第2講遙感圖像識別與信息提取

1、第二講 遙感圖像識別與信息提取環(huán)境與規(guī)劃學院河南大學內容提要1. 遙感圖像地物特征與識別 遙感圖像地物特征 典型地物的反射光譜特征2. 遙感圖像的目視解譯 目視解譯標志 目視解譯方法與步驟3. 遙感數(shù)字圖像信息提取 遙感數(shù)字圖像的概念 遙感數(shù)字圖像處理4. 遙感數(shù)字圖像定量信息反演 1 遙感圖像地物特征與識別（1）遙感圖像地物特征地物的反射光譜特性地物的發(fā)射光譜特性 地物的透射光譜特性（2）典型地物的反射光譜特征（1）遙感圖像地物特征 在可見光與近紅外波段，地表物體自身的輻射幾乎等于零。地物發(fā)出的波譜主要以反射太陽輻射為主。太陽輻射到達地面之后，物體除了反射作用外，還有對電磁輻射的吸收作用。電

2、磁輻射未被吸收和反射的其余部分則是透過的部分，即：到達地面的太陽輻射能量反射能量吸收能量透射能量 一般而言，絕大多數(shù)物體對可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對一定波長的電磁波透射能力較強，特別是對0. 45 0. 56m的藍綠光波段，一般水體的透射深度可達1020 m，清澈水體可達100 m的深度。 對于一般不能透過可見光的地面物體，波長5 cm的電磁波卻有透射能力，如超長波的透射能力就很強，可以透過地面巖石和土壤。（1）遙感圖像地物特征1.地物的反射光譜特性反射率：地物的反射能量Pe占總入射能量Po的百分比，稱為反射率反射類型鏡面反射（Specular reflection):入射波與

3、反射波在同一平面內，入射角與反射角相等時，所形成的反射現(xiàn)象漫反射（Diffuse reflection):無論入射波方向如何，其反射波分散到各個方向%100oePP（1）遙感圖像地物特征 方向反射：朗伯體表面實際上是一個理想化的表面。它被假定為介質是均勻的、各向同性的，并在遙感中多用以作為近似的自然表面。 電磁波反射的三種形式（1）遙感圖像地物特征2 地物的發(fā)射光譜特性 發(fā)射率:地物發(fā)射電磁輻射的能力 ，以黑體輻射作為基準 指單位面積上觀測地物發(fā)射的某一波長的輻射通量密度； 指與觀測地物同溫度下黑體的輻射通量密度；MM / MM（1）遙感圖像地物特征 通常，根據(jù)發(fā)射率與波長的關系，將地物分為三

4、種類型 黑體，其發(fā)射率=1，即黑體發(fā)射率對所有波長都是一個常數(shù)，并且等于1。 灰體，其發(fā)射率=常數(shù)1。即灰體的發(fā)射率始終小于1，發(fā)射率不隨波長變化。 選擇性輻射體，其發(fā)射率1， 發(fā)射率隨波長而變化。地物的發(fā)射波譜特性曲線 （1）遙感圖像地物特征（1）遙感圖像地物特征3 地物的透射光譜特性透射率 即地物透射的能量與入射總能量的百分率，稱之為透射率 =E/E100%（2）典型地物的反射光譜特征1 巖石的反射光譜特征 巖石的波譜特征是地質遙感的基礎，不同的礦物成分、礦物含量、風化程度、含水狀況、顆粒大小、表面的光滑程度、色澤等都會影響到其反射波譜特征。（2）典型地物的反射光譜特征 2、土壤的反射光譜

5、特征 自然狀況的土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來說土質越細，反射率越高，有機質含量越高和含水量越高反射率越低。此外土壤的肥力也會對反射率產生影響。（2）典型地物的反射光譜特征不同含水量的土壤反射光譜曲線 三種土壤反射波譜曲線比較 （2）典型地物的反射光譜特征 3、水體的反射光譜特征 水體的反射主要在藍光波段，其他波段吸收都很強，特別在近紅外以后水體便成為一個吸收體。 光譜反射特性可能包括來自三方面的貢獻：水的表面反射、水體底部物質的反射和水中懸浮物質的反射。 光譜吸收和透射特性不僅與水體本身的性質有關，而且還明顯地受到水中各種類型和大小的物質有機物和無機物的影響。（2）典型地物的反

6、射光譜特征水體的反射光譜特征 （2）典型地物的反射光譜特征 4、植被的反射光譜特征 植被的反射波譜曲線規(guī)律性明顯而獨特，主要分為三個波段：可見光波段（0.40.76 m )有一個小的反射峰，位于0.55 m (綠光波段）處，兩側藍光波段（0.45 m ）和紅光波段(0.67 m )則有兩個吸收帶；近紅外波段（0.70.8 m ）有一反射徒坡，至1.1 m 附近有一峰值；中紅外波段（1.32.5 m ）受綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率下降，在1.45、1.95和2.7 m 為中心是水的吸收帶，開成低谷。（2）典型地物的反射光譜特征礦區(qū)紅杉林反射曲線的藍移現(xiàn)象 綠色植物有效光譜響應特征

7、2 遙感圖像目視解譯 目視解譯是用肉眼或借助于簡單的工具如放大鏡、立體鏡、投影觀察器等，直接由肉眼來識別圖像特性，從而提取有用信息，即人把物體與圖像聯(lián)系起來的過程 。 具備的基本知識：專業(yè)知識、地理區(qū)域知識、遙感系統(tǒng)知識。 （1）目視解譯標志 1、直接解譯標志 色調（tone）：色調是識別目標地物的基本依據(jù)。由于地物屬性的差別，在遙感圖像上表現(xiàn)出色調上的差別。一般來說由于人眼的局限性，在圖像可分出16個灰度級。 顏色（colour）：由于目標地物在不同波段中反射或發(fā)射電磁輻射能量的差異性，由此而表現(xiàn)在彩色圖像顏色的差異性。顏色也是目視解譯的基本標志之一。 圖型（pattern）：目標地物有規(guī)律

8、排列而成的圖形結構。（1）目視解譯標志 陰影（shadow）：陰影是遙感圖像上由于電磁輻能量被遮擋而產生的輻射能量減弱。由于陰影的存在，可據(jù)此地物的性質或高度，應注意的是陰影的形狀與大小受到輻射能量入射角的影響。 形狀（shape）：是指目標地物在遙感影像上呈現(xiàn)的外部輪廓。由于不同地物的頂視平面的差異，可據(jù)此判斷目標地物的性質。 紋理（texture）：是指遙感圖像中目標地物內部色調有規(guī)則變化造成的影影結構。 大小 （size）：指遙感圖像上目標地物的形狀、面積與體積的度量關系。是遙感圖像上測量目標地物最重要的數(shù)量特征之一。同時根據(jù)其大小可以推斷地物的屬性。（1）目視解譯標志 2 2、間接解譯

9、標志、間接解譯標志 位置（site）：指目標地物分布的地點。任何地物與其周圍地理環(huán)境（geographical Environment）或生態(tài)環(huán)境(ecological Environment)總是存在著一定的空間關系，并受到周圍環(huán)境的某種程度的制約。 相關布局（association）：是指多個目標地物間的空間配置關系。2 遙感圖像解譯方法與步驟 1、目視解譯的認知過程自下向上過程圖像信息獲取特征提取識別證據(jù)選取自上向下過程特征匹配提出假設圖像辨識2 遙感圖像解譯方法與步驟2、圖像解譯方法 遙感資料的選擇及影像處理遙感資料的選擇 資料類型選擇 波段選擇 時間選擇 比例尺選擇 遙感圖像的處理

10、影像放大 影像數(shù)字化 圖像處理 2 遙感圖像解譯方法與步驟 目視解譯的方法 直判法 是根據(jù)遙感影像目視判讀直接標志，直接確定目標地物屬性與范圍的一種方法。 對比分析法 對比分析法包括同類地物對比分析法、空間對比分析法和時相動態(tài)對比法。不僅是同一遙感影像圖進行對比，而且要借助不同時相的遙感影像圖之間進行對比。 綜合推理法 綜合考慮遙感圖像多種解譯特征，分析、推理某種目標地物的方法。2 遙感圖像解譯方法與步驟信息復合法 利用專題圖和地形圖等信息與遙感影像圖重合，根據(jù)這些輔助信息識別遙感影像圖上目標地物的方法。地理相關分析法 根據(jù)地理環(huán)境中各種地理要素之間的相互依存，相互制約的關系，借助專業(yè)知識，分

11、析和推理某種地理要素性質、類型、狀況與分布的方法。2 遙感圖像解譯方法與步驟 3 3、解譯步驟、解譯步驟 準備工作 包括資料收集、分析、整理和處理 初步解譯、建立解譯標志 包括路線路勘，制訂解譯對象的專業(yè)分類系統(tǒng)和建立解譯標志 室內解譯 野外驗證 包括解譯結果校核檢查，樣品采集和調繪補測 成果整理 包括編繪成圖，資料整理和文字總結 2 遙感圖像解譯方法與步驟目目視視解解譯譯步步驟驟3 遙感數(shù)字圖像信息提取1 遙感數(shù)字圖像的概念圖象、數(shù)字圖象 遙感數(shù)字圖象2 遙感數(shù)字圖像處理遙感數(shù)字圖像的獲取 遙感數(shù)字圖像預處理 遙感數(shù)字圖像的變換、增強和融合 遙感數(shù)字圖像分析 (1) 遙感數(shù)字圖像的概念n 圖

12、像、數(shù)字圖像 物理世界中客觀對象的一種表示 數(shù)字圖像 客體或可見圖像的數(shù)字表述。它實際上是具有某種數(shù)值的一些點按行(橫)和列(縱)排成的二維矩陣 模擬圖像 指空間坐標和明暗程度都連續(xù)變化的、計算機無法直接處理的圖像(1) 遙感數(shù)字圖像的概念n 遙感數(shù)字圖像 指以遙感方式獲得的以數(shù)字形式表述的遙感影像 遙感數(shù)字圖像最基本的單位是像素 像素的屬性特征常用灰度值來表示，即該像素位置上亮暗程度的整數(shù)值 （2）遙感數(shù)字圖像處理一、遙感數(shù)字圖像的獲取一、遙感數(shù)字圖像的獲取 通過接收、記錄目標物的電磁波特征的儀器，即傳感器獲得的 數(shù)字圖像獲取過程（2）遙感數(shù)字圖像處理二、遙感數(shù)字圖像預處理 1、輻射校正 消

13、除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度里的各種失真的過程稱為輻射校正。完整的輻射校正包括遙感器校正、大氣校正，以及太陽高度和地形校正。 遙感器糾正：遙感器的設計 大氣輻射糾正： 地形輻射糾正：需要DEM 地物反射模型糾正：需要和成像時刻取得同步的地面地物光譜測量數(shù)據(jù)（2）遙感數(shù)字圖像處理 大氣糾正方法以紅外波段最低值校正可見光波段回歸法經驗線性法（2）遙感數(shù)字圖像處理n 以紅外波段最低值校正可見光波段 前提假設：大氣散射的影響主要在短波波段，紅外波段中清潔的水體幾乎不受影響，反射率值應當為0。由于散射影響，而使得水體的反射率不等于0，推定是由于受到了天空輻射項的影響。 直方圖法確定 糾正方法：差值法（2）

14、遙感數(shù)字圖像處理n 回歸法7TMbiaiTMi 原理：選擇可見光和紅外波段進行2維散點圖，建立線性回歸方程。7TMbiaiTMi（2）遙感數(shù)字圖像處理n 經驗線性法（2）遙感數(shù)字圖像處理2、幾何校正 造成幾何位置的畸變有原因 ：遙感器本身引起的畸變 外部因素引起的畸變 處理過程中引起的畸變 （2）遙感數(shù)字圖像處理 遙感器本身引起的幾何畸變與遙感器的結構、特性和工作方式不同而異。這些因素主要包括： 1） 透鏡的輻射方向畸變像差； 2） 透鏡的切線方向畸變像差； 3） 透鏡的焦距誤差； 4） 透鏡的光軸與投影面不正交； 5） 圖像的投影面非平面； 6） 探測元件排列不整齊； 7） 采樣速率的變化；

15、 8） 采樣時刻的偏差; 9) 掃描鏡的掃描速度變化 。（2）遙感數(shù)字圖像處理影響圖像變形的外部因素包括： 1） 地球的曲率 2） 大氣密度差引起的折光 3） 地形起伏 4） 地球自傳 5） 遙感器軌道位置和姿態(tài)等（2）遙感數(shù)字圖像處理地球自傳引起的誤差（2）遙感數(shù)字圖像處理（2）遙感數(shù)字圖像處理 遙感圖像再處理過程中產生的誤差，主要是由于處理設備產生的噪聲引起的。傳輸、復制光學數(shù)字 （2）遙感數(shù)字圖像處理n 遙感圖像的幾何糾正方法遙感圖像的幾何糾正方法 遙感圖象的幾何粗處理和精處理 遙感圖像的幾何糾正按照處理方式分為光學糾正和數(shù)字糾正 光學糾正主要用于早期的遙感圖像的處理中，現(xiàn)在的應用已經不

16、多。除了對框幅式的航空照片（中心投影）可以進行比較嚴密的糾正以外，對于大多數(shù)動態(tài)獲得的遙感影像只能進行近似的糾正（2）遙感數(shù)字圖像處理 數(shù)字圖象幾何糾正：通過計算機對離散結構的數(shù)字圖像中的每一個像元逐個進行糾正處理的方法。 幾何精校正是指利用地面控制點使遙感圖像的幾何位置符合某種地理系統(tǒng)，與地圖配準，并調整亮度值。也就是在遙感圖像的像元與地面實際位置之間建立數(shù)學關系，將畸變圖像空間中的全部像元轉換到校正圖像空間去。 內容一般包括兩個方面：一個是圖像像元空間位置的變換，另一個是像元灰度值的重采樣。 （2）遙感數(shù)字圖像處理n 幾何精校正具體步驟 ： 選取地面控制點（GCP） 選擇空間變換函數(shù) 重采

17、樣和內插l 最鄰近內插法 l 雙線性內插 l 三次卷積內插 （2）遙感數(shù)字圖像處理 準準備備 工工作作 輸輸入入原原始始圖圖象象 建建立立糾糾正正函函數(shù)數(shù) 確確定定輸輸出出圖圖象象的的范范圍圍 逐逐個個像像元元進進行行幾幾何何變變化化 灰灰度度的的重重采采樣樣 輸輸出出糾糾正正后后的的圖圖象象 效效果果 評評價價 糾正的函數(shù)可有多種選擇：多項式方法、共線方程方法、隨機場內插方法等等。其中多項式方法的應用最為普遍。（2）遙感數(shù)字圖像處理三、遙感數(shù)字圖像的變換、增強和融合三、遙感數(shù)字圖像的變換、增強和融合 1.遙感數(shù)字圖像變換概念： 圖像變換指的是將圖像從空間域轉換到變換域例如頻率域的過程。進行圖

18、像變換的目的就是為了使圖像的處理過程簡化。作用： 通過圖像變換簡單而有效的實現(xiàn)增強處理通過圖像變換可以對圖像進行特征抽取。（2）遙感數(shù)字圖像處理p 快速傅立葉變換（FFT） 目的進行數(shù)據(jù)壓縮、圖像的增強、特征提取 方法信號處理中的頻率域分析方法 步驟選擇適當?shù)淖儞Q函數(shù)進行傅里葉變換分析變換的結果進行傅里葉逆變換（2）遙感數(shù)字圖像處理p KL變換 目的 減少圖像波段之間的相關性，去除多余的信息，減少圖像的數(shù)據(jù)量 方法 統(tǒng)計學中的正交變換方法 性質和特點 步驟 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計 進行主成分分析 進行旋轉變換和逆變換（2）遙感數(shù)字圖像處理p KT變換 目的 分離和消除干擾信息 突出研究的專題信息 方法

19、幾何中的坐標旋轉方法 性質和特點 步驟 作兩個波段的散點圖 分析灰度值的變換特點（2）遙感數(shù)字圖像處理2.遙感數(shù)字圖像增強 1、反差增強 圖像反差增強又稱對比度增強 灰度拉伸 根據(jù)原圖像的直方圖確定需要做拉伸變換的灰度值區(qū)間，然后把這一（或一些）灰度值區(qū)間按某種直線或曲線方程關系拉伸或壓縮而成為變換后的灰度值區(qū)間 l直方圖線性拉伸 l直方圖分段線性拉伸 l非線性拉伸變換 （2）遙感數(shù)字圖像處理 直方圖均衡化 變換后的直方圖接近均勻分布。即圖象中每一灰度級的像元數(shù)目大致相同。使得面積最大的地物細節(jié)得以增強，而面積小的地物與其灰度接近的地物進行合并，形成綜合地物。減少灰度等級換取對比度的增大。Nn

20、gPkkA)(原直方圖：kjkjkAjkkgPNnSgT00)()(均衡后直方圖：原圖及其直方圖均衡后的圖和直方圖（2）遙感數(shù)字圖像處理 直方圖匹配 將原始圖象轉換為給定直方圖的圖象 各種拉伸以后雖然對于感興趣的地物提高了分辨能力，但同時也造成了信息損失。（2）遙感數(shù)字圖像處理2、空間域圖像增強 空間域圖像增強處理是應用某種數(shù)學模式直接改變圖像像元灰度值的變換。這種變換與像元的坐標無關，只改變像元點的灰度深淺程度。即改變了圖像的對比度，這樣圖像中的某些信息被突出（可能也有些信息被壓抑了）達到了圖像增強的目的 。 可分為單點處理和鄰域處理 （2）遙感數(shù)字圖像處理 邊緣增強 突出目標的輪廓或邊緣信

21、息，主要是通過微分法實現(xiàn)的 梯度法和拉普拉斯算子法 平滑濾波 低頻增強的空間域濾波技術。它可以濾掉由于孤立的單點噪聲而引起的灰度偏差 中值濾波 定向濾波 （2）遙感數(shù)字圖像處理3、頻率域圖像增強 高通濾波（銳化）低通濾波（平滑）帶通濾波（突出地物）同態(tài)濾波（改善圖像質量）（2）遙感數(shù)字圖像處理4、代數(shù)運算增強 基本代數(shù)運算 差值運算兩個波段的差值 比值運算兩個波段的比值應用（2）遙感數(shù)字圖像處理n 差值運算 利用不同地物之間光譜的特征 有利于突出目標與背景反差小的信息 紅外波段-紅波段，突出植被實實例例B4-B3（2）遙感數(shù)字圖像處理n 比值運算 兩個波段的比值 目的 減輕地形的干擾 如果陰坡

22、的坡度大于太陽高度角，則難于處理 擴展地物，特別是植被間的光譜差異 抑制大氣的影響 減少了數(shù)據(jù)之間的相關性（2）遙感數(shù)字圖像處理 植被指數(shù)NDVI TM4/TM3常用的比值（2）遙感數(shù)字圖像處理二 應用實例NDVI（2）遙感數(shù)字圖像處理TM圖像的5/2突出水體 （2）遙感數(shù)字圖像處理5、彩色圖像增強 假彩色密度分割 將灰度按照指定的間隔分割為不同的級，對新的密度分級分別賦予不同的顏色（2）遙感數(shù)字圖像處理彩色增強 在一個輸入像元的灰度級上分別進行三個獨立的色變換在顯示屏幕上產生一個彩色合成圖像。從而達到明顯的分辨和識別效果 ？（2）遙感數(shù)字圖像處理假彩色合成目的綜合不同波段的特征，突出研究對象

23、的差異原理原則信息量最大相關性最小差異最大方法信息量分析相關分析方差分析其他（2）遙感數(shù)字圖像處理TM圖像4-3-2合成實例（2）遙感數(shù)字圖像處理3. 遙感數(shù)據(jù)融合 實質在統(tǒng)一地理坐標系中將對同一目標檢測的多幅遙感圖像數(shù)據(jù)采用一定的算法，生成一幅新的、更能有效表示該目標的圖像信息 原理及過程 預處理 主要包括遙感影像的大氣校正、輻射校正及空間配準 數(shù)據(jù)融合 根據(jù)融合目的和融合層次智能地選擇合適的融合算法，將空間配準的遙感影像數(shù)據(jù)（或提取的圖像特征或模式識別的屬性說明）進行有機合成，得到目標的更準確表示或估計 （2）遙感數(shù)字圖像處理 數(shù)據(jù)融合分類 像元級融合 p像元級融合是一種最低水平的融合 特

24、征級融合 p特征級融合是一種中等水平的融合 決策級融合p決策級融合是最高水平的融合 數(shù)據(jù)融合方法 IHS變換、代數(shù)法 、Brovey變換、圖像回歸法、主成分變換（PCT）、小波變換等 （2）遙感數(shù)字圖像處理三級融合層次下的融合方法三級融合層次下的融合方法 像元級特征級決策級代數(shù)法熵法專家系統(tǒng)IHS變換表決法神經網絡小波變換聚類分析Bayes估計Brovey變換Bayes估計模糊聚類法主成分變換神經網絡法可靠性理論回歸模型法加權平均法基于知識的融合法Kalman濾波法Dempater-shafer推理法Dempater-shafer推理法TM741RadarSatTM和RadarSat復合（2）

25、遙感數(shù)字圖像處理四、遙感數(shù)字圖像分析四、遙感數(shù)字圖像分析 圖像理解從圖像中提取有用信息的過程 包括圖像分類圖像分割特征分析 輸出內容明確的數(shù)據(jù)或圖形圖像 特點以具體的知識和目的為基礎，結果更接近于解釋的成果和實際的應用（2）遙感數(shù)字圖像處理圖像信息獲取信息處理特征提取分類 圖像分類（2）遙感數(shù)字圖像處理1、遙感圖像分類技術 原理 同類地物在相同的條件下（光照、地形等）應該具有相同或相似的光譜信息和空間信息特征。不同類的地物之間具有差異 同類地物的像元在數(shù)目較大時，其特征量的分布類型接近正態(tài)分布 方法 利用像素的灰度值之間的關系，綜合考慮矢量數(shù)據(jù)，考慮屬性數(shù)據(jù)。對像素的進行分類 以隨機變量的統(tǒng)計分析為基礎（2）遙感數(shù)字圖像處理 特點 多變量的圖像分類 分類在一定的比例尺上進行 原則 多變量綜合考慮 在特征空間的位置可以用均值表示，離散程度可以用方差表示 分類的實質是將特征空間