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1、遥感数字图像处理与分析东华理工大学研究生课程官云兰遥感与地理信息工程系第二章 遥感图像的获取 与统计描述l遥感图像的获取l单波段图像的统计特征l多波段图像的统计特征l窗口、邻域和卷积一、遥感系统 遥感是遥感信息的获取、传输、处理以及分析判断和应用的过程。2.1 遥感图像的获取遥感系统主要由以下四大部分组成： 信息源 信息获取 信息处理 信息应用 1.信息源 信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性，这就为遥感探测提供了获取信息的依据。 2. 信息获取 信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目
2、标物电磁波特性的探测过程。 信息获取所采用的遥感技术装备主要包括遥感平台和传感器。l遥感平台是用来搭载传感器的运载工具，常用的有气球、飞机和人造卫星等;l传感器是用来探测目标物电磁波特性的仪器设备，常用的有照相机、扫描仪和成像雷达等。 3. 信息处理 指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。 通过对遥感信息的校正、分析和解译处理，掌握或清除遥感原始信息的误差，梳理、归纳出被探测目标物的影像特征，然后依据特征从遥感信息中识别并提取所需的有用信息。 4. 信息应用 专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。 遥感的应用领域十分广泛，最主要的应
3、用有: 军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地图测绘、环境监测以及城市建设和管理等。遥感系统示意图接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出1. 传感器的组成收集器：收集来自地物目标辐射的电磁波能 量，如透镜组、天线。探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电 能，如感光胶片、光电管等。处理器：将探测后的化学能或电能等信号进 行处理。输出： 将获取的数据输出。二、传感器收集、探测、记录电磁波辐射能量的装置。2.传感器的分类 a. 按工作方式 被动遥感:不利用人工辐射源，而是直接接收与记录目标物反射的太阳辐射或者目标物本身发射的热辐射和微波 主动遥感：也称有源遥感，即遥感系统本身带有辐射源。利用人工辐射
4、源从平台上先向目上标发射电磁辐射，然后接收和记录目标物反射或散射回来的电磁波b. 按数据的记录方式 非成像传感器：记录目标物发射或反射的电磁辐射的各种物理参数，最后资料为数据或曲线图。如激光测距仪、微波辐射计等 成像传感器：将接收的目标电磁辐射信号转换成图像，是目前最常见的传感器类型。c.按成像原理l摄影成像 摄影方式的传感器主要是摄影机。l扫描成像 扫描成像的传感器逐点逐行的收集信息。按扫描方式又可分为：目标面扫描传感器和影像面扫描传感器。1）目标面扫描传感器 包括光学-机械扫描仪、成像雷达等，其收集系统直接对目标面（一般是地面）扫描，一点一行顺序收集目标面上各单位的信息，拼接一幅图像。光学
5、-机械扫描雷达成像是由发射机向侧面发射一束窄脉冲，地物反射的微波脉冲（又称回波），由无线收集后被接收机接收。成像雷达2）影像面扫描传感器 包括电视摄像机和固体扫描仪等。 这类传感器的收集系统不直接对地面扫描，而是先用光学系统将目标的辐射信息在靶面上聚集形成一幅影像，然后利用摄像管中的电子束对靶面扫描收集数，或依靠CCD组成的阵列进行电子扫描来获取数据。l空间分辨率 遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小。通常用像素大小、解像力或视场角、地面分辨率来表示。像素：空间分辨率越高，像素越小。解像力：用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行线的条线来表示，单位为线/毫米或线对/毫米3.传感器的分
6、辨率传感器的分辨率指传感器区分自然特征相似或光谱特征相似的相邻地物的能力。l光谱分辨率传感器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。波长间隔越窄，光谱分辨率越高；波段数越多，光谱分辨率越高瞬时视场角（IFOV）：又称为传感器的角分辨率，它和遥感平台高度共同决定了地面的分辨单元，即地面分辨率：像素所代表的地面实际尺寸的大小。l辐射分辨率指传感器区分反射或发射的电磁波辐射强度差异的能力。在遥感图像中，图像的量化位数可以看作是辐射分辨率的近似表述。l时间分辨率对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。时间分辨率对于动态监测与预报尤为重要。应根据不同的目的，选择不同的时间分
7、辨率。 用数学方式表示图像的基本方法有两类：l l 确定的表示法：写出图像函数表达式 对于数字图像，则表示成矩阵或向量l l 统计的表示法：用一种平均特征来表示图像一、遥感图像的数字表示2.2 单波段图像的统计特征 在图像处理中，普遍将图像的灰度级看作随机变量。l 用密度函数或分布函数来表示l 用统计特征参数来表示，如期望、方差、协方差等。图像的统计性表示二、单波段图像的统计特征大小设数字图像l 基本统计特征l 直方图1. 反映像素值平均信息的统计参数均值-像素值的算术平均值。 反映图像中地物的平均反射强度一、基本统计特征中值-图像所有灰度级中处于中间的值。 当图像的灰度级为偶数时，则取中 间
8、两灰度级的平均值。众数-图像中出现次数最多的灰度级。 反映了图像中分布较广的地物的反 射能量2. 反映像素值变化信息的统计参数方差-像素值与平均值差异的平方和， 反映像素值的离散程度。方差是衡量图像信息量大小的重要度量。变差-像素最大值与最小值的差。反映图 像灰度值的变化程度反差-又称为对比度，反映图像的显示效 果和可分辨率，表示方法多种。 如最大值/最小值，最大值-最小值，方差等 两幅图像的反差1. 定义 灰度直方图（histogram）是灰度级的函数，描述的是图像中每种灰度级像素频率或个数。横坐标是灰度级，纵坐标是每一灰度级具有的像元素或灰度级出现的频率。二、直方图数字影像最最小小值值最最
9、大大值值直方图直方图的绘制 对于数字图像而言，实际就是图像灰度值概率密度函数的离散化图形。灰度图像的直方图彩色图像的分波段直方图2. 性质p 只能反映图像的灰度分布规律，而不能反映 图像像素的位置, ,即丢失了像素的位置信息p 任何一幅特定的图像都有唯一的直方图与之 对应，但不同图像可以有相同的直方图。不同图像具有相同的直方图p直方图的可相加性：如果一幅图像由若干个不相交的区域构成，则整幅图像的直方图是这若干个区域直方图之和。p如果将图像看作具有正态分布的随机向量，则图像直方图的形态与数学上的正态分布的曲线形态类似。3.应用 用于判断图像量化是否恰当 用于确定图像二值化的阈值 一般来说，一幅包
10、含大量像元的影像，其像元亮度值应符合统计分布规律，即假定像元亮度随机分布时，直方图应是正态分布的。 实际工作中，若影像的直方图接近正态分布，则说明影像中像元的亮度接近随机分布，是一幅适合用统计方法分析的影像。当观察直方图形态时，发现直方图的峰值偏向亮度坐标轴左侧，则说明影像偏暗。峰值偏向坐标轴右侧，则说明影像偏亮，峰值提升过陡、过窄，说明影像的高密度值过于集中，以上情况均是影像对比度较小，影像质量较差的反映。 根据直方图形态可以大致推断图像质量从直方图形态判断影像质量从直方图形态判断影像质量曝光过度曝光过度反差过于强烈，损失细节反差过于强烈，损失细节局部曝光溢出局部曝光溢出4. 累积直方图p
11、以横轴表示灰度级，纵轴表示每一个灰度级及其以下灰度级所具有的像素数或此像素占总像素的比值，做出的直方图。p 累积直方图可以看作是累积离散概率分布I I（i)i)是概率密度分布是概率密度分布5. 基于直方图的统计参数 令Z代表灰度级的随机变量，H（zi)为对应的直方图，取值区间为0，1。 定义Z均值的第N阶矩：m为z的均值l l 二阶矩 在使用该指标前，应将方差归化到0，1区间可以用来表示灰度级的对比度，可以作为纹理描述的指标。利用二阶矩可进一步定义平滑度指标Rl l 四阶矩 表示直方图的偏斜度，反映图像直方图分布形状偏离平均值周围对称形状的程度 正态分布的偏斜度为零。l l 三阶矩 表示直方图
12、的峰度，峰度也是反映随机变量分布形状的量。 正态分布的峰度为零纹理一致性度量指标： 熵（图像的平均信息量）：熵反映了图像信息丰富程度。一幅灰度级均匀分布的图像，其灰度范围在0,255，计算该图像的熵。 多波段图像间的统计特征反映的是波段之间的关系，它是图像分析的重要参数，也是图像合成方案的主要依据。 利用图像或波段间的相关性，可以实现对图像的压缩处理，或对图像信息进行复原。2.3 多波段图像的统计特征1. 协方差2. 相关系数 协方差和相关系数是两个基本的统计量， 其值越高，两个波段图像间的相关性越强。一、窗口 对于图像中的任意一个像素，以其为中心，按上下左右对称所设置的像素范围，称为窗口。2.4 窗口、邻域和卷积 窗口多为矩形，行列数多为奇数，且按行数列数方式命名，如33窗口二、 邻域中心像素周围的行列称为该像素的邻域三、卷积运算空间域上针对特定窗口进行的运算图像平滑、锐化中使用的基本方法。卷积计算公式：窗口模板，窗口模板，也称卷积核也称卷积核 窗口模板是相邻像素对中心像素影响程度的大小卷积运算过程：对于整个图像，从左上角开始，由左到右，由上到下按照窗口大小顺序进行遍历图像边缘处卷积处理方法：-在图像边缘外侧填充0或其他常数；-重复图像边缘的行和列，使卷积在边缘可计算；-卷绕输入图像，使之成为周期性；-去掉不能计算的行和列，仅对可计算的像素进行卷积
