遙感圖像處理第二講遙感影像及統(tǒng)計分析

1、第一講回顧：第一講回顧：遙感及其相關(guān)概念遙感平臺傳感器遙感的技術(shù)特點遙感信息科學(xué)遙感數(shù)字圖像處理教程一、一、遙感成像過程遙感成像過程 二、二、遙感數(shù)字影像數(shù)據(jù)遙感數(shù)字影像數(shù)據(jù) 三、三、遙感影像其他數(shù)據(jù)遙感影像其他數(shù)據(jù) 四、四、遙感影像的信息內(nèi)容遙感影像的信息內(nèi)容 五五、遙感影像特征的統(tǒng)計分析遙感影像特征的統(tǒng)計分析 （1 1）多光譜數(shù)據(jù)源）多光譜數(shù)據(jù)源 光譜分辨率在/10數(shù)量級范圍的稱為多光譜(Multispectral)，這樣的遙感器在可見光和近紅外光譜區(qū)只有幾個波段，如美國 Landsat MSS，TM，法國的SPOT等。（2 2）高光譜數(shù)據(jù)源）高光譜數(shù)據(jù)源 光譜分辨率在/100的遙感信息稱

2、之為高光譜遙感(Hyperspectral); 隨著遙感光譜分辨率的進一步提高，在 達 到 / 1 0 0 0 時 ， 遙 感 即 進 入 超 高 光 譜(Ultraspeetral)階段 。（3 3）全色波段數(shù)據(jù)源）全色波段數(shù)據(jù)源 全色波段，一般指使用0.5微米到0.75微米左右的單波段，即從綠色往后的可見光波段。因為是單波段，在圖上顯示是灰度圖片。全色遙感影象一般空間分辨率高，但無法顯示地物色彩。實際操作中，我們經(jīng)常將之與波段影象融合處理，得到既有全色影象的高分辨率，又有多波段影象的彩色信息的影象。 （4 4）SARSAR數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)源合成孔徑雷達數(shù)據(jù)源，航天飛機也可載合合成孔徑雷達數(shù)據(jù)源，

3、航天飛機也可載合成孔徑雷達。成孔徑雷達。存儲形式：灰度值矩陣存儲形式：灰度值矩陣 存儲形式：灰度值矩陣存儲形式：灰度值矩陣 存儲形式：灰度值矩陣存儲形式：灰度值矩陣 存儲形式：灰度值矩陣存儲形式：灰度值矩陣 存儲形式：灰度值矩陣存儲形式：灰度值矩陣 存儲文件格式存儲文件格式：（1 1）BSQBSQ方式方式( (band sequential)band sequential) 各波段的二維影像數(shù)據(jù)按波段順序排各波段的二維影像數(shù)據(jù)按波段順序排列。列。 ( (像元號順序像元號順序) )，行號順序，行號順序) )，波段順序，波段順序) ) (2)(2)BILBIL方式方式( (band interle

4、aved by line)band interleaved by line) 對每一行中代表一個波段的光譜值進對每一行中代表一個波段的光譜值進行排列，然后按波段順序排列該行，最后行排列，然后按波段順序排列該行，最后對各行進行重復(fù)。對各行進行重復(fù)。 (像元號順序像元號順序) )，波段順序，波段順序) )，行號順序，行號順序) ) (3)(3)BIPBIP方式方式( (band interleaved by pixel)band interleaved by pixel) 在一行中，每個像元按光譜波段次序在一行中，每個像元按光譜波段次序進行排列，然后對該行的全部像元進行這進行排列，然后對該行的全部

5、像元進行這種波段次序排列，最后對各行進行重復(fù)。種波段次序排列，最后對各行進行重復(fù)。 ( (波段順序，像元號順序波段順序，像元號順序) )，行號順序，行號順序) )分辨率是用于記錄數(shù)據(jù)的最小度量單分辨率是用于記錄數(shù)據(jù)的最小度量單位。廣義上一般用來描述在顯示設(shè)備上所位。廣義上一般用來描述在顯示設(shè)備上所能夠顯示的點的數(shù)量能夠顯示的點的數(shù)量( (行、列行、列) )，或在影像，或在影像中一個像元點所表示的面積。中一個像元點所表示的面積。 在描述遙感數(shù)據(jù)時，存在四種類型的在描述遙感數(shù)據(jù)時，存在四種類型的分辨率：分辨率：（1 1）光譜分辨率）光譜分辨率 光譜分辨率指成像的波段范圍，分得愈細，波段愈多，光譜分

6、辨率指成像的波段范圍，分得愈細，波段愈多，光譜分辨率就愈高，反之光譜分辨率越粗糙。光譜分辨率就愈高，反之光譜分辨率越粗糙。 現(xiàn)在的技術(shù)可以達到現(xiàn)在的技術(shù)可以達到56nm56nm（納米）量級，（納米）量級，400400多多個波段。細分光譜可以提高自動區(qū)分和識別目標性質(zhì)和個波段。細分光譜可以提高自動區(qū)分和識別目標性質(zhì)和組成成分的能力。組成成分的能力。 （2 2）空間分辨率）空間分辨率是指遙感器所能分辨的最小的目標大小，是指遙感器所能分辨的最小的目標大小，或指影像中一個像元點所表示的地面面積?；蛑赣跋裰幸粋€像元點所表示的地面面積?？臻g分辨率越高，則目標和面積值越小?？臻g分辨率越高，則目標和面積值越小

7、。（2 2）空間分辨率）空間分辨率（2 2）空間分辨率）空間分辨率（3 3）輻射分辨率）輻射分辨率又稱亮度閾值，是指在一個波段中所記錄又稱亮度閾值，是指在一個波段中所記錄的代表地物反射電磁波的強度的代表地物反射電磁波的強度( (表現(xiàn)為亮表現(xiàn)為亮度或灰度度或灰度) )的所有可能的數(shù)值。在影像中的所有可能的數(shù)值。在影像中表現(xiàn)為影像的灰度級。表現(xiàn)為影像的灰度級。（3 3）輻射分辨率）輻射分辨率輻射分辨率計算公式：輻射分辨率計算公式： RL =（Rmax-Rmin ）/D其中其中Rmax為最大輻射量值，為最大輻射量值，Rmin為最小輻射量值，為最小輻射量值，D為量化級。為量化級。 （4 4）時間分辨率

8、）時間分辨率是指對同一地區(qū)進行重復(fù)觀察的頻率。是指對同一地區(qū)進行重復(fù)觀察的頻率。例如，是每例如，是每1616天還是每天還是每3 3天重復(fù)一次。天重復(fù)一次。 定標定標( (calibration)calibration)是把所得到的測量值變換成是把所得到的測量值變換成絕對亮度，或指定與地表反射率及表面溫度絕對亮度，或指定與地表反射率及表面溫度等物理量有關(guān)的處理過程。等物理量有關(guān)的處理過程。由于大氣散射的影響，必須對觀測的數(shù)據(jù)進由于大氣散射的影響，必須對觀測的數(shù)據(jù)進行驗證，常常用基于地面實況數(shù)據(jù)進行驗證行驗證，常常用基于地面實況數(shù)據(jù)進行驗證的方法。這些地面數(shù)據(jù)被稱為驗證數(shù)據(jù)。的方法。這些地面數(shù)據(jù)被

9、稱為驗證數(shù)據(jù)。 地面實況調(diào)查地面實況調(diào)查( (ground truth)ground truth)是指為了檢是指為了檢驗遙感數(shù)據(jù)與觀測目標物的對應(yīng)關(guān)系而對地驗遙感數(shù)據(jù)與觀測目標物的對應(yīng)關(guān)系而對地面實況信息進行觀測、測量、收集的工作。面實況信息進行觀測、測量、收集的工作。 在進行遙感影像的幾何精校正時，必須在進行遙感影像的幾何精校正時，必須要有地面控制點。適于作為地面控制點的是要有地面控制點。適于作為地面控制點的是可以在影像上辨認出的一點和它所對應(yīng)的地可以在影像上辨認出的一點和它所對應(yīng)的地面上相同的一點，而且可以正確知道該點在面上相同的一點，而且可以正確知道該點在影像上的位置影像上的位置( (像

10、元號、行號像元號、行號) )和在地圖上的位和在地圖上的位置置( (緯度、經(jīng)度、高度緯度、經(jīng)度、高度) )。定位方法有：定位方法有：（1 1）地形圖法：）地形圖法：簡單，但不適于缺乏高精度地形圖的地區(qū)。簡單，但不適于缺乏高精度地形圖的地區(qū)。（2 2）GPSGPS定位法：定位法：Global Positioning SystemGlobal Positioning System：地圖信息可以提供如下功能：地圖信息可以提供如下功能：調(diào)查區(qū)域的概查：調(diào)查區(qū)域的概查：幾何校正控制點的設(shè)置：幾何校正控制點的設(shè)置：輔助性地面實況數(shù)據(jù)的獲取及判讀參考：輔助性地面實況數(shù)據(jù)的獲取及判讀參考：分析、判讀結(jié)果的整理與

11、表示：分析、判讀結(jié)果的整理與表示：常用的地圖數(shù)據(jù)：常用的地圖數(shù)據(jù)：數(shù)字高程模型（數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model Digital Elevation Model 簡簡稱稱DEMDEM）是在高斯投影平面上規(guī)則格網(wǎng)點平是在高斯投影平面上規(guī)則格網(wǎng)點平面坐標（面坐標（x,yx,y）及其高程（及其高程（z z）的數(shù)據(jù)集。的數(shù)據(jù)集。DemDem的水平間隔可隨地貌類型不同而改變。的水平間隔可隨地貌類型不同而改變。根據(jù)不同的高程精度，可分為不同等級產(chǎn)品根據(jù)不同的高程精度，可分為不同等級產(chǎn)品。 數(shù)字正射影像圖（數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto MapDigital

12、 Orthophoto Map簡稱簡稱DOMDOM）是利用數(shù)字高程模型對掃描處理是利用數(shù)字高程模型對掃描處理的數(shù)字化的航空相片的數(shù)字化的航空相片 / / 遙感相片（單色遙感相片（單色 / / 彩彩色），色），一般帶有公里格網(wǎng)、圖廓內(nèi)一般帶有公里格網(wǎng)、圖廓內(nèi) / / 外整飾和注記外整飾和注記的平面圖。的平面圖。 數(shù)字線劃地圖（數(shù)字線劃地圖（Digital Line GraphicDigital Line Graphic簡稱簡稱DLGDLG）是現(xiàn)有地形圖上基礎(chǔ)地理要素的矢量是現(xiàn)有地形圖上基礎(chǔ)地理要素的矢量數(shù)據(jù)集，且保存要素間空間關(guān)系和相關(guān)的屬數(shù)據(jù)集，且保存要素間空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息。性信息。

13、（Digital Raster GraphicDigital Raster Graphic簡稱簡稱DRGDRG）是紙是紙質(zhì)地形圖的數(shù)字化產(chǎn)品。每幅圖經(jīng)掃描、糾質(zhì)地形圖的數(shù)字化產(chǎn)品。每幅圖經(jīng)掃描、糾正、圖幅處理及數(shù)據(jù)壓縮處理后，形成在內(nèi)正、圖幅處理及數(shù)據(jù)壓縮處理后，形成在內(nèi)容、幾何精度和色彩上與地形圖保持一致的容、幾何精度和色彩上與地形圖保持一致的柵格文件。柵格文件。 數(shù)字地形數(shù)據(jù)是表示地形形狀的數(shù)據(jù)，也叫數(shù)字地形數(shù)據(jù)是表示地形形狀的數(shù)據(jù)，也叫數(shù)字地形模型數(shù)字地形模型( (DTMDTM：digital terrain model digital terrain model or DEMor DE

14、M：digital elevation model)digital elevation model)。地形形狀地形形狀( (地表面形狀地表面形狀) )的表示方法大致分為以的表示方法大致分為以下下4 4種：種：等高線表示法：用具有等間隔的高度的等等高線表示法：用具有等間隔的高度的等高線集合表示地形的方法。高線集合表示地形的方法。網(wǎng)格點表示法：通過在水平面上布置的格網(wǎng)格點表示法：通過在水平面上布置的格點點( (網(wǎng)格點網(wǎng)格點) )的標高數(shù)據(jù)表示地形形狀的方法。的標高數(shù)據(jù)表示地形形狀的方法。格點以外地點的標高由周圍格點的標高數(shù)據(jù)格點以外地點的標高由周圍格點的標高數(shù)據(jù)內(nèi)插求出。內(nèi)插求出。 隨機點表示法：

15、通過在水平面上隨機布置的點的隨機點表示法：通過在水平面上隨機布置的點的水平位置坐標和標高數(shù)據(jù)表示地形形狀的方法。近水平位置坐標和標高數(shù)據(jù)表示地形形狀的方法。近似地表示地表面形狀的方法叫似地表示地表面形狀的方法叫TIN(triangulated TIN(triangulated irregular networkirregular network：不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)) )。該方法。該方法只有按地形起伏自由變更標高點密度的優(yōu)點，對高只有按地形起伏自由變更標高點密度的優(yōu)點，對高速檢索周圍的隨機點必須加以特別的考慮。速檢索周圍的隨機點必須加以特別的考慮。函數(shù)表示法：通過曲線函數(shù)等用曲面表

16、示函數(shù)表示法：通過曲線函數(shù)等用曲面表示地表面的方法。地表面的方法。 （一）遙感影像的波譜信息 （二）遙感影像的空間信息 （三）遙感影像的時間信息（一）單波段統(tǒng)計特征（二）（三）卷積（四）紋理 （1 1）影像灰度均值）影像灰度均值 均值指的是一幅影像中所有像元灰度值的均值指的是一幅影像中所有像元灰度值的算術(shù)平均值，它反映的是影像中地物的平均算術(shù)平均值，它反映的是影像中地物的平均反射強度，大小由一級波譜信息決定。反射強度，大小由一級波譜信息決定。 （2 2）影像灰度中值）影像灰度中值 指影像所有灰度級中處于中間的值。當灰指影像所有灰度級中處于中間的值。當灰度級數(shù)為偶數(shù)時，則取中間兩灰度值的平均度級

17、數(shù)為偶數(shù)時，則取中間兩灰度值的平均值。由于一般遙感影像的灰度級都是連續(xù)變值。由于一般遙感影像的灰度級都是連續(xù)變化的，因而中間值可通過最大灰度值和最小化的，因而中間值可通過最大灰度值和最小灰度值獲得?；叶戎但@得。 （3 3）影像灰度眾數(shù)）影像灰度眾數(shù) 眾數(shù)是影像中出現(xiàn)最多次數(shù)的灰度值。它眾數(shù)是影像中出現(xiàn)最多次數(shù)的灰度值。它是一幅影像中分布較廣的地物類型反射能量是一幅影像中分布較廣的地物類型反射能量的反映。的反映。 （4 4）影像灰度方差）影像灰度方差 方差反映各像元灰度值與影像平均灰度值方差反映各像元灰度值與影像平均灰度值的總的離散程度。它是衡量一幅影像信息量的總的離散程度。它是衡量一幅影像信息

18、量大小的重要度量，是影像統(tǒng)計分析中的最重大小的重要度量，是影像統(tǒng)計分析中的最重要的統(tǒng)計量。要的統(tǒng)計量。 （5 5）影像灰度數(shù)值域）影像灰度數(shù)值域( (range)range) 它是影像最大灰度值和最小灰度值的差值它是影像最大灰度值和最小灰度值的差值，它反映了影像灰度值的變化程度，從而間，它反映了影像灰度值的變化程度，從而間接地反映了影像的信息量。接地反映了影像的信息量。 （6 6）影像灰度反差）影像灰度反差反差可以反映影像的顯示效果和可分辨性。反差可以反映影像的顯示效果和可分辨性。上述三種形式的反差定義中，上述三種形式的反差定義中，C C3 3最合理，其最合理，其它兩種定義受極端情況的影響較大

19、。它兩種定義受極端情況的影響較大。 （7 7）影像的直方圖）影像的直方圖 直方圖是指影像中所有灰度值的概率分布直方圖是指影像中所有灰度值的概率分布。橫坐標表示影像的灰度級變化，縱坐標表。橫坐標表示影像的灰度級變化，縱坐標表示影像中各個灰度級像元數(shù)占整幅影像像元示影像中各個灰度級像元數(shù)占整幅影像像元數(shù)的百分比。遙感影像數(shù)據(jù)常常服從或接近數(shù)的百分比。遙感影像數(shù)據(jù)常常服從或接近于正態(tài)分布。于正態(tài)分布。 （7 7）影像的直方圖）影像的直方圖 （7 7）影像的直方圖）影像的直方圖 （8 8）直方圖的描述量）直方圖的描述量事實上，遙感影像數(shù)據(jù)并不能完全服從正態(tài)事實上，遙感影像數(shù)據(jù)并不能完全服從正態(tài)分布，往

20、往存在直方圖的偏斜。其具體表現(xiàn)分布，往往存在直方圖的偏斜。其具體表現(xiàn)為影像灰度均值與眾數(shù)和中值的明顯不一致為影像灰度均值與眾數(shù)和中值的明顯不一致。偏斜程度可用下面的量來表示：。偏斜程度可用下面的量來表示： SffSekmodSffSmedk)(3 （1 1）協(xié)方差）協(xié)方差 設(shè)設(shè)f f（i i，j j）和和g g（i i，j j）是大小為是大小為MMN N的兩的兩幅影像，則它們之間的協(xié)方差計算公式為：幅影像，則它們之間的協(xié)方差計算公式為： gjigfjifMNSSMiNjfggf),(),(1101022 （1 1）協(xié)方差）協(xié)方差將將N N個波段相互間的協(xié)方差排列在一起所組成個波段相互間的協(xié)方差

21、排列在一起所組成的矩陣稱為協(xié)方差矩陣的矩陣稱為協(xié)方差矩陣 222212222222121212211.NNNNNNSSSSSSSSS （2 2）相關(guān)系數(shù)）相關(guān)系數(shù) 相關(guān)系數(shù)是描述波段影像間的相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù)是描述波段影像間的相關(guān)程度的統(tǒng)計量，反映了兩個波段影像所包含信息的統(tǒng)計量，反映了兩個波段影像所包含信息的重疊程度。即重疊程度。即 ggfffgfgSSSr2 （2 2）相關(guān)系數(shù)）相關(guān)系數(shù) 將將N N個波段相互間的相關(guān)系數(shù)排列在一起所組個波段相互間的相關(guān)系數(shù)排列在一起所組成的矩陣稱為相關(guān)矩陣成的矩陣稱為相關(guān)矩陣 1.1.121221112NNNNrrrrrrR （1 1）窗口和鄰域）窗口和鄰

22、域 對于圖像中的任一像素對于圖像中的任一像素(x,y),(x,y),以此為中心，按上下左右對以此為中心，按上下左右對稱所設(shè)定的范圍成為窗口。如稱所設(shè)定的范圍成為窗口。如 3 33 3窗口、窗口、5 55 5窗口。窗口。 中心像素周圍的行列稱為該像素的鄰域，4鄰域與8鄰域如下： （2 2）卷積運算）卷積運算 卷積運算是空間域上針對特定窗口進行的運算。設(shè)窗口大小為mn，（i，j）是中心像素，f(x,y)是圖像像素值，h（x，y）是窗口模板（或卷積核），g(x,y)是運算結(jié)果，那么卷積的運算公式定義為：mynxyxhyxfjig11),(),(),( （2 2）卷積運算）卷積運算 直觀印象直觀印象結(jié)

23、構(gòu)方法結(jié)構(gòu)方法統(tǒng)計方法統(tǒng)計方法灰度級游程長灰度級游程長濾波模板濾波模板隨機模型隨機模型分形模型分形模型定性描述定性描述定量描述定量描述 ：由自然背景上的符號（點、線條、字：由自然背景上的符號（點、線條、字母或母或 數(shù)字等）排列組成數(shù)字等）排列組成具有重復(fù)排列現(xiàn)象的自然景物（森林、具有重復(fù)排列現(xiàn)象的自然景物（森林、草地等）草地等） 人工紋理 自然紋理 （1 1）空間自相關(guān)函數(shù)）空間自相關(guān)函數(shù) 對物體的粗糙程度進行描述，其定義如下： 粗紋理的自相關(guān)函數(shù)隨距離變化較為緩慢，而細紋理則變化比較快。如果距離固定，那個粗紋理具有較高的自相關(guān)函數(shù) （1 1）空間自相關(guān)函數(shù)）空間自相關(guān)函數(shù)The Use of Variograms in Remote Sensing，Woodcock，1988 （1 1）空間自相關(guān)函數(shù)）空間自相關(guān)函數(shù)空間變異函數(shù)的對比空間變異函數(shù)的對比 （1 1）空間自相關(guān)函數(shù)）空間自相關(guān)函數(shù) 在二階平穩(wěn)情況下，空間變異函數(shù)r(h）和空間自相關(guān)函數(shù)