遥感数字图像处理.ppt

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1、遥感数字图像处理 Remote Sensing Digtal Image Processing,地理信息与旅游学院 韩 芳,2012年春季,自 我 介 绍,姓名：韩 芳 邮箱： QQ: 1583827681,学习目标,基本知识：系统掌握遥感图像几何处理，图像校正，图像变换，图像增强，图像分析，图像分类处理等算法。 基本技能：熟练使用ERDAS遥感专业处理图像软件进行遥感图像处理与图像分析工作,主要参考书目,遥感导论 梅安新，高等教育出版社 数字图像处理 贾永红，武汉大学出版社 数字图像处理 冈萨雷斯,电子工业出版社 遥感图像信息系统 张永生，科学出版社 遥感影像地学理解与分析 周成虎，科学出版

2、社,参 考 期 刊,中国图形图像学报 遥感学报 遥感技术与应用 国土资源遥感,参考资料: 研究机构网站,科技部国家遥感中心 http:/ 中科院遥感应用研究所 http:/ 中国资源卫星应用中心 http:/ 中国遥感卫星地面站 http:/,理论内容及安排（36学时）,第一章 概论 （第一周，2课时） 第二章 遥感数字图像的获取和存储（第二周，2课时） 第三章 遥感数字图像的表示和统计描述（第三周，2课时） 第四章 图像的显示和拉伸（第四、五周，4课时） 第五章 图像校正（第六、七周，4课时） 第六章 图像变换（第八、九周，4课时） 第七章 图像滤波（第十、十一周，4课时） 第八章 图像分割

3、（第十二、十三周，4课时） 第九章 遥感图像分类（第十四、十五、十六周，6课时） 第十章 地物成分分析的信息提取（第十七、十八周，4课时）,基础知识,重点内容,实验课内容及安排（16学时）,1.ERDAS视窗的基本操作，第三周，2学时 2.数据预处理，第五、七周，4学时（讲授2学时，练习巩固2学时） 3.遥感图像的增强处理，第九、十一周，4学时（讲授2学时，练习巩固2学时） 4.遥感图像的监督分类，第十三周，4学时（讲授2学时，练习巩固2学时） 5.遥感图像的非监督分类，第十五、十七周，4学时（讲授2学时，练习巩固2学时）,第一章 绪 论,内容 1.课程性质、教学计划和要求简介； 2.数字图像

4、处理的基本概念、主要内容、系统组成、特点及其应用。 目的 1. 了解数字图像处理的主要内容及相关知识，熟悉数字图像处理与其他学科的关系； 2.重点掌握数字图像处理的基本概念、系统组成、特点及应用。,1.1 图像和遥感数字图像,1.1.1 图像和数字图像 图像是对客观存在的物体的一种相似性的、生动的写真或描述（RC冈萨雷斯）。 图像的类别,图像,数学 函数,不可见的物理图像,可见的图像,光图像,照片、图与画,可见图像和不可见图像,模拟图像和数字图像,模拟图像（光学图像）： 空间坐标和明暗程度连续变化的、计算机无法直接处理的图像，属于可见图像。可以用连续的数学函数来表达。,数字图像： 用计算机存储

5、和处理的图像，空间坐标和灰度均不连续、以离散数学原理（矩阵）表达的图像。在计算机内部，数字图像表现为二维阵列（网格），属于不可见图像。 一幅图像可定义为一个二维函数f(x,y)，其中x和y是空间（平面）坐标，而在任何一对空间坐标(x,y)处的幅值f称为图像在该点处的强度或灰度。当x、y和灰度值f是有限的离散数值时，我们称该图像为数字图像。,模拟图像：,图像是连续的，即用函数 f (x,y)表示的图像。其中： x , y表示空间坐标点的位置； f 表示图像在点（x , y） 的某种性质的数值，如亮度、灰度，色度等。 f , x, y可以是任意实数。,.,数字图像,I (r , c)是对 f (

6、x , y) 的离散化后的结果。 r表示图像的行(row)； c表示图像的列(column)； I表示离散后的f； I , r, c的值只能是整数。 数字图像可用矩阵或数组进行描述。,.,数字图像的矩阵表示,1.1.2 遥感数字图像,遥感数字图像(Remote Sensing Digital Image)： 指以数字形式表达的遥感影像。存储在硬盘或光盘中，区别于以摄影胶片存储的遥感模拟图像（光学图像）。(像素值:亮度值,DN),遥感数字图像与照片的差异,数字图像处理及其特点,1. 数字图像 计算机图像处理的图像必须以数字格式存储; 以数字格式存放的图像称之为数字图像; 常见的各种照片、图片、海

7、报、广告画等一般为模拟图像，通过数字化设备可将模拟图像数字化; 计算机可以方便地处理各种数字图像，以达到视觉效果和特殊效果。,在计算机中，图像被分割成像素（Pixel），各像素的灰度值用整数表示。一幅MN个像素的数字图像，其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵G表示：,数字图像,1.2遥感数字图像处理,1.2.1概述 遥感数字图像处理: 利用计算机图像处理系统对遥感图像中的像素进行操作的过程。 遥感数字图像处理从信息处理、自动控制信息论、计算机科学 、数据通讯 、电视科学、等学科脱颖而出，成为遥感图像信息获取、传输、存储、变换 、显示、判读与应用的一门新兴交叉学科 。,地物,成像系统,采样和量化,

8、数字存储,计算机,显示,记录,地物,观测,数字化,存储,图像处理,遥感与图像处理,遥感数字图像处理的主要内容,（1）图像增强 增强过程本身不会增加数据中原有的信息内容，仅仅是突出了特定的图像特征，使图像更容易理解、解释和判读。 （2）图像校正（辐射校正、几何校正） 也称图像恢复、图像复原，主要包括辐射校正和几何校正。目的是使图像信息能够正确地反应实际地物信息或物理过程。 （3）信息提取（图像分割、分类） 根据地物光谱特征和几何特征，确定不同地物信息的提取规则。在此基础上，利用该规则从校正后的遥感数据中提取各种有用的地物信息。主要包括图像分割、分类等方法，处理结果为分类专题图。,数字图像处理的具

9、体内容,图像的数字化,如何由一幅模拟图像获取一幅满足需求的数字图像，使图像便于计算机处理、分析。,图像变换 图像变换目的在于：处理问题简化、有利于特征提取、加强对图像信息的理解。 图像变换算法很多，重点学习傅立叶变换的算法、性质和应用。,图像的编码与压缩,256k,21k,图像分割,图像分割是指将一幅图像划分为互不重叠的区域的处理。重点介绍图像分割的方法及其应用。,图像识别 对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。,图像增强,介绍各种增强方法及其应用。增强图像的有用信息，消弱噪声的干扰。,图像的恢复与重建,把退化、模糊了的图像复原.包括图像辐射校正和几何校正等内容。 由断层扫描重建二、三维图像

10、。,1.2.2遥感数字图像处理系统,硬件系统 数字化器（数码相机、数码摄像机、扫描仪） 大容量存储器（磁盘、光盘） 显示与输出设备（打印机、绘图仪） 操作台,软件系统,ERDAS IMAGE 最突出的特色是专家模型系统、可视化建模工具以及与ArcGIS软件的高度集成。 ENVI（the environment for visualizing image）最突出的特色是具有丰富的高光谱数据处理工具和内嵌的IDL开发语言。 TITAN IMAGE 北京东方泰坦科技股份有限公司 国内唯一的专业遥感空间信息软件平台。,只有熟练掌握了图像处理的基本原理，才有可能用好图像处理系统。,1.3数字图像处理的发

11、展和两个观点,数字图像的最早应用领域是报纸业。当时，图片第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约。早在20世纪20年代借助巴特兰（Bartlane）电缆图片传输系统，把传送一幅图片所需的时间从一个多星期减少到3个小时。 第一台功能强大到足以执行有意义图像处理任务的大型计算机出现在20世纪60年代初。利用计算机技术改善空间探测器发回的图像的工作始于1964年美国加利福尼亚的喷气推进实验室。当时由“徘徊者7号”卫星传送的月球图像由一台计算机进行了处理，校正航天器上电视摄像机中各种类型的图像畸变。 数字图像处理技术在20世纪60年代末和70年代初开始用于医学成像、地球资源遥感监测和天文学等领域。 20世纪9

12、0年代后，遥感图像处理得到了迅速普及和发展。,1964年7月31日上午9点09分，美国“徘徊者7号”航天器在撞击月球表面前约17分钟摄取的月球表面图像。 “徘徊者7号”积累的图像处理方法可作为增强和复原图像的方法的基础。,原图像由NASA提供,NASA,美国国家航空航天局 National Aeronautics and Space Administration，NASA,于1958年10月开始运转。负责美国的太空探索，例如登月的阿波罗计划，太空实验室，以及随后的航天飞机。自2006年2月，美国国家航空航天局的愿景是 “开拓未来的太空探索，科学发现及航空研究”。美国国家航空航天局的使命是“理解

13、并保护我们赖以生存的行星；探索宇宙，找到地球外的生命；启示我们的下一代去探索宇宙”。 在太空计划之外，美国国家航空航天局还进行长期的民用以及军用航空太空研究。美国国家航空航天局被广泛认为是世界范围内太空机构中执牛耳者。美国国家航空航天局透过地球观测系统提升对地球的了解，透过太阳科学研究计划精进太阳科学。美国国家航空航天局注重于利用先进的机械任务探索太阳系中的的所有天体并利用天文观测台及相关计划研究天体物理学中的主题，例如大爆炸理论。美国国家航空航天局与许多美国国内及国际的组织分享其研究数据。,1.3数字图像处理的发展和两个观点,（1）离散方法 空间域（x,y） 以图像平面本身作为参考，直接对图

14、像中的像素进行处理。 （2）连续方法 频率域（频率：像素值的变化程度） 基于傅里叶变换，频率域的图像处理是对傅里叶变换后产生的反映频率信息的图像进行处理。,数字图像处理的产生和发展主要受如下三个方面的影响:,一是计算机的发展。随着计算机硬件技术及数字化技术的发展，过去只能用大型计算机完成的庞大处理，现在，在个人计算机（PC机）上也能够轻而易举地实现。 二是数学的发展， 特别是离散数学理论的创立和完善，为数字图像处理奠定了理论基础。 三是军事、医学和工业等方面的应用需求。,自20世纪20年代，图像处理首次用于改善伦敦和纽约之间海底电缆发送的图片质量，经过几十年的研究与发展，数字图像处理的理论和方

15、法进一步完善，应用范围更加广阔，已经成为一门新兴的学科，并向更高的方向发展。 在景物理解和计算机视觉方面，图像处理已由二维发展到三维。近几年来，随着计算机和各相关领域研究的迅速发展，科学计算可视化、多媒体技术等研究和应用的兴起， 数字图像处理从一个专门领域的学科，变成了一种新型的科学研究热点。,1.4基础理论和基本知识要求,物理学,地 学,数 学,信息理论,计算机技术和 地理信息系统,1.概论,2.遥感数字图像处理获取和存储,3.遥感数字图像表示和统计描述,5.图像校正,6.图像变换,7.图像滤波,8.图像分割,9.遥感图像分类,10.地物成分分析和信息提取,4.图像显示和拉伸,图像处理,基本

16、知识,本教程的组织结构,1.6 数字图像处理的特点及其应用,1.6.1 数字图像处理的特点 精度高 对于一幅图像而言，数字化时不管是用4比特、8比特还是其它比特表示，只需改变计算机中程序的参数，处理方法不变。所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能的。而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对装置进行大幅度改进。 再现性好 不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。在传送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。而在模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。,通用性、灵活性强 对可见图像和不可见光图像

17、（如X光图像、热红外图像和超声波图像等），尽管这些图像生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当把这些图像数字化后，对于计算机来说，都可同样进行处理，这就是数字处理图像的通用性。 另外，改变处理图像的计算机程序，可对图像进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、拼接、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运算等，所以灵活性很高。 应用广泛 数字处理图像在生物医学 、遥感 、工业 、军事、通信、公安等领域有着广泛的应用。,70年代,IP有了较大的发展，1976年出版 了第一本图像处理的专著。,70年代处理地球卫星获取的遥感图片，进行地质资源探测，农作物估产，水文气象监测等; -图像增强和图像识别的研究和发展

18、。,地球资源勘探,遥感图片,气象预报,气象云图 气象预报,80年代随着高速计算机和大规模集成电路的发展，使图象处理技术更趋成熟，得到了广泛应用。从2D图像发展到3D图像处理，,计算机绘画,计算机合成图像,广告设计,90年代，以多媒体技术为代表，IP的应用涉及到人类生活的各个方面。,图像压缩和多媒体技术的突破和发展； 文本图像的分析和理解，文字的识别取得重大的进展； 全球通讯技术的蓬勃发展，使图像通讯和传输的广泛应用，各数字图像处理技术取得广泛的开拓性的发展，进入成熟应用阶段。,21世纪，IP将改变人们的生活方式。,网页设计,网页设计,航天航空 生物医学工程 通讯领域 工业 军事公安 文化艺术,

19、阿波罗登月,遥感：农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等等。,生物医学： 早在20世纪70年代发明的计算机轴向断层术，简称为计算机断层（CT），是图像处理在医学诊断领域最重要的应用之一（发明断层摄影术的Godfrey N. Hounsfield先生和Alan M. Cormack教授在1979年共同获得了诺贝尔医学奖）。 数字图像处理在医学上的应用还包括：显微镜图像分析，DNA成像分析等；CT及核磁共振、超声波、 X射线成像分析等。,显微镜图像分析,DNA成像分析,不同波长的电磁波在医学上的应用,骨骼扫描图像,X射线成像技术

20、,遥感： 农、林等资源的调查，农作物长势监测，自然灾害监测、预报，地势、地貌测绘以及地质构造解译、找矿，环境污染检测等等。,遥感通常包括可见光和红外波谱范围的一些波段。,NASA的LANDSAT卫星的主要波段,RS Application in Monitoring the Changes of Landuse(1),RS Application in Monitoring the Changes of Landuse(2),水情监控,天气观测与预报,2005年8月29日拍摄的“卡特里娜”飓风的卫星图像,天气观测与预报也是卫星多光谱成像的主要应用领域。例如，右图是由美国国家海洋和大气管理卫星（

21、NOAA）在可见光及红外波段使用传感器拍摄的飓风图像，图像中的飓风眼清晰可见。,气象预报： 获取气象云图进行测绘、判读等。,风云1号,风云2号,工业生产： 无损探伤，石油勘探，生产过程自动化（识别零件，装配质量检查），工业机器人研制等,军事： 航空及卫星侦察照片的测绘、判读，雷达、 声纳图像处理，导弹制导，军事仿真等。,在军事方面制作电子沙盘,Landscape,电子沙盘,电视、网络等媒体中的应用,独特的Exact Time和Auto Balance技术,语音图像唇形同步,只需350毫秒,超凡卓越的音频视频表现,地图符号识别,公安： 指纹识别，印签、伪钞识别，安检，手迹、印记鉴别分析等。,数字

22、图像处理的发展方向,（1） 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。如在航天遥感、气象云图处理方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。 （2）加强软件研究、开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法。 （3） 加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如人的视觉特性、心理学特性等的研究，如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。,（4） 加强理论研究，逐步完善图像处理学科的理论体系。 （5） 图像处理领域的标准化。图像的信息量大、数据量大， 因而图像信息的建库、检索和交流是一个重要的问题。目前的情况是:软件、硬件种类繁多，交

23、流和使用极为不便，成为资源共享的严重障碍。应建立图像信息库，统一存放格式，建立标准子程序，统一检索方法。,图像处理技术未来发展大致可归纳为： （1）图像处理的发展将围绕HDTV（高清晰度电视）的研制， 开展实时图像处理的理论及技术研究，向着高速、高分辨率、 立体化、多媒体化、 智能化和标准化方向发展。 （2）图像图形相结合，向三维成像或多维成像方向发展。 （3） 硬件芯片研究。把图像处理的众多功能固化在芯片上， 使之更便于应用。,（4） 新理论与新算法研究。在图像处理领域，近几年来， 引入了一些新的理论并提出了一些新的算法，如小波分析(Wavelet)、分形几何(Fractal)、形态学(Mo

24、rphology)、遗传算法(GA，Genetic Algorithms)、人工神经网络等(Artificial neural networks)。这些理论及建立在其上的算法，将会成为今后图像处理理论与技术的研究热点。 数字图像处理经过初创期、发展期、普及期及广泛应用几个阶段，如今已是各个学科竞相研究并在各个领域广泛应用的一门科学。随着科学技术的进步以及人类需求的不断增长，图像处理科学无论是在理论上还是实践上， 均会取得更大的发展。,本章小结,本章介绍了数字图像处理的起源、发展、当前及未来应用领域概括性的介绍、遥感数字图像处理的概念、应用、主要内容、用途、方法等。 希望同学们在本章的学习之后，对遥感数字图像处理的知识宽度和应用范围能够有比较清晰的认识。,Thank You !,地理信息与旅游学院 2012.2.13,