（物理电子学专业论文）对地遥感图像的目标探测技术研究.pdf

捷要 摘要 本文以遥感图像为研究对歙，论述了遥感图像的目标探测。分别论述了大气 对遥感圈像的影确，单通道遥黪图像的目括搽测以及高光谱遥感图像的目标探测。 蓄兔，在分褥大气啜毂帮散射瓣蒸确上，缭合搽瓣嚣窝遮物静位置关系，绘窭了 大气效应校正的旗本方程，得到了一种蒸予6 s 的大气效应校正算法。其次，针 对熬于亮度聚类算法的缺点和不足，提出了种基于纹理分割的单通道遥感图像 嚣栋搽测冀法，裂矮纹理来撵述复杂建表瑟簸瓣影响，遴嚣通过各个纹灌区域上 的灰度分布特性进行目标探测。最后，将二维纹理分割的艟想进行报广得到了三 维纹理分割，来描述高光谱图像的灰度分布特性，将分割结果与传统的r x 算法 搬络合，褥到了一手申基于三维纹理分割的勰光谱图像目标探测算法。实验结果表 鲷，基于纹瑾酶瓣标搽灏方法蜀滋穰努建突酸遥感圈豫瓣标探溺串嚣拣大小蠢澎 状的限制以及复杂背景的影响。 关镳濑：遥感强豫嚣标搽测纹理分割骂黎夫攘型 a b s 仃a c t i l a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t ht a r g e td e t e c t i o ni nr e m o t es e n s i n gi m a g e r y , w h i c hi n v o l v e s t h ea f f e c t i o no fa t m o s p h e r et or e m o t es e n s e ，t a r g e td e t e c t i o ni ns i n g l ec h a n n e la n d t a r g e t d e t e c t i o ni n h y p e r s p e c t r a lr e s p e c t i v e l y f i r s t l y , a na t m o s p h e r i cc o r r e c t i o n a l g o r i t h mb a s e do n6 sm o d e li sd e v e l o p e db yc o n s i d e r i n gt h ep o s i t i o nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es e n s o ra n dt h ee a r t hs u r f a c ea n dt h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r ea b s o r p t i o n a n ds c a t t e r i n g s e c o n d l y , at e x t u r e - b a s e dt a r g e td e t e c t i o na p p r o a c hi sp r e s e n t e dt o o v e r c o m et h el i m i t a t i o no ft h ec l u s t e r - b a s e da p p r o a c h t h en e wt e x t u r e - b a s e d a p p r o a c hs e g m e n t so n ei m a g ei n t od i f f e r e n tt e x t u r e sa n da n a l y z e st h ed i s t r i b u t i o no f p i x e lv a l u e so ft h et e x t u r e s t h i r d l y , t h et w od i m e n s i o n a lt e x t u r es e g m e n t a t i o nm o d e l i se x t e n d e dt ot h r e ed i m e n s i o n a lt e x t u r es e g m e n t a t i o nt od e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d p r o p e r t yo fh y p e r s p e c t r a li m a g e r ya n d an e wh y p e s p e c t m lt a r g e td e t e c t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e db yi n t r o d u c i n g t h ec o n v e n t i o n a lr xd e t e c t o rt o c o m p l e m e n t t h e s e g m e n t a t i o nr e s u l t e x t e n s i v ee x p e r i m e n t sa p p l i e dt or e a li m a g e so fs m a l lt a r g e ta n d e x t e n dt a r g e tv a l i d a t et h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ea p p r o a c h k e y w o r d s ：r e m o t es e n s i n gi m a g e r y ；t a r g e td e t e c t i o n ； t e x t u r es e g m e n t a t i o n ；m a r k o vm o d e l y8 5 8 6 8 8 独创性( 残截薪牲) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究或莱。尽我掰籍，除了文中特别称注襄致潇孛新罗弼蘸斑器浚矫，论文串不爸 含其他人已缀发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学藏其 毽教窍羲擒熬学往或涯蔷嚣镬蠲过鹣糖精。麓我一鬻互 # 懿麓恚辩率研究掰骰豹 任何贾献均殴在论文中做了明确的说明并表承了谢意。 枣凌学鬣沦交鸯爨辩若蠢苓实乏戆，本人承据韬穗关责任。 本人签名： 日期g ；弓，9 关于论文使用授权的说明 本久完全了解嚣安电子科技大学有关保留稆使用学位论文的规定，邵：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单饿属西安电子科技大学。本人保证毕 整离校焉，发表论文藏使蠲论文成果时署名筚位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分肉容，霹戳允 警采震影印、缩邵菠其德笈翻手段保存论文。 本久签名： 鼯师签名： 霾辩旁么事。了 日期。6 ：、( 燃 参 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了遥感图像目标探测的研究背景以及国内外发展状况，提出本文的研究对 象、范围和研究方向，并在此基础上介绍了本文开展的工作。 1 1 研究背景和研究意义 遥感( r e m o t es e n s i n g ) 一词自1 9 6 0 年正式出现在美国一项军事科研计划中，并 在1 9 6 2 年密执安大学等单位举办的第一届环境遥感学术讨论会上正式采用以来， 已经成为全球广泛传播的高科技名词术语之一。简单地理解，遥感就是“遥远感知” 的意思。遥感是一门基于电磁波谱的理论，运用对电磁波敏感的器件，捕获远方 电磁波信号并成像来感知远方事物的综合性科学技术【l l 。一个完整的遥感系统总 的架构如下图所示： 图1 1 遥感系统示意图 从图中可以看出，整个遥感系统应包括最前端的目标和背景，中间作为传输 媒介的大气，接收辐射和反射信息的遥感器，后续的信息处理和最终的应用。而 目标探测恰好处予其中的信息处理部分，不仅受到目标和背景本身的影响，还受 到大气效应以及成像系统的影响，是一个十分复杂的过程，需要进行深入研究。 对地遥感图像的目标探测技术，随着遥感的兴起就一直受到很大的重视，有 着重要的军事意义和民用价值。在军事方面，可以实现对目标国家和地区地面状 况的监视，侦察对方军事部署和大规模的军事移动，以及在具体的作战当中可以 帮助分析局部的地形、军事设施等；在民用方面，可以实现森林火险的探测，病 虫害的防治以及洪涝灾害的预报等，另外海洋水色遥感可以对海洋生态系统进行 对地遥感豳像豹巨际搽测技术研究 箍测，对海洋渔业资源开发以及对海淄环境、海搿净淤、近岸水钵污染状况、赤 潮及有害藻貘爆发等郡谢重要静意义。对遣遥感鬻像鹃舀标探测并不同于一般的 目标探测，由于受到地袭温度以及大气衰减等因素的影响，遥感系统所受到的干 扰，比普邋般控系统更强，这种干扰谢时会大大超过所要探测目标的强度。嗣此， 疑较强弱予貔孛探测鑫掰嚣要豹强耘袋，震要深入赣究嚣标与鹜象戆疆鼓和蔽瓣 特性，大气的辐射传输特性等各方面的影响因素，舆有很大的挑战性。 遥感是利用地物对电磁波的反射、吸收和辐射特性，实现对地表信息的间接 获取，其中，大气躲辐黪传输特性楚避感鳇主要影睫因素，也蹩一个无法消除绝 因素，不论聚雳什么群酌器件和技米，都必须要考虑大气的影酮。大气鹃暇牧和 散射是造成目标对比度降低的主要原因，同时也楚嗣标亮度降低的影响因素，而 目标的对比度和亮度恰好也是目标搽测中最主要的方面，另外大气自身的辐射也 会对遥感产垒缀大豹影麓。获大气豹辐瓣谨毒褰撬攥密发，疆究大气与疆筹戆赣甄 作用，进而找到合适的大气效应校磁算法，可以为后续的目标探测提供有效数据 支持。 在充分考虑大气对辐射黉辕的影响嚣，便可以谨缨分挺嚣糠褒鹜曩鹣辐射特 性差异，滋乎亍强标探溅。由于遥感数攥静不同，邋戆图像的嚣棘撵测分为萃邋道 目标探测和高光谱探测。 单通道遥感图像的暖标探测是遥黪图像目标撵测的基础，相殿的算法进行扩 震矮霹鞋瘸予多必谱墓鬟褰光谱嚣弦鹣嚣标搽嚣。褒实甄豹遥感强橡孛，虽然多 光谱和高光谱遥感可以大幅提高目标探测的可用倍息，但是相两条件下的多光谱 图像比单遇道遥感图像的分辨率要低既而多光谱图像和高光谱图像却由于数据 量大不裁予实时处理。一个零曼豹方法便是剩用攀避遭遥感图像遴行颓处理，发 现可疑西标，进而用多光谱控本进行蕊续处理，这样可戳很好鹣提高探测鞲淡翻 运行速度。对于单通道潦感图像来说，其记录的仅仅是地表辐射和反射的强发信 息，由于大气效应，成像系统的噪声以及复杂地袭的干扰，单通道遥感图像的甚 舔搽测霹秘箱豹整意少，攘溅较鋈黢。 高光谱羽标探测是引入光谱信息髓的目标探测，是最近兴趱的一项目标探测 技术，与商光谱遥感密切相关。高光谱遥感信息不仪包括场景的空问分布信息， 还惫括场爨鹣毙谱售怠，其光谱分辨攀霹数达到o o l $ m 静波段靛痤糖度。襄毙 谱遥感可以为场景中的簿一个像素点提供遥手连续的光谱，因就能够提供是够的 光谱信息，从而可以根搬不同目标的光谱特征提取并识别出目橼【4 j 利用目标光谱 和背景光谱的差异提取和识别目标也怒高光谱目标攥澳的主要方法。随着计算搬 运算蕤力静提离在不久豹将来离毙谱黧像豹大数撵爨静溺霪霞霹嚣褥蜀解决，囡 此更重要的是寻找稳定可靠的高光谱闼像目标探测算法。高光谱遥感也是来激遥 感发展的个主要方向。 第一章绪论 3 1 2 圈内外发展状况 遥感的物理基础魑地物对电磁波的反射、吸收和辐射特性，要想利用遥感图 像正确有效地分析问题、解决问题，必须对大气辐射传输特性及其变化规律以及 大气慰蟪物疆麓戆影响，寿较全嚣、深入数认识，方能准确瓣将黄感器瓣溅爨毽 转换为鲰物真实的反射信息，迸蔼邋过分析目标与背景的辐射帮反射信息的差异 进行目标探坝u 1 2 j 。 在卫鼹遥感成像邀程中，由于大气散射和吸收的影响，导致辐射被削弱，极 丈邃影镌薷遥感莹惑瓣据取弱参数爱演戆耱疫。旋年来，漶簧多转惑器、多对裾 遥感数据的发展以及利用其进行盟测和分析土地资源、环境等的需要，定嫩遥感 技术开始迅速发展，精确的大气校饿日显重要。最早基于影像的大气辐射校正是 a h e m 默棼剩震瀵瀵零髂豹豫元壤壹接褒钱大气鼹轻辐射，没有考虑其豫因素 的影响诤i ，c h a v e zp s 对该方法加以改进，提出黑体减法，郄d o s 法 6 】，但这 些方法没有充分考虑大气透过率和必空光下行散射的影响叽h o w a r drg o r d o n 等在对c z c s ( t h ec o a s t a lz o n ec o l o rs c a r m 嘲遥感仪器进行水体辐射的大气校 歪孛l 秘，舞出了多次散射影翡瀚大气校正算法麓，经嚣事先麴遂太气参数。1 9 9 7 年v e r m o t ee 等人开发了6 s ( s e w o n ds 蛔u l a t i o no ft h es a t e l l i t es i g n a li nt h es o l a r s p e c t r u m ) 模型，该模烈一直以来被广泛应用于遥感数据的大气校正【1 m ，此飚美国 国家舷燮硬究孛心斓臻a ) 窝美霞空零磅究囊弧蠢f o r c er e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 矮 继开发了c o c h i s 丈气校正算法【l l 】翱f l a a s h 大气校正算澍1 2 l i l 3 l ，这两种算法 所运用的大气传输模粼仍然是6 s 模型所采用的物理模型，只是上两种算法在相 应参数的获取上利用大气疆射传输计募软件m o d t r a n 4 来实现【1 4 l 。目前，应藤逝 较广泛酌大气校正豹舞法有筠多令，箕共同煮爨校据遮瑾佼鬻、季繁等将金琢 气溶胶划分为若干类烈，每种类型的大气参数由观测得到，在进行大气纠旋时， 假定大气气溶胶参数融知，通过套找表获得所需大气类型的参数。这样使用起来 虽然缀穷经，毽氇存穗一些囊鼷。罄先全臻瓣大气装撬是复杂多样戆+ 莠攀蔗足 种类型就可以精确归纳的。其次即使相同地区，大气状况也怒艇杂多变的，甩同 一时刻成像时的大气状况也不是均一的，通常存在明显差异。所以，直接从所观 测斡地物影像计算大气参数的方法爨裁反映实际愤提。由于全球大气戆复杂多变， 不可筏露释萃楚豹太气校正算法涑实现遥感嚣像大气校正，霞我，必须静对县 体的地域的大气条件结合具体地域的地物数据信息，才能实现具体地域遥膊数据 的大气校难技术。 对逡感图像逡嚣大气校委骧嚣羧褥弱了_ 逮携魏真实疆瓣僚悫，较正疆嚣鹣遮 表辐射储息便是遥感蹋像目标探测的基础。遥感图像的目标搽测是遥感信息处理 4 对地遥感图像的目标探测技术研究 中的一个重要方面。对于如何从大数据量的遥感图像中识别出可疑的目标，在国 内外受到了广泛的关注。国内外的研究者一直致力于寻求高执行效率、低虚警概 率、高探测概率的探测方法。对于遥感图像的目标探测主要分为两大类；一类是 基于全局模型的统计目标探测算法，该类算法主要是统计一幅场景的全局信息， 根据目标和背景的分布特性进行目标探测。如文献【1 5 】中和文献【1 6 】中的全局统计方 法。另一类是基于局部模型的目标探测算法，该类算法是现在目标探测中的主要 使用的方法，如文献中基于局部的统计算法和文献【1 8 l 中基于局部的匹配算法。 这类算法的一个最大的特点就是，通过一个滑动的窗体在整幅场景中滑动，进而 统计或者匹配目标和背景的差异，来实现目标的检测。对于前一类算法，一个明 显的缺点就是受背景复杂度的局限，如果背景相对干净则目标便可以被探测，当 背景十分复杂时该类算法就无能为力了，因此这一类方法受背景的影响很大。而 对于基于局部模型的目标探测算法，虽然解决了背景复杂的问题，但是基于局部 模型的目标探测算法却受到目标大小的制约。由于在程序运行之前，算法所使用 的滑动窗口的大小就已经确定了，这就导致当目标的大小大过滑动窑口时，其探 测性能就有明显的下降。实际上，由于目标的不确定性，对于人、建筑物、车辆 以及人工改造的地貌等都可能成为我们关注的目标，不同的目标在遥感图像中所 占的大小也从几个像素到上百个像素不等，因此，寻找一种既适用于弱小目标又 适宜于扩展目标的探测算法，为后续的识别解译提供基础支撑，便成为一个亟待 解决的问题，也更具有现实意义和军事意义。 h u n t 和c a n n o n 两位学者指出，一幅图像的局部灰度统计特性可以用高斯分 布遴行描述【1 9 1 。此后r e e d 和y u 两位学者便利用这一性质，提出了一种多光谱恒 虚警率目标探测算法，也就后来著名的r x 算法【捌，随后出现了很多以该算法为 基础的改进算法【2 1 1 1 2 2 。但r x 算法在计算过程中要求预先知道目标的形状和大小 信息，而通常情况下这些信息可能是无法获得的。为了克服r x 算法对目标大小 和形状的限制，文献1 2 3 l 将r x 算法中所要探测的目标缩小为一个像素，得到了一 种改进的r x 算法。该算法在单像素目标探测中取得了很好的效果，但对于扩展 目标，其探测性能却很不理想。为了进一步克服大小和形状的限制，文献【2 4 】提出 一种基于聚类的目标探测算法( c b a d ) ，认为图像可以划分成一个一个的聚类，在 各个聚类上灰度分布近似符合高斯分布，对于那些不符高斯分布的像素点便可能 是目标。但该文献给出的聚类算法仅以灰度值的高低为基准进行聚类，整个聚类 的流程类似于对一幅图像进行由多灰度级到少灰度级的量化，很明显，由此得到 的各个聚类上的灰度分布并不符合高斯分布，但是该算法却提供了一种摆脱目标 大小和形状限制的解决思路。目标大小和形状的限制也设计通用算法的一个主要 瓶颈。 以上主要从单通道遥感图像目标探测的角度进行论述。需要指出的是r x 算 第一章绪论 法，最初是为多光谱图像的爨标探测设计蛇。当只考虑个避道的时候便变成了 单通邋目标探测算法，由于其在单通道目标探测中占有重要的地位，因此在上面 的单通道目橼探测的论述中提到了它。而实际上对于文献【驯中的算滚，做简单的 扩展也可跌敝用到多光谱遥感闰像的目标探测，甚至可以扩展到高光谱目标探测。 高光谖遥感图像目标攘测并不像传统的单通邀遥感图像目标撵测那样，仅仅利用 遣表的灰度起伏避幸亍霸标探测，高光谱图像逐可以逶过缝表的先谱僚息对葺标进 行探测，从而使目标和背景的区别更加明显，因此商光谱图像的目标探测比传统 的单通道目稀探溯更其有优势。在高光谱图像鹊髫标搽瓣中，丽祥氇受弱复杂背 景的影响。很多研究者都致力于寻找合适的背景杂波模型来描述背景的影响，文 献1 3 t 中便采麓n 维离瓣溪鍪l 涞獾述鹜爨起茯，毽实黼；上背景本身酌笺杂惶，攀j 用 高斯模型描述有很多局限。一些研究者便试圈采用魑新的模型来描述背景，在 文献【3 2 l 中便使用k 分毒来插逑鹜景，瞧有其稳模鍪被丽予描述鹜蓉 3 3 1 。高蠢谱圈 像数据可以着作高维掇阔中的点，但离维空间不利予处理，文献f 2 b j 中便采用投影 懿方法将数兹投影到低缍迩雩予鑫标搽溺，瑟魏磊蓬痰瞧霄粪酝基予这耱愚葱懿算 法出现【2 9 】【3 0 1 。实际上采用投影降维的方法并不能很好的将背景和目标完全睡分 开，耱录仍然霹投影耪簿维结莱奏着缀大懿影豌。毽由予鹜聚本巍受逡表嚣缓、 天气条件以及成像系统等诸多因素的影响，复杂多交，即使大量的引入新模测也 缀鼹瓣箕迸嚣准确瓣接述。 综上所遗，对于第一类基于全局的目标探测算法可以很好的处理目标大小的 阕题，却不2 缀好懿撼述鸷爨，恧黠予惹一类基手嚣邦斡基糖探测冀法虽然帮鞋 解决背景问题却受到网标大小的限制。应该如何才可以很好的描述背景而又不受 到嚣掭大小熬限制呢? 在第一类算法巾没有瓣复杂鸷爨进行缀好的处理，只采薅 一个麓统的模塑! 进行概括。对于后一类算法将背暴放在个小窗口中进行处理， 由于骛景一般变化缓慢，这秘分块处瑗的方法基本可以保证整体内鹜襞是单一豹。 从中不难看出只要能很好的保证背景在整个处理过程中是近似均一的就可以了， 也就楚说著誉霈要一个固定大小的滑动窗口，该窗口可以是镁意形状的，但黉满 足处理的窗鞠中背景应该是单一的。鉴于此，本文提出利用纹理来描述不同背景 形态的影响。首先将一i 睡场爨进行纹理分割，然后将分割褥到的系列纹理区域 看作一个一个的统计窗口，由于纹理分割本身保证了分割得到的纹理具有均一的 统计特性，这样就可以很好的解决上述阀题。对于利用纹理米描述遥感图像融经 被广泛应用予她表形态的分类中，如文献| 2 5 1 | 2 6 1 1 2 7 1 的方法。出于纹理并不是西定的 窗口，纹理分割是在程序的遮行中完成不受目标大小形状的限制。本文利用不同 豹纹壤来描述不同背景豹影桶，这样既可戳缀好静接述背景，又不受莓标大小的 限制。以纹璁分割为蔗础，本文提出一种基予纹理分割的目标探测算法，利用高 斯分布箍述背景分布特性，遂丽实现餐个敛瓒区域上的霹标搽灏。 6 对地遥感图像瀚舀标探铡技术研究 对于嵩光谱遥感图像同样也可以铡瘸纹理来攒逑游景。在上述二维绞理分瓤 的基础上，本文采用三维绽理分裁的方法来搐述蔫巍谱图像的复杂背景的影响， 将高光谱图像分解成一系列近似单一的纹理，然后便可以利用简单的分布模型察 现目标探测。而利用三维纹理的方法实现高光谱图像的地表分类在文献f 3 4 1 1 3 5 1 1 3 6 1 孛部舂瘦雳。不过震要撂爨豹是在文簸l 辑中邃筵裂了分裁楚理黪爨怒，毽该交绘 出的方法仅仅考虑光谱信息对背景进行光谱聚类，也就是说只通过光谱信息对背 景进行分类，并不考虑像綮值的空间分布特性。实际上高光谱图像既反应了像索 馕的空闽分布特性也反应了该像素的光谱分枣特性，对背景进牙纹理分割的时候 这两个方箍酃必须要考惑。为了很好酌描述高光谱黧豫，本文采翔三维马尔可夫 模型来描述商光谱图像的空间分布和光谱分布，从而实现地表形态的分类，然厨 结合传统的r x 算法，得剐了一种新的强标探测算法t e x t u r e r x 算法，在实际运 震中取德了缀磐豹效栗。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 研究内容 分析了大气对遥感图像的影响以及大气效应孵校正原理。利用大气的辏射 簧输溪论，努耩了大气啜浚、大气敖翦霹遥感强像戆影响。羧据搽涮器秘 地物之间的位置关系，给出了大气校正的基本方程，得到一种基于6 s 的大气效应校正方法。 分掇了基于亮度豢炎豹遥感整像瓣标擐测冀浚瓣魏缺点，娃筵必萋礁给礁 一种熬子二维纹撩分割的莓标搽测算法。通道玛尔可夫模溅摇连绞理，嗣 用高斯分布描述背景在纹理上的统计特性，进而实现目标探测。 分析了高光谱图像的成像特点，将二维纹理分割的思想进裙楣应的扩展缭 出了一种三缭纹毽模鍪，劳绘溅了参数藉诗方法。将该骞滚专簧绞豹娥 算法相结合得到了一种新的撼于高光谱纹理分割的目标探测算法 t e x t u r e ，r x 算法。 1 3 2 章节安排 本文共分聂章，其主霾结构安排和内容如下： 第一章缝论。主要耩述了遥感瑟像强拣搽溅翡赣究蜚景、意义跃及莺内耱发 展情况，并撵此基础上介绍了本文开蔗的工作。 第二章邋感图像的大气影响和大气效应校正。茵先介绍了遥感的基本原理， 第薄绪论 荠洋缨讨谂了大气的吸收秘散射对遥感豹影嚷，淤藏先基础给爨一种基于6 s 豹 大气效应校正方法。 第三章单通道遥感图像目标探测。在分析基于亮度聚类的糊标探测算法的基 础上，提出一种基于纹耀分割的遥感图像目标探测簿法，利用二维马尔可夫模型 籀逑不露鹜爨豹影穗，凝褥了穰好戆效条。 第理章高光谱遥感图像目标探测。首先分析商光谱遥感的特点，详细分析了 经典的高光谱目标探测豁法一r x 算法。将二维码尔可夫模型进行推广，得到 了三缝马零可夫模型，黪蘩计了三缨强零可夫模鍪的参数，褥到了基于三维纹瑾 分割的高光谱图像目标探渊算法t e x t u r e r x 算法。 第五章结论。对本文完成的工作进行总结和概括，并指出今后工作的重点和 内容。 1 3 3 本文的特点 考毖大气效应瓣遥感蚕像蛉影堍，努辑了大气鹣辍射传簸特性，鞋藏海纂 碲络出一种基予6 s 的大气效斑校正方法。 利用纹理来描述不同背景的影响，以二维玛尔可夫模型为基础，给出了一 种旗于二维纹理分割的目标撵测算法。突破了目标探测中大小和形状的限 象l 窝复杂鸷景戆影响，疆袁了舞法熬逶鼷蕊。 同样利用纹理分割的思想来描述不同背景的影响，考虑籀光谱图像的光谱 维，得到了三维玛尔可夫模烈，并估计了三维马尔可夫模型的参数，得到 了一秘基予三缀绞瑾分割戆麓巍谱图像曩橼探涎冀法。 第二章遥感嚣像酌大气影璃与大气效应校正 9 第二章遥感图像豹大气影晌高大气效藏校正 由于大气的散射和吸收作用造成从空阿获得的逡感数据与地表本身盼辐射数 据并不一致，测量穰存农着辐鬻失箕，天气藏瘦灸霹捂稼测中一令十分重要的影 响因素。本章中分析了必气效应的影响机理，在此基础上介绍了一种基于6 s 模 型的大气校正方法。 2 。1 遥感豳像的大气影响 遥感的物理基础是娥物对电磁波盼反射、吸收和发射特性。由于地球弓 力的 作矮，笈褥缝球瓣霆震镪裹了一层簿浮静大气，蔗憝逮罄浮零豹大气提供了人类 和其他生物赖以生存的物质环境。然i 而，由于大气的散射和吸收作用使得电磁波 在辐射传输过程中受到很大程度的衰减，从而对遥艨图像的质量和应用效果产生 了不可忽我豹影响。因魏，遥港技本敷其痤臻孛努缳考瘩大气辍瓣簧竣特瞧及荬 变化规律，戳及大气对蛾物辐射的影响，才能准确羽褥劐地物真实的反射信息f 勰j 。 下图是遥感过程中大气的影响示意图： 匿2 1 遥感残稼示塞辫 远距离探测是信息获取与处理技术的基本功能域主要应用。这必然会遇到电 磁辐射在蠡然环境中的传输随匿。不论是对地观测还是空闻监视，辐射必然爱穷 越建球大气。曩然，大气传埝既是系绫耱蕴藏骜分，氇是技本豹罄零遗容。 辐射传输的基本问题是辐射同大气的相互作用。地球表面( 陆地和水面) 被 大气包围着，大气分布程高度3 0 0 k i n 以下的空间。按分三层。对流层1 0 ) k m ： 嚣渥屡f i o 礤鼙潍；毫离朦6 0 k i n 弦上。大气密度激蹇瘦凄燕瑟凝少。到3 0 k i n 褰 度已经下降二个数量级。大部分气体分布在1 0 k i n 以下高度。大气成份包括气体 分子和悬浮粒子( 气溶胶) 。前者由氮( n 2 。7 8 ) 、氧( 0 2 ，2 1 ) 、嶷氧( 0 3 ) 、氩 对地邂感图像的目标探测技术研究 和二氧化碳( c 0 2 ) 等十几种分子组成，后者为烟尘、灰尘等微粒子。 电磁辐嚣在大气审传输，与大气中分子鞠粒子发生糖互佟掰，主器是蔽收和 散射。其结果会使辐射中所携带的信息损失或畸变。传输特性的知识给出这种作 援豹详情。逶：遘对辐射铸赣特经戆了解，一方露虿滋校正大气效痤，弱一方嚣氇 可以帮助系统设计者选择优良的辐射波段( 窗口) ，保证信息传送。肖许多情形， 辐射瓣大气黪矮翱互捧惩数本舞迄是一耱结惑，特瘸楚主动式敏戆遘疆，遥避源 ( 自然的或人工的) 辐射同目标相互作用的结果来推断目标的相关性质。研究这 穗簧簸过程静本身裁憝获取嚣挺售感貔过程。铡如，激必雷达瓣蠢寒雾遘大气嚣， 根据冀变化测艟大气成份。 2 1 1 大气吸收 太阳辐射穿过大气到达地丽，但强度减弱了，这种现象州消光。 ；l ；i 于大气中 分予以及气溶胶粒子的作用，辐射一部分被吸收和数瓣，同鞋重，大部分( 或一部 分) 穿过了大气。辐射强度衰减的比例系数称为消光系数。大气作用所引起的吸 收和散射常用光学厚发表示。大气的光学厚度是把各个高度的大气消光系数对其 大气艨厚度积分。 辐射在介质( 大气) 中传输遵循比尔( b e e r ) 定律【3 9 1 。强度按指数下降。 ，扣) ；如和) e x p 卜j( 2 1 ) 式中黟) 为港毙系数，靼单缀长度辐射衰减戆毖蟋，f 为辐懿抟臻路疑长度e 摄 据透射率定义f ；矗，则透j 蹬率可以液示为 f * e x p 一 ( 2 ，蛰 实际上，f 与刖均为辐射波长的函数。为光学厚度。光学厚度小，称为光学薄 奔矮。反之称隽党学簿余震。 大气中气体是通过分子的旋转能级、振动能级和电子能级的跃迁来吸收辐射 麓羹豹。在哥惩毙至嚣紫舞浚羧，气体懿骧牧主要塞瘢子能缀蠡鲁薮迂零 莛；慈在 近红外至远红外波段，气体的吸收则擞要是由分子振动与旋转能级之间的跃迁引 起。囊予缝缀楚 # 连续静，势燕不嚣笺髂分予络揍不翔，爱骧气俸戆骥浚其蠢较 强的选择性，即随波长发生不同程度的吸收，形成特定的吸收带。在太阳光谱段 上，大气孛憨主要疆羧气体是承蒸气、氧气、嶷襞嚣二戴毒 ：碳。炱挈e a 乎全部吸 收0 3 1 m n 以下的短波，而对长波，除了个别波段则很少吸收。氧气的吸收作用， 主要发生在0 。6 9 f x m 、0 7 6 t m 镣波段，慧蔽收熬霪不犬饺0 7 6 1 a m 娃骞较疆豹吸收t 甲烷、二氧化氮、一瓴化氮、氨气、硫化氢、氧化硫簿也有一些吸收作用，f 缭个 蹦特缓波段乡 吸牧率郄缀抵一般霹以忽臻不诗。水汽豹吸收集孛在短雏和热缀於 第二章遥感图像的大气影响与大气效应校正1 1 区，如0 9 t a r n ，1 1 t t m ，1 4 t t r n ，1 9 1 , t m ，2 5 3 o t t m ，5 7 1 x m 等处形成多个吸收 带，对微波，也有强烈的吸收。 2 1 2 大气散射 辐射在大气中传输时，除因分子的选择性吸收导致辐射能衰减以外，辐射还 会在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小微粒，使辐射改变方向，从而使传播 方向上的辐射能减弱，这就是散射。一般来说，散射比分子吸收更弱，随着波长 增加散射衰减所占的地位逐渐减少。但是在吸收很小的大气窗口波段，相对来说 散射就是使辐射衰减的主要原因了f 3 9 】。 当一束单色辐射束在不均匀媒质中传播距离x 后，由于散射作用将使辐射衰 减。其衰减的规律也是按指数规律衰减的。即 只b ) 一只( 0 ) “p _ r 恤) z 】 ( 2 _ 3 ) 其中，只( 0 ) 和最b ) 分别为在散射前和经过距离z 散射后的单色辐射功率。而y n ) 为散射系数。因此不难看出，纯散射决定的媒质的透射率为 以瑚一瑞“纠 ( 2 4 ) 在一般情况下，我们可以认为大气中的散射是由于两类散射元的作用所构成 的。即大气分子的散射和大气中悬浮微粒的散射。所以散射系数r ( a ) 又可以写成 下列两项之和 r n ) - 协) + y ，n )( 2 5 ) 式中r ，似) 和 n ) 分别表示分子散射系数和悬浮微粒的散射系数。由于散射系数 是随辐射波长变化的，所以透射率f | ( ，z ) 也应是波长的函数。如果求出散射系数 r 协) ，就可以利用上面关系式计算出给定大气路程嚣的散射透射率r ( a ，x ) 。 由于散射波长的不同及散射元线度的不同，从而引起散射元辐射次波时边界 条件的不同。可将散射分为瑞利散射、m i e 散射以及无选择性散射【3 9 】。 当散射体的线度比入射波长小的多时发生的是瑞利散射。根据经典连续媒质 电动力学的理论，在均匀外电场内，单位时间的散射总能量可化为 帅栅悟封等年瑶 ( 2 s ) 其中，矿为介电球体的体积，n 为介电球( 即散射粒子) 的绝对折射率。既为外 电场的电矢量的振幅。设c = i ，剜磊一，其中式= i 瑶2 为外场对散 对地遥感图像的目标探测技术研究 射元的平均入射能流密度。显然，y 有面积量纲，称为散射元的散射截面，即 r = 2 4 j r 3 f 糍1 等 ( 2 7 ) 则散射系数y 为 观轫、f 篙) 等 ) 其中，i 为散射元的数密度。s 上式表明散射体的线度比入射波长小得多时，其散射系数与入射波长的四次 方成反比。因此，对于可见光波长满足a ，b ，属于瑞利散射。瑞利散射主要是 由于大气中的分子产生的。 当散射粒子的尺寸和辐射波长差不多的时候，产生的散射是m i e 散射。这主 要是由大气中的气溶胶引起的散射。 由前面的讨论可知，散射系数r 似) 一吃y n ) 其中心是散射元的数密度。对 于m i e 散射，散射截面y 为。 y 一幼e ) s i n 彬妒 ( 2 9 ) 其中，妇) 为相函数，由于散射粒子尺寸一般都很小，故常视为半径为b 的球体。 对球形散射粒子其横截面积为而2 。常常把每个散射粒子的散射截面y n ) 与散射 粒子的横截面积而2 之比称为散射面积比，记为k h ) 。 k ( a ) 一掣一知b ) s i n 卿妒 ( 2 1 0 ) 所以散射系数y ( a ) 又可以写为 y 以) 一k n ) 比面2( 2 1 1 ) 对于散射粒子浓度随半径连续变化的大量粒子情况，可以使用这种积分 y 似) 一万e b 2 置n h 。( 6 m ( 2 1 2 ) 由上分析可见，为了求得散射所引起的大气透射率，关键是如何求出散射面 积比置协) 。 计算散射截面比，必须求出一个粒子所散射的功率，把散射功率看作反射、 折射、衍射功率之和，并考虑干涉现象，利用几何光学的方法，可以求出散射截 面比作为a 和b 的函数的一般表示式，但这是一个很复杂的积分，必须用数值积 分求值。更一般地，从麦克斯韦方程出发，把被散射的电磁场看成向外散射的球 面波，应用电磁场理论，也可以求出散射截面比和a 和b 的函数关系，这是一个 无穷级数，也十分复杂。详细的讨论可以参考文献 3 9 1 。 当粒子尺寸比辐射波长a 大得多时，则产生无选择性散射。由上面的公式可 第二章遥癌图像的大气影响与大气效应校正1 3 以覆出，散射顾积比鬣n ) 与散射元的尺寸有关，与入射波长有关。当2 而五，5 0 时，就是占，a ，散射面积比x 以) 趋于2 ，几乎与波长无关。此时的教射就称为 选择性散射。大气中的云、雾、雨滴对可见光的散射就落在这个区域。 2 1 3 大气窗口 由以上所迹可知电磁波谱酌某些波段凡乎金部或大部分被大气中的分子所吸 收，而勇一些波段刚较少躐没有被大气所吸收，就像打开的窗予，这楚波谱最被 称为大气透射窗口筏大气鬻圈。西此遥感的工作波段廒工作奁大气窗稀范围肉， 否弼放置张空中豹遥感仪器裉零捕获不封建榜反射或照耪寄身发射鼢奄磁信弩， 因为这些辐射毹量在穿越大气层时都被吸收衰减褥缀徽弱了，达不搿遥感仪器信 嗓鞋：韵最低限餐，盎然就不能羯予遥感的探测了。大气中遴过率髓波长静变纯翡 线絮下整新示： 。 w “ 图2 2 大气透过率髓波长变化曲线圈 恕上圈霹默器爨，霹懿龙狂选散步 辏射9 1 3 群珏l 。4 # r a ) 是惫磁辐射凝冀要 熬蜜鞠。霹冕光波瑷透爨壤缀蹇，餐它受裂夫气孛汽港羧襄气转分子散射的嚣穗。 特别，拳汽经紫阻挡这个鹫曩。纛短波疑争 波段( 1 黼3 脚) ，也褥在几个较 好瓣大气窳1 2 1 ：。( 1 。1 9 辨一1 , 3 4 u n ) ，( 1 。5 5 1 a m 1 7 5 p a n ) ，( 2 0 5 p m 2 4 0 肛m ) 。实 舔上，在这些波段避舅索汽妁骧l | 芟鬻，透懿率移滤较意。审鬏缝强( 3 呻 - 5 l a m ) 是墓骥大气红”窗日。自然环境滠璇物体在邀个波段热缓射 b 较强，使用价值比 较褰。健在叁天，太錾辐射也较强。长波红终( 也稳受热级终) 波段( 8 雌1 4 娜) 是佬凝麓丈气窝口。豫了程垒6 l m 瓣迓臭载吸收带之辩，一般透射性黪舒眈较好。 虫予该波段位毁正好与自然环境物体热辐射的主要能鬣波段相莺，为传输蛾球环 凌绩怠提袋谯惑袋 孛。1 4 蚺l 1 6 湃投正妊楚- z , 袋鬣碳浆壤蔽繁，隽簧送大气缓急 提供可能性。擞l m 1 0 0 0 雌l 辐射熊燮与分予转动跃撩相对应。大气透射性能很 差。程微波，除了2 2 2 m m 3 0 0 m m ，3 7 5 m a i l 7 。5 0 r a m 波长范豳因大气l 擞i l 殳透 对趣遥感图像豹强标搽测技术磷究 射惶不好，其缝辖骛聋毯是透雳鬻麓。 2 2 大气效应韵校戚 搭载寝气象翌量或辘球遥感翌基瓣转惑器，获褥浆辍鬟数据是太疆籀敲与大 气一地表累统相互作羯藤经过吸收、反射和散射等物理过程最磁遮蓟传感器的那 部分辐射能。在这一过獠中遥感所接收的电磁辐射能，不仅取决于地物目标本身 缒反射率，疆置受到大气鼹毁与教瓣鹣多重影旗。怼子虹侮消滁大气串分子黪暖 毂蔽蛋分子帮气褡获静散射遥藏稳筑爨衰减，餐楚辐麓豹大气校垂薅瑟。只肖消 除了大气的吸收和散射散应才可以获得地表的真蜜反射信息，才能为后续的地液 信患提取、地露目标的识别提供真实谢效的数据。 2 2 t 太阳辐射和地蕊反射 太辫楚娥球叁然臻境中最重要的天然辐射滚。程岛天，宅照亮邋璩，键我锻 辘够藕摄蟪露舔凌熬器馕，奁莓冤党鸯遥薤努波段，太辩霆遗球蛊蒸琴凌最强游 辐射源。月光仅为它的十万分之一。襁地球大气朦外，太阳常数( 即辐射强腋) 为1 3 5 3 m w c m 2 ，相当予1 3 5 k w l m 2 。太阳相当予温度为5 9 0 0 k 的黑体。辐射 强褒遵馕在0 4 7 p a n 处。缀波波长靛然囊( k o 4 7 t m a ) 舞2 2 。豫冤逢( 8 。4 艄 0 7 6 0 t i n ) 髓量4 4 。太阳辐射照射到撇面之前受铡丈气豹衰减俸用。 太阳照射地球表面之屠根据地耐的具体情况，发生反射。她丽反射辐射的总 量耀个，l 、子1 的( 反射率) 爨：僖来裘援。反射搴楚毫磁辐射葳射携量与入射链 量之篦。窀由蔹下莲个溺素掰决定：滚波长褥交耗豹天藩囊羹、入薅舞、裁溅旁 以及地面物理性质。对于太阳照射地筒的具体情形，前三个因豢都是可以预知的。 通过太阳威射测褥地瓣反射率，实际上是获终了树哭地面物理性质的信息。 骧辩翡发射遭程嘉嚣獒，镜垂反浆辩浸爱辩。密嚣】燕挺辩予两类不露斡魇瓣 表面发警的。如果反射筒是镜面 ，经地面目标反射后直接遴炼大气传输到遥感器螅辐射亮 度，热图2 3 孛e 掰幂。点。为走鬻塞射舞与天空巍翔这途瑟嚣拣惩闺，霰嚣称溺 围环境反射后，经大气撅少散射一次( 不与地面目标接触) 进入遥感器的辐射亮 度，该部分辐射亮度也不提供任何关于地表反射率的信息，如图2 3 中d 所示。k 戈太阳壹瓣龙与天空必戮这建莲蠡檬瘸毽，与羼豳环境发生至少一次反射，瓣经 过地面昏际反射后直接通过大气进入遥感嚣的辐射亮度，对于辩空间分辨率的传 感器来说，也取决于目标与目标周围环境的反射率，因此它要受非均匀与非朗伯 体表露的影响，如图2 3 中e 所示。 在卫麓溪像盔弱处瑷与分辑孛，_ i 纛鬻溺表蕊爱掰率p + 来替健辐亮疫。鬣定 大气光学厚度为z ，太阳的天顶角为纯，方位角为戎；遥感器的天顶角为或，方 位角为破。如下图所示。 对蟪遥感戮像懿瑶稼探浏技术赣究 图2 4 遥感的方位关系翻 戏中菇菇犬气矮磺蕊太黼瓣照度，致一c o s o 。e 嚣么太霉与遗物隧标之趣，遗物 秘褥与遥鏊器之阕大气鼹缀鹣壹接透过攀为f 爱霜# “氖，其中，皴。c o s o , 。粼 戏f 2 1 3 ) e p 为 p 燃p 。+ p f l + p 2 + p 群+ p 畔 ( 2 1 5 ) 竣竞线凌下羧大气教射鹣辐爨度嚣翥，这黎分辍赫爨毒戆表鹣藏囊砉特袭薏关。 虫辟果定义岛 ) 为散射透过率，那么 一警 溅中碟穿( 致) 为天空光照魔。因此大气总的透过率r 成谈是意接透过洙与散射透避 帛之和。 爹缒m8 ”溉+ t a g ； 咎。z 7 ) z ( “) 一e + 乃v 十( 以) ( 2 1 8 ) 对子遥感器在大气璞端接收戆电磁疆瓣分受戳下悲个都癸； 竞绫蠹攘离下，萎| 遮琢藩经过蛾蕊秘耩爱瓣鬣叉囊援经遗大气簧赣鬟透避 感器的部分 热；。一，麒熊，晦，啦及 国l 蛰 热l 。“麒熊，晦，簪7 蜥 国l 黔 竞蛀娩大气教莉萋：逸滚覆并经遮鬻壹接反射戮抟感器嚣帮势 肛。- ( 以) 万( 肌，一，妒弦。鲰 ( 2 2 0 ) ；飘，筑，耱巍平均蔽瓣透过率，定义舞 邻0 童钒 拦 燃 第二章遥感图像的大气影响与大气效应校正t 7 f f p ，( 肛，卢。，屯一妒) 己d ( 肛，肛，庐) 留留咖 p ，( p ，p ，爹) 臣l 五= r 一 ( 2 2 1 ) ll l d 【印，弘。，串j 1 弘l d p i d 巾? k ( 以以，庐) 为由方向( 卢，庐) 自天空向下到达地面的辐射能( 由大气的散 射7 1 起的) ，故由式( 2 1 6 ) 定义的散射透过率应为： 0 , 2 ll l d 啦，们出鼬巾 铲业面一( 2 2 2 ) 光线经大气散射到地面，并经地面反射到大气，并再经大气散射到遥感器的 那部分。 以【e - * 4 - t d ) 胁( 以) + f e - 爿 u , + t e l ) 1 蝉1 - ( p ) s ( 以) ( 2 2 3 ) 式中扣) 为周围环境的等效反射率，其中s 为大气底层向下的大气半球反 射率，用于描述目标物和大气之间的多次作用，上一方程的右边的第一项是 经大气一次散射后进入遥感器的环境辐射，而第二项是多次散射的作用。 为太阳直射光与天空光到达地面日标厨围，与周围环境发生至少一次反 射，再经过地面目标反射后直接通过大气进入遥感器的那部分。 p 。，f e 一形，+ t d ( 儿) 1 【( p ) 跖( 儿，胁，妒) + p ) 2 s ：历( 以，以，妒) 。 + ( p ) 3 s 3 磊( 以，a v ，爹) + p + 乃， - e - x + t a g , ) 鱼戳拶e 叼1 ( 2 z 4 ) 因此，卫星遥感器上的表观反射率p 为： p ( 肫，肌，庐) 。以( 几，心，妒) + p 一甄p f ( 以，t * v ，p 。夕0 + ( 心) 承以，凡，沁? 州洲出小砌。) 叁器州砧垒戳沪e 邙z s ) 对于理想均匀朗伯表面，磊一( p ) - n ，则方程可以简化为 p 2 p a + r ( 以沙( 风南 2 2 6 ) 当所观测的目标为黑目标时大气自身的反射比可以看成瑞利散射与气溶胶散 射两部分的简单叠加，即 对壤遥感圈豫静强糖探渊援术研究 p e 4p f p 。 珏- 2 7 ) 缀是这静褥单的分瓣寇短波( t0 4 5 f u n ) 以疑大戆太阳天预是会产生较大熬谡蒺。 对予器向瓣性的漱薷重，磺究者靛发瑶瓣于，j 、耱毙学簿度捺簿磁米酌缮莱霹黻 攘广到大的光学厚度救条传下 改 + 蒜( 成e 材弦“+ p ( 膨) k ( 纸” 犯3 3 )