 一 些 对 分 类 贡 献 不 大 的 波 段, 对 分 类 精 度 影 响 不 大 在 分 类 时 所 使 用 的 波 段 或 波 段 组 合 称 为 特 征, 所 以, 这 个 选 择 过 程 称 为 特 征 选 择 这 种 选 择 出 来 的 新 的 对 于 表 示 类 别 可 分 性 更 为 有 效 的 变 量 称 为 特 征 参 数,n 个 30

43 特 征 参 数 组 成 n 维 特 征 空 间 具 体 的 分 类 就 是 在 该 空 间 进 行 的 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 计 算 机 分 类 的 基 本 原 理 遥 感 图 像 分 类 就 是 把 图 像 中 的 每 个 像 元 或 区 域 划 归 为 若 干 类 别 中 的 一 种, 即 通 过 对 各 类 地 物 的 光 谱 特 征 分 析 来 选 择 特 征 参 数, 将 特 征 空 间 划 分 为 互 不 重 叠 的 子 空 间, 然 后 将 影 像 内 各 个 像 元 划 分 到 各 个 子 空 间 中 去, 从 而 实 现 分 类 如 图 表 2-13 所 示, 假 设 多 光 谱 图 像 有 n 个 波 段, 则 (, j) 位 置 的 像 元 在 每 个 波 段 上 的 灰 度 值 可 以 构 成 一 个 矢 量 X ) T = ( x1, x2, L, x n,x 称 作 该 像 元 的 特 征 值, 包 含 X 的 n 维 空 间 称 为 特 征 空 间 这 样 n 个 波 段 的 多 光 谱 图 像 便 可 以 用 n 维 特 征 空 间 中 的 一 系 列 点 来 表 示 在 遥 感 图 像 图 表 2-14 波 段 1 波 段 2 波 段 n 分 类 问 题 中, 常 把 图 像 中 的 某 一 类 目 标 成 为 模 式, 而 把 属 于 该 类 中 的 像 素 称 为 T 样 本, 多 光 谱 矢 量 X = x, x,, ) 称 为 样 本 的 观 测 值, 下 面 以 两 个 波 段 的 多 ( 1 2 L 光 谱 图 像 为 例, 说 明 遥 感 图 像 分 类 的 基 本 原 理 x n 如 果 将 多 光 谱 图 像 上 的 每 个 像 素 用 特 征 空 间 中 的 一 个 点 来 表 示, 这 样 多 光 谱 图 像 和 特 征 空 间 中 的 点 具 有 等 价 关 系 通 常 情 况 下, 同 一 类 地 面 目 标 的 光 谱 特 性 比 较 接 近, 因 此 在 特 征 空 间 中 的 点 聚 集 在 该 类 的 中 心 附 近, 多 类 目 标 在 特 征 空 间 中 形 成 多 个 点 族 如 图 表 2-15 所 示, 假 设 图 像 上 只 包 含 两 类 目 标, 记 为 w, w A B, 则 在 特 征 空 间 中 形 成 A,B 两 个 互 相 分 开 的 点 集, 这 样 将 图 像 中 两 类 目 标 区 分 开 来 等 于 在 特 征 空 间 找 到 一 条 曲 线 ( 对 于 多 光 谱 图 像, 需 找 到 若 干 个 曲 面 ) 将 A,B 两 个 点 集 分 割 开 假 如 分 割 A,B 两 个 点 集 的 曲 线 表 达 式 为 f AB (X ), 则 方 程 f AB ( x) = 0 公 式

44 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 称 为 A,B 两 类 的 判 别 界 面 在 判 别 界 面 f AB (X ) 已 经 确 定 后, 特 征 空 间 中 的 任 一 点 是 属 于 A 类, 还 是 属 于 B 类? 根 据 几 何 学 知 识 可 知 如 果 当 f AB ( X ) > 0 时 X wa, 那 么 当 f AB ( X ) < 0 时 X wb 公 式 2-21 式 2-21 称 为 判 别 准 则, f AB (X ) 称 为 判 别 函 数 遥 感 图 像 分 类 算 法 的 核 心 就 是 确 定 判 别 函 数 f AB (X ) 和 相 应 的 判 别 准 则, 但 在 多 光 谱 遥 感 图 像 分 类 中, 情 况 要 复 杂 得 多 波 段 1 上 的 像 元 值 A B 波 段 2 上 的 像 元 值 分 类 处 理 A B 两 个 波 段 的 多 光 谱 图 像 分 类 图 像 图 表 计 算 机 分 类 处 理 的 一 般 过 程 遥 感 图 像 计 算 机 分 类 处 理 的 基 本 过 程, 见 图, 包 括 原 始 图 像 的 预 处 理 训 练 区 的 选 择 特 征 选 择 和 特 征 提 取 分 类 检 验 结 果 以 及 成 果 输 出 等 32

45 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 1 原 始 图 像 的 预 处 理 原 始 图 像 的 预 处 理 就 是 指 对 观 测 数 据 作 成 像 处 理, 以 及 图 像 的 几 何 校 正 辐 射 校 正 量 化 采 样 预 滤 波 去 噪 声 等 处 理, 以 便 获 得 一 幅 比 较 清 晰 对 比 度 强 位 置 准 确 的 图 像 以 提 高 分 类 精 度 2 训 练 区 的 选 择 从 待 处 理 数 据 中 抽 取 具 有 普 遍 性 代 表 性 的 数 据 作 为 训 练 样 本 训 练 区 选 择 得 准 确 与 否, 训 练 样 本 数 是 否 足 够, 关 系 到 分 类 精 度 的 高 低 在 监 督 分 类 中, 训 练 区 选 择 的 最 好 办 法 是 选 择 一 两 个 典 型 区 域, 各 原 使 图 像 预 处 理 训 练 区 的 选 择 特 征 选 择 和 提 取 分 类 检 验 结 果 成 果 输 出 图 表 2-16 类 地 物 全 有, 进 行 实 地 调 查, 调 查 时, 对 照 实 地 将 被 分 类 的 遥 感 影 像, 一 一 识 别, 在 图 上 标 好, 再 到 计 算 机 上 将 这 些 数 据 提 出 如 果 受 客 观 条 件 的 限 制, 可 以 借 助 于 地 图 航 片 或 其 他 专 题 资 料 进 行 选 择 等 在 上 述 资 料 都 没 有 的 情 况 下 也 可 以 先 做 非 监 督 分 类, 在 分 类 结 果 中 选 择 训 练 区 3 特 征 选 择 和 特 征 选 取 特 征 选 择 是 从 众 多 特 征 中 挑 选 出 可 以 参 加 分 类 运 算 的 若 干 个 特 征, 如 TM 影 像 波 段 的 选 择 特 征 提 取 是 在 特 征 选 择 之 后, 利 用 特 征 提 取 算 法 从 原 始 特 征 中 求 出 最 能 反 映 其 类 别 特 性 的 一 组 新 特 征, 完 成 样 本 空 间 到 特 征 空 间 的 转 换 通 过 特 征 提 取 既 可 以 达 到 数 据 压 缩 的 目 的, 又 提 高 了 不 同 类 别 特 征 之 间 的 可 区 分 性 4 图 像 分 类 运 算 图 像 分 类 运 算 就 是 根 据 影 像 特 点 和 分 类 目 的 设 计 或 选 择 恰 当 的 分 类 器 及 其 判 别 准 则, 对 特 征 矢 量 集 进 行 划 分, 完 成 分 类 工 作 分 类 阶 段 是 计 算 机 处 理 的 核 心 阶 段 5 检 验 结 果 主 要 是 对 分 类 的 精 度 和 可 靠 性 进 行 评 价 进 入 传 感 器 的 遥 感 信 息 由 于 受 传 感 器 空 间 分 辨 率 和 光 谱 分 辨 率 的 限 制, 常 常 得 到 混 合 的 信 息 有 时 地 物 本 身 就 33

46 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 是 混 合 在 一 起 的, 例 如 植 被 覆 盖 下 的 土 壤 因 此 不 存 在 理 想 的 分 类 器, 加 上 同 物 异 谱 异 物 同 谱 现 象 的 存 在, 错 分 的 情 况 普 遍 存 在, 因 此, 分 类 后 都 必 须 进 行 检 验, 错 分 像 元 所 占 比 例 越 小, 分 类 结 果 越 佳 6 结 果 输 出 包 括 分 类 结 果 图 像 的 输 出, 以 及 分 类 结 果 的 统 计 值, 例 如 各 类 别 的 地 物 占 地 面 积 类 别 集 群 的 统 计 中 心 和 方 差 等 判 别 函 数 遥 感 图 像 的 计 算 机 分 类 是 模 式 识 别 技 术 的 一 个 分 支, 而 模 式 识 别 系 统 最 主 要 的 功 能 就 是 对 要 识 别 的 对 象 的 类 属 进 行 判 别 为 此, 需 要 建 立 一 定 的 判 别 准 则, 而 判 别 准 则 又 是 某 种 判 别 函 数 配 合 一 定 的 比 较 运 算 关 系 所 组 成 当 特 征 空 间 已 经 存 在 的 情 况 下, 每 个 像 元 的 分 类 问 题, 就 是 判 定 它 距 离 哪 个 集 群 中 心 较 近 ; 或 落 入 哪 个 集 群 范 围 的 可 能 性 大 的 问 题 因 此, 就 需 要 建 立 划 分 特 征 空 间 的 判 别 边 界, 即 建 立 判 别 函 数 判 别 函 数 对 于 二 维 是 直 线 或 曲 线, 对 于 三 维 是 个 平 面 或 曲 面, 对 于 三 维 以 上 则 是 超 平 面 或 超 曲 面 下 面 介 绍 两 种 常 用 的 判 别 函 数 : 距 离 判 别 函 数 和 最 大 似 然 判 别 函 数 距 离 判 别 函 数 距 离 判 别 函 数 的 建 立 是 以 地 物 光 谱 特 征 在 特 征 空 间 中 是 按 集 群 方 式 分 布 为 前 提 的 也 就 是 说, 假 定 不 知 道 特 征 矢 量 的 概 率 分 布, 但 认 为, 同 一 类 别 的 特 征 矢 量 在 特 征 空 间 内 完 全 聚 集 成 团 状 ( 集 群 ), 每 个 团 ( 集 群 ) 都 有 一 个 中 心 这 些 团 内 点 的 数 目 越 多, 也 即 密 度 越 大 或 点 与 中 心 的 距 离 越 近, 就 越 可 以 肯 定 他 们 是 属 于 一 个 类 别, 所 以 点 间 的 距 离 成 为 重 要 的 判 断 参 量 同 一 类 别 中 点 间 的 距 离 一 般 来 说 比 不 同 类 别 点 间 距 离 要 小 也 可 以 认 为, 一 个 点 属 于 某 一 类, 一 定 与 这 个 类 别 中 心 的 距 离 比 与 其 他 类 别 中 心 的 距 离 小 因 此, 在 集 群 中 心 已 知 的 情 况 下, 以 每 个 点 与 集 群 中 心 的 距 离 作 为 类 别 判 定 的 准 则, 就 可 以 完 成 分 类 工 作 34

47 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 运 用 距 离 判 别 函 数 时, 要 求 各 个 类 别 集 群 的 中 心 位 置 M ( 均 值 ) 是 已 知 点, 对 于 光 谱 特 征 空 间 中 的 任 一 点 k, 计 算 它 到 各 类 中 心 点 的 距 离 d x ) (=1,2,,n) 公 式 2-22 ( k 若 d x ) < d ( x ), j, 则 k 像 元 属 于 类, 否 则 k 不 属 于 类 此 处, d(x) ( k j k 就 成 为 距 离 判 别 函 数, 式 2-22 则 为 相 应 的 判 别 准 则 常 见 的 距 离 有 绝 对 值 距 离, 表 达 式 为 : 式 中 : d x ) ( k k n d ( x ) = x M 公 式 2-23 j= 1 kj j 为 距 离 ;j 为 波 段 序 号 ;n 为 总 波 段 数 ; 为 类 别 号 ; x j 为 k 像 元 在 j 波 段 的 宽 度 值 ; M 为 均 值 欧 几 里 德 距 离, 表 达 式 为 : j k n 2 d ( x ) = ( x M ) 公 式 2-24 j= 1 kj 以 上 两 种 距 离 称 为 闵 可 夫 斯 基 距 离, 该 距 离 使 用 方 便, 计 算 量 相 应 较 小, 但 该 种 距 离 没 有 考 虑 特 征 参 数 间 的 相 关 性 特 征 参 数 间 通 常 ( 未 经 正 交 变 换 ) 是 相 关 的, 彼 此 相 关 的 一 些 参 数 意 味 着 他 们 在 表 征 地 物 特 征 方 面 有 共 性 若 某 组 特 征 参 数 大 部 分 相 关 性 较 强, 而 个 别 的 相 关 性 不 大, 则 一 般 来 说 相 关 的 参 数 和 不 相 关 的 参 数 在 距 离 中 的 权 应 是 不 一 致 的, 但 在 闵 可 夫 斯 基 距 离 中 权 是 相 同 的, 这 是 该 距 离 的 不 足, 马 哈 诺 比 斯 距 离 解 决 了 这 个 问 题, 这 里 就 不 再 赘 述, 可 以 查 阅 相 关 资 料 j 最 大 似 然 判 别 函 数 最 大 似 然 法 利 用 了 遥 感 数 据 的 统 计 特 征, 假 定 各 类 的 分 布 函 数 为 正 态 函 数, 按 正 态 分 布 规 律 用 最 大 似 然 判 别 规 则 进 行 判 决, 得 到 分 类 结 果 从 概 率 统 计 分 析, 要 想 判 别 某 位 置 的 向 量 X 属 于 哪 一 个 类 别, 判 别 函 数 要 35

48 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 由 条 件 概 率 P( w / X ) (=1,2,3,,m) 公 式 2-25 来 决 定, w 代 表 第 个 类 别,P 表 示 在 模 式 X 出 现 的 条 件 下,X 为 w 类 的 概 率 等 于 多 少 这 里 不 考 虑 地 面 上 的 地 物 类 别 在 一 个 像 元 内 混 合 的 情 况, 认 为 一 个 像 元 X 应 该 只 属 于 一 个 特 定 的 类 别 由 于 这 个 特 定 的 类 别 是 未 知 的, 我 们 只 有 通 过 找 到 属 于 每 一 类 的 可 能 性, 然 后 比 较 他 们 的 大 小, 哪 一 种 类 别 出 现 的 概 率 大, 就 把 这 个 位 置 的 像 元 归 哪 类, 即 : 如 果 : P( w / X ) > P( w j / X ), 对 于 j, j = 1,2 m 成 立, 则 X w 由 于 概 率 是 建 立 在 统 计 意 义 上 的, 因 而 当 使 用 概 率 判 别 函 数 实 行 分 类 判 别 时, 不 可 避 免 地 会 出 现 错 分 漏 分 的 现 象, 我 们 希 望 以 错 分 概 率 或 风 险 最 小 为 准 则 建 立 所 需 要 的 判 别 规 则, 这 就 是 Bayes 准 则 及 相 应 的 Bayes 判 别 函 数 该 方 法 用 到 各 类 的 先 验 概 率 P ( w ) 和 条 件 概 率 密 度 函 数 P ( X / w ), 也 称 w 类 的 似 然 概 率, 其 中 先 验 概 率 P w ) 通 常 根 据 各 种 先 验 知 识 ( 具 体 问 题 的 实 际 情 况, ( 历 史 上 积 累 的 资 料 等 ) 给 出 或 假 设 它 们 相 等 ; 而 P X / w ) 则 是 首 先 确 定 其 分 布 ( 形 式, 然 后 利 用 训 练 场 地 估 计 这 种 形 式 中 用 到 的 参 数 由 于 遥 感 问 题 中 正 态 分 布 假 设 的 合 理 性 及 对 一 些 非 正 态 问 题 可 通 过 数 学 方 法 化 为 正 态 问 题 来 处 理, 所 以 可 以 讨 论 在 正 态 分 布 情 况 下 的 判 别 函 数 根 据 概 率 理 论 中 的 Bayes 公 式 P( w / X ) P( w ) P( X / w ) = 公 式 2-26 P( X ) 式 中 : P ( w ) 为 先 验 概 率, 也 就 是 在 被 分 类 的 图 像 中 类 别 w 出 现 的 概 率 P ( X / w ) 为 似 然 概 率, 它 表 示 在 w 这 一 类 中 出 现 像 元 X 的 概 率 所 有 属 于 w 的 像 元 出 现 的 概 率 密 度 知 道 后, 就 可 以 画 出 w 的 概 率 分 布 曲 线 有 多 少 类 别 就 有 多 少 分 布 曲 线 由 此 可 知, 只 要 有 一 个 已 知 的 训 练 区 域, 用 这 些 已 知 类 别 36

49 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 的 像 元 做 统 计 就 可 以 求 出 平 均 值 及 方 差 协 方 差 等 特 征 参 数, 从 而 可 以 求 出 总 体 的 先 验 概 率 在 不 知 道 的 情 况 下, 也 可 以 认 为 所 有 的 P w ) 为 相 同 现 的 概 率 P( w / X ) 为 X 属 于 w 的 概 率, 即 后 验 概 率 P (X ) 表 示 不 管 什 么 类 别 X 出 m = 1 ( P( X ) = P( X / w ) P( ) 公 式 2-27 w 从 式 中 可 以 看 出 P(X) 与 类 别 w 无 关, 是 对 各 类 来 说 一 个 公 共 因 子, 在 比 较 大 小 时 不 起 作 用, 因 此 作 判 别 时 可 将 P(X) 去 掉 应 用 最 大 可 能 性 判 别 准 则, 再 加 上 Bayes 的 使 平 均 损 失 最 小 的 原 则, 都 表 明 g X ) = P( X / w ) P( w ) (=1,2, m) 公 式 2-28 ( 是 一 组 理 想 的 判 别 函 数 判 别 规 则 为 若 则 X w 非 监 督 分 类 P w ) P( X / w ) P( w ) P( X / w ) 公 式 2-29 ( j j 非 监 督 分 类, 是 指 人 们 事 先 对 分 类 过 程 不 施 加 任 何 的 先 验 知 识, 仅 凭 据 遥 感 影 像 地 物 的 光 谱 特 征 的 分 布 规 律, 随 其 自 然 地 进 行 盲 目 的 分 类 其 分 类 的 结 果 是, 只 是 对 不 同 类 别 达 到 了 区 分, 并 不 确 定 类 别 的 属 性, 其 属 性 是 通 过 事 后 对 各 类 的 光 谱 影 响 曲 线 进 行 分 析, 以 及 与 实 地 调 查 相 比 较 后 确 定 的 遥 感 图 像 上 的 同 类 地 物 在 相 同 的 表 面 结 构 特 征 植 被 覆 盖 光 照 等 条 件 下, 一 般 具 有 相 同 或 相 近 的 光 谱 特 征, 从 而 表 现 出 某 种 内 在 的 相 似 性, 归 属 于 同 一 个 光 谱 空 间 区 域 ; 不 同 的 地 物, 光 谱 信 息 特 征 不 同, 归 属 于 不 同 的 光 谱 空 间 区 域 这 就 是 非 监 督 分 类 的 理 论 依 据 由 于 在 一 幅 复 杂 的 图 像 中, 训 练 区 有 时 不 能 包 括 所 有 地 物 的 光 谱 样 式, 这 就 造 成 了 一 部 分 像 元 找 不 到 归 属 在 实 际 工 作 中 为 了 进 行 监 督 分 类 而 确 定 类 别 和 训 练 区 的 选 取 也 是 不 易 的, 因 而 在 开 始 分 析 37

50 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 像 时, 用 非 监 督 分 类 方 法 来 研 究 数 据 的 本 来 结 构 及 其 自 然 点 群 的 分 布 情 况 是 非 常 有 价 值 的 非 监 督 分 类 主 要 采 用 聚 类 分 析 的 方 法, 聚 类 是 把 一 组 像 素 按 照 相 似 性 归 成 若 干 类 别 它 的 目 的 是 使 得 属 于 同 一 类 别 的 像 素 之 间 的 距 离 尽 可 能 地 小 而 不 同 类 别 上 像 素 间 的 距 离 尽 可 能 地 大 在 进 行 聚 类 分 析 时, 首 先 要 确 定 基 准 类 别 的 参 量 而 非 监 督 分 类 的 情 况 下, 并 无 基 准 类 别 的 先 验 知 识 可 以 利 用, 因 而, 只 能 先 假 定 初 始 的 参 量, 并 通 过 预 分 类 处 理 来 形 成 点 群 再 由 集 群 的 统 计 参 数 来 调 整 预 制 的 参 量, 接 着 再 聚 类 再 调 整 如 此 不 断 地 迭 代, 直 到 有 关 参 数 达 到 允 许 的 范 围 为 止 所 以 说, 非 监 督 算 法 的 核 心 问 题 是 初 始 类 别 参 数 的 选 定, 以 及 它 的 迭 代 调 整 问 题 主 要 过 程 如 下 : (1) 确 定 初 始 类 别 参 数, 即 确 定 最 初 类 别 数 和 类 别 中 心 ( 集 群 中 心 ) (2) 计 算 每 一 个 像 元 所 对 应 的 特 征 矢 量 与 各 集 群 中 心 的 距 离 (3) 选 与 中 心 距 离 最 短 的 类 别 作 为 这 一 矢 量 的 所 属 类 别 (4) 计 算 新 的 类 别 均 值 向 量 (5) 比 较 新 的 类 别 均 值 与 原 中 心 位 置 上 的 变 化 若 位 置 发 生 了 变 化, 则 以 新 的 类 别 均 值 作 为 聚 类 中 心, 再 从 第 2 步 开 始 重 复, 进 行 反 复 迭 代 操 作 (6) 如 果 聚 类 中 心 不 再 变 化, 计 算 停 止 初 始 类 别 参 数 的 选 定 P ( x ) 初 始 类 别 参 数 是 指 : 基 准 类 别 集 群 中 心 ( 数 学 期 望 M ), 以 及 集 群 分 布 的 协 方 差 矩 阵 因 σ σ 为 无 论 采 用 何 种 判 别 函 数, 都 要 预 先 确 定 其 初 始 类 别 的 参 量 以 下 介 绍 两 种 方 法 : Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 1 像 素 光 谱 特 征 比 较 法 图 表

51 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 首 先, 在 遥 感 图 像 中 定 义 一 个 抽 样 集, 它 可 以 是 整 幅 图 像 的 所 有 像 素, 但 通 常 是 按 一 定 间 隔 抽 样 的 像 素 ; 然 后 选 定 抽 样 集 中 任 一 像 素 作 为 第 一 个 类 别 ; 给 定 一 个 光 谱 相 似 性 比 较 阈 值 ; 依 次 把 抽 样 集 中 每 个 像 素 的 光 谱 特 征 与 已 经 建 立 起 来 的 各 初 始 类 别 的 光 谱 特 征 进 行 相 似 性 比 较, 若 该 像 素 与 其 中 一 个 已 经 建 立 起 来 的 初 始 类 别 相 似, 则 作 为 该 类 集 群 中 的 一 个 成 员, 若 不 与 任 何 一 个 相 似, 则 以 该 像 素 建 立 一 个 新 的 初 始 类 别 当 以 上 聚 类 过 程 完 成 后, 每 个 已 经 建 立 起 来 的 初 始 类 别 都 包 含 了 一 定 的 成 员, 依 据 此 可 统 计 其 集 群 中 心 ( 数 学 期 望 M ) 和 协 方 差 矩 阵 2 总 体 直 方 图 均 匀 定 心 法 该 方 法 是 在 整 幅 遥 感 图 像 的 总 体 直 方 图 基 础 上 进 行 类 别 中 心 的 选 定 的 如 T 图 2-17 所 示, 设 总 体 直 方 图 的 均 值 和 方 差 分 别 为 M = m, m, ] 和 [ 1 2 Lm n = [ σ, 其 中 : T 1, σ 2, Lσ n ] n 1 m = x N j= σ = N 1 j j N = 1 ( x j m ) 2 公 式 2-30 式 中 : 为 波 段 号 ;j 为 像 素 号 ; x j 为 像 素 j 在 第 波 段 的 亮 度 值 ;n 为 波 段 数 ;N 为 像 素 总 数 假 设 我 们 需 要 有 Q 个 初 始 类 别, 每 个 初 始 类 别 集 群 中 心 位 置 Z(q=1,2,,Q) 可 下 式 确 定 Z = m + [ 2( q 1) /( Q 1) 1] q σ (=1,2,,n) 公 式 2-31 例 如, 图 表 2-17 表 示 了 Q=4 的 情 况, 这 时 q Z Z 1 3 = m = m 1 σ ; Z 2 = m σ σ = + ; Z 4 m σ 3 公 式

52 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 用 作 图 法 不 难 证 明, 该 法 所 选 定 的 初 始 类 别 中 心 试 验 者 通 过 整 体 集 群 中 心 的 一 条 直 线 均 匀 散 布 着, 并 基 本 上 包 括 在 整 体 集 群 的 范 围 之 内 ISODATA 算 法 ISODATA, 称 为 迭 代 自 组 织 数 据 分 析 技 术 前 面 所 述 的 初 始 类 别 参 数 的 选 定 方 法, 其 所 选 的 参 数 一 般 是 比 较 接 近 的 他 只 是 对 图 像 进 行 了 初 始 的 判 别, 要 将 其 调 整 为 实 际 的 基 准 类 别 参 数, 需 要 运 用 逐 步 趋 近 的 算 法 ISODATA 算 法 就 是 这 种 类 型 主 要 环 节 是 聚 类 集 群 的 分 裂 和 集 群 的 合 并 等 处 理 第 一 步 : 指 定 下 列 控 制 参 数 N 所 要 求 的 类 别 数 ( 实 际 的 类 别 数 为 N 1 ); l 允 许 迭 代 的 次 数 ( 实 际 已 迭 代 次 数 为 L); T n 每 类 集 群 中 样 本 的 最 小 数 目 ; T s 集 群 分 类 标 准, 每 个 类 的 分 散 程 度 的 参 数 ( 如 最 大 标 准 差 ); T c 集 群 合 并 标 准, 即 两 个 类 中 间 的 最 小 距 离 第 二 步 : 聚 类 处 理 在 已 选 定 的 初 始 类 别 参 数 的 基 础 上, 按 任 一 种 距 离 判 别 函 数 进 行 分 类 判 别, 从 而 获 得 每 个 初 始 类 别 的 集 群 成 员 同 时, 对 每 一 类 集 群 () 累 计 其 成 员 总 数 ( n ) 总 亮 度 ( ) 及 总 亮 度 平 方 ( 2 2 xj ), 并 按 下 式 计 算 各 类 的 均 值 M 和 方 差 σ x j M j 2 j 1 = n n σ = n k = 1 式 中 : 下 标 j 为 波 段 序 号 n k = 1 x x 2 jk n ( n jk ( n k = 1 1) x jk ) 2 公 式 2-33 然 后 将 有 关 数 值 填 入 类 别 参 数 搜 索 表 格

53 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 表 格 2-3 类 别 均 值 与 方 差 类 别 号 成 员 总 数 维 数 均 值 和 方 差 j=1 j=2 j=n M 1 a 1 M 2 2 a M n a n 第 三 步 : 类 别 的 取 消 处 理 对 上 次 趋 近 后 的 各 类 成 员 总 数 n 进 行 检 查, 若 n < Tn, 表 示 该 类 () 不 可 靠, 应 将 其 从 搜 索 表 中 剔 除, 同 时 修 改 类 别 数 N N 1, 返 回 第 二 步 = 第 四 步 : 判 断 迭 代 是 否 结 束 若 此 次 迭 代 次 数 (l) 已 达 到 指 定 的 次 数, 即 l=i; 或 者 该 次 迭 代 所 算 得 的 各 类 中 心 M 与 上 次 迭 代 的 结 果 差 别 很 小 ( 可 预 先 给 定 一 阈 值 ), 则 趋 近 结 束 此 时 搜 索 表 中 的 有 关 参 数 将 作 为 基 准 类 别 参 数, 并 用 于 构 建 最 终 的 判 别 函 数 否 则, 继 续 进 行 以 下 各 步 骤 第 五 步 : 类 别 的 分 类 处 理 对 搜 索 表 中 的 每 一 类 进 行 考 核 判 断 其 最 大 的 标 准 差 分 量 max { σ σ L σ } σ =, 1, 2, n 是 否 超 过 限 值 T s, 即 若 σ max < T, 并 满 足 下 列 条 件 之 一 者, 则 第 类 需 要 s 进 行 分 裂 处 理 ( 条 件 一 ) n N 1 l 2 1 式 中 : σ = σ j; σ = σ N 分 裂 处 理 如 下 : n j= 1 l = 1 N N < 公 式 ( 条 件 二 ) σ > σ 公 式 2-35 ' 定 义 两 个 新 类 别 和 取 代 被 分 裂 的 类 别, 他 们 的 均 值 和 方 差 分 别 定 义 如 下 41