（信号与信息处理专业论文）陆地卫星7号etm图像数据缺行的修复与应用研究.pdf

哈尔滨= i ：程大学硕士学位论文 摘要 1 9 9 9 年4 月美国发射豹l a n d s a t - 7 怒美国l a n d s a t 计划发射的第7 颗陆地 观测卫嫩。由于l a n d s a t + 7 提供的卫星观灏4 数据舆有较前六颗卫崖更为出色的 影缘质爨，其数擐现在已经被世界上1 5 个地面站所接受并广泛殿用于环境评 估与监钡、全球变化探测、农渡、地质调查、测绘、考古和规划管理等领域， 成为我阑现在应用最为广泛的地球观测数据。2 0 0 3 年5 月3 l 豳，l a n d s a t 7 上的星载专题制图仪e t m + 的扫描行校正器( s c a nl i n ec o r r e c t o r ，简称s l c ) 发生故障，从此提供妁阁像数据上带有数据缺行，图像难以正常使用。该数 据的损坏对我国在一些领域中的研究发展产生了彩响，激j 琏：修复该遥感图像 数据具谢现实的意义和迫切的需要。 本文针对遮种遥感图像修笺的追切需要，纂于产生e t m + 遥感圈像缺行 的机理，对这类遥感图像进行深入研究，提出了整套e t m + 遥感图像缺行修 复的标准流程。本文的磷究肉容主要分成三大部分，分羽为e t m + 缺行豳像 的修复预处理、e t m + 缺行图像的修复算法研究、几种修复算法的比较论证。 在第一部分中涉及静修复预缝瑾主癸为图像配准静蕃并究。本文首舞遽过 分析基于控制点配准的方法原理实现了两幅遥感图像的配准。然后提出了一 种基予绥帽交换静松魏黼准方法，为缺行图像酌配准褥供了多种静鬣穰方案 选择。 第二部分遥感蚕豫缺行静修复是本文的主簧矫究环节。奉文在磅究我国 陆地卫星地面站使用的全局直方图匹配算法和e t m + 图像缺行的特点厥，在 这个基磷上搀灞了咒释改送算法，包搭罄手势黉豹全弱童方灞糕酝算法、基 于分类的局部煦方图匹髑己算法和自适应窗口直方图匹配算法。之后，又提出 了一释鑫适应鬻舀霞翔圈像穆笈算法。实验结采表秘，鑫遥瘦鬻蠢壹方鼙匹 配算法和自适臌窗口回归图像修复算法的修复效果比较理想，具有较好的修 复效粟鞠运算效率。 在第三部分中，首先利用均方根误差的计算比较几种算法的修复效果。 然螽裾凡释算法分澍瘦蔫翻含藏不同 摹嚣静窝像中，褥出算法豹笈蠲效栗彝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使用范围等结论。随后利用b p 神经网络分类实验了修复后的图像进行后续 使用的效果。从另一个角度验证了几种算法的修复效果，并得出了关于整个 修复算法的总结。最后，将一种效果相对最为理想的算法应用到实际的缺行 图像中，展示了算法的实际应用效果。 关键词：l a n d s a t 7 卫星：图像配准算法；基于直方图匹配的修复算法；基于 回归的修复算法；b p 神经网络； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 i i i i i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ a b s t r a c t l a n d s a t 7s p a c e c r a f t ，w h i c hw a sl a u n c h e di na p r i l1 9 9 9i st h es e v e n t hg l o b a l s u r v e ys a t e l l i t e so ft h el a n d s a tp r o g r a m s i n c et h el a n d s a t - 7i m a g ed a t ah a s h i g h e rq u a l i t yt h a nb e f o r e ，t h ei m a g ed a t ah a sb e e nr e c e i v e db y15s a t e l l i t e g r o u n ds t a t i o n s ，a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne n v i r o n m e n ta s s e s s m e n ta n d i n s p e c t i o n 番o b a lc h a n g ed e t e c t i o n ，a g r i c u l t u r e ，g e o g r a p h yr e s e a r c h ，m a p p i n g ， a r c h e o l o g y ，l a y o u tm a n a g e m e n ta n da l s ob e c o m et h em o s tp o p u l a rr sd a t ai n c h i n a a ni n s t r u m e n tm a l f u n c t i o no c c u r r e do n b o a r dl a n d s a t - 7o nm a y3i ，2 0 0 3 t h ep r o b l e mw a sc a u s e db yf 葡l u r eo ft h es c a nl i n ec o r r e c t o rf s l c ) ，a n dt h e p r o b l e ma p p e a r st ob ep e r m a n e n t 。t h i sp r o b l e ma f f e c t ss o m er e s e a r c hf i e l da n d t h er e c o v e ro f t h ed a t ab e c o m eq u i t ei n s i s t e n t t h i sp a p e rw a sr e s e a r c hu n d e rt h ea b o v eb a c k g r o u n d 。b a s e do nt h ee s s e n t i a l c a n s a t i o n so fi m a g ed e f o r m i t y ，! d i dad e e p l yr e s e a r c ha n dd e v e l o p e dae t m + s l c - o f fi m a g e r e p a i r f l o w 孙ew h o l er e s e a r c h i n c l u d e s3 p a r t s ：t h e p r e - p r o c e s s i n gp a r t ，r e s e a r c h o n r e p a i ra l g o r i t h m ，c o m p a r e o fd i f f e r e n t a l g o r i t h m s 。 t h ef i r s tp a r ti n v o l v e da r t i f i c i a l - s e l e c t i n gb a s e ds l c o f fi m a g e sr e g i s t r a t i o n a n dt a s s e lb a s e da u t o * s e l e c t i o ns l c o f fi m a g e sr e g i s t r a t i o n b o t ho ft h e m p r o v i d eac h o i c ew h e nw en e e d 拯r e g i s t e rt w os l c o f f i m a g e s t h es e c o n dp a r ti st h em o s ti m p o r t a n t b a s e do nt h er e s e a r c ho f t h es l c o f f i m a g e sr e p a i ra l g o r i t h mu s e db yr s g s ( r e m o t es e n s i n gg r o u n ds t a t i o n ) a n dt h e f e a t u r eo fs l c - o f fi m a g e s ，ld e v e l o p e ds o m ei m p r o v e da l g o r i t h m s ，i n c l u d e g l o b a ld i f f e r e n t i a lh i s t o g r a mm a t c h ，l o c a ld i f f e r e n t i a lh i s t o g r a mm a t c h ，l o c a l h i s t o g r a mm a t c h a l s o ，id e v e l o p e da n o t h e ra l g o r i t h mc a l l e da d a p t i v el o c a l r e g r e s s i o n a f t e ras e r i e so f e x p e r i m e n t ，t h er e s u l tt u r n so u tt h a tb o t ht h el o c a l h i s t o g r a mm a t c ha n da d a p t i v el o c a lr e g r e s s i o nd i d ag o o dj o bi ni m a g e r e c o v e r 哈尔滨工稷大学硕士学位论文 _ i i i i i i i _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ l k 蠹et h i r dp a r t 。ic a l c u l a t e da l lo f t h er m s e a m o n gt h ea l g o r i t h m sa n dd i d ac o m p a r i s o n t h e n ，a l lo ft h ea l g o r i t h m sh a db e e nu s e di nd i f f e r e n t i m a g e s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 1 1 1 i se x p e r i m e n tf i n a l l yd r a w ss o m ec o n c l u s i o n sa b o u t d i f f e r e n ta l g o r i t h ma d a p tt od i f f e r e n tc o n d i t i o n a f t e rt h a t ，lu s e dt h eb pn e u r a l n e t w o r kt oc l a s s i f yt h er e p a i r e di m a g e t h i se x p e r i m e n ts h o w e dt h er e p a i re f f e c t f r o mt h eo t h e ra n g l ea n dd r a w sac o n c l u s i o na b o u tt h es l c o f fr e c o v e rw o r k f i n a l l y ，t h eb e s ta l g o r i t h mw a su s e di nt h er e a ls l c - o f f i m a g e s k e y w o r d s ：l a n d s a t - 7s p a c e c r a f t ；i m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m ；h i s t o g r a mm a t c h b a s e di m a g er e c o v e ra l g o r i t h m ；r e g r e s s i o nb a s e di m a g er e c o v e r a l g o r i t h m ；b pn e u r a ln e t w o r k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中澄注明弓| 用静内容外，本论文不包含任何其毹个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标嘴。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 扭逸 日期：- 叫年f 月w 曰 哈尔滨工程大学颂士学位论文 第1 章绪论 1 1 陆地卫星l a n d s a t 7 介绍 l a n d s a t 卫整原名地球资源技术卫慰e r t s ( e a r t hr e s o u r c et e c h n o l o g y s a t e l l i t e ) ，它熬美国国家航空和航天局( n a s a ) 发射的用来获取地球表面 黼像酶一种遥感平台，跌观瓣麓施环境和资源为主。到露前为止l a n d s a t 计 划一共发射了1 7 号卫星，现在正常避行的是l a n d s a t 5 和l a n d s a t - 7 卫星， 6 号至瑟因为发射失黢两丢失l 。 l a n d s a t - 7 卫星是目前世界范围内应用最广泛的民用对地观测卫星，在围 绕遣球的鞔逶运转，获取数磷万幅鸯份瞌的图像。图像上载蠢丰謇筑魏蟊 信息，在农业、林业、艇态、地质、地理、气魏、水文、海洋、环境污染、 施图溅绘等方鬻得嚣广泛兹癍麓。 l a n d s a t - 7 的轨道为圆形，与地面保持等距离。其目的是使卫星图像比例 尺基本一致，凌使歪璧强豫豹邃瑟分辨霉不嚣墨星毫发变毯甏耀差 窭丈； l a n d s a t 7 轨道倾角为9 8 2 2 0 ，为近极地轨道。这种轨道有利于增大卫星对地 露静囊溯范萤，簸魏葶爨装袁分溺憩达到n 8 t 。帮$ 8 1 。，利爱遮蜷翌星巍转莠 结合轨道运行周期和图形扫描宽度的设计能保证全球绝大部分地区都在卫星 覆盏之下。l a n d s a t - 7 墨麓兹簧簿器只存在鞍蔑邂想魏党照条黪下，才疑获褥 高质量的图像，因此卫星轨道与太阳同步，其光照角为3 7 5 0 。l a n d s a t - 7 的卫 星运嚣翅期为期1 6 天嬲墨星躅鬻，卫鬃裁霹戳溪盖全球一逮，窍裂于慰地嚣 地物或自然现象的变化做动态照测【2 】。l a n d s a t - 7 卫星运行轨道参数总结见表 l l 。 l a n d s a t - 7 上所搭载的传感器为e t m + ，宅是t m 的增强型扫描式光学 残豫仪嚣，除了鞫样其套t m 豹6 令霹见光波段戳乡 ，e t m + 逐具有一个全 色波段以及一个热波段【n 。其图像分辨率如表1 - 2 。e 1 7 m + 的6 个可见光波段 较搴，势且设爨更为遥宣。 e t m + 1 ：0 , 4 5 0 5 2 i t r n i 菔波段。波段的短波端桐应于洁净水的蜂值， 长波裁在时绿爨吸收嚣；这令泼段对拳体的穿透力强，对盱绿豢与时绿素浓 度反应敏感，有助于判别水深、水中泥沙分布和进行避海水域制图等。 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e t m + 2 ：o 5 2 0 6 0 k t m ，绿波段。这个波段在两个叶绿素吸收代之间， 因此相应于健康植物的绿色；对健康茂盛植物反应敏感，对水的穿透力较强， 用于探测健康植物绿色反射率，区分林型、树种和反映水下特征等。 表1 - 1l a n d s a t 7 卫星运行参数 项目l a n d s a t 7 运行参数值 轨道高度 h 7 0 5 k m 轨道倾角 i9 8 2 2 0 运行周期 t9 8 9 m i n 长半径 n7 0 8 3 4 6 5 k m 降交点时间( 过赤道平均太阳时) t 9 ：4 5 a m 重复周期 d1 6 天( 2 3 3 圈) 偏移系数d 一7 在赤道上相邻轨道间距离1 7 2 k m 成像宽度 1 8 5 k m 在赤道上相邻轨道间重复度 1 3 k m ( 7 ) e t m + 3 ：0 6 3 0 6 9 p m ，红波段。为叶绿素的主要吸收波段；反映不同 植物的叶绿素吸收、植物健康情况，用于区分植物种类与植物覆盖度；在可 见光中这个波段是识别土壤边界和地质界限的最有利的光谱区。 表1 - 2l a n d s a t - 7 图像分辨率 卫星编号 传感器及波段编号地面分辨率( m ) e t m 十：l ，2 ，3 ，4 ，5 ，73 0 l a n d s a t - 7 e n “+ ：6 6 0 e t m + ：全色波段( p a n ) 1 5 e t m + 4 ：0 7 6 - 4 ) 9 0 k t m ，近红外波段。对绿色植物类别差异最敏感，相 应于植物的反射峰值，为植物遥感识别的通用波段。 e t m + 5 ：1 _ 5 5 1 7 5 岫，中红外波段。处于水的吸收带内，反映含水量 敏感，在这个波段叶面反射强烈依赖于叶适度，在对干旱的监测和植物生物 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - r o l l i _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ - _ - 量的确定是有用的。 e t m + 7 ：2 0 8 - 2 3 5 肛r n ，近红外波段。为地质学研究追加的波段，由于 岩石在不同波段发射率的变化与硅的含量有关，因此可以利用这种发射光谱 特性来区分岩石类型。该波段处于水的强吸收带，水体呈黑色。 图1 1 为几种典型地物的反射率曲线，图中的1 5 ，7 为上述划分的6 个可见光波段对应的位置。 e t m + 与t m 的波段、光谱特性和分辨率基本相似，最大的变化有3 点 【2 】： ( 1 ) 增加了分辨率为1 5 m 的全色波段p a n 。 ( 2 ) 波段6 的分辨率由1 2 0 m 提高到6 0 m 。 ( 3 ) 辐射定标误差率小于5 ，比l a n d s a t 一5 提高一倍。 l a n d s a t - 7 的数据能够采用之际发送的方式或者回收方式传送到地面，回 收的数据储存在星载的、使用电晶体的记录器上。主要的数据接收站位于 s i o u sf a l l s 的e r o s 数据中心( e d c ) j 。e d c 的地面系统能够季节性 图1 1 典型地物反射率曲线及e t m + 可见光波段分布 的处理全球所有陆地区域的图像，也就是说每年可以处理大约4 次。另外， 当卫星处在地面接收站的视野之内时，一个遍布全球的接收站网络能够接收 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 熨壹搂传送豹实对疆豫数撰。出予l a n d s a t - 7 提供兹翌黛溉测数据矮商较藏六 颗卫艇更为出色的影像质量，其数据现在已经被世界上1 5 个地面站所接受并 广泛应用于环境评估与监测、全球变化探测、农业、地质调查、测绘、考古 窝蕊翔管瑾等镞域，或为我国褒农应爱最先广泛费遗塔浚溺数攒。 1 2l a n d s a t 7 卫星e t m + 图像产生缺行的原因及结果 2 0 0 3 年5 月3 l 酲，l a n d s a t 7 上静星载专蘧制图役嚣t m 十静稳攘行校歪释 ( s c a nl i n ec o r r e c t o r ，简称s l c ) 发生故障，从此提供的图像数据上带有数 据缺行，图像鼹班正鬻键翔。摆攒学校正器( s c a nl i n ec o r r e c t o r ，s l c ) 为 一光电机械结构，由两个平行的、并以一定角度固定在秆状物上的镀镍玻镜 组成。杆状物由一个配肖主、备份转速计的搬矩装置驱动，绕一垂悫于扫描镜 的辘终锯塞猿转动。s l c 经子圭光学器释嚣甏，黯至基季薯接露豹蓑两运动逡嚣 补偿1 1 4 】。图1 2 中( a ) 图表示有s l c 时的直线扫描模式， ( b ) 图表示无s l c 射的z ，字型扫描模式，从中可以羲爨，在s l c 发生晃常磊，l a n d s a t - 7 获取舱 地面图像在左右两侧交替出现数据重叠和丢失的现蒙。e t m + 披器中没有携 带s l c 机械部分的备份，只有备用电子控制设备。2 0 0 3 年9 月7 日进行了用备 蠲毫予控秘设备代替覆圭逮子控裁设器夔试验，褥裂熬溺试续暴咫孚籀弱， 说h j j s l c 的故障在于机械部分。从此以后，e t m + 只能处于s l c * o f f 的工作模 式。 ( a ) 柱s l c 补偿的扫描线 ( b ) 无s l c 褂偿地扫描线 圈1 2e t m + 扫描行校正器( s l c ) 校正承意图 在s l c 发生馥障酶蓠后凡秒，e t m + 图像数据在凡个探测器僖遭中密瑗了 非常强烈的相千噪声。但在s l c 驱动电路关闭以后，噪声电平又回到了故障 以毒蓍懿承平。蠢予藏簿瑟强豫数撰存在豹噪声丈小与放障兹大致穗罚，可以 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 认为s l c 故障对噪声没有产生明显的影响。s l c 孔径太阳定标器p a s c 、全孔 径太阳定标器f a s c 和内部定标器i c 在s l c 停止运行后仍然正常运作，这使得 e t m + 在s l c 异常后仍可保证原有的辐射校正精度，对e t m + 数据的辐射特 性也没有造成影响【l “。 s l c 异常对图像数据几何特性造成的影响随着产品校正级别的不同而不 同。s l c 一0 闭的零级数据产品中存在数据行重叠。这些重叠的数据行在图像的 左右两边最为明显，往图像中心方向逐渐变小，并在图像中部基本消失。辐射 校正产品与零级产品基本类似。在系统几何校正产品中，图像中出现了由两 边到中心逐渐变小的扫描缝隙。图像边界处最大的数据缝隙宽度大约为3 9 0 至u 4 5 0 m ，近似为一个完整的扫描行的宽度。在图像数据的中部大约2 2 k i n 的范 围内几乎不存在数据重叠或者丢失，保持了与s l c 故障前基本相同的图像质 量。丢失的数据行的精确位置，在不同时相的图像数据中是不同的，而且由 于探测器的排列位置不同，数据缝隙在每个波段的位置也不相同。图1 3 为两 景位置相同，不同时相的e t m + 缺行图像局部。可以看n a 图的缺行宽度比图 b 中的缺行宽度小很多。 a s l c 损坏初期的缺行图像 b 缺行宽度达到扫描宽度的缺行图像 图1 3 两景位置相同但缺行宽度不同的e t m + 图像局部 1 3e t m + 缺行图像修复重要性及可修复性论证 人类社会正在向信息社会迈进，作为信息技术重要组成部分的空间信息 技术，其发展与应用是2 0 世纪最有冲击力的科技突破。在过去的几十年中， 以遥感、地理信息系统和卫星定位系统技术为代表的地理空间信息技术应用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 已经在国家经济建设的诸多领域发挥了重要的作用。国际上对地观测技术的 发展，预计在未来的1 5 年将人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全 天候对地观测的新时代。 l a n d s a t 一7 遥感卫星由于其出色的影像质量已经被i g b p 和w h o s 等国际 组织作为指定的数据源，因此，我国的研究机构及组织大量采用l a n d s a t 7 卫星提供的高质量e t m + 数据参与到与这些组织的国际合作当中。 在我国的运行系统，如农业、林业、国土资源等方面的研究中6 0 7 0 的研究数据同样也得益于影像质量优越的l a n d s a t 7e t m + 数据。据“国土 资源卫星应用系统研究”中关于“基础测绘对卫星遥感数据的需求及发展建 议”统计来看，目前基础测绘研究主要采用的数据源为l a n d s a t 7e t m + 数据 和l a n d s a t - 5t m 数据。由此看来，l a n d s a t 7e t m + 数据的图面行缺失在国内 国外都产生了一定的影响。根据不同的研究领域，可以把受影响程度分为两 个级别： 1 受到的影响较小或在可以容忍的误差范围以内：这样的应用通常是对大块 的区域进行监测，比如热带雨林监测、农作物定性评估、大面积土地覆盖类 型变化以及全球变化监测等等。这类应用通常的数据使用量都有上百景甚至 更多。这类研究非常希望l a n d s a t 7 能继续获取数据，并且表示即使数据因 s l c 故障有些缺损，从性价比上来说，仍然是无可替代的唯一的遥感数据源。 2 受到的影响较大或几乎无法应用：如果某些应用需要对小块区域进行监 测，同时要获得很完整、详细的信息；尤其是需要在一景数据内获得到大量、 完整的信息时，受到s l c 故障的影响是非常严重的。很多情况下，用户只能 去搜索替代数据源，或者不得不中断研究。 该数据的损坏对于我国一些领域中的研究发展产生了上述两种程度的影 响。在美国宇航局努力恢复s l c 功能的同时，专家学者以及来自l a n d s a t 一7 用户群，如地理、生态、水文、海洋、森林、农业等专业的科学家与工程师， 对采集于s l c - - o f f 状态下的e t m + 数据的可用性进行了评估，初步的评估 结论如下： 1 现有的l a n d s a t 7 预处理系统需要做一定的更改才能正确处理“s l c o f f 模式的数据。经更改处理算法后，按一景内的点统计，未经插值的“s l c o f f 数据有大约7 8 的点有数据，其余的点没有数据( 经插值之后，约8 6 2 的 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点可以作为有数据的点) 。 2 对于“s l c o f f 数据中有数据的点，其辐射精度和几何精度几乎可以说没 有受到s l c 故障的任何影响，均可保持故障之前正常运行时的状态。 可见，尽管由于s l c 的损坏使图像数据丢失，但是缺行数据仅占2 2 ， 仍有7 8 的数据是完好的。另外，l a n d s a t 7 仍在轨道上正常运行，除了s l c 损坏以外其它器件性能依然完好，主扫描镜也正常工作，具有提供有用图像 数据的能力。因此研究如何修复由于s l c 失效而造成的数据缺行，将有缺行 的卫星观测图像数据荐利用起来，已经成为当前国际遥感领域中研究的热点。 1 4 课题内容及重点难点 1 4 1 课题内容 本课题的重要任务和目的就是在目前国内尚没有人提出完整的e t m + 缺 行图像修复流程的情况下，深入研究e t m + 缺行图像修复技术，并进一步从 图像配准开始，形成一整套从缺行图像预处理，到缺行图像修复，再到已修 复图像再应用的完整的e t m + 缺行图像修复流程，为e t m + 缺行图像修复 形成一套标准的流程。 本文研究的内容主要包括：人工选取控制点的图像配准方法：自动选取 控制点的图像配准方法；针对于缺行图像的聚类分类过程：基于直方图匹配 的图像修复算法；基于自适应回归的图像修复算法；针对于己修复图像的b p 人工神经网络分类；修复方法的比较论证及实际应用。 1 4 2 课题重点 1 研究基于控制点的遥感图像配准算法； 2 研究和改进修复e t m + 缺行图像的各类算法： 3 e t m + 缺行图像修复算法的比较验证及实际应用； 4 已修复图像的分类实验。 1 4 3 课题难点 1 在基于控制点的遥感图像配准方法中，实现选取控制点对的自动化； 2 在现行的e t m + 图像修复算法中加以改进： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 。分辑掺复簿法数逶爝范基，著谂涯算法对磊续霆像使趸豹影国； 4 提出完整的e t m + 缺行图像修复流程。 l 。5 开发王具余绍 本课题最在e r d a si m a g l n e 8 6 和m a t l a b 7 0 1 软件平台上进行仿真的。 下磷分别分绍一下这两个软件系统。 e r d a si m a g i n e 楚美国e 鼢a s 公司开发的专煌遥感图像与缝理僚惫 系统软件，它以模块化的方式提供给用户，可以使用户根据自己的应用要求， 资金奏摹嚣舍爨逡逮择不黼豹功戆模块及其不弱戆缓合，慰系统遂疗壤燕，宠 分利用软硬见资源，并黢大限度的满足用户的专业应用要求。 e r d a j si m a g i n e 飚向不同需求的用户，系统的扩展功能采用开放的体 系络构，良i m a g i n ee s s e n t i a l s 、i m a g i n ea d v a n t a g e 、i m a g i n ep r o f e s s i o n a l 的形式为用户提供了低、中、高三档产品架构，并有丰富的功能扩展模块供 用户选择，怒产品模块豹缀合具有搬大的灵活性。 随着遥感技术的飞速发展，邋感应用的逐步深入，遥感图像处理系统如 雨魔春笋般不断出现，在众多的阻遥感软件中，e r d a si m a g i n e 以其强大 静综合功髓，特弱是与逸逄僖怠系统懿畜掇集癌，褥副遥感赛众多瑟户懿秀 睐，越来越多的遥感机构和科技人员加入到e r d a si m a g i n e 的应用和开发 行剿中。 m a f l a b 囱1 9 8 4 年由美国m a t h w o r k s 公司推向市场戳来，魇经2 0 多零的 发展和竞争，现已经被( i e e e 评述) 国际公认为最优秀的科技应用软件。该 软俸其毒三大特焘：一楚珐麓强大( 鼗毽诗算窝符号诗算、诗簿缝莱蠢缀疆 可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算) ：二是界面发善、语言自 然( 以复数熊眸为计算单元，指令表达与栎准教科书的数学表迭式相近) ； 三怒开放性强( 仅m a t h w o r k s 公司本身就推出了三十多种赢糟工具箱) 。 m a t l a b 的这欺特点使它获得了对应学科( 特别是边缘学科和交叉学科) 的极 强懑瘟力，并穰挟静感免痤臻学辩诗算疆辘韵分辑、设计、接爽、教学乃至 科技文字处瑷不可缺少的基础软件。在国外的高等院校里，m a t l a b 已经成为 大学生、硕士生、搏士生必须掌撰的基本技能；在设计研究单饺和工业部门， m a t l a b 已经成为研究稻解决各耱矮体工程问题的一静标准软件。 哈尔滨工程人学颁士学位论文 m a t l a b 广泛流行的另一个表现是，国际上许多新版科技书籍在讲述其专 址内容的时候都把m a t l a b 当作基本工基使用。在我国，应用m a t t a b 的单位 和个人近年来急剃增加。国内的些理工类重点院校已经把m a t l a b 作为必须 掌握的一种软件。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章e t m + 缺行图像修复实验方法及预处理 2 1e 1 m + 缺行图像修复的实验方法 在了解e t m + 缺行图像修复预处理之前，要说明验证修复算法的实验方 法。本文研究了两类修复e t m + 缺行图像的方法，评判图像修复算法优劣的 标准就是看填充在缺行中的数据与缺失的实际数据之间的均方根误差大小。 但是在实际的e t m + 缺行图像中，缺行部分是没有数据的，无法计算均方根 误差。因此我们设计了一种实验的方法，在完好的e t m + 图像数据上，模拟 了图像缺行，这样已知了缺失的数据，再将其与填充的数据一起计算均方根 误差就可以对比出哪一种算法具有更好的修复效果。 选择两景同轨道号，不同时相的e t m + 卫星图像，配准后取图像中合适 大小的子图像作为实验用。任意指定其中一景图像为待填充图像( 图2 1 a ) ， 另一景图像为待修复图像( 图2 1 b ) 。在待修复图像的两侧各去掉1 8 的数 据作为数据的缺失( 图2 1 c ) 。实验图像组( 图2 1 a ，图2 1 c ) 将被运用到 各种图像修复算法中，用以比较算法优劣。 ( a ) 填充图像( b ) 待修复图像原图( c ) 人为形成有缺行的被修复图像 图2 1 实验用填充图像和被修复图像 2 2e 1 m + 缺行图像配准方法研究 2 2 1 图像配准技术研究概述 图像配准( i m a g er e g i s t r a t i o n ) 是图像处理的基本任务之一。它是指同 一目标的两幅( 或者两幅以上) 图像在空间位置上的对准。图像配准的应用 1 0 兰玺鎏三登盔兰鎏圭兰鳖鎏兰 十分广泛，例如，航空航天技术、地理信息系统、图像镶嵌、图像融合、目 标识别、医学图像分析、机器人视觉、虚拟现实蒋领域【l o j 。图像配凇涉及许 多穗关辩谈领域，魏圈缘采撵、圈缘分裁、蒋，馐绳疆等，著显将诗髯祝撬觉、 多维信号处理和数德计算方法等紧密结合在一起。 在当前的图像既准技术的研究中，总的来说可以把嚣像配准方法分为以 下几种 捌： ( 1 ) 熬于图像获度的配准方法。这类方法根据配准图像的相关函数，f o u r i e r 变换等关系式寒诗黪配准参数。 ( 2 ) 繁于图像特征的配准方法。这类方法是根据需要配准图像的熬要的相 同的特徽之间的几何关系确定配准参数，因此这类方法首先要提取特征，然 爱建立特征集之蔺鹣对斑关系，壹魏求密酝准参数。 ( 3 ) 熬于模型的髑己准方法。这种方法是根据图像失真的数学模型米对图像 进行j 线形姣准鲍鬻准。 在当前图像配准技术的研究中，通常每一种配准技术都是针对菜一具体 应用而设计的，没有哪一种技术是广泛适用于各种图像配准问题的，同时对 菜特定鞠越遣没鸯冁一个技术是必须耧准一静。强像酝毽翊踅簇摇泉说郡是 以在变换空间中寻找一种特定的最优的变化，达到使两幅圈像在某种意义上 配准为銎的，但对予不用图像葶曩不同墩霜，则鬟具体问题凝体分辑吼。当 面对一个具体的圈像配准问题时，较深入地了解图像特性、失配原因、图像 形变类别和转换形式间的关系，对找到适用于待配准图像的转换类别和配准 技术春妻渡豹零韵。 遥感图像往往包括对地筒同一目标的一组图像，即多圈像。在对多图像 处理的成用中，必须保诞多圈像上的一个测量向爨是由一个共同的地蕊分辩 元素得剃的。所戬遥感图像鬣准邵是产象一个空闼校准的图像集合或者匹配 某一个目标的图像的过程，怒对于数字图像进行几何调整的一种特殊形式。 在遥感嚣缘中，楣邻靛多图像分量之阗至少枣部分在逻辕上楚靼麓貔，瑟 相邻的图像分量有一部分反映了同一地面目标景观。如果确定了相邻的图像 分量之间代表同地面目标的所有像素之间的坐标之间的关系，即耐实现图 像躬配准 翱。由此蒋来，基予图像灰凌的配准方法和基予阐像特征的配准方 法都能够适用于遥感图像的配准。从搜索到的大掇文献中也可以发现很多源 l 哈尔滨工程大学颈士学位论文 - - _ i i i _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ - _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - 于这两类的图像配准算法已经实验并应用到遥感图像配准中。如，互相关配 准算法，蘩子傅立时变换静相位配准算法，綦于整翩点的配礁算法等。 l a n d s a t 一7 邋感卫星的馋感嚣e t m + 只存在较为理想的光照条 孛下，才 能获得较高质量的卫星图像。擞然为了避免图像的质量受光线影响，使 l a n d s a t 一7 卫星与太阳保持间步，僵是瞧不麓绝对避免光线对图像质量的影 响。阑此，虽然基于爆像获度的凝准方法虽然比较直戏，容易实现，但怒图 像的灰度值往往会受到光照条件的影响，非线性的不均匀光照会造成较大的 配准偏差。同时，图像的眈俩变纯，旋转，遮挡等都会箍著影响配准结莱。 基予图像姆廷螅酝准方法可以在缀大稷度上避免这些缺点，零文硬究侵髑懿 配准方法都是采用基于图像特征的配准。基于图像特征的配准方法利用图像 的内部特穗进行配准。在图像中选取表示莱魏特征的像豢点，如特征点、目 标边缘、熬髟糁缓线等。其基本步骤( 里图2 。2 ) 镪援： 待鬣准图h 餮像鲠处h 将镊疆 像i理il墩 参考图 像 选择匹粥基元 特征提 取 阔像重采样 搜 索 策 略 模型参数求解 图2 , 2 基于特征的图像配准方法的摹本步骤 ( 1 ) 图像预处理：用来消除或减少匹配图像之间的灰胰偏麓和几何变形。 本课题的研究是与陆地卫星地面站合侔，由地面站负责提供数据。面站提供 静数擐已经经过上述a 莓校歪窝辗装援歪，冤需嚣霍复。 ( 2 ) 特锻选择，在参考图像与待配准图像上选择边界、交叉点、医域轮廓 等明履特征或利用特征提取算予翻动提取特征。 ( 3 ) 特征匿配：果麓一定豹莲瓣算法，实现舔灌图像上对寂熬明显特链患 的殴配，将匹配后的特征点作为同名点对。 一结 一夏 合一 一基 一 一合善 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 空间变换：根据同名点对的坐标建立图像间的映射关系。 ( 5 ) 重采样：逶遵灰疫变换，辩空鬻交换璐静待匹配鞫豫酌灰度僵遂行重 新赋值。 图像的特征只考虑图像的局部信息，较大的减少了匹配过程的计算量， 簌嚣提高了配猴瓣效攀；同嚣亨，特征点翡琵臻度量 燕对位置静变纯院较敏感， 可以提高配准的糖确度。 2 。2 ，2 基予人王选取控制点的图像露0 准方法 2 2 。2 1 基卡大王选取攘刿点的凰像垂漤隽法漉程 为了党成图像配准任务面在图像上选取的特征点也被称为地藤控制点 ( g c p ，g e o g r a p h yc o n t r o lp o i n t ) 。人工地面控制点提取法是根据操作者的 经验，磊季踅两个强豫主酌翳最途貉，通过鬣标手工揉彳睾的方式在图像上选取 一定数量的特 正点。利用参考图像和待配准毅像上特征阁名点对来计算酴准 参数。地筒控制点提取法一般要求这些特征点具有明显的特征、相对位鬣比 较固定和荔于识稍的蒋点，知几何特鬣标识赢。选取遗耨控制点一般遵循一 下三点原则； ( 1 ) 选择标志较为明显、稳定，并在参考图像和待配准图像上都容易辨认 且霸标较小的突斑遗物特征点，魄如道路交叉点、河流主干交叉处、田蛾拐 角糍 ( 2 ) 控制点在图像上必须均匀分布，否则在地面控制点较密集的区域内配 准韵精度较好，而在分布比较稀疏的地方配猴的精度就藏。 ( 3 ) 匿像上必须套燕够数爨豹按剃点。 当选取了足够的、适当的地面控制点对质，将这些控制点对作为控制结 构，寻找两幅图像控制结构的映射关系，并建立控制结构问的空间域的几何 交换。本文采取了建交一个二维多项式来黯尼留交换遴萼亍羧合。最终，校撵 畸变模型对待配准图像进行匿采样。并进行阁像配准的精度分析。根据以上 步骤得出基于人工选取控制点的图像配准方法流程图如圈2 3 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 基于人工选取控制点的图像配准流程图 2 2 2 2 使用e r d a si m a g i n e 实现基于人工选取控制点的图像配准 e r d a si m a g i n e 作为遥感图像处理软件，最大特点就是以模块化的方 式提供给用户，可以让用户根据自己的要求合理的选择不同功能的模块进行 组合。e r d a si m a g i n e 系统中的图像预处理模块提供了遥感图像配准的功 能，它的操作流程如下图： 显 启 启采 采 计图 保 检 示动 动 集 集 算像 存 验 图几 控地 地 转 重 图 配 像何制面换采 准 文 4 校 点 控 ， 面 模 样 像 结 科：正 _ = 制 检 型 配 果 模具点 查 准 块点模 显 型 图2 4e r d a si m a g i n e 遥感图像配准操作流程 e r d a si m a g i n e 提供的图像配准流程和上述讨论的基于人工选取控制 点的图像配准流程基本一致，因此本文采用这个软件系统实现基于人工选取 控制点的图像配准。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 选择的两景图像分别是取自2 0 0 1 年5 月1 9 日和2 0 0 3 年5 月1 日，轨道 号为1 2 3 3 2 的l a n d s a t - 7e t m + 图像( 见图2 5 a ，b ) 。这两景图像是本文后 面图像修复实验中所采用的实验图像，因此对这两景图像进行配准。根据后 面修复的要求，2 0 0 1 年5 月1 9 日的图像以2 0 0 3 年5 月1 日的图像作为参考 图像进行配准。 观察图2 5 a 和图2 5 b 发现两景图像基本没有明显的偏移，放大图中一个 子图( 见图2 6 a b ) ，可以看到两景图像的偏移只是几个像元级的偏移，但是 由于图像修复对图像配准的精度要求在一个像元以下，因此仍需要更精确的 配准。 a 2 0 0 1 年5 月1 9 日b 2 0 0 3 年5 月1 日 c 配准后图像 未配准图像参考图像 图2 5 参考图像和待配准图像以及配准后图像 a 2 0 0 1 年5 月1 9b b 2 0 0 3 年5 月1bc 配准后图像局部 图像局部 图像局部 图2 6 放大的参考图像、待配准图像和配准后图像局部 首先，在e r d a si m a g i n e 图标面中点击出两个v i e w e r ，用以分别显 示待配准图像和参考图像。选择2 0 0 1 年5 月1 9 日e t m + 图像为待配准图 像，2 0 0 3 年5 月1 日图像为参考图像。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然后启动几何校正模块s e tg e o m e t r i cm o d e l 选择多项式几何校正模型 ( p o l y n o m i a l ) ，并选择多项式的次方数为2 次方。次方数t 与所需要的最少 控制点数r l 是相关的，按照公式( 2 - 1 ) 计算，则2 次方最少需要6