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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

54 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 1 M j = M j + σ j 3 1 M j = M j σ j 3 2 σ = j σ j = σ j 3 公 式 2-36 同 时, 修 改 类 别 总 数 N N + 1, 并 修 改 搜 索 表 注 意 每 次 允 许 分 裂 的 类 别 = l 数 一 般 不 应 超 过 已 有 类 别 数 的 一 半 分 裂 处 理 结 束 后 返 回 第 二 步 做 下 一 次 迭 代 若 本 次 迭 代 没 有 一 个 类 别 需 要 分 裂, 则 转 入 下 一 步 进 行 合 并 处 理 第 六 步 : 类 别 的 合 并 处 理 首 先 对 已 有 的 类 别 计 算 每 两 类 ( 与 k) 中 心 间 的 距 离 D, 可 以 选 用 距 离 判 别 函 数 中 的 一 个, 这 里 我 们 以 绝 对 值 距 离 为 例 k D k = n j= 1 M j M kj (=1,2,,( N -1);k=+1,+2,, N ) 公 式 2-37 l l 然 后 将 所 有 D k 与 限 值 T c 相 比 较, 若 D k < T c, 则 把 这 两 类 (,k) 合 并 为 一 类 m 合 并 后 新 类 别 的 均 值 和 方 差 如 下 M σ mj 2 mj nm j = n = n + n M k + n j kj { n [ + ( ) ] + [ + ( 2 σ j M j M mj nk σ kj M kj M mj + n j ) ]} 公 式 2-38 同 时 修 改 总 数 N N 1, 并 把 搜 索 表 中 的 相 应 内 容 替 换 在 迭 代 过 程 中, 每 次 l = 合 并 后 的 类 别 总 数 不 应 小 于 指 定 的 类 别 数 N 的 半 数 同 时 在 同 一 次 迭 代 中 已 经 参 加 过 合 并 处 理 的 原 类 别 不 再 与 其 他 类 别 合 并 并 类 处 理 结 束 后 返 回 第 二 步 进 行 下 一 次 迭 代 ISODATA 法 的 实 质 是 以 初 始 类 别 为 种 子 进 行 自 动 迭 代 聚 类 的 过 程, 它 可 以 自 动 地 进 行 类 别 的 合 并 和 分 裂, 其 各 个 参 数 也 在 不 断 地 聚 类 调 整 中 逐 渐 确 定, 并 最 终 构 建 所 需 要 的 判 别 函 数 因 此, 可 以 说 基 准 类 别 参 数 的 确 定 过 程, 也 正 是 利 用 光 谱 特 征 本 身 的 统 计 性 质 对 判 别 函 数 的 不 断 调 整 和 训 练 42

55 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 过 程 K-Mean 算 法 K-Mean 算 法 称 作 K- 均 值 算 法 其 基 本 思 想 是 : 通 过 迭 代, 移 动 各 个 基 准 类 别 的 中 心, 直 至 得 到 最 好 的 聚 类 结 果 为 止 算 法 如 下 第 一 步 : 初 始 类 别 的 中 心 选 择 其 方 法 可 依 照 上 一 节 所 述 进 行 选 择, 如 直 方 图 选 心 法, 最 大 最 小 距 离 定 心 法 等 假 设 有 c 个 初 始 类 别, 其 中 心 分 别 为 Z, Z,, Z c 第 二 步 : 在 第 k 次 迭 代 中, 对 于 任 一 样 本 X 按 如 下 方 法 把 它 调 整 到 c 个 类 别 中 的 某 一 类 中 去 (1) 1 对 于 所 有 的 j,=1,2,,c 如 果 X Z < X Z ( k ) ( k ) j, 则 (k ) X S j, 其 中 (k ) S j 是 以 Z 为 中 心 的 类 (k ) j 第 三 步 : 由 第 二 步 得 到 S (k ) j 类 新 的 中 心 Z ( k +1) j Z ( k + 1) j = 1 N j X X S ( k j ) 公 式 2-39 ( +1) 式 中 : N 为 S 类 中 的 样 本 数 Z k 是 按 照 使 J 最 小 的 原 则,J 表 达 式 为 : j (k ) j c J= = j 1 j X ( k + 1) Z j 公 式 2-40 X S ( k + 第 四 步 : 对 所 有 的 j=1,2,,c, 如 果 Z 1 ) = Z 步 继 续 迭 代 ( k ) j j 2 k j, 则 迭 代 结 束, 否 则 转 到 第 二 监 督 分 类 与 非 监 督 分 类 不 同, 监 督 分 类 的 最 基 本 特 点 是 在 分 类 前 人 们 对 遥 感 图 像 上 43

56 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 某 些 抽 样 区 中 影 像 地 物 的 类 别 属 性 已 有 了 先 验 知 识, 即 先 要 从 图 像 中 选 取 所 有 要 区 分 的 各 类 地 物 的 样 本, 用 于 训 练 分 类 器 ( 建 立 判 别 函 数 ) 这 里 的 先 验 知 识 可 以 来 自 于 野 外 的 实 地 考 察, 也 可 以 参 照 相 关 的 其 他 的 文 字 资 料 或 图 件 或 者 直 接 是 图 像 处 理 者 本 人 的 经 验 等 训 练 区 中, 具 体 确 定 各 类 地 物 各 波 段 的 灰 度 值, 从 而 可 以 确 定 特 征 参 数, 建 立 判 别 函 数 监 督 分 类 一 般 是 在 图 像 中 选 取 具 有 代 表 性 区 域 作 为 训 练 区, 由 训 练 区 得 到 各 个 类 别 的 统 计 数 据, 然 后 根 据 这 些 统 计 数 据 对 整 个 图 像 进 行 分 类 监 督 分 类 方 案 既 可 采 用 概 率 判 别 函 数, 也 可 采 用 距 离 判 别 函 数 训 练 区 的 选 择 训 练 区 中 应 该 包 括 研 究 范 围 内 的 所 有 要 区 分 的 类 别, 通 过 它 可 获 得 需 要 分 类 的 地 物 类 型 的 特 征 光 谱 数 据, 由 此 可 以 建 立 判 别 函 数, 作 为 计 算 机 自 动 分 类 的 依 据 因 此, 训 练 区 的 选 择 对 于 监 督 分 类 非 常 重 要, 在 选 择 训 练 区 时 应 注 意 以 下 问 题 (1) 训 练 区 必 须 具 有 典 型 性 和 代 表 性, 即 所 含 类 型 应 与 研 究 地 域 所 要 区 分 的 类 别 一 致 且 训 练 场 地 的 样 本 应 在 各 类 地 物 面 积 较 大 的 中 心 部 分 选 择, 而 不 应 在 各 类 地 物 的 混 交 地 区 和 类 别 的 边 缘 选 取, 以 保 证 数 据 具 有 典 型 性, 从 而 进 行 准 确 地 分 类 (2) 对 所 有 使 用 的 图 件 要 求 时 间 和 空 间 上 的 一 致 性, 以 确 定 数 字 图 像 与 地 形 图 ( 或 土 地 利 用 图 地 质 图 航 片 等 ) 的 对 应 关 系 时, 所 用 的 两 类 图 件 在 时 间 上 一 致, 即 使 不 一 致, 也 要 尽 量 找 时 间 上 相 近 的 两 类 图 件, 同 时, 两 类 图 件 在 空 间 上 应 能 很 好 地 匹 配 训 练 区 样 本 选 择 后 可 做 直 方 图, 观 察 所 选 样 本 的 分 布 规 律, 一 般 要 求 是 单 峰, 近 似 于 正 态 分 布 的 曲 线 如 果 是 双 峰, 即 类 似 两 个 正 态 分 布 曲 线 重 叠, 则 可 能 是 混 合 类 别, 需 要 重 做 训 练 样 本 数 目 的 确 定 : 由 于 训 练 样 本 数 据 是 用 来 计 算 均 值 和 协 方 差 矩 阵, 根 据 概 率 统 计, 协 方 差 矩 阵 的 导 出 至 少 需 要 N+1 个 样 本 这 里 N 是 多 光 谱 空 间 44

57 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 的 分 量 数 或 经 过 选 择 的 特 征 数 但 这 个 数 只 是 理 论 上 的 最 小 值 实 际 上 为 了 参 数 估 计 结 果 比 较 合 理, 样 本 数 还 应 当 适 当 增 多 又 不 至 于 计 算 量 过 大 在 具 体 分 类 时 要 看 对 图 像 的 了 解 程 度 和 图 像 本 身 的 情 况 来 确 定 提 取 的 样 本 数 量 当 训 练 区 选 定 后, 便 可 以 利 用 训 练 区 中 的 样 本 得 到 相 应 地 物 的 光 谱 特 征, 各 种 统 计 量 如 集 群 的 均 值 和 方 差 可 以 按 照 式 2-32 求 得 同 时 可 以 按 照 下 式 求 出 协 方 差 : n ( xjk xlk ) ( xjk )( xlk ) 2 = 1 k = 1 k = 1 σ ( j, l) = 公 式 2-41 n ( n 1) n 2 由 σ 和 σ 便 可 组 成 集 群 分 布 的 协 方 差 矩 阵 2 j ( j, l) n n 判 别 分 析 分 类 通 过 训 练 区 中 的 样 本 数 据 获 得 各 类 的 统 计 参 数 : 集 群 的 均 值 M 和 方 差 然 后 就 可 以 根 据 需 要 建 立 判 别 函 数 : 概 率 判 别 函 数 ( 最 大 似 然 判 别 函 数 ) 或 距 离 判 别 函 数 ( 绝 对 值 距 离 欧 氏 距 离 马 氏 距 离 等 ) 据 此, 可 以 对 整 幅 图 像 进 行 常 规 的 分 类 处 理 以 下 是 监 督 分 类 中 常 用 的 判 别 函 数 : 1 线 性 判 别 分 析 分 类 由 g X ) = P( X / w ) P( w ) 经 过 变 换, 可 以 得 出 一 组 线 性 判 别 函 数 ( d = a X + L+ a X + C + Ing 1 1 p p 公 式 2-42 式 中 :=1,2,,k, 即 共 有 k 类 : g = P w ), 在 不 知 道 的 情 况 下, 可 假 设 各 类 都 相 同 ; a j 及 C 为 系 数 把 像 元 值 x( 向 量 ) 代 入 这 组 方 程, 得 出 最 大 的 d, 则 把 X 归 入 第 类 ( w ) 线 性 判 别 分 析 的 一 般 算 法 如 下 : (1) 由 已 知 的 均 值 向 量 M 及 协 方 差 矩 阵 S 计 算 归 并 了 的 协 方 差 矩 阵 S 及 其 逆 矩 阵 S 1 ( 45

58 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 S = 1 ( m 1) S 1 n k 公 式 2-43 (2) 计 算 系 数 a 及 c [ a C 1, a 2 Ka 1 = M 2 p ] 1 T S = M 1 1 S 1 M ( = 1,2L k)) 公 式 2-44 (3) 计 算 d, 如 果 假 定 q 都 相 同, 则 (4) 把 X 分 到 d 最 大 的 那 一 类 2 逐 步 判 别 分 析 分 类 Inq = In( 1 ) 公 式 2-45 k 如 前 所 述, 在 一 般 的 判 别 分 析 中 把 所 有 的 p 个 变 量 ( 波 段 等 ) 都 包 含 在 判 别 函 数 中 但 在 实 际 应 用 中 往 往 并 不 是 所 有 的 变 量 都 具 有 同 等 的 判 别 能 力, 有 的 变 量 可 能 对 判 别 分 类 起 较 大 作 用, 有 的 变 量 可 能 作 用 很 小, 不 必 花 费 时 间 去 分 析 它 因 而, 比 较 理 想 的 方 法 是 从 中 选 择 少 数 贡 献 最 大 的 自 变 量 来 建 立 判 别 函 数 这 种 程 序 包 括 两 个 方 面 的 基 本 内 容 比 较 和 选 择 自 变 量, 使 用 的 是 单 因 素 或 一 向 方 差 分 析 及 F 检 验 建 立 判 别 函 数, 即 前 述 的 线 性 判 别 分 析 方 法 逐 步 判 别 分 析 的 过 程 是 把 所 有 自 变 量 ( 如 波 段 等 ) 按 其 可 能 对 判 别 分 类 的 贡 献 大 小 ( 根 据 F 值 ) 逐 个 加 入 到 判 别 模 式 中 去 再 检 验 在 其 他 已 加 入 的 自 变 量 存 在 的 情 况 下 每 个 子 变 量 的 贡 献 大 小 ( 一 个 自 变 量 单 独 存 在 时 判 别 能 力 与 其 在 其 他 自 变 量 存 在 时 的 判 别 能 力 是 不 同 的 ), 把 贡 献 低 于 某 个 阈 值 的 自 变 量 去 掉, 通 过 这 种 往 复 式 的 比 较, 最 后 由 程 序 自 动 选 用 贡 献 较 大 的 几 个 自 变 量 来 建 立 正 式 使 用 的 判 别 方 程 具 体 算 法 及 实 例 可 参 考 有 关 这 方 面 的 参 考 书 的 逐 步 判 别 分 析 部 分 3 最 大 的 似 然 比 分 类 46

59 第 二 章 遥 感 数 字 图 像 处 理 它 是 应 用 最 广 泛 的 监 督 分 类 方 法, 分 类 中 所 采 用 的 判 别 函 数 是 每 个 像 元 值 属 于 每 一 类 别 的 概 率 或 可 能 性 实 际 计 算 中 常 采 用 经 过 对 数 变 换 的 形 式 1 g ( x) = InP( w ) InS 2 1 ( 2 x M ) T S 1 ( x M ) 公 式 2-46 式 中 : P ( w ) 是 每 一 类 w 在 图 像 中 的 概 率, 在 事 先 不 知 道 P ( w ) 是 多 少 的 情 况 下, 可 以 认 为 所 有 的 P ( w ) 都 相 同, 即 P ( w ) =1/m,m 为 类 别 数 S 为 第 类 的 协 方 差 矩 阵, M 为 该 类 的 均 值 向 量, 这 些 数 据 来 源 于 由 训 练 组 所 产 生 的 分 类 统 计 文 件 对 于 任 何 一 个 像 元 值 x, 其 在 哪 一 类 中 的 g (x) 最 大, 就 属 于 哪 一 类 最 大 似 然 法 分 类 的 基 本 前 提 是 认 为 每 一 类 的 概 率 密 度 分 布 都 是 正 态 分 布 ( 即 高 斯 分 布 ) 最 大 似 然 法 分 类 的 分 类 精 度 一 般 比 较 高, 但 分 类 过 程 更 复 杂, 计 算 时 间 更 长 实 践 证 明, 分 类 的 准 确 程 度 不 仅 取 决 于 方 法 的 选 择, 还 与 地 区 的 特 点 ( 如 气 候 地 形 植 被 及 土 壤 岩 石 的 特 点 等 ) 有 关 参 数 的 选 择 应 用 人 员 的 经 验, 特 别 是 训 练 组 数 据 的 代 表 性 有 关 试 验 证 明, 训 练 组 统 计 数 的 可 靠 程 度 比 分 类 器 算 法 的 选 择 对 分 类 的 准 确 性 影 响 更 大 47

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61 第 三 章 ERDAS 和 ARCGIS 软 件 介 绍 3.1 ERDAS 软 件 概 述 目 前, 大 容 量 高 速 度 的 计 算 机 与 功 能 强 大 的 专 业 图 像 处 理 软 件 相 结 合 已 经 成 为 分 析 与 处 理 的 主 流 国 外 常 用 的 ERDAS PCI ENVI ER-MAPPER 及 国 内 的 GEOIMAGE 等 商 业 软 件 已 为 广 大 用 户 所 熟 知 这 些 软 件 在 实 际 应 用 中 不 断 地 完 善, 以 适 应 遥 感 技 术 的 发 展 例 如 : 可 以 读 取 多 种 数 据 格 式 设 置 专 门 模 块 处 理 雷 达 图 像, 具 有 三 维 飞 行 飞 行 漫 游 等 功 能, 与 多 种 GIS 软 件 和 数 据 库 兼 容 等 在 本 研 究 中 使 用 的 是 ERDAS 图 像 处 理 软 件 ERDAS IMAGINE 是 美 国 ERDAS 公 司 开 发 的 遥 感 图 像 处 理 系 统, 它 以 先 进 的 图 像 处 理 技 术, 友 好 灵 活 的 用 户 界 面 和 操 作 方 式, 面 向 广 阔 应 用 领 域 的 产 品 模 块, 服 务 于 不 同 层 次 用 户 的 模 型 开 发 工 具 以 及 高 度 的 RS/GIS( 遥 感 图 像 处 理 和 地 理 信 息 系 统 ) 集 成 功 能, 为 遥 感 及 相 关 应 用 领 域 的 用 户 提 供 了 内 容 丰 富 而 功 能 强 大 的 图 像 处 理 工 具, 代 表 了 遥 感 图 像 处 理 系 统 未 来 的 发 展 趋 势 ERDAS IMAGINE 面 向 不 同 需 求 的 用 户, 对 于 系 统 的 扩 展 功 能 采 用 开 放 的 体 系 结 构, 以 IMAGINE Essentals IMAGINE Advantage IMAGINE Professonal 的 形 式 为 用 户 提 供 了 低 中 高 3 档 产 品 结 构, 并 有 丰 富 的 功 能 扩 展 模 块 提 供 用 户 选 择, 使 产 品 模 块 的 组 合 具 有 很 大 灵 活 性 下 面 是 ERDAS 8.5 启 动 后 呈 现 的 图 标 控 制 面 板, 并 自 动 打 开 一 个 Vewer 窗 口, 图 标 控 制 面 板 包 括 菜 单 条 (menu bar) 和 工 具 条 (tool bar) 两 部 分 图 表 3-1 IMAGINE 的 图 标 控 制 面 板 49

62 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 3.2 ERDAS 功 能 简 介 1 菜 单 命 令 及 其 功 能 如 图 3.1 所 示,ERDAS IMAGINE 图 标 面 板 菜 单 中 5 项 下 拉 菜 单, 每 个 菜 单 由 一 系 列 命 令 或 选 择 项 组 成, 其 主 要 功 能 如 表 格 3-1: 表 格 3-1 ERDAS IMAGINE 图 标 面 板 菜 单 条 菜 单 命 令 综 合 菜 单 (Sesson Menu) 主 菜 单 (Man Menu) 工 具 菜 单 (Tools Menu) 菜 单 功 能 完 成 系 统 设 置 面 板 布 局 日 志 管 理 启 动 命 令 工 具 批 处 理 过 程 实 用 功 能 联 机 帮 助 等 启 动 ERDAS 图 标 面 板 中 包 括 的 所 有 功 能 模 块 完 成 文 本 编 辑, 矢 量 及 栅 格 数 据 编 辑, 图 形 图 像 文 件 坐 标 转 换, 注 记 及 字 体 管 理, 三 维 动 画 制 作 实 用 菜 单 (Utlty Menu) 完 成 多 种 栅 格 数 据 格 式 设 置 与 转 换, 图 像 的 比 较 帮 助 菜 单 (Help Menu) 启 动 关 于 图 标 面 板 的 联 机 帮 助,ERDAS IMAGINE 联 机 文 档 查 看 动 态 连 接 库 浏 览 等 2 工 具 图 标 及 其 功 能 遥 感 影 像 的 图 像 处 理 主 要 通 过 以 下 模 块 完 成, 工 具 图 标 及 相 应 功 能 如 图 表 3-2 所 示 : 图 表 3-2 ERDAS IMAGINE 图 标 面 板 工 具 条 图 标 命 令 功 能 图 标 命 令 功 能 IMAGINE Credts 查 阅 EDRAS 信 用 卡 Image Interpreter 图 像 解 译 模 块 Start IMAGINE Vewer IMAGINE 视 窗 Image Classfcaton 图 像 分 类 模 块 50

63 第 三 章 ERDAS 和 ARCGIS 软 件 介 绍 Import/Export 数 据 输 入 输 出 模 块 Spatal Modeler 空 间 建 模 模 块 Data Preparaton 数 据 预 处 理 模 块 Radar 雷 达 图 像 处 理 模 块 Map Composer 专 题 制 图 模 块 Vector 矢 量 功 能 模 块 Image Catalog 图 像 库 管 理 模 块 Vrtual GIS 虚 拟 GIS 模 块 3.3 ARCGIS 软 件 概 述 ArcGIS8 是 美 国 环 境 系 统 研 究 所 (Envronment System Research Instute,ESRI) 开 发 的 新 一 代 GIS 软 件 之 一, 是 我 国 GIS 领 域 常 用 的 商 业 软 件 从 1978 年 第 一 个 ARC/INFO 产 品 诞 生 以 来, 随 着 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 以 及 GIS 技 术 的 不 断 成 熟,ESRI 的 GIS 产 品 不 断 更 新 发 展, 形 成 适 应 各 种 用 户 和 机 型 使 用 的 系 列 产 品 1999 年 推 出 的 ArcInfo8 以 及 2000 年 推 出 的 ArcGIS8 是 ESRI 在 继 承 已 有 成 熟 技 术 的 基 础 上, 整 合 了 GIS 与 数 据 库 软 件 工 程 人 工 智 能 网 络 技 术 及 其 他 多 方 面 计 算 机 主 流 技 术, 成 功 地 开 发 出 新 一 代 GIS 平 台 ArcGIS8 的 策 略 是 给 出 一 套 崭 新 的 应 用 方 式, 构 造 一 个 革 命 性 的 数 据 模 型, 设 计 一 个 完 全 开 放 的 体 系 结 构, 使 被 广 泛 接 受 的 ARC/INFO 的 结 构 体 系 和 应 用 得 以 兼 容 ArcGIS8 是 一 个 统 一 的 地 理 信 息 系 统 平 台, 由 3 个 重 要 部 分 组 成 : 桌 面 软 件 Desktop( 一 体 化 的 高 级 GIS 系 统 ) 数 据 通 路 ArcSDE( 用 RDBMS 管 理 空 间 数 据 的 接 口 ) 和 网 络 软 件 ArcIMS( 基 于 Internet 的 分 布 式 数 据 和 服 务 GIS) 51

64 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 3.4 ARCGIS 功 能 简 介 1 桌 面 软 件 Desktop 桌 面 软 件 Desktop 是 ArcVew8,ArcEdtor8 和 ArcInfo8 三 级 桌 面 GIS 软 件 的 总 称, 三 级 软 件 共 用 通 用 的 结 构 通 用 的 编 码 技 术 通 用 的 扩 展 模 块 和 统 一 的 开 发 环 境, 从 ArcVew8 到 ArcEdtor8 再 到 ArcInfo8 功 能 由 简 单 到 强 大 三 级 桌 面 GIS 软 件 都 由 一 组 相 同 的 应 用 环 境 构 成 ArcMap ArcCatalog 和 ArcToolbox 通 过 三 种 应 用 环 境 的 协 调 工 作, 可 以 完 成 数 据 编 辑 地 理 分 析 空 间 转 换 元 数 据 管 理 等 各 种 操 作 2 数 据 通 路 ArcSDE ArcSDE 是 在 关 系 数 据 库 管 理 系 统 (RDBMS) 中 存 储 和 管 理 多 用 户 空 间 数 据 库 的 通 路 从 空 间 数 据 管 理 角 度 看,ArcSDE 是 一 个 连 续 的 空 间 数 据 模 型, 借 助 这 一 空 间 数 据 模 型, 可 以 实 现 用 RDBMS 管 理 空 间 数 据 库 3 网 络 软 件 ArcIMS ArcIMS 是 一 个 基 于 Internet 的 GIS, 借 助 ArcIMS 可 以 建 立 大 范 围 的 GIS 地 图 数 据 和 应 用, 并 将 这 些 结 果 提 供 给 组 织 内 部 或 网 络 上 的 广 大 用 户 ArcIMS 运 行 在 一 个 分 布 式 的 环 境 中, 由 客 户 端 和 服 务 器 端 两 方 面 的 技 术 组 成, 并 扩 展 了 普 通 站 点, 使 其 能 够 提 供 GIS 数 据 和 应 用 服 务 本 研 究 采 用 Desktop 的 三 种 工 作 环 境 ArcMap ArcCatalog 和 ArcToolbox 协 调 工 作, 实 现 所 要 完 成 的 功 能 52

65 第 四 章 投 影 变 换 4.1 地 理 空 间 地 理 空 间 概 念 地 理 空 间 上 至 大 气 电 离 层, 下 至 地 幔 莫 霍 面, 有 着 广 阔 的 范 围 但 一 般 地 理 空 间 指 的 是 地 球 表 层, 其 基 准 是 陆 地 表 面 和 大 洋 表 面, 它 是 人 类 活 动 频 繁 发 生 的 区 域, 是 人 地 关 系 最 为 复 杂 紧 密 的 区 域 在 地 理 空 间 信 息 系 统 中, 地 理 空 间 被 定 义 为 绝 对 空 间 和 相 对 空 间 两 种 形 式 绝 对 空 间 是 由 一 系 列 不 同 位 置 的 空 间 坐 标 值 组 成 ; 相 对 空 间 是 由 不 同 实 体 之 间 的 空 间 关 系 构 成 地 理 空 间 模 型 描 述 地 球 空 间 模 型 分 类 为 了 深 入 研 究 地 理 空 间, 需 要 建 立 地 球 表 面 的 几 何 模 型, 这 是 进 行 大 地 测 量 的 前 提 根 据 大 地 测 量 学 的 成 果, 地 球 表 面 模 型 可 以 分 为 四 类 : (1) 最 自 然 的 面 : 包 括 海 洋 底 部 高 山 高 原 等 在 内 的 固 体 地 球 表 面 但 由 于 太 复 杂, 难 以 建 模, 各 种 量 算 也 非 常 困 难 (2) 相 对 抽 象 的 面 : 也 称 为 大 地 水 准 面, 是 静 止 海 平 面 的 延 伸 以 它 为 基 准, 可 以 用 水 准 仪 测 量 地 球 自 然 表 面 上 任 意 点 的 高 程 但 海 平 面 的 起 伏 将 导 致 测 量 的 不 确 定 其 中 大 地 水 准 面 所 包 围 的 球 体, 叫 大 地 球 体 (3) 地 球 椭 球 体 模 型 : 以 大 地 水 准 面 为 基 准 建 立 的 地 球 的 形 状 接 近 于 椭 圆 绕 其 短 轴 形 成 的 椭 球 体, 通 过 扁 率 表 示 椭 球 体 的 扁 平 程 度 大 地 水 准 面 与 具 有 微 小 扁 率 的 旋 转 椭 球 面 非 常 接 近, 可 用 旋 转 椭 球 体 代 替 大 地 球 体 (4) 其 他 数 学 模 型 : 为 了 解 决 特 定 的 大 地 测 量 问 题 而 提 出 的 如 类 地 形 面 准 大 地 水 准 面 静 态 水 平 衡 椭 球 体 等, 这 里 不 详 细 介 绍 53

66 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 地 球 椭 球 体 模 型 c b a x a y b z c 2 2 = 1 公 式 4-1 三 轴 椭 球 体 模 型 x a y a z c 2 2 = 1 公 式 4-2 双 轴 椭 球 体 模 型 其 他 椭 球 体 模 型 则 根 据 a b c 的 不 同 取 相 应 值 常 见 的 椭 球 体 有 很 多, 各 个 国 家 都 根 据 自 己 国 家 的 实 际 情 况 规 定 了 相 应 的 椭 球, 比 如 海 福 特 椭 球 IAG75 椭 球 克 拉 索 夫 斯 基 椭 球 等, 具 体 参 数 可 以 查 阅 相 关 资 料 4.2 地 理 空 间 坐 标 系 地 理 空 间 中 的 要 素 要 进 行 定 位, 必 须 要 嵌 入 到 一 个 空 间 参 照 系 中, 即 在 进 行 位 置 描 述 时, 需 要 有 一 个 参 照 (1) 球 面 坐 标 系 统 根 据 地 球 椭 球 体 模 型 建 立 的 地 理 坐 标 系 经 纬 度 坐 标 及 高 程 坐 标 可 以 作 为 所 有 空 间 要 素 的 参 照 系 统 这 个 坐 标 系 统 是 球 面 坐 标 系 统, 它 是 以 三 维 球 面 为 基 础 的, 用 经 纬 度 量 测, 单 位 度 分 秒, 又 称 为 大 地 坐 标 系, 如 下 图 所 示 : 54

67 第 四 章 投 影 变 换 图 表 4-1 地 球 经 纬 度 及 地 面 点 高 程 坐 标 (2) 平 面 坐 标 系 统 以 平 面 为 基 础 的 平 面 坐 标 系 现 实 世 界 是 以 相 对 于 指 定 原 点 的 XY 坐 标 值 来 定 位 的, 单 位 常 用 英 尺 或 米 ( 通 常 为 正 值 ) 在 实 际 中 我 们 可 以 将 经 纬 度 坐 标 转 换 成 平 面 直 角 坐 标, 这 样 就 可 以 方 便 地 进 行 距 离 方 位 面 积 的 计 算 : F:(φ,λ) (x,y), 其 中 φ 为 经 度, λ 为 纬 度 4.3 地 图 投 影 地 图 投 影 相 关 概 念 (1) 地 图 地 图 是 按 一 定 的 法 则, 以 二 维 形 式 在 平 面 上 表 示 地 理 空 间 中 的 要 素 信 息 的 图 形 或 图 像, 包 括 位 置 及 其 上 的 特 征 地 图 具 有 严 格 的 数 学 基 础 符 号 系 统 文 字 注 记 等 由 于 地 图 本 身 的 尺 寸 与 其 描 述 的 地 理 空 间 范 围 之 间 是 不 同 的, 因 此, 通 常 说 地 图 具 有 某 种 比 例 尺 所 谓 地 图 比 例 尺, 指 的 是 地 图 上 的 距 离 与 地 面 上 相 应 距 离 之 比 然 而 地 球 椭 面 是 曲 面, 地 图 是 平 面, 因 此 需 要 用 一 定 的 数 学 方 法 把 大 地 坐 标 系 转 化 为 某 投 影 面 上 的 平 面 直 角 坐 标 系 GIS 用 各 种 平 面 坐 标 系 统 去 描 绘 地 55

68 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 球, 而 每 种 平 面 坐 标 均 基 于 特 殊 的 地 图 投 影 虽 然 由 于 地 球 表 面 形 态 发 生 了 变 化, 但 在 一 定 的 空 间 范 围 内 却 提 供 了 很 好 的 近 似, 可 以 帮 助 人 们 对 地 理 空 间 建 立 一 个 良 好 的 视 觉 感, 进 行 各 种 量 算 以 及 进 一 步 的 空 间 数 据 处 理 和 分 析 (2) 投 影 概 念 投 影 指 的 是 在 两 个 点 集 之 间 建 立 一 一 映 射 关 系 因 为 地 球 是 一 个 不 规 则 的 球 体, 将 地 球 表 面 的 地 理 坐 标 转 换 为 平 面 坐 标 的 过 程 称 为 地 图 投 影 空 间 信 息 系 统 不 能 仅 依 靠 地 理 坐 标, 必 须 要 有 平 面 坐 标, 地 图 投 影 对 空 间 信 息 系 统 来 说 是 不 可 缺 少 的 地 图 投 影 的 使 用 保 证 了 空 间 信 息 从 地 理 坐 标 变 换 为 平 面 坐 标 后 能 够 保 持 在 地 域 上 的 联 系 和 完 整 性 地 图 投 影 之 后 的 结 果 记 录 是 以 地 图 作 为 保 存 形 式 的 (3) 投 影 原 理 设 想 地 球 是 透 明 体, 在 球 心 有 一 点 光 源 S( 投 影 中 心 ), 向 四 周 辐 射 投 影 射 线, 通 过 球 表 面 ( 各 点 A B C D ) 射 到 可 展 面 ( 投 影 面 ) 上, 得 到 投 影 点 a b c, 然 后 再 将 投 影 面 展 开 铺 平, 又 将 其 比 例 尺 缩 小 到 可 见 程 度, 从 而 制 成 地 图 用 地 图 投 影 的 方 法 将 球 面 展 开 为 平 面, 虽 然 可 以 保 持 地 域 上 的 联 系 和 完 整 性, 但 它 们 与 球 面 上 的 经 纬 度 网 线 形 状 并 不 一 致 即 投 影 后, 地 图 上 的 经 纬 度 网 线 发 生 了 变 形, 同 样 根 据 地 理 坐 标 展 绘 在 地 图 上 的 各 种 要 素, 也 必 然 随 着 变 形 投 影 面 和 球 面 的 相 互 位 置 关 系 图 如 下 图 所 示 : 图 表

69 第 四 章 投 影 变 换 地 图 投 影 变 形 地 图 投 影 的 这 种 变 形 使 得 地 理 要 素 的 几 何 特 性 受 到 破 坏, 变 形 类 型 如 下 : (1) 长 度 变 形 : 地 球 仪 上, 纬 线 长 度 不 等 ; 同 一 纬 线 上, 经 差 相 同, 纬 线 长 度 相 同 ; 同 一 经 线 上, 纬 差 相 同 而 经 线 长 度 不 同 ; 所 有 经 线 长 度 相 等 (2) 角 度 变 形 : 地 球 仪 上, 经 线 与 纬 线 处 处 呈 直 角 相 交 图 表 4-3 长 度 变 形 和 角 度 变 形 (3) 面 积 变 形 : 地 球 仪 上, 同 一 纬 度 带 内, 经 差 相 同 的 网 格 面 积 相 等 ; 同 一 经 度 带 内, 纬 度 越 高, 面 积 越 小 图 表 4-4 面 积 变 形 和 长 度 变 形 57

70 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 地 图 投 影 分 类 (1) 投 影 具 体 分 类 按 变 形 性 质 分 类 : 等 角 投 影 : 角 度 变 形 为 零 ; 等 积 投 影 : 面 积 变 形 为 零 ; 任 意 投 影 : 长 度 角 度 和 面 积 都 存 在 变 形 经 投 影 后 地 图 上 所 产 生 的 长 度 变 形 角 度 变 形 和 面 积 变 形 是 相 互 联 系 相 互 影 响 的 : 等 积 与 等 角 互 斥 ; 任 意 投 影 不 能 等 角 和 等 积 ; 等 积 投 影 角 度 变 形 大, 等 角 投 影 面 积 变 形 大 按 投 影 面 ( 可 展 曲 面 ) 类 型 划 分 为 : 圆 锥 圆 柱 平 面 ( 方 位 投 影 ) 按 投 影 面 与 地 球 位 置 关 系 划 分 为 : 正 轴 横 轴 斜 轴, 切 割 具 体 就 不 再 展 开 叙 述, 可 以 查 阅 相 关 资 料 (2) 关 于 地 图 投 影 的 几 点 结 论 : 1 实 现 等 角 等 面 积 等 距 离 同 时 做 到 的 投 影 不 存 在 2 投 影 方 式 有 多 种 多 样, 一 个 国 家 或 地 区 依 据 自 己 所 处 在 的 经 纬 度 幅 员 大 小 以 及 图 件 用 途 选 择 投 影 方 式 3 在 大 于 1:10 万 的 大 比 例 尺 图 件 中, 各 种 投 影 带 来 的 误 差 可 以 忽 略 在 本 研 究 中 所 采 用 的 是 Lambert 平 面 投 影 和 WGS1984 椭 球 体 4.4 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 投 影 坐 标 转 换 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 的 具 体 制 作 在 下 一 章 中 进 行 叙 述, 这 里 介 绍 如 何 为 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 加 入 投 影 和 坐 标 信 息, 如 何 进 行 投 影 及 坐 标 的 转 换 一 幅 NDVI 图 仅 仅 制 作 出 来 后 是 不 够 的, 我 们 要 求 在 实 际 中 对 所 研 究 区 域 进 行 精 确 的 定 点 和 定 位, 因 此 必 须 在 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 中 加 入 投 影 和 坐 标 信 息, 以 实 现 精 确 的 定 点 和 定 位, 通 过 输 入 具 体 位 置 的 坐 标 信 息, 由 遥 感 图 像, 可 以 直 接 提 取 该 点 的 参 数 信 息, 真 正 实 现 指 哪 打 哪, 没 有 坐 标 和 投 影 信 息 的 参 数 专 题 图 是 无 法 使 用 的 本 研 究 所 拥 有 的 原 始 数 据 为 1983 年 1 月 到 2000 年 12 月,216 张 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 的 asc 文 本 文 件 本 研 究 目 的 是 要 将 最 原 始 的 文 本 文 件 转 58

71 第 四 章 投 影 变 换 化 为 含 有 投 影 和 坐 标 信 息 的 tff 文 件 格 式 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图, 以 用 于 数 字 流 域 模 型 之 中, 操 作 过 程 如 下 : asc 文 件 到 raster 栅 格 文 件 的 格 式 转 换 (1) 原 始 asc 文 本 文 件 原 始 数 据 为 1983 年 1 月 到 2000 年 12 月 216 张 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 的 asc 文 本 文 件, 要 想 对 文 件 进 行 投 影 操 作, 首 先 需 要 将 文 本 格 式 的 文 件 转 化 为 栅 格 格 式 图 表 年 1 月 NDVI 遥 感 专 题 图 文 本 文 件 ncols 263 和 nrows 182 代 表 NDVI 专 题 图 中 的 像 素 有 263 列 182 行 ; xllcorner 和 yllcorner 代 表 图 像 左 上 角 的 大 地 坐 标 是 ( , ), 单 位 是 米 ;cellsze 表 示 实 际 地 物 相 邻 采 样 点 的 间 隔 为 米 ;nodata 表 示 图 像 中 没 有 NDVI 值 的 区 域 用 来 表 示 (2) 图 像 格 式 转 换 过 程 采 用 ArcGIS 软 件 的 Arctoolbox 工 作 平 台, 利 用 ASCII to Raster 功 能, 弹 出 如 下 窗 口 : 59

72 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 4-6 ASCII to Raster 格 式 转 换 窗 口 Output data type 要 选 择 FLOAT 浮 点 格 式 以 保 证 计 算 精 度 (3)Raster 栅 格 文 件 显 示 采 用 ArcGIS 的 ArcMap 工 作 平 台 进 行 raster 格 式 文 件 的 可 视 化 显 示, 显 示 效 果 如 下 : 图 表 4-7 raster 格 式 文 件 在 ArcMap 中 的 显 示 到 此 本 过 程 实 现 了 不 可 操 作 文 本 文 件 向 可 操 作 栅 格 文 件 的 格 式 转 化, 但 是 所 得 文 件 中 并 不 含 有 投 影 和 坐 标 信 息 60

73 第 四 章 投 影 变 换 Lambert 平 面 投 影 信 息 在 数 字 流 域 模 型 中, 所 处 理 遥 感 影 像 的 图 像 格 式 为 tff 格 式, 且 要 求 使 用 经 纬 度 坐 标 进 行 精 确 的 定 点 和 定 位, 由 于 原 文 件 中 的 数 据 并 非 以 经 纬 度 来 表 示, 而 是 以 米 为 单 位 的 大 地 坐 标 进 行 标 识 因 为 经 纬 度 坐 标 是 在 大 地 椭 球 体 上 标 识 采 用 的, 以 米 为 单 位 的 大 地 坐 标 是 在 二 维 平 面 上 标 识 的, 所 以 要 实 现 二 维 平 面 大 地 坐 标 向 三 维 椭 球 经 纬 度 坐 标 的 投 影 和 坐 标 转 换 本 过 程 即 实 现 为 转 化 好 的 raster 栅 格 文 件 加 入 二 维 平 面 投 影 信 息, 下 一 过 程 则 用 来 实 现 大 地 坐 标 向 经 纬 度 坐 标 的 坐 标 和 投 影 转 换 (1) 平 面 投 影 配 置 文 件 图 表 4-8 平 面 投 影 配 置 文 件 为 栅 格 文 件 加 入 投 影 信 息 首 先 要 知 道 原 始 数 据 的 投 影 和 坐 标 配 置 文 件, 由 上 图 可 知 : 平 面 投 影 类 型 为 LAMBERT( 兰 伯 特 ) 平 面 投 影, 没 有 采 用 固 定 基 准 面, 投 影 中 心 精 度 为 东 经 100 度, 北 纬 45 度 ; 坐 标 偏 移 值 均 为 0 (2)Lambert 平 面 投 影 和 WGS1984 椭 球 投 影 信 息 的 加 入 采 用 ArcGIS 软 件 的 Arctoolbox 工 作 平 台, 使 用 Project 工 具 1 打 开 Project 对 话 框, 在 Input Dataset or Feature Class 中 选 择 2000 年 1 61

74 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 月 的 栅 格 文 件, 如 下 图 : 图 表 4-9 Project 对 话 框 2 点 击 Coordnate System 文 本 框 右 侧 的, 为 栅 格 文 件 指 定 平 面 投 影 信 息, 弹 出 如 下 对 话 框 : 图 表 4-10 平 面 投 影 配 置 对 话 框 62

75 第 四 章 投 影 变 换 3 点 击 New 按 钮, 根 据 投 影 信 息 配 置 文 件, 进 行 参 数 指 定, 三 维 椭 球 选 择 WGS1984 椭 球 : 图 表 4-11 平 面 投 影 参 数 输 入 对 话 框 4 点 击 OK 后, 弹 出 如 下 对 话 框, 表 明 投 影 和 坐 标 信 息 配 置 完 毕 : 63

76 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 5 点 击 确 定, 弹 出 如 下 对 话 框 图 表 4-12 投 影 配 置 完 毕 对 话 框 图 表 4-13 点 击 OK 即 可 添 加 投 影 信 息 64

77 第 四 章 投 影 变 换 此 时 平 面 投 影 和 椭 球 投 影 信 息 添 加 完 毕, 可 以 根 据 指 定 的 投 影, 输 出 想 要 得 到 的 坐 标 格 式 图 像, 从 ArcGIS 中 的 Arctoolbox 工 具 可 以 检 测 到 投 影 信 息 添 加 情 况 和 坐 标 范 围 : 图 表 4-14 投 影 和 坐 标 范 围 显 示 Raster 栅 格 文 件 向 asc 文 本 文 件 的 转 换 本 项 工 作 的 目 的 是 要 将 平 面 投 影 转 换 为 椭 球 投 影 坐 标, 同 时 将 用 米 为 单 位 表 示 的 坐 标 转 换 为 用 经 纬 度 表 示 的 坐 标, 以 用 于 数 字 流 域 模 型 中 的 图 像 坐 标 拾 取 使 用 工 具 为 ArcGIS 中 的 Arctoolbox 工 具, 操 作 过 程 如 下 : 1 使 用 Raster to ASCII 工 具 65

78 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 4-15 格 式 转 换 2 点 击 Envroments, 设 置 环 境 变 量, 出 现 以 下 对 话 框 : 图 表 4-16 设 置 环 境 变 量 1 3 选 择 输 出 投 影 方 式 66

79 第 四 章 投 影 变 换 图 表 4-17 设 置 环 境 变 量 2 如 上 所 示, 在 图 表 4-16 中 点 击 General Settngs, 设 置 情 况 见 图 表 4-17, 点 击 OK 即 可, 再 点 击 OK 即 可 进 行 格 式 转 换 得 到 如 下 文 本 格 式 文 件 : 图 表 4-18 椭 球 投 影 信 息 的 文 本 文 件 从 图 表 4-18 可 以 看 到,xllcorner 和 yllcorner 已 经 分 别 更 换 为 经 度 和 纬 度 坐 标, 坐 标 采 样 间 隔 也 已 经 变 为 ( 度 ) 67

80 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 椭 球 投 影 文 本 文 件 到 栅 格 文 件 的 格 式 转 换 此 过 程 与 操 作 过 程 完 全 相 同, 这 里 不 再 赘 述, 本 步 骤 转 化 结 果 即 为 各 点 均 为 经 纬 度 坐 标 表 示 的 raster 栅 格 文 件 Raster 栅 格 文 件 向 Tff 文 件 格 式 的 转 换 使 用 ArcGIS 中 的 ArcMap 工 具, 在 窗 口 左 侧 列 表 图 像 上 点 击 右 键, 选 择 Data Export Data, 弹 出 格 式 转 换 对 话 框, 设 置 如 下 : 图 表 4-19 Raster 向 Tff 文 件 格 式 的 转 换 其 中 Format 栏 目 中 选 择 TIFF,Spatal Reference 选 择 第 一 项, 点 击 Save 键 即 可 进 行 格 式 转 换, 此 时 操 作 完 成, 经 过 如 上 操 作 步 骤, 一 个 没 有 投 影 信 息 的 asc 文 本 文 件 已 经 转 化 为 含 有 椭 球 投 影 信 息, 各 个 点 由 经 纬 度 坐 标 表 示 的 TIFF 文 件 格 式 显 示 结 果 如 下 : 68

81 第 四 章 投 影 变 换 图 表 4-20 最 后 TIFF 文 件 格 式 图 像 的 伪 彩 色 显 示 69

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83 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 5.1 NDVI 植 被 覆 盖 指 数 在 水 文 模 型 的 产 汇 流 等 计 算 中, 经 常 要 使 用 一 个 参 数 LAI 叶 面 覆 盖 指 数, 它 用 来 反 映 植 被 对 产 汇 流 等 的 影 响, 其 中 LAI 的 经 验 表 达 式 有 很 多 种, 在 每 种 表 达 式 中 LAI 都 是 以 NDVI 为 自 变 量 的 函 数 值 即 LAI=f(NDVI), 这 里 NDVI 被 称 作 植 被 覆 盖 指 数, 它 的 表 达 式 在 数 字 流 域 模 型 中 采 用 如 下 的 定 义 方 式 : NDVI=(Xnr-Xred)/(Xnr+Xred) 公 式 5-1 Xnr 近 红 外 波 段 ( 在 TM 遥 感 影 像 中 对 应 第 4 波 段 ) Xred 红 色 光 波 段 ( 在 TM 遥 感 影 像 中 对 应 第 3 波 段 ) 5.2 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 制 作 流 程 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 的 制 作 是 一 个 复 杂 的 系 统 工 程, 得 到 一 幅 高 质 量 的 图 像 需 要 经 过 几 何 校 正 辐 射 校 正 降 噪 锐 化 滤 波 直 方 图 均 衡 等 等 很 多 步 骤, 这 里 只 大 体 介 绍 一 下 作 者 的 实 际 操 作 流 程, 使 用 工 具 为 ERDAS 软 件 景 遥 感 影 像 的 确 定 既 然 研 究 的 对 象 是 整 个 黄 河 流 域, 首 先 就 要 确 定 黄 河 流 域 到 底 是 由 哪 些 遥 感 影 像 所 覆 盖, 以 下 是 Landsat 遥 感 卫 星 轨 道 号 行 号 图 : 71

84 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 5-1 Landsat 遥 感 卫 星 轨 道 号 行 号 图 图 表 中 的 每 个 红 点 表 示 一 景 遥 感 影 像 的 中 心, 影 像 的 边 长 略 大 于 两 个 红 点 之 间 的 距 离, 以 保 证 相 邻 图 像 有 一 部 分 重 叠, 避 免 图 像 边 缘 部 分 图 像 缺 失 作 者 对 黄 河 流 域 边 界 进 行 了 提 取, 用 绿 色 表 示, 如 图 所 示, 将 整 个 黄 河 流 域 边 界 叠 加 到 遥 感 卫 星 轨 道 号 行 号 图 上, 这 样 按 照 从 左 往 右 从 上 到 下 的 顺 序 可 以 确 定 出 覆 盖 整 个 黄 河 流 域 的 69 景 遥 感 影 像 遥 感 影 像 波 段 合 成 每 景 遥 感 影 像 均 包 含 7 个 波 段, 选 择 743 波 段 对 每 景 遥 感 影 像 进 行 合 成, 之 所 以 选 择 波 段 一 方 面 是 由 于 这 三 个 波 段 的 相 关 系 数 较 小, 它 们 的 叠 加 基 本 不 会 损 失 地 物 地 貌 的 实 际 信 息 量, 另 一 方 面 是 这 三 个 波 段 的 合 成 图 像 接 近 于 真 彩 色, 和 实 际 情 况 相 符 以 p123r35 为 例, 操 作 过 程 如 下 : 72

85 1 Interpreter Utltes Layer Stack 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 图 表 5-2 p123r35 第 波 段 合 成 面 板 2 p123r35 第 波 段 合 成 图 像 图 表 5-3 p123r35 第 波 段 合 成 结 果 73

86 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 3 69 景 遥 感 图 像 波 段 合 成 作 用 一 方 面 用 于 黄 河 流 域 的 土 地 分 类, 该 内 容 在 第 六 章 中 介 绍 ; 另 一 方 面 用 于 不 同 波 段 图 像 之 间 的 代 数 运 算, 该 内 容 在 中 介 绍 景 遥 感 影 像 的 Degrade 退 化 处 理 由 于 本 工 作 目 标 是 整 个 黄 河 流 域, 所 以 最 后 要 将 69 景 影 像 进 行 拼 接 和 合 成, 一 张 波 段 合 成 图 像 的 容 量 大 约 是 180M, 那 么 合 成 后 整 个 黄 河 流 域 遥 感 影 像 的 容 量 将 为 =12.4G, 对 于 这 么 大 容 量 的 图 像 计 算 机 是 处 理 不 了 的, Vewer 也 只 能 显 示 容 量 小 于 2G 的 图 像, 所 以 只 能 先 对 每 景 遥 感 影 像 进 行 Degrade 退 化 处 理, 即 分 辨 率 降 低 处 理, 然 后 再 合 成 黄 河 流 域, 操 作 过 程 如 下 : 1 Interpreter Utltes Degrade 图 表 5-4 Degrade 退 化 处 理 如 图 5-4 所 示, 对 每 景 波 段 合 成 图 像 进 行 分 辨 率 降 低 处 理,XScale YScale 分 别 设 为 36 36, 即 用 36 36=1296 个 像 素 代 替 原 来 的 一 个 像 素, 这 样, 经 过 处 理 后 的 图 像 容 量 达 到 88K, 再 合 成 黄 河 流 域 后 的 图 像 容 量 将 为 74

87 88 69=6M, 计 算 机 可 以 快 捷 而 方 便 的 进 行 处 理 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 2 p123r35 第 波 段 合 成 图 像 Degrade 降 化 处 理 后 的 效 果 图 图 表 5-5 p123r35 经 过 Degrade 处 理 后 的 效 果 图 经 过 以 上 过 程, 可 以 得 到 69 景 88K 容 量 的 波 段 合 成 真 彩 色 图 像, 虽 然 分 辨 率 降 低 不 少, 但 完 全 可 以 满 足 实 际 工 作 所 需 要 达 到 的 精 度 遥 感 影 像 针 对 4 3 波 段 的 代 数 运 算 NDVI=(Xnr-Xred)/(Xnr+Xred), 对 于 Lansant 遥 感 卫 星 的 TM 图 像 来 说, NDVI=(X4-X3)/(X4+X3), 所 以 要 对 黄 河 流 域 每 景 波 段 合 成 图 像 选 择 4 3 波 段 进 行 代 数 运 算, 先 对 图 像 上 每 个 点 的 灰 度 值 做 差, 再 做 和, 再 将 差 值 与 和 做 比 值, 即 进 行 除 法 运 算, 则 可 以 得 到 每 景 遥 感 影 像 的 NDVI 参 数 图, 操 作 过 程 如 下 :Interpreter Utltes Opetaters 75

88 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 5-6 图 像 的 代 数 运 算 图 表 5-6 是 加 法 运 算 的 例 子, 处 理 对 象 为 经 过 Degrade 降 化 处 理 后 的 p123r35 三 个 波 段 的 合 成 图 像, 其 中 Layer:2 对 应 合 成 图 像 的 第 4 波 段,Layer:1 对 应 合 成 图 像 的 第 3 波 段, 意 思 是 对 合 成 图 像 的 这 两 个 波 段 进 行 代 数 运 算 Operator 选 择 +, 点 击 OK 键 即 可 进 行 加 法 运 算, 减 法 和 除 法 运 算 过 程 相 似, 不 再 赘 述 黄 河 流 域 遥 感 影 像 的 Mosac 拼 接 通 过 以 上 的 过 程 得 到 了 69 景 NDVI 遥 感 影 像, 下 面 进 行 的 过 程 即 是 对 这 69 景 影 像 的 拼 接 和 合 成, 得 到 黄 河 流 域 的 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 像, 过 程 如 下 : 1 Dataprep Mosc 76

89 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 图 表 5-7 Mosc 工 具 面 板 2 选 择 69 景 NDVI 遥 感 参 数 图 像, 确 定 Mosc 拼 接 合 成 模 板 图 表 5-8 黄 河 流 域 Mosc 拼 接 模 板 3 Mosc 拼 接 合 成 的 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 77

90 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 5-9 拉 伸 前 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 经 过 以 上 过 程 得 到 了 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图, 每 一 个 点 的 实 际 灰 度 值 即 为 该 点 的 NDVI 值, 由 NDVI 值 的 实 际 表 达 式 可 知 该 值 是 介 于 -1 到 +1 之 间 的 一 个 数 值, 为 了 在 各 个 图 像 处 理 软 件 能 够 通 用 的 可 视 化 显 示 以 及 在 数 字 流 域 模 型 中 进 行 使 用, 需 要 将 图 像 中 每 个 像 素 点 的 灰 度 值 由 (-1,+1) 拉 伸 到 (0, 255) 之 间 SML 语 言 对 LUT 查 找 表 的 线 形 拉 伸 线 性 拉 伸 的 原 理 在 第 二 章 中 已 有 介 绍, 这 里 不 再 赘 述, 具 体 操 作 过 程 如 下 : 1 Interpreter Radometrc Enhancement LUT Stretch 78

91 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 图 表 5-10 LUT Stretch 2 点 击 Vew, 使 用 SML 语 言 进 行 拉 伸 模 型 设 计 图 表 5-11 SML 语 言 拉 伸 模 型 79

92 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 3 拉 伸 后 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 图 表 5-12 拉 伸 后 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 黄 河 流 域 边 界 分 离 图 表 5-13 边 界 分 离 后 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 80

93 第 五 章 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图 小 结 由 于 实 验 数 据 缺 乏 很 多, 在 本 项 工 作 中 作 者 使 用 了 从 1987 年 到 1994 年 跨 越 8 年 的 TM 遥 感 影 像, 且 不 在 一 个 季 节 拍 摄, 图 像 的 重 叠 部 分 往 往 不 相 符 合, 或 很 多 图 像 出 现 明 显 的 偏 色 给 实 际 工 作 带 来 了 很 大 的 麻 烦, 但 NDVI 遥 感 影 像 参 数 专 题 图 的 获 取 方 法 已 经 在 工 作 中 完 善, 只 要 能 够 得 到 同 一 年 同 一 月 份 的 遥 感 影 像 数 据, 就 可 以 很 容 易 的 制 作 出 相 应 时 间 的 NDVI 遥 感 影 像 参 数 专 题 图 81

94

95 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 遥 感 专 题 图 6.1 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 分 类 遥 感 影 像 的 专 题 分 类 图 在 实 际 生 活 中 有 非 常 重 要 的 应 用, 土 地 利 用 类 型 图 是 众 多 专 题 图 中 的 一 种, 从 土 地 类 型 专 题 图 中 可 以 获 得 很 多 有 用 的 信 息, 比 如 通 过 多 时 段 的 土 地 利 用 类 型 专 题 图 的 对 比 分 析, 可 以 进 行 动 态 变 化 检 测, 如 森 林 火 灾 的 扩 散 速 度 和 范 围 ; 沙 漠 化 的 进 程 ; 地 表 水 资 源 量 的 估 测 ; 耕 地 利 用 变 化 情 况 监 测 等 等 然 而 得 到 一 幅 准 确 清 晰 高 质 量 的 遥 感 分 类 专 题 图 是 十 分 不 容 易 的, 它 不 仅 仅 是 通 过 计 算 机 就 能 够 完 成, 还 需 要 一 定 量 的 人 类 已 有 经 验 现 场 勘 测 察 看 等 因 素 的 参 与 由 于 本 项 工 作 缺 乏 大 量 的 遥 感 影 像 数 据 和 其 他 一 些 数 据, 且 成 果 目 前 并 未 需 要 使 用, 作 者 只 抱 着 学 习 的 态 度, 对 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 分 类 方 法 进 行 了 实 践 6.2 黄 河 流 域 的 非 监 督 分 类 非 监 督 分 类 的 具 体 原 理 第 二 章 已 有 介 绍, 这 里 不 再 赘 述, 它 是 一 种 不 参 与 人 类 经 验, 全 凭 计 算 机 操 作 的 方 法, 它 速 度 快 速, 操 作 简 捷, 虽 然 不 是 很 准 确, 但 是 可 以 用 于 遥 感 分 类 专 题 图 的 初 始 分 类, 给 人 们 一 个 初 步 的 分 类 结 果 便 于 参 照, 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 遥 感 分 类 专 题 图 的 操 作 过 程 如 下 : 1 先 退 化 后 合 成 所 谓 的 先 退 化, 是 指 对 69 景 波 段 合 成 的 遥 感 影 像 进 行 分 辨 率 降 低 处 理, 过 程 在 第 五 章 中 已 经 完 成 然 后 将 分 辨 率 降 低 处 理 后 的 69 景 遥 感 影 像 进 行 Mosac 拼 接, 得 到 如 下 结 果 : 83

96 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 6-1 黄 河 流 域 真 彩 色 合 成 图 像 2 Classfer Unsupevsed Classfcaton 在 Number of Classes 中 设 为 10, 表 示 分 类 结 果 中 共 有 10 个 类 别, 初 始 分 类 类 别 的 数 量 往 往 要 大 于 实 际 土 地 利 用 类 型 数 量, 以 免 出 现 漏 分 现 象, 也 许 实 际 中 土 地 利 用 类 型 要 大 于 10, 但 这 里 只 为 了 学 术 探 讨, 成 品 也 并 不 使 用, 因 此 这 里 指 定 的 10 完 全 是 随 机 的 在 Maxmum 中 填 24, 表 示 计 算 机 循 环 迭 代 次 数 为 24, 以 免 出 现 死 循 环 现 象 在 Convergence Threshold 中 填 写 0.95, 表 示 两 次 迭 代 结 果 的 重 合 率 达 到 95% 就 停 止 计 算 84

97 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 图 表 6-2 黄 河 流 域 非 监 督 分 类 3 输 出 分 类 模 板 上 述 过 程 输 出 了 非 监 督 分 类 模 板, 得 到 分 类 类 别 共 有 10 类, 且 为 每 种 类 别 指 定 了 互 不 相 同 的 颜 色, 便 于 结 果 区 分, 但 分 类 后 每 种 类 别 到 底 对 应 实 际 中 的 那 种 土 地 利 用 类 型 需 要 与 实 际 相 对 照, 或 与 监 督 分 类 结 果 进 行 比 较, 非 监 督 分 类 模 板 如 下 图 所 示 : 85

98 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 6-3 非 监 督 分 类 模 板 4 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 的 非 监 督 分 类 结 果 图 表 6-4 黄 河 流 域 非 监 督 分 类 结 果 86

99 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 5 非 监 督 分 类 的 重 编 码 (Recode) 由 于 初 始 分 类 的 数 量 要 大 于 实 际 情 况 下 的 土 地 利 用 类 型 数 量, 因 此 要 对 初 始 非 监 督 分 类 结 果 要 进 行 重 编 码 操 作, 将 有 的 类 别 合 为 一 类, 重 新 分 类, 操 作 过 程 如 下 Interpreter GIS Analyss Recode: 图 表 6-5 非 监 督 分 类 的 重 编 码 点 击 Setup Recode 按 钮, 可 以 对 非 监 督 分 类 的 初 始 模 板 进 行 合 并 设 置, 只 要 将 相 同 类 别 前 面 的 编 号 值 改 为 相 同 值 就 可 以, 具 体 合 并 情 况 是 与 监 督 分 类 结 果 相 比 较 进 行 的, 监 督 分 类 在 6.3 中 进 行 讲 述 6 非 监 督 分 类 重 编 码 输 出 及 相 应 模 板 合 并 后 的 结 果 参 照 监 督 分 类 结 果 给 出 的, 共 分 为 5 类 87

100 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 6-6 非 监 督 分 类 重 编 码 结 果 输 出 图 表 6-7 非 监 督 分 类 重 编 码 模 板 88

101 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 7 非 监 督 分 类 重 编 码 的 邻 域 分 析 邻 域 分 析 是 针 对 分 类 专 题 图 像, 采 用 类 似 于 卷 积 滤 波 的 方 法 对 图 像 分 类 值 进 行 多 种 分 析, 其 方 法 是 每 个 像 元 的 值 都 参 与 用 户 定 义 的 邻 域 范 围 和 分 析 函 数 所 进 行 的 分 析, 而 邻 域 中 心 像 元 的 值 将 被 分 析 结 果 所 取 代 邻 域 分 析 结 果 如 下 : 图 表 6-8 非 监 督 分 类 重 编 码 的 邻 域 分 析 6.3 黄 河 流 域 的 监 督 分 类 监 督 分 类 是 分 类 中 最 常 采 用 的 方 法, 试 验 结 果 较 好, 通 过 人 为 经 验 的 参 与, 使 得 分 类 时 的 目 的 和 意 义 更 加 明 确, 但 人 为 经 验 的 准 确 性 对 实 验 结 果 的 影 响 还 是 不 小 的, 比 如 实 际 土 地 利 用 类 型 为 20 类, 但 在 操 作 中 只 选 择 了 10 类 地 物 的 训 练 样 本, 则 分 类 结 果 可 能 会 受 到 很 大 的 影 响, 因 此 最 好 借 助 于 原 始 人 工 绘 制 的 土 地 利 用 类 型 资 料, 则 分 类 的 准 确 度 会 大 大 增 加, 由 于 本 工 作 只 限 于 学 术 研 究, 所 以 作 者 只 凭 借 自 身 的 经 验, 将 黄 河 流 域 的 土 地 利 用 类 型 划 分 为 5 类, 监 89

102 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 督 分 类 的 操 作 过 程 如 下 : 1 训 练 区 的 选 择 及 监 督 分 类 模 板 在 69 景 经 过 Degrade 处 理 的 波 段 合 成 黄 河 流 域 图 像 上 进 行 训 练 区 的 选 择 : 图 表 6-9 训 练 区 的 选 择 图 表 6-10 监 督 分 类 模 板 90

103 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 2 监 督 分 类 的 分 类 模 板 评 价 图 表 6-11 监 督 分 类 模 板 评 价 图 中 数 据 的 含 义 : 比 如 第 一 个 数 1508, 即 在 训 练 区 中 选 择 的 1524 个 像 素 中, 经 过 分 析 和 对 比, 有 1508 个 像 素 是 属 于 湖 泊, 有 16 个 像 素 与 植 被 类 别 重 合 其 他 的 数 据 类 似, 从 上 面 模 板 我 们 可 以 看 到, 训 练 区 选 择 的 精 度 是 很 好 的 3 Classfer Supevsed Classfcaton 91

104 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 6-12 黄 河 流 域 监 督 分 类 4 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 监 督 分 类 结 果 图 表 6-13 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 监 督 分 类 结 果 5 边 界 提 取 图 表 6-14 边 界 分 离 后 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 分 类 结 果 92

105 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 6 监 督 分 类 结 果 的 邻 域 分 析 图 表 6-15 监 督 分 类 结 果 的 邻 域 分 析 6.4 p123r35 遥 感 数 字 影 像 分 析 由 于 覆 盖 整 个 黄 河 流 域 ( 含 多 沙 粗 沙 区 ) 面 积 近 80 万 平 方 公 里 的 遥 感 影 像 数 据 参 差 不 齐, 问 题 很 多, 给 分 析 带 来 了 很 大 的 不 便, 因 此 这 里 以 p123r35 景 1990 年 和 1994 年 的 图 像 为 例, 进 行 分 类 分 析 1 p123r35 区 域 1990 年 非 监 督 分 类 和 监 督 分 类 结 果 93

106 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 图 表 年 p123r35 区 域 非 监 督 分 类 结 果 94

107 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 图 表 年 p123r35 区 域 监 督 分 类 结 果 年 p123r35 区 域 监 督 分 类 和 非 监 督 分 类 对 比 将 监 督 分 类 和 非 监 督 分 类 的 河 道 湖 泊 的 颜 色 设 定 为 蓝 色, 其 他 颜 色 均 设 定 为 浅 灰 色, 比 较 两 种 分 类 的 分 类 效 果, 如 下 面 两 图 所 示 : 图 表 年 p123r35 区 域 非 监 督 分 类 河 道 和 湖 泊 图 表 年 p123r35 区 域 监 督 分 类 河 道 和 湖 泊 95

108 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 从 上 面 两 图 的 结 果 可 以 很 清 楚 地 看 到, 监 督 分 类 通 过 训 练 区 的 选 择 有 着 非 常 好 的 效 果, 河 道 和 湖 泊 被 很 好 的 提 取 出 来, 而 非 监 督 分 类 没 有 人 类 经 验 的 参 与, 计 算 机 仅 仅 根 据 某 种 算 法 进 行 分 类 操 作, 分 类 效 果 不 是 很 好, 有 很 多 杂 点 被 划 分 进 来 因 此 在 实 际 的 遥 感 影 像 分 类 中 尽 量 采 用 监 督 分 类 的 方 法 年 和 1994 年 p123r35 区 域 分 类 结 果 的 比 较 由 于 遥 感 影 像 拍 摄 周 期 短, 覆 盖 面 积 大, 可 以 利 用 它 对 大 面 积 区 域 进 行 动 态 变 化 监 测, 这 在 实 际 生 活 中 有 着 非 常 重 要 的 应 用 这 里 对 p123r35 区 域 1990 年 和 1994 年 河 道 及 湖 泊 情 况 进 行 比 较 : 图 表 年 河 道 提 取 96

109 第 六 章 黄 河 流 域 土 地 利 用 专 题 图 图 表 年 河 道 提 取 图 表 年 和 1994 年 河 道 及 湖 泊 变 化 监 测 97

110 清 华 大 学 综 合 论 文 训 练 由 图 表 6-22, 就 河 道 而 言, 浅 蓝 色 河 道 为 1990 年 的 河 道, 深 蓝 色 河 道 为 1994 年 的 河 道, 深 蓝 色 的 宽 度 普 遍 要 比 浅 蓝 色 的 要 窄, 河 道 出 现 萎 缩 现 象 ; 就 湖 泊 而 言, 浅 蓝 色 为 1990 年 和 1994 年 湖 泊 共 有 的 面 积, 黄 色 部 分 在 1990 年 仍 为 湖 泊,1994 年 已 经 被 植 物 覆 盖 如 果 有 多 年 遥 感 影 像 数 据, 则 可 以 模 拟 河 流 的 平 面 动 态 变 化, 对 河 道 变 化 进 行 动 态 监 测, 寻 找 变 化 规 律 98

111 插 图 索 引 图 表 2-5 像 元 的 邻 域...3 图 表 3-2 ERDAS IMAGINE 图 标 面 板 工 具 条...3 图 表 4-1 地 球 经 纬 度 及 地 面 点 高 程 坐 标...3 图 表 4-3 长 度 变 形 和 角 度 变 形...3 图 表 4-4 面 积 变 形 和 长 度 变 形...3 图 表 年 1 月 NDVI 遥 感 专 题 图 文 本 文 件...3 图 表 4-6 ASCII to Raster 格 式 转 换 窗 口...3 图 表 4-7 raster 格 式 文 件 在 ArcMap 中 的 显 示...3 图 表 4-8 平 面 投 影 配 置 文 件...3 图 表 4-9 Project 对 话 框...3 图 表 4-11 平 面 投 影 参 数 输 入 对 话 框...3 图 表 4-12 投 影 配 置 完 毕 对 话 框...3 图 表 4-13 点 击 OK 即 可 添 加 投 影 信 息...3 图 表 4-14 投 影 和 坐 标 范 围 显 示...3 图 表 4-15 格 式 转 换...3 图 表 4-16 设 置 环 境 变 量 图 表 4-17 设 置 环 境 变 量 图 表 4-18 椭 球 投 影 信 息 的 文 本 文 件...3 图 表 4-19 Raster 向 Tff 文 件 格 式 的 转 换...3 图 表 4-20 最 后 TIFF 文 件 格 式 图 像 的 伪 彩 色 显 示...3 图 表 5-1 Landsat 遥 感 卫 星 轨 道 号 行 号 图...3 图 表 5-2 p123r35 第 波 段 合 成 面 板...3 图 表 5-3 p123r35 第 波 段 合 成 结 果...3 图 表 5-4 Degrade 退 化 处 理...3 I

112 图 表 5-5 p123r35 经 过 Degrade 处 理 后 的 效 果 图...3 图 表 5-6 图 像 的 代 数 运 算...3 图 表 5-7 Mosc 工 具 面 板...3 图 表 5-8 黄 河 流 域 Mosc 拼 接 模 板...3 图 表 5-9 拉 伸 前 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图...3 图 表 5-10 LUT Stretch...3 图 表 5-11 SML 语 言 拉 伸 模 型...3 图 表 5-12 拉 伸 后 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图...3 图 表 5-13 边 界 分 离 后 黄 河 流 域 NDVI 遥 感 参 数 专 题 图...3 图 表 6-1 黄 河 流 域 真 彩 色 合 成 图 像...3 图 表 6-2 黄 河 流 域 非 监 督 分 类...3 图 表 6-3 非 监 督 分 类 模 板...3 图 表 6-4 黄 河 流 域 非 监 督 分 类 结 果...3 图 表 6-5 非 监 督 分 类 的 重 编 码...3 图 表 6-6 非 监 督 分 类 重 编 码 结 果 输 出...3 图 表 6-7 非 监 督 分 类 重 编 码 模 板...3 图 表 6-8 非 监 督 分 类 重 编 码 的 邻 域 分 析...3 图 表 6-9 训 练 区 的 选 择...3 图 表 6-10 监 督 分 类 模 板...3 图 表 6-11 监 督 分 类 模 板 评 价...3 图 表 6-12 黄 河 流 域 监 督 分 类...3 图 表 6-13 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 监 督 分 类 结 果...3 图 表 6-14 边 界 分 离 后 黄 河 流 域 土 地 利 用 类 型 分 类 结 果...3 图 表 6-15 监 督 分 类 结 果 的 邻 域 分 析...3 图 表 年 p123r35 区 域 非 监 督 分 类 结 果...3 图 表 年 p123r35 区 域 监 督 分 类 结 果...3 图 表 年 p123r35 区 域 非 监 督 分 类 河 道 和 湖 泊...3 II

113 图 表 年 p123r35 区 域 监 督 分 类 河 道 和 湖 泊...3 图 表 年 河 道 提 取...3 图 表 年 河 道 提 取...3 图 表 年 和 1994 年 河 道 及 湖 泊 变 化 监 测...3 III

114 表 格 索 引 表 格 1-1 Landsat-7 上 TM 技 术 参 数...3 表 格 1-2 TM 影 像 的 主 要 应 用 范 围...3 表 格 2-1 BSQ 数 据 排 列 表...3 表 格 2-2 直 方 图 统 计 表...3 表 格 2-3 类 别 均 值 与 方 差...3 表 格 3-1 ERDAS IMAGINE 图 标 面 板 菜 单 条...3 V

115 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,1993.2~ 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 [7] JEFF PROSISE. 计 算 机 图 形 半 月 通. 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社,2004 [8] 曾 志 远. 卫 星 遥 感 图 像 计 算 机 分 类 与 地 学 应 用 研 究. 北 京 : 科 学 出 版 社,1~114 [9] 罗 万 勤. 基 于 TM 图 像 的 土 壤 侵 蚀 遥 感 信 息 自 动 识 别 研 究. 黄 河 中 上 游 管 理 局 发 行,2003,89~127 [10] 叶 永 盛.GIS 基 本 原 理 与 应 用 开 发. 吉 林 : 吉 林 大 学 出 版 社,2004,46~93 [11] Kang-tsung cheng. 地 理 信 息 系 统 导 论. 北 京 : 科 学 出 版 社,2004,38~66 [12] Davd C.Kay,John R Levne. 图 形 图 像 文 件 格 式 大 全. 北 京 : 学 苑 出 版 社,1994, 55~71 [13] 王 依. 现 代 普 通 测 量 学. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,2003 VII

116 致 谢 本 毕 业 设 计 论 文 是 在 指 导 老 师 王 光 谦 教 授 和 刘 家 宏 师 兄 的 亲 切 关 怀 和 精 心 指 导 下 完 成 的 王 老 师 渊 博 的 学 识, 敏 锐 的 洞 察 力, 严 谨 的 治 学 态 度 以 及 对 全 局 的 把 握 能 力, 都 对 我 产 生 了 潜 移 默 化 的 影 响, 必 将 在 我 未 来 的 研 究 工 作 中 发 挥 重 要 的 促 进 作 用 在 这 里 向 王 老 师 致 以 诚 挚 的 敬 意 在 完 成 本 论 文 期 间, 泥 沙 研 究 所 的 刘 家 宏 陈 志 祥 李 铁 健 以 及 中 科 院 电 子 所 的 王 思 远 师 兄 给 予 作 者 耐 心 的 指 导 和 帮 助, 在 这 里 向 他 们 表 示 衷 心 的 感 谢 同 时 向 在 本 论 文 撰 写 过 程 中 给 予 作 者 热 情 帮 助 的 同 学 朋 友 表 达 衷 心 的 谢 意 最 后, 感 谢 本 文 审 阅 老 师 们 的 辛 勤 工 作 拙 劣 之 作, 企 盼 斧 正 仅 以 此 文 献 给 所 有 关 心 爱 护 作 者 的 家 人 师 长 朋 友 们 IX

117 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 学 位 论 文, 是 本 人 在 导 师 指 导 下, 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的 成 果 尽 我 所 知, 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外, 本 学 位 论 文 的 研 究 成 果 不 包 含 任 何 他 人 享 有 著 作 权 的 内 容 对 本 论 文 所 涉 及 的 研 究 工 作 做 出 贡 献 的 其 他 个 人 和 集 体, 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 关 于 论 文 内 容 没 有 侵 占 他 人 著 作 权 的 声 明, 放 在 致 谢 之 后 请 认 真 阅 读 声 明 内 容, 全 面 审 视 自 己 的 论 文, 是 否 严 格 遵 守 中 华 人 民 共 和 国 著 作 权 法, 对 他 人 享 有 著 作 权 的 内 容 是 否 都 进 行 了 明 确 的 标 注, 慎 重 签 名 签 名 : 日 期 : XI

118 附 录 A 外 文 资 料 原 文 Forest change detecton by statstcal object-based method Baudoun Desclée, Patrck Bogaert, Perre Defourny Abstract Forest montorng requres more automated systems to analyse the large amount of remote sensng data. A new method of change detecton sproposed for dentfyng forest land cover change usng hgh spatal resoluton satellte mages. Combnng the advantages of mage segmentaton, mage dfferencng and stochastc analyss of the multspectral sgnal, ths OB-Reflectance method s object-based and statstcally drven. From a multdate mage, a sngle segmentaton usng regon-mergng technque delneates multdate objects charactersed by ther reflectance dfference statstcs. Objects consdered as outlers from multtemporal pont of vew are successfully dscrmnated thanks to a statstcal procedure,.e., the teratve trmmng. Based on a ch-square test of hypothess, abnormal values of reflectance dfferences statstcs are dentfed and the correspondng objects are labelled as change. The object-based method performances were assessed usng two sources of reference data, ncludng one ndependent forest nventory, and were compared to a pxel-based method usng the RGB-NDVI technque. Hgh detecton accuracy (>90%) and overall Kappa (>0.80) were acheved by OB-Reflectance method n temperate forests usng three SPOT-HRV mages coverng a 10-year perod. Keywords: Change detecton; Forest; Image segmentaton; Multdate; Satellte mage 1. Introducton Forest ecosystems have never been so affected by human pressure than currently (FAO, 2001). The rapd converson or degradaton of forest envronments s thus of mportant nternatonal concern. Forest montorng manly focuses on detectng and estmatng the land converson rate and, more recently, on assessng carbon stocks n XIII

119 the forest ecosystem. Operatonal systems for montorng and updatng forest maps are thus needed for many applcatons such as forest management, carbon budgetng and habtat montorng (de Wassege & Defourny, 2004; Foody, 2003; Sader et al., 2001). Satellte remote sensng s wdely used to detect forest change and update exstng forest maps. Many change detecton technques have been developed snce the early days of earth observaton. They can be broadly grouped nto three categores: (1) vsual nterpretaton, (2) pxel-based methods and (3) objectbased approaches. Vsual nterpretaton usng sngle or multdate mages requres human expertse (computer-asssted or not) for delmtng and labellng zones that are consdered as changed. Ths method can make full use of an analyst's experence and knowledge. Texture, shape, sze and patterns of the mages are key elements for dentfcaton of land cover change through vsual nterpretaton (Lu et al., 2004). Although ths technque s tme-consumng and requres sklled analysts, vsual nterpretaton s stll wdely used (Asner et al., 2002; Sunar, 1998). Currently, there s no automatc mage processng able to grasp the hgh complexty of land cover changes made by the combnaton of several factors such as the stage or the sze of the change area. That s why change maps produced for large-area projects wth many land cover changes classes lke CORINE Land Cover 2000 (Büttner et al., 2002) or Forest Resources Assessment (FAO, 2001) were stll based on ths technque. Dgtal pxel-based change detecton methods provde more quanttatve and repeatable nformaton compared to vsual nterpretaton. Several authors (Coppn & Bauer, 1996; Luet al., 2004) have revewed pxel-based methods but thers performances are rarely compared to each other. In ths category of technques, the multdate classfcaton or composte analyss that deals wth dfferent satellte mages n one aggregated analyss s known to be straghtforward (Hall et al., 1984). As a XIV

120 附 录 A 外 文 资 料 原 文 ABSTRACT sngle classfcaton s performed n one step, t avods combnng respectve naccuraces that are common wth postclassfcaton comparson procedures. Sader et al. (2001) have stacked the NDVI of 3 dates n a red, green and blue composte to perform an unsupervsed classfcaton. Ths specfc multdate classfcaton denoted as RGB-NDVI avods the need of settng a predefned hstogram threshold, but t requres tranng sample data to label classes. Hayes and Sader (2001) found the RGB-NDVI method to be more accurate than NDVI mage dfferencng and prncpal component analyss. Despte ther good change detecton accuracy, many of these technques are consdered scene-dependent (Lyon et al., 1998; Rogan et al., 2003). The thresholdng step or classfcaton process developed from one set of mages cannot be drectly appled to other regons wth other satellte data. Moreover, more complex procedures combnng several methods have also been proposed but they become dedcated to specfc changes such as urban expanson, confer mortalty and transtons from tundra to boreal forest (L & Yeh, 1998; Macomber & Woodcock, 1994; Slapaswan et al., 2001). Fnally, the man drawback of pxel-based methods s the salt and pepper effect n the resultng maps. Ths s due to the random varaton of the sensor's response, but also to an ntrnsc characterstc of the land cover element tself (Lobo, 1997). Indeed, the useful spatal, or contextual, nformaton between the values of proxmate pxels s most often gnored More recently, object-based methods have been proposed for forest change detecton to combne the contextual analyss of vsual nterpretaton wth the quanttatve aspect of pxel-based approaches. Instead of analysng pxels ndependently of ther locaton, smlar contguous pxels are grouped nto objects. Intally, object boundares specfed by forest stand delneaton vectors were derved from a Geographc Informaton System (GIS) (Coppn & Bauer, 1995; Hekkonen & Varjo, 2004; Kaytakre et al., 2002; Varjo, 1996;Walter, 2004;Wulder et al., 2004). The nterest for object-based methods has ncreased wth the mprovements n mage XV

121 segmentaton technques (Flanders et al., 2003; Mäkelä & Pekkarnen, 2001). Image segmentaton s the dvson of the satellte mage nto spatally contnuous and homogeneous regons, hereafter named as objects. The man advantage of object-based methods s the ncorporaton of contextual nformaton n the change analyss (Flanders et al., 2003). Moreover, the segmentaton reduces the local spectral varaton nducng better dscrmnaton between land cover types (Lobo, 1997). However, although the object delneaton remans crucal, a lmtaton s the defnton of a Mnmum Mappng Unt (MMU). Defned ntally to control the vsual nterpretaton process (Saura, 2002), ths parameter defnes the mnmum sze of an object as calculated by ts number of ncluded pxels (Mäkelä & Pekkarnen, 2001). So, change areas smaller than ths constrant could not be detected by the change analyss. Because of the enormous amount of remote sensng data to analyse, operatonal montorng systems requre more automated methods. An effcent change detecton procedure should be objectve, easy to use, and should requre a lmted number of parameters for extractng changes. Indeed, the huge amount of work that has been done n change-thresholdng of the hstograms of vegetaton-dfference-mages clearly warrants the reducton of human nterventon n the process (Bruzzone & Preto, 2000; Fung & LeDrew, 1988; Jn & Sader, 2005; Le Hégarat-Mascle & Seltz, 2004). By usng an automated procedure, ths tme-consumng human nterpretaton could thus be lmted to the class labellng of the dentfed changed areas. However, n spte of ncreasng demand connected wth nternatonal concern about forests, very few automatc algorthms have been proposed n the lterature (Rogan & Chen, 2004). Takng advantages of object-based technques, two methods have already been developed but they suffered of low detecton performances. The frst one s the unsupervsed technque of Häme et al. (1998) whch s based on change vector analyss. By analysng groups of pxels to reduce the salt and pepper effect, ths XVI

122 附 录 A 外 文 资 料 原 文 ABSTRACT technque does not take advantage of mage segmentaton. The second one s based on a presegmentaton step coupled wth an unsupervsed ISODATA classfcaton (Saksa et al., 2003). Ths technque faled to correctly extract clear-cut areas because the segmentaton and the clusterng algorthm were not approprate (MMU too large and classfcaton based on object dfference means). Ths research ams to develop a new method to extract land cover changes n forest by takng advantages of mage segmentaton, mage dfferencng and stochastc analyss of the multspectral sgnal. Usng hgh spatal resoluton mages, ths method was sought to be scene-ndependent and easy-touse. Ths study also ams to test ths new approach on a multyear SPOT-HRV data set and to compare ts performances to the pxel-based method usng the RGB-NDVI technque. 2. Study ste and data The study ste covers more than 1800km2 and s located n Eastern Belgum. The forests that cover 40% of the total area nclude both decduous and conferous stands, wth the last type beng domnant. Land cover changes are more frequent and cover larger areas n confer stands because they are rather monospecfc and have a shorter explotable age. Whereas dfferent forest management systems coexst, many clear cuttngs occurred n conferous stands on areas rangng from 0.1 to more than 10ha. After clear-cuttngs, the forest regeneraton can ether rely on natural recolonsaton or young tree plantaton. The dstncton between these two regeneraton technques s not possble usng SPOT-HRV data. Three cloud-free multspectral SPOT-HRV mages were acqured over a decade and are consdered as our multdate data set. Near-annversary dates durng the phenologcal peak season were selected n order to reduce the seasonalty effect. The acquston dates for these mages were August 7th 1992 (XS92), July 24th 1995 (XS95) and September 14th 2003 (XS03), respectvely from SPOT-2, -3 and -5 satelltes. The dfference n the spatal resoluton between mages (20m for the frst XVII

123 two and 10m for the last one) was corrected by blnear nterpolaton resamplng of the last mage (XS03) to 20 m. Moreover, because the ShortWave InfraRed band was only avalable for the last acquston, ths spectral band was not used n the study. The 3 spectral bands, respectvely Green (G), Red (R) and Near-Infrared (NIR), were combned for the 3 dates n a 9-band multdate data set. Ancllary data ncluded a forest nventory data layer, GIS topomaps, aeral photographs, the 1990 CORINE Land Cover (CLC) map and a Dgtal Elevaton Model (DEM). The 2003 updated forest nventory of the state-owned forest was provded n GIS vector format ncludng stand propertes, such as the speces composton and the date of the last plantng. Forest stands were delneated from aeral photographs wth a MMU of less than 0.1 ha and stand characterstcs were collected on the feld. Ths ndependent data source was used as reference for the accuracy assessment. Topographc maps of 1:10,000 scale were used for the feld survey. A set of dgtal and orthorectfed aeral photographs of 1:20,000 scale acqured n was also avalable for the selecton of very precse ground control ponts (GCP) for accurate coregstraton and valdaton. The CLC map, as produced by classfcaton of Landsat mages n 1990, served as a coarse ndependent forest mask whch was then vsually mproved. Fnally, a 30m DEM was resampled at 20m by blnear nterpolaton for the orthorectfcaton of the satellte mages. Two preprocessng steps were requred for a meanngful comparson of the satellte mages. Frst, a coregstraton between the three mages was carred out wth hgh precson to avod msregstraton errors nducng false change alerts. Dependng on the satellte mage, a set of 18 to 26GCPs spread over the whole study area were selected from aeral photographs. Orthorectfcaton usng the DEM was then appled on each mage. The Root Mean Square Errors (RMSE) were respectvely 0.51, 0.66 and 0.39 pxels. Secondly, as sgnfcant radometrc dfferences between mages (due XVIII

124 附 录 A 外 文 资 料 原 文 ABSTRACT to geometry of acquston and sensor calbraton) could prevent the comparson of absolute reflectance values n multtemporal analyses (Häme, 1991), the radance of mages was radometrcally corrected nto top-ofatmosphere (TOA) reflectance usng the calbraton parameters of Spotmage (Lllesand & Kefer, 2000). In order to apply the RGB-NDVI method, the Normalzed Dfference Vegetaton Index (NDVI) was calculated from the TOA reflectance channels (NIR and R) respectvely for each mage where From the 3 satelltes mages, two multdate data sets were produced: () the 3 NDVI bands, and () the 9 TOA reflectance channels. 3. Object-based methodology The proposed change detecton method s object-based and statstcally drven. Ths technque, presented n Fg. 1, ncludes 3 steps resultng n the producton of change maps. Frst, the multdate segmentaton parttons the whole mult-year mage nto objects. Second, the object multdate sgnatures are extracted from each object to characterse the object spectrotemporal behavour. Thrd, the multvarate teratve trmmng s a statstcal procedure to dentfy changed objects based on thers object sgnatures. Over the tme span covered by a sequence of satellte mages, the change detecton algorthm ams to dstngush changed objects, correspondng to areas wth (land cover) change, from unchanged objects (.e., regular forest growth stands). The proposed algorthm reles on three basc assumptons: () changes are rare and concern a small part of the total study area, () unchanged objects exhbt smlar reflectance dfferences and () changes nduce large surface reflectance varaton and abnormal reflectance dfferences. Assumng these hypotheses hold, the XIX

125 algorthm measures for each object the surface reflectance varaton over tme and compares t between objects. Object exhbtng abnormal reflectance change over tme can thus be statstcally dentfed and labelled as changed areas. It s worth notng that the proposed basc assumptons are most often respected for forested areas, even f the change proporton clearly depends on the tme nterval between observatons as well as on the regon sze. As a confrmaton of the second assumpton, Lang et al. (1997) and Coppn and Bauer (1994) take advantage of unchanged forests as stable targets for radometrc calbraton between multdate mages Multdate segmentaton Image segmentaton s the process of parttonng an mage nto groups of pxels that are spectrally smlar and spatally adjacent, by mnmzng the wthn-object varablty compared to the between-object varablty. The object delneaton has been acheved here usng a general segmentaton algorthm based on homogenety defntons, n combnaton wth local and global optmsaton technques, as mplemented n the e- Cognton commercal software (Baatz & Schäpe, 2000). The segmentaton algorthm s a regon-mergng technque whch fuses the objects accordng to an optmsaton functon gven by Eq. (2), wth where nb s the number of spectral bands, σb s the wthn-object varance for the spectral band b, l s the object border length, np s the number of pxels and lr s the shortest possble length gven the rectangle boundng the pxels (although each band b can potentally have a specfc weght, referred to as wb, the same weght has been consdered for all bands n ths study). Ths functon also ncludes three knds of XX

126 附 录 A 外 文 资 料 原 文 ABSTRACT user-defned parameters or weghts. The spectral parameter wsp, tradng spectral homogenety vs. object shape, s ncluded n order to obtan spectrally homogenous objects whle rregular or branched objects are avoded. The compactness parameter wcp, tradng compactness vs. smoothness, adjusts the object shape between compact objects and smooth boundares. Fnally, correspondng to the threshold of heterogenety, the scale parameter hsc controllng the object sze has been selected n order that the mnmum object sze match to the Mnmum Mappng Unt (MMU). Tradtonally, the segmentaton process has only been appled to one sngle satellte mage (Flanders et al., 2003; Mäkelä & Pekkarnen, 2001; Wulder et al., 2004). In ths study, objects are defned n a sngle operaton from the whole set of spectral bands usng all sequental mages together. Ths approach, hereafter denoted as multdate segmentaton, reles on spatal, spectral and temporal nformaton to delneate sutable objects, so that pxels that are spectro-temporally smlar n a nb-dmensonal space are grouped together, where nb refers to the number of dfferent spectral bands for the set of sequental mages Object multdate sgnature In order to compare the multdate evoluton of the spectral sgnal, the reflectance of the three sequental (dates 1, 2 and 3) satellte mage was subtracted par-wse for all pxels belongng to the same object. Thus, two dfference mages were computed from the successve observatons,.e., dates 2 1 and dates 3 2. For each object delneated by the prevous multdate segmentaton, the dstrbuton of the reflectance dfference values was summarzed by a multdate sgnature. Ths sgnature ncludes two descrptve statstcs,.e., the mean (M) and the standard devaton (S), correspondng respectvely to a measure of surface reflectance dfference and heterogenety. As these dfferences are computed for each band, the multdate sgnature Xj of each object can be defned as a vector, wth XXI

127 where refers to the object, j (wth j=1 or 2) refers to the mage dfference consdered, and b refers to the number of spectral bands Multvarate teratve trmmng Usng the vectors as defned n Eq. (3), changed objects from the unchanged ones were separated by a statstcal analyss usng an teratve trmmng procedure. Trmmng s defned as the removal of extreme values that behave lke outlers. The common purpose of ths procedure s to reduce the senstvty to outlers for many parameter estmates, such as the sample mean and varance (Kotz et al., 1988). In the case of a Gaussan dstrbuton, the trmmed mean s a robust estmaton of the mean that s not affected by outlers. Accordng to Bckel (1965), ths estmator s effcent under a varety of crcumstances. More detals about ths technque can be found n Huber (1972), Hoagln et al. (1983) and Lee (1995). It s worth notng that the trmmng procedure s appled here n a slghtly dfferent context. Whle typcally used to elmnate abnormal values, these values need to be kept n our context, as the correspondng objects are classfed as changed. The object reflectance dfferences over tme are smlar for undsturbed forests because the local forest heterogenety s effcently smoothed out by the combnaton of mage dfferencng and mage segmentaton. Assumng that observed dfferences are due to varous uncontrolled factors, the dstrbuton of the multdate sgnature parameters for unchanged objects could be reasonably approxmated by a Gaussan dstrbuton (ths asserton wll be valdated from the results of the analyss). These lmted modfcatons of the temporal reflectances are also expected to sharply contrast wth the hgh and heterogeneous reflectance modfcatons n the case of forest change. The statstcal values for changed objects thus tend to be located manly n the head and tal of the dstrbuton, so that they behave lke outlers wth XXII

128 附 录 A 外 文 资 料 原 文 ABSTRACT respect to those for unchanged objects. In ths study, the trmmng procedure was performed n ts multvarate verson, that takes smultaneously nto account the dfferent object statstcs appearng n each vector Xj. The combnaton of several varables by way of multvarate analyses strengthened the analyss. Usng smultaneously the object standard devaton of reflectance dfference n addton to the object mean of reflectance dfference for all spectral bands, the capablty of detectng changes ncreases, as e.g., these changes may affect the varous spectral bands to dfferent extents. As proposed above, let us assume that for unchanged objects, Xj s Gaussan dstrbuted wth mean vector mj and covarance matrx Σj, so that we can defne where Cj s ch-square dstrbuted wth 2b degrees of freedom. We can thus wrte that.e., for a chosen probablty level 1 α(wth 1 α=0.99, for example), we can dentfy a value χ1 α 2 (2b) that Cj wll only exceed wth probablty α. If α s chosen to be small, a smple hypothess test at the 1 αconfdence level conssts of dentfyng any Cj value that exceeds ths threshold as a potentally outlyng value, so that n our context the correspondng object s flagged as changed. Ths procedure s smlar to the approach appled by Rdd and Lu (1998) usng a pxel-based approach, whch proved to be effcent to detect changes n an urban envronment. The confdence level 1 α can be optmsed to the applcaton at hand thanks to a tranng data set. Clearly, applyng Eq. (4) can only be done f one knows the correspondng mj XXIII

129 and Σj. These can be ntally estmated drectly from the whole set of correspondng Xj vectors, but as ths set s precsely expected to contan outlyng values, ths could lead to poor estmates. We thus propose to use Eqs. (4) and (5) n an teratve approach. Intal estmates mˆ j and Σˆ j are computed from the whole set of objects, and a frst trmmng s appled. From the set of objects flagged as unchanged, new estmates mˆ j and Σˆ j are obtaned, and trmmng can be appled agan. Ths teratve procedure s stopped when no new objects are flagged as changed. Instead of extractng changed objects n a sngle step from poor ntal estmates mˆ j and Σˆ j, the selecton of outlers thus becomes fner at each new teraton. An llustraton of the teratve procedure results s gven n Fg. 2, where only a sngle band has been used for the sake of smplcty; as the number of teratons ncreases, the correspondng confdence ellpses shrnk progressvely untl no more addtonal changed objects are dentfed. Among the varous accuracy assessment methods presented by Bgng et al. (1999) and Foody (2002), the change detecton error matrx was chosen and XXIV

130 附 录 A 外 文 资 料 原 文 ABSTRACT computed for each change map. Accordng to Zhan et al. (2002), 4 accuracy ndces derved from ths error matrx are requred to compare these change detecton methods. The overall accuracy s the proporton of changed and unchanged elements (objects or pxels) that are correctly classfed by the method. The detecton accuracy s the proporton of correctly detected changed elements. The omsson error s the proporton of omtted changed elements, whle the commsson error s the proporton of falsely detected unchanged elements. κ analyss (Cohen, 1960) uses the overall Kappa and the per-class Kappa statstc, whch s a measure of accuracy or agreement based on the dfference between the error matrx and chance agreement (Rosenfeld & Ftzpatrck-Lns, 1986). As descrbed above, the whole procedure was only appled on a sngle mage dfference. It was, however, repeated respectvely for both mage dfferences and the results were combned, n the sense that an object detected as an outler n at least one of the statstcal tests was consdered as changed for the whole change detecton process. 4 Acknowledgements Ths research has been funded by the Belgan Natonal Fund for Scentfc Research (FNRS) by the way of an FRIA grant. The satellte data have been made avalable by the Belgan Scence Polcy Offce (BSPO). The authors wsh to thank the Dvson of Nature and Forest" (DNF) for provdng them wth the forest nventory GIS data and the Natonal Geographc Insttute (NGI) for the Top10v-GIS data used for the feld survey. The authors thank also the revewers for ther constructve comments and remarks. XXV

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132 附 录 B 外 文 资 料 的 书 面 翻 译 以 实 物 分 类 统 计 方 法 为 基 础 的 森 林 变 化 动 态 监 测 Baudoun Desclée, Patrck Bogaert, Perre Defourny 摘 要 : 森 林 监 测 需 要 更 多 的 自 动 化 系 统 来 分 析 和 处 理 大 量 的 遥 感 数 据 由 于 高 空 间 分 辨 率 遥 感 影 像 的 使 用, 一 种 新 的 探 测 方 法 已 为 森 林 覆 盖 动 态 监 测 提 供 了 可 能 该 方 法 综 合 图 像 分 割 技 术 图 像 动 态 变 化 分 析 技 术 和 多 光 谱 随 机 信 号 处 理 技 术, 通 过 统 计 手 段, 可 以 对 地 面 实 物 进 行 区 分 地 面 实 物 区 分 的 物 理 本 质 是 不 同 地 物 对 电 磁 波 反 射 强 度 不 同, 而 相 同 地 面 实 物 认 为 对 电 磁 波 具 有 相 同 的 反 射 强 度, 通 过 运 用 图 像 区 域 融 合 手 段, 对 地 面 实 物 达 到 区 分, 并 可 对 不 同 区 域 进 行 分 别 处 理 原 来 图 像 上 同 一 地 物 经 常 无 法 区 分, 观 点 不 一, 但 是 由 于 统 计 学 的 发 展, 边 界 迭 代 整 缘 方 法 的 进 步, 这 一 问 题 得 到 了 很 好 的 解 决 我 们 对 一 块 温 带 雨 林 的 矩 形 区 域 进 行 了 测 试, 根 据 不 同 实 物 对 电 磁 波 反 射 规 律 的 统 计, 运 用 统 计 方 法, 对 跨 越 十 年 SPOT-HRV 遥 感 影 像 上 变 化 的 像 元 进 行 标 识, 并 将 其 作 为 是 实 际 地 物 的 变 化, 得 到 了 我 们 预 想 的 结 果 该 结 果 通 过 与 实 测 数 据 的 比 较, 准 确 率 达 到 90% 以 上 关 键 词 : 变 化 监 测 森 林 图 像 分 割 多 时 期 遥 感 影 像 1 简 介 人 类 对 森 林 生 态 系 统 的 影 响 比 历 史 上 任 何 一 个 时 期 都 要 严 重 森 林 生 态 环 境 的 破 坏 和 转 化 已 经 得 到 了 全 世 界 的 关 注 森 林 监 测 系 统 主 要 任 务 是 监 测 和 评 估 森 林 土 地 利 用 转 化 率, 现 在 人 们 也 将 其 用 来 评 估 森 林 系 统 含 碳 量 的 变 化 森 林 监 测 和 用 来 森 林 地 图 更 新 的 操 作 系 统 被 广 泛 需 要, 例 如 森 林 管 理 含 碳 量 预 XXVII

133 算 栖 息 地 监 测 等 等, 都 需 要 该 系 统 的 支 持 和 帮 助 卫 星 遥 感 影 像 被 广 泛 使 用 在 森 林 变 化 探 测 和 森 林 地 图 更 新 等 方 面 基 于 早 期 的 地 球 表 面 观 测 数 据, 很 多 监 测 系 统 已 经 建 立 起 来 这 些 系 统 大 致 可 以 分 为 三 类 :(1) 视 觉 人 工 解 译 ;(2) 像 素 区 分 法 ;(3) 实 物 区 分 法 视 觉 人 工 解 译 使 用 单 时 期 或 多 时 期 图 像, 人 们 通 过 自 己 的 经 验 对 实 物 边 界 进 行 划 分, 并 标 识 出 变 化 区 域 该 方 法 需 要 人 工 技 能 和 经 验 的 大 量 参 与, 纹 理 外 形 尺 寸 和 图 像 类 型 等 都 是 该 方 法 用 来 解 译 地 物 地 貌 的 关 键 因 素 虽 然 该 方 法 需 要 花 费 大 量 的 时 间 并 需 要 经 验 丰 富 的 分 析 人 员, 视 觉 人 工 解 译 方 法 仍 被 广 泛 使 用 目 前, 还 没 有 任 何 一 种 自 动 化 图 像 处 理 系 统 能 够 准 确 地 表 现 高 复 杂 地 物 地 貌 的 动 态 变 化, 再 加 上 所 研 究 区 域 发 展 变 化 和 面 积 大 小 的 影 响, 复 杂 性 也 大 大 提 高 了 这 也 是 现 在 许 多 反 应 地 面 覆 盖 变 化 的 地 图, 诸 如 CORINE 地 面 覆 盖 2000 森 林 资 源 评 估 图 等 仍 采 用 人 工 解 译 方 法 的 原 因 像 元 区 分 的 数 字 方 法 较 人 工 解 译 可 以 提 供 更 多 的 和 可 重 复 利 用 的 信 息 几 位 作 者 曾 经 对 像 元 区 分 的 各 种 方 法 进 行 了 回 顾, 但 遗 憾 的 是 这 些 方 法 的 效 果 究 竟 如 何, 它 们 之 间 很 少 有 比 较 在 这 类 方 法 中, 对 多 时 段 和 不 同 类 型 遥 感 影 像 的 综 合 分 析 方 法 是 发 展 最 快 的 每 一 步 只 对 一 种 地 物 进 行 分 类 和 操 作, 也 避 免 了 每 次 进 行 分 类 时 误 差 的 积 累 Sader et al. (2001) 曾 对 3 个 不 同 时 期 的 RGB-NDVI 图 像 做 了 叠 加, 并 对 其 进 行 了 监 督 分 类 这 种 特 定 的 RGB-NDVI 多 时 段 影 像 分 类 方 法 避 免 了 开 始 对 灰 度 直 方 图 的 设 置, 但 它 需 要 一 块 训 练 区 对 地 物 类 别 进 行 标 识 该 方 法 的 精 确 率 比 较 高, 但 此 类 方 法 的 可 移 植 性 不 是 很 好, 随 着 遥 感 数 据 和 研 究 区 域 的 变 化, 图 像 的 前 期 处 理 和 整 个 处 理 流 程 一 般 情 况 下, 都 会 发 生 变 化 此 外, 几 种 方 法 的 联 合 使 用 在 实 际 中 也 经 常 别 采 用, 但 是 它 只 对 几 种 特 定 的 动 态 变 化 较 为 有 效, 例 如 城 市 扩 张 植 被 死 亡 变 化 植 被 由 冻 土 地 带 向 北 部 森 林 迁 移 等 方 面 由 像 素 区 分 方 法 最 后 得 到 的 分 类 图 像 往 往 噪 声 点 比 较 多, 食 盐 胡 椒 粉 效 应 比 较 明 显 这 主 要 是 由 于 卫 星 传 感 器 的 随 机 变 化 以 及 地 面 实 物 的 固 有 特 征 引 起 的 确 实, 该 方 法 只 对 像 素 自 身 进 行 了 变 换, 而 对 与 其 空 间 相 关, 有 密 切 联 系 的 周 围 的 像 素 点 没 有 考 虑 XXVIII

134 附 录 B 外 文 资 料 的 书 面 翻 译 ABSTRACT 最 近, 以 实 物 区 分 为 基 础 的 方 法 已 经 用 于 森 林 监 测 系 统, 该 方 法 综 合 了 人 工 解 译 分 析 和 像 素 区 分 方 法, 收 到 了 很 好 的 成 效 替 代 了 传 统 的 对 像 元 空 间 位 置 的 单 一 分 析, 属 性 相 似 的 临 近 像 元 也 被 划 归 到 对 应 的 实 物 之 内 起 初, 实 物 边 界 确 定 由 的 矢 量 信 息 由 地 理 信 息 系 统 GIS 获 得, 之 后, 伴 随 着 图 像 分 割 技 术 的 日 益 改 善, 运 用 越 来 越 成 熟 的 实 物 区 分 方 法 对 图 像 进 行 分 割 所 谓 的 图 像 分 割 就 是 把 一 幅 遥 感 影 像 分 割 成 许 多 空 间 连 续, 同 类 的 区 域, 即 我 们 这 里 所 说 的 实 体 实 体 区 分 方 法 的 主 要 优 点 就 是 在 动 态 变 化 分 析 中 能 综 合 考 虑 周 围 实 体 的 相 关 信 息, 而 不 是 单 单 考 虑 像 素 本 身 而 且, 该 方 法 有 利 于 减 小 当 地 光 线 变 化 的 影 响, 对 相 邻 地 物 的 区 分 更 加 有 利 然 而, 尽 管 地 物 的 描 绘 是 至 关 重 要 的, 但 最 小 制 图 单 元 即 实 物 中 包 含 的 最 少 像 元 数 的 限 制, 使 得 少 于 该 像 元 数 的 动 态 变 化 不 能 被 观 测 到 因 为 遥 感 影 像 数 据 量 的 巨 大, 运 行 的 监 测 系 统 需 要 更 加 自 动 化 的 快 捷 方 法 一 个 有 效 的 高 效 率 的 动 态 监 测 过 程 应 该 是 客 观 的, 容 易 使 用 的, 在 提 取 变 化 时 需 要 较 少 的 经 验 参 数 事 实 确 实 如 此, 在 植 被 区 分 遥 感 影 像 的 初 始 直 方 图 处 理 过 程 中, 人 为 的 干 涉 已 经 被 大 大 减 少 通 过 自 动 化 过 程 的 实 现, 耗 费 时 间 的 人 工 解 译 过 程 已 被 大 大 简 化, 人 为 的 过 程 仅 限 于 在 已 监 测 到 的 变 化 类 别 的 标 识 上 尽 管 国 际 上 对 保 护 森 林 的 呼 声 是 越 来 越 高, 但 基 于 实 物 区 分 的 有 效 的 动 态 监 测 方 法 在 文 献 中 还 是 很 少 提 及 的 为 了 充 分 利 用 基 于 实 物 区 分 方 法 的 动 态 监 测 技 术, 两 种 方 法 目 前 已 有 发 展, 但 是 效 果 似 乎 并 不 是 特 别 的 好 第 一 种 是 基 于 矢 量 分 析 变 换 的 非 监 督 分 析 方 法, 通 过 对 一 组 像 元 的 滤 波 分 析, 减 小 食 盐 胡 椒 粉 效 应, 但 是 这 种 方 法 没 有 利 用 到 图 像 分 割 技 术 ; 第 二 种 可 以 说 是 一 种 加 强 的 ISODATA 分 类 方 法, 但 这 种 方 法 对 边 界 的 区 分 不 是 很 好 本 项 研 究 旨 在 通 过 对 图 像 分 割 技 术 图 像 差 别 分 析 多 光 谱 随 机 信 号 处 理 的 探 讨, 开 发 一 种 新 方 法 来 提 取 地 面 覆 盖 的 动 态 变 化 并 且 通 过 对 高 空 间 分 辨 率 遥 感 影 像 的 使 用, 该 方 法 也 应 该 是 非 常 容 易 使 用, 且 与 所 研 究 的 具 体 地 点 无 关 本 项 研 究 也 对 采 用 SPOT-HRV 的 实 物 区 分 法 和 采 用 RGB-NDVI 的 像 素 区 分 法 实 际 进 行 了 比 较 XXIX

135 2 研 究 场 地 和 数 据 研 究 场 地 覆 盖 面 积 达 1800 平 方 千 米, 位 于 比 利 时 的 东 部 地 区 森 林 覆 盖 面 积 占 当 地 总 面 积 的 40%, 其 中 包 括 每 年 落 叶 和 常 年 不 落 叶 等 松 类 树 种 地 面 覆 盖 的 变 化 非 常 频 繁, 针 叶 树 生 存 面 积 很 广, 这 主 要 由 它 们 种 族 的 特 异 性 和 较 短 的 可 开 发 周 期 所 致 然 而 对 森 林 的 管 理 却 多 种 方 法 并 存, 在 针 叶 林 中 的 砍 伐 面 积 也 是 从 0.1 到 10 公 顷 不 等, 没 有 详 细 而 科 学 的 规 定 树 木 砍 伐 过 后, 森 林 的 恢 复 一 方 面 依 靠 大 自 然 自 身 的 恢 复, 另 一 方 面 依 靠 新 树 种 的 栽 培 对 这 两 种 再 生 方 法 的 区 分 和 选 择, 没 有 SPOT-HRV 数 据 的 支 持, 是 不 可 能 达 到 的 我 们 选 择 了 三 张 跨 越 十 年 的 多 光 谱 SPOT-HRV 影 像, 以 及 一 些 整 年 时 的 数 据 用 来 消 除 季 节 性 的 辐 射 影 响 这 三 张 影 像 的 拍 摄 日 期 是 1992 年 8 月 7 日,1995 年 7 月 24 日 和 2003 年 9 月 14 日, 它 们 分 别 来 自 SPOT-2,-3 和 -5 遥 感 卫 星 前 两 张 影 像 的 空 间 分 辨 率 为 20m, 第 三 张 的 空 间 分 辨 率 为 10m, 第 三 张 影 像 经 过 双 线 性 的 采 样 差 值, 分 辨 率 已 经 调 整 到 20m 此 外, 因 为 仅 有 2003 年 的 影 像 具 有 短 波 红 外 波 段, 因 此 在 此 次 研 究 中, 该 波 段 影 像 并 未 采 用, 对 每 幅 遥 感 影 像 采 用 了 绿 光 波 段 红 光 波 段 和 近 红 外 波 段, 这 样 三 个 不 同 时 期 的 影 像, 共 9 个 波 段, 构 成 了 一 景 综 合 的 遥 感 影 像 附 加 数 据 还 包 括 一 个 森 林 目 录 图 层 GIS 图 层 1990CORIN 地 面 覆 盖 图 和 地 面 高 程 数 据 GIS 中 的 矢 量 格 式 数 据 包 括 了 所 研 究 区 域 2003 年 最 新 森 林 统 计 数 据 信 息, 包 括 树 种 的 成 分 和 上 次 耕 种 的 时 间 等 航 空 图 片 中 对 森 林 的 最 小 拍 摄 面 积 为 0.1 公 顷, 树 种 的 特 征 在 航 空 图 片 上 体 现 出 来, 该 独 立 的 数 据 源 作 为 精 确 评 估 的 参 考 数 据 1:10000 的 地 形 图 用 作 地 面 调 查 参 考, 还 有 一 些 1997 年 至 1998 年 的 1:20000 的 正 射 投 影 数 字 化 航 空 图 片 可 作 为 几 何 控 制 点, 用 于 精 确 的 定 点 定 位 1990 年 使 用 Landsat 卫 星 数 据 得 到 的 地 面 覆 盖 分 类 图, 可 以 作 为 一 个 大 致 的 独 立 的 森 林 图 像 掩 膜, 将 来 可 以 通 过 可 视 化 直 接 进 行 改 善 最 后 通 过 对 20m 分 辨 率 的 影 像 经 过 重 采 样, 可 以 得 到 30m 的 地 面 高 程 数 据, 用 作 遥 感 卫 星 影 像 的 辐 射 校 正 在 对 多 幅 遥 感 影 像 进 行 有 意 义 的 比 较 中, 有 两 个 步 骤 是 需 要 的 首 先, 对 XXX

136 附 录 B 外 文 资 料 的 书 面 翻 译 ABSTRACT 三 幅 图 像 进 行 高 精 度 的 几 何 校 正, 避 免 图 像 融 合 处 理 时 造 成 的 误 差 根 据 不 同 种 类 的 遥 感 影 像, 一 般 需 要 在 航 片 上 选 择 覆 盖 整 个 研 究 区 域 的 18 到 26 个 几 何 控 制 点 进 行 几 何 校 正, 并 且 通 过 DEM 数 据, 对 每 幅 图 像 进 行 辐 射 校 正, 三 张 图 片 的 标 准 差 分 别 达 到 和 0.39 个 像 素 其 次, 考 虑 到 图 像 间 地 物 辐 射 强 度 的 较 大 差 异 可 能 会 影 响 图 像 多 波 段 绝 对 辐 射 强 度 分 析, 所 以 图 像 中 像 素 所 代 表 实 际 地 物 的 辐 射 率 要 通 过 SPOT 影 像 参 数 校 正 为 TOA 反 射 系 数 为 了 采 用 RGB-NDVI 方 法, 需 要 对 每 幅 图 像 使 用 TOA 反 射 系 数 值 计 算 出 NDVI 值, 计 算 公 式 如 下 : NDVI = NIR NIR 这 样 从 原 始 的 三 幅 遥 感 影 像 中 得 到 了 两 种 成 品 图 : 其 一 是 通 过 各 幅 图 像 的 3 个 波 段 得 到 的 3 幅 NDVI 图 ; 其 二 是 9 波 段 合 成 的 TOA 反 射 系 数 图 像 3 实 物 区 分 法 动 态 监 测 采 用 的 方 法 是 基 于 实 物 和 统 计 手 段 的 区 分 方 法 使 用 该 方 法 得 到 最 后 的 动 态 监 测 地 图 需 要 经 过 3 个 步 骤 其 一 将 多 时 段 影 像 中 开 始 的 孤 立 点 分 割 为 一 个 个 的 实 物 ; 其 二 从 各 个 实 物 当 中 提 取 标 识 实 物 不 同 阶 段 行 为 的 不 同 时 段 属 性 信 息 ; 其 三 根 据 实 物 的 属 性 信 息, 运 用 统 计 学 手 段 进 行 多 变 量 的 边 界 迭 代 处 理 借 助 跨 越 时 段 的 一 组 遥 感 影 像, 动 态 变 化 监 测 旨 在 区 分 出 变 化 实 体, 相 应 的 借 助 未 变 化 实 体 由 变 化 实 体 得 到 我 们 所 最 终 想 要 得 变 化 区 域 实 物 区 分 方 法 依 赖 于 三 个 假 设 :(1) 只 考 虑 整 个 研 究 区 域 的 一 小 部 分, 并 且 变 化 范 围 不 大 ; (2) 未 变 化 区 域 表 现 出 相 似 的 反 射 系 数 差 异 ;(3) 变 化 部 分 引 起 大 面 积 反 射 比 变 化 和 非 正 常 的 反 射 系 数 差 异 如 果 这 些 假 设 成 立, 实 物 区 分 法 的 运 算 法 则 就 可 衡 量 不 同 实 物 相 应 表 面 的 反 射 系 数 随 着 时 间 的 变 化, 并 可 以 在 不 同 实 物 之 间 进 行 比 较, 实 物 随 着 时 间 推 移 表 现 出 的 反 射 系 数 非 正 常 改 变, 可 以 通 过 统 计 学 进 行 确 认, 并 标 识 为 变 化 区 域 虽 然 森 林 的 变 化 状 况 受 监 测 的 时 间 间 隔 和 地 域 面 积 影 响 很 大, 但 就 森 林 的 实 际 情 况 来 讲, 这 三 条 假 设 是 基 本 成 立 的 为 了 证 实 第 二 条 假 设,Lang et al. (1997) 和 Coppn and Bauer (1994) 充 分 利 用 不 变 的 实 + R R (1) XXXI

137 物, 将 其 作 为 多 时 段 遥 感 影 像 中 电 磁 波 辐 射 强 度 的 稳 定 参 考 3.1 多 时 段 分 割 所 谓 的 图 像 分 割 就 是 就 是 通 过 实 物 与 相 邻 实 物 的 相 互 比 较, 对 实 物 的 变 化 范 围 求 最 小 值, 将 图 像 分 割 成 若 干 块 儿 空 间 连 续, 性 质 相 似 的 像 元 群 对 于 实 物 的 具 体 计 算 和 描 述 实 际 上 是 由 类 似 的 一 种 全 局 和 局 部 最 优 化 技 术 引 伸 过 来 的, 该 技 术 在 Cognton 商 业 软 件 中 得 到 应 用 这 种 图 像 分 割 的 运 算 方 法 是 一 种 图 像 融 合 技 术, 它 将 相 同 性 质 的 像 元 融 合 为 实 物 主 要 是 根 据 一 个 最 优 化 函 数, 函 数 的 具 体 表 达 式 如 下 : (2) 其 中 nb 代 表 光 谱 的 波 段 数, σ 是 实 物 中 相 对 于 波 段 b 的 变 化 量,l 是 实 体 边 界 b 长 度,np 是 实 物 中 像 元 总 数,lr 是 包 含 实 物 最 小 矩 形 的 长 边 值 ( 尽 管 对 于 不 同 的 波 段 b 都 有 一 个 潜 在 的 值 w, 但 在 本 项 研 究 中 都 取 相 同 值 ) 函 数 中 还 包 含 了 b 用 户 自 定 义 的 参 数 值 光 谱 参 数 w, 反 映 实 物 光 谱 同 性 与 实 物 形 状 之 间 的 关 系, sp 通 过 它 可 以 选 择 出 光 谱 同 性 的 实 物, 而 将 不 形 状 不 规 则 和 有 分 叉 的 实 物 排 除 在 外 第 二 个 参 数 值 是 w, 这 里 叫 做 修 剪 指 数, 用 来 使 实 物 均 匀 化, 边 界 更 平 滑 cp 最 后, 考 虑 到 最 初 选 择 的 同 质 区 域 作 为 实 物, 定 义 了 比 例 参 数 h sc, 用 来 控 制 选 择 到 的 实 物 尺 寸 以 和 最 小 地 图 单 元 MMU 相 匹 配 传 统 的 做 法, 图 像 分 割 只 针 对 单 波 段 的 遥 感 影 像, 在 这 个 研 究 中, 实 物 的 定 义 和 提 取 是 在 多 波 段 合 成 的 多 光 谱 遥 感 影 像 中 进 行 的 这 个 过 程 也 就 是 所 谓 的 多 时 段 图 像 分 割, 它 的 效 果 好 坏 依 赖 于 空 间 条 件 光 谱 条 件 描 述 实 物 的 现 时 信 息 等, 只 有 这 些 条 件 能 够 较 好 的 满 足, 这 样 才 能 保 证 具 有 相 同 性 质 的 像 素 能 在 多 波 段 的 遥 感 影 像 空 间 中 被 划 分 到 一 起 这 里 的 空 间 指 一 系 列 影 像 中 的 所 有 波 段 空 间 3.2 实 物 多 时 段 属 性 XXXII

138 附 录 B 外 文 资 料 的 书 面 翻 译 ABSTRACT 为 了 比 较 多 时 段 光 谱 信 号 的 变 化, 三 幅 连 续 时 段 ( 波 段 1 2 3) 的 反 射 系 数 需 要 进 行 相 减 运 算 这 样 从 连 续 观 察 的 三 幅 影 像 中 可 以 得 到 两 幅 差 值 图 像, 分 别 是 由 波 段 2 减 波 段 1 和 波 段 3 减 波 段 2 得 到 的 对 于 每 个 实 物 而 言, 通 过 与 前 一 幅 遥 感 影 像 的 比 较, 多 时 段 属 性 表 已 经 记 录 了 实 物 所 发 生 的 变 化, 其 中 包 括 了 两 个 比 较 重 要 的 参 数, 即 平 均 值 M 和 标 准 差 S, 用 来 反 映 实 物 表 面 反 射 系 数 的 差 异 和 不 同 当 所 有 波 段 遥 感 影 像 反 射 系 数 的 差 异 都 被 计 算 出 来 以 后, 对 于 每 个 实 物 的 多 时 段 属 性 值 矢 量, 即 : X j 可 以 定 义 成 为 一 个 XXXIII

139 X j ' ( M j1, LM jb, Sj1, LSjb ) = (3) 其 中 是 实 物 编 号,j(j=1 2) 是 图 像 编 号,b 是 所 利 用 图 像 的 光 谱 波 段 数 3.3 多 变 量 迭 代 边 界 处 理 借 助 上 面 所 定 义 的 矢 量, 变 化 实 体 从 非 变 化 实 体 中 的 提 取 主 要 是 通 过 统 计 分 析 以 及 边 界 的 迭 代 过 程 实 现 的 所 谓 的 边 界 提 取 操 作 就 是 不 需 要 像 元 的 排 除 过 程, 该 过 程 的 目 的 也 是 为 了 降 低 不 需 要 像 元 对 多 个 估 计 参 数 的 灵 敏 度, 比 如 均 值 和 方 差 等, 以 达 到 对 边 界 层 的 提 取 由 高 斯 分 类 法 所 得 到 的 均 值 就 是 众 多 均 值 中 一 个 有 效 的 估 计, 它 几 乎 不 受 外 界 像 元 的 影 响, 这 种 分 类 方 法 根 据 Bckel(1965) 等 人 的 试 验, 发 现 它 所 得 到 的 估 计 值 在 众 多 场 合 下 是 非 常 有 效 的 该 方 法 的 详 细 描 述 可 以 参 阅 Huber (1972),Hoagln et al. (1983) 和 Lee (1995) 等 人 的 著 作 运 用 该 边 界 处 理 程 序 可 以 对 实 物 所 发 生 的 微 小 变 化 进 行 监 测, 而 对 所 排 除 异 常 像 元 的 状 态 值 则 需 要 保 留, 以 便 于 对 相 应 实 物 变 化 量 的 提 取 对 于 从 未 受 到 干 扰 的 森 林, 其 实 物 的 反 射 系 数 差 异 随 时 间 变 化 是 不 明 显 的, 这 主 要 是 因 为 通 过 图 像 差 异 的 融 合 过 程 和 图 像 分 割 处 理, 当 地 森 林 的 不 同 成 分 已 经 被 均 匀 化 了 假 设 观 察 到 的 变 化 差 异 是 由 各 种 非 控 制 因 素 造 成 的, 则 对 于 未 变 化 实 物 的 多 时 段 属 性 参 数 通 过 高 斯 分 类 法 是 可 以 比 较 合 理 的 估 计 出 来 的 ( 该 论 断 通 过 对 实 验 结 果 的 分 析 已 经 得 到 验 证 ) 这 些 对 当 时 反 射 系 数 的 有 限 的 修 正 也 希 望 能 够 敏 锐 的 反 映 出 当 森 林 发 生 变 化 时 反 射 系 数 复 杂 和 混 乱 的 变 化 对 变 化 区 域 的 参 数 统 计 也 一 般 在 分 类 的 开 始 或 结 束 时 进 行, 以 便 于 对 它 们 可 以 像 对 待 未 变 化 区 域 进 行 处 理 现 在 矢 量 在 本 项 研 究 中, 边 界 处 理 过 程 采 取 了 多 变 量 方 式, 同 时 采 用 了 不 同 实 物 出 X j 中 的 统 计 数 据, 多 变 量 的 综 合 考 虑 和 联 合 分 析 增 强 了 对 边 界 的 处 理 效 果 同 时 由 于 使 用 了 遥 感 影 像 中 有 关 实 物 所 有 波 段 的 反 射 系 数 均 值 和 方 差, 对 森 林 变 化 的 监 测 能 力 也 大 大 增 强, 这 些 变 化 对 不 同 的 波 段 也 有 不 同 的 影 响 程 度 像 上 面 所 提 出 的, 我 们 假 设 未 变 化 实 物 通 过 高 斯 分 类 法, 得 到 了 平 均 向 量 值 m 和 协 方 差 矩 阵, 这 是 我 们 可 以 定 义 : j j XXXIV

140 附 录 B 外 文 资 料 的 书 面 翻 译 ABSTRACT 其 中 C 具 有 2b 自 由 度 空 间, 这 样 我 们 可 以 得 到 : j 2 也 就 是 说, 对 于 1 α 置 信 区 间, 我 们 可 以 确 定 (2 ) 超 出 该 区 间 的 可 能 性 仅 有 χ1 α b α 如 果 α 被 选 择 的 很 小, 置 信 区 间 的 范 围 就 会 比 较 大, 落 到 置 信 区 间 的 C 值 就 会 增 多, 这 样 潜 在 的 无 关 像 元 有 可 能 被 选 中, 森 林 变 化 量 的 估 测 就 会 受 影 响 这 种 逼 近 方 法 和 Rdd Lu 于 1998 年 使 用 的 以 像 元 区 分 为 基 础 的 逼 近 法 相 似, 这 种 方 法 已 被 证 明 在 城 市 环 境 评 价 中 十 分 有 效 如 果 选 择 训 练 区, 那 么 可 以 通 过 对 训 练 区 的 研 究 确 定 置 信 区 间 初 值 m 很 明 显, 如 使 用 上 述 公 式 (4) 前 提 是 要 知 道 开 始 直 接 由 整 个 遥 感 影 像 的 矢 量 j 和 j 值, 这 两 个 参 数 可 以 最 X j 获 得, 但 由 于 图 像 无 关 像 素 的 影 响, 这 种 方 式 可 能 会 得 到 不 是 很 精 确 的 参 数 估 计 值, 所 以 我 们 可 以 联 合 使 用 公 式 (4) 和 (5), m j j 进 行 迭 代 操 作, 这 样 可 以 得 到 我 们 想 要 的 和, 第 一 条 边 界 也 可 以 处 理 出 来, m 而 从 图 像 中 未 变 化 的 实 物 中, 我 们 利 用 同 样 的 方 法 又 可 以 得 到 新 的 j j 值 和 值, 新 的 边 界 又 会 得 到 处 理, 这 个 过 程 会 一 直 进 行, 直 到 计 算 机 认 为 没 有 实 物 发 生 变 化 为 止 这 样 代 替 了 从 单 一 的 参 数 预 测 值 监 测 实 物 变 化 的 粗 糙 的 方 法, 在 不 断 的 反 复 迭 代 过 程 中, 参 数 预 测 值 准 确 值 不 断 提 高, 效 果 大 大 改 善 下 面 的 图 像 中 显 示 了 反 复 迭 代 的 结 果, 为 了 研 究 方 便, 只 考 虑 了 一 个 波 段, 随 着 迭 代 次 数 的 不 断 增 加, 相 应 的 椭 圆 范 围 不 断 收 缩, 直 到 再 没 有 其 他 改 变 的 实 物 别 识 别 j XXXV

141 上 图 是 从 两 组 NIR 波 段 反 射 系 数 差 异 统 计 数 据 (XS03 XS95) 得 到 的 实 物 动 态 变 化 监 测 图 像, 也 就 是 均 值 和 均 方 差 整 个 的 反 复 迭 代 过 程 在 图 像 上 已 经 通 过 椭 圆 和 13 进 行 了 标 明 13 号 椭 圆 外 围 的 点 都 别 认 为 是 变 化 的 实 物 如 上 所 述, 上 述 过 程 只 是 在 单 一 的 图 像 差 异 分 析 中 进 行 了 使 用, 对 于 两 幅 图 像 则 先 分 别 进 行 处 理, 再 把 结 果 进 行 合 并 在 整 个 森 林 动 态 监 测 的 过 程 中, 如 果 某 个 实 物 只 要 在 一 组 统 计 分 析 中 被 认 为 是 变 化 区 域, 则 将 被 当 作 异 常 像 元 进 行 处 理 4 感 谢 这 项 研 究 的 开 展 经 由 FRIA 批 准, 并 获 得 了 比 利 时 国 家 科 学 研 究 基 金 的 支 持 卫 星 遥 感 影 像 数 据 由 比 利 时 科 学 政 策 办 公 室 (BSPO) 提 供 并 批 准 使 用 感 谢 自 然 森 林 部 门 对 森 林 调 查 详 细 数 据 GIS 数 据 的 提 供 以 及 国 家 地 理 研 究 机 构 对 开 展 区 域 研 究 所 使 用 的 Top10v-GIS 数 据 的 提 供 本 篇 论 文 的 作 者 们 同 时 也 向 向 他 们 提 出 建 设 性 意 见 和 评 论 的 专 家 们 表 示 衷 心 的 感 谢 XXXVI