遥感图像处理 第二讲 遥感影像及统计分析

1、第一讲回顾：第一讲回顾： 1. 遥感及其相关概念 2. 遥感平台 3. 传感器 4. 遥感的技术特点 5. 遥感信息科学 遥感数字图像处理教程 一、一、遥感成像过程遥感成像过程 二、二、遥感遥感数字影像数据数字影像数据 三、三、遥感影像其他数据遥感影像其他数据 四四、遥感影像的信息内容遥感影像的信息内容 五五、遥感影像特征的统计分析遥感影像特征的统计分析 退出退出 返回返回 （1 1）多光谱数据源）多光谱数据源 光谱分辨率在/10数量级范围的称为多光谱 (Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱 区只有几个波段，如美国 Landsat MSS，TM，法国 的SPOT等。

2、（2 2）高光谱数据源）高光谱数据源 光谱分辨率在/100的遥感信息称之为高光谱遥感 (Hyperspectral); 随着遥感光谱分辨率的进一步提高， 在 达 到 / 1 0 0 0 时 ， 遥 感 即 进 入 超 高 光 谱 (Ultraspeetral)阶段 。 （3 3）全色波段数据源）全色波段数据源 全色波段，一般指使用0.5微米到0.75微米左右的单 波段，即从绿色往后的可见光波段。因为是单波段，在 图上显示是灰度图片。全色遥感影象一般空间分辨率高， 但无法显示地物色彩。实际操作中，我们经常将之与波 段影象融合处理，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。 （

3、4 4）SARSAR数据源数据源 合成孔径雷达数据源，航天飞机也可载合合成孔径雷达数据源，航天飞机也可载合 成孔径雷达。成孔径雷达。 返回返回 存储形式：灰度值矩阵存储形式：灰度值矩阵 存储形式：灰度值矩阵存储形式：灰度值矩阵 存储形式：灰度值矩阵存储形式：灰度值矩阵 存储形式：灰度值矩阵存储形式：灰度值矩阵 存储形式：灰度值矩阵存储形式：灰度值矩阵 存储文件格式存储文件格式： （1 1）BSQBSQ方式方式( (band sequential)band sequential) 各波段的二维影像数据按波段顺序排各波段的二维影像数据按波段顺序排 列。列。 ( (像元号顺序像元号顺序) )，行号顺

4、序，行号顺序) )，波段顺序，波段顺序) ) (2)(2)BILBIL方式方式( (band interleaved by line)band interleaved by line) 对每一行中代表一个波段的光谱值进对每一行中代表一个波段的光谱值进 行排列，然后按波段顺序排列该行，最后行排列，然后按波段顺序排列该行，最后 对各行进行重复。对各行进行重复。 (像元号顺序像元号顺序) )，波段顺序，波段顺序) )，行号顺序，行号顺序) ) (3)(3)BIPBIP方式方式( (band interleaved by pixel)band interleaved by pixel) 在一行中，每个

5、像元按光谱波段次序在一行中，每个像元按光谱波段次序 进行排列，然后对该行的全部像元进行这进行排列，然后对该行的全部像元进行这 种波段次序排列，最后对各行进行重复。种波段次序排列，最后对各行进行重复。 ( (波段顺序，像元号顺序波段顺序，像元号顺序) )，行号顺序，行号顺序) ) 返回返回 分辨率是用于记录数据的最小度量单分辨率是用于记录数据的最小度量单 位。广义上一般用来描述在显示设备上所位。广义上一般用来描述在显示设备上所 能够显示的点的数量能够显示的点的数量( (行、列行、列) )，或在影像，或在影像 中一个像元点所表示的面积。中一个像元点所表示的面积。 在描述遥感数据时，存在四种类型的在

6、描述遥感数据时，存在四种类型的 分辨率：分辨率： （1 1）光谱分辨率）光谱分辨率 光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多， 光谱分辨率就愈高，反之光谱分辨率越粗糙。光谱分辨率就愈高，反之光谱分辨率越粗糙。 现在的技术可以达到现在的技术可以达到56nm56nm（纳米）量级，（纳米）量级，400400多多 个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和 组成成分的能力。组成成分的能力。 （2 2）空间分辨率）空间分辨率 是指遥感器所能分辨的最小的目标大小，是指遥感器所能分辨的最小的目标大小，

7、 或指影像中一个像元点所表示的地面面积。或指影像中一个像元点所表示的地面面积。 空间分辨率越高，则目标和面积值越小。空间分辨率越高，则目标和面积值越小。 （2 2）空间分辨率）空间分辨率 （2 2）空间分辨率）空间分辨率 （3 3）辐射分辨率）辐射分辨率 又称亮度阈值，是指在一个波段中所记录又称亮度阈值，是指在一个波段中所记录 的代表地物反射电磁波的强度的代表地物反射电磁波的强度( (表现为亮表现为亮 度或灰度度或灰度) )的所有可能的数值。在影像中的所有可能的数值。在影像中 表现为影像的灰度级。表现为影像的灰度级。 （3 3）辐射分辨率）辐射分辨率 辐射分辨率计算公式：辐射分辨率计算公式：

8、RL =（Rmax-Rmin ）/D 其中其中Rmax为最大辐射量值，为最大辐射量值，Rmin为最小辐射量值，为最小辐射量值，D 为量化级。为量化级。 （4 4）时间分辨率）时间分辨率 是指对同一地区进行重复观察的频率。是指对同一地区进行重复观察的频率。 例如，是每例如，是每1616天还是每天还是每3 3天重复一次。天重复一次。 返回返回 返回返回 返回返回 定标定标( (calibration)calibration)是把所得到的测量值变换成是把所得到的测量值变换成 绝对亮度，或指定与地表反射率及表面温度绝对亮度，或指定与地表反射率及表面温度 等物理量有关的处理过程。等物理量有关的处理过程。

9、 由于大气散射的影响，必须对观测的数据进由于大气散射的影响，必须对观测的数据进 行验证，常常用基于地面实况数据进行验证行验证，常常用基于地面实况数据进行验证 的方法。这些地面数据被称为验证数据。的方法。这些地面数据被称为验证数据。 返回返回 地面实况调查地面实况调查( (ground truth)ground truth)是指为了检是指为了检 验遥感数据与观测目标物的对应关系而对地验遥感数据与观测目标物的对应关系而对地 面实况信息进行观测、测量、收集的工作。面实况信息进行观测、测量、收集的工作。 返回返回 在进行遥感影像的几何精校正时，必须在进行遥感影像的几何精校正时，必须 要有地面控制点。适

10、于作为地面控制点的是要有地面控制点。适于作为地面控制点的是 可以在影像上辨认出的一点和它所对应的地可以在影像上辨认出的一点和它所对应的地 面上相同的一点，而且可以正确知道该点在面上相同的一点，而且可以正确知道该点在 影像上的位置影像上的位置( (像元号、行号像元号、行号) )和在地图上的位和在地图上的位 置置( (纬度、经度、高度纬度、经度、高度) )。 定位方法有：定位方法有： （1 1）地形图法：）地形图法： 简单，但不适于缺乏高精度地形图的地区。简单，但不适于缺乏高精度地形图的地区。 （2 2）GPSGPS定位法：定位法： Global Positioning SystemGlobal

11、Positioning System： 返回返回 地图信息可以提供如下功能：地图信息可以提供如下功能： 调查区域的概查：调查区域的概查： 几何校正控制点的设置：几何校正控制点的设置： 辅助性地面实况数据的获取及判读参考：辅助性地面实况数据的获取及判读参考： 分析、判读结果的整理与表示：分析、判读结果的整理与表示： 常用的地图数据：常用的地图数据： 数字高程模型（数字高程模型（Digital Elevation Model Digital Elevation Model 简简 称称DEMDEM）是在高斯投影平面上规则格网点平是在高斯投影平面上规则格网点平 面坐标（面坐标（x,yx,y）及其高程（

12、及其高程（z z）的数据集。的数据集。 DemDem的水平间隔可随地貌类型不同而改变。的水平间隔可随地貌类型不同而改变。 根据不同的高程精度，可分为不同等级产品根据不同的高程精度，可分为不同等级产品 。 数字正射影像图（数字正射影像图（Digital Digital OrthophotoOrthophoto Map Map 简称简称DOMDOM）是利用数字高程模型对扫描处理是利用数字高程模型对扫描处理 的数字化的航空相片的数字化的航空相片 / / 遥感相片（单色遥感相片（单色 / / 彩彩 色），色）， 一般带有公里格网、图廓内一般带有公里格网、图廓内 / / 外整饰和注记外整饰和注记 的平面

13、图。的平面图。 数字线划地图（数字线划地图（Digital Line GraphicDigital Line Graphic简称简称 DLGDLG）是现有地形图上基础地理要素的矢量是现有地形图上基础地理要素的矢量 数据集，且保存要素间空间关系和相关的属数据集，且保存要素间空间关系和相关的属 性信息。性信息。 （Digital Raster GraphicDigital Raster Graphic简称简称DRGDRG）是纸是纸 质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠 正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内 容、几何精度

14、和色彩上与地形图保持一致的容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的 栅格文件。栅格文件。 返回返回 数字地形数据是表示地形形状的数据，也叫数字地形数据是表示地形形状的数据，也叫 数字地形模型数字地形模型( (DTMDTM：digital terrain model digital terrain model or DEMor DEM：digital elevation model)digital elevation model)。 地形形状地形形状( (地表面形状地表面形状) )的表示方法大致分为以的表示方法大致分为以 下下4 4种：种： 等高线表示法：用具有等间隔的高度的等等高线表示法：用具有

15、等间隔的高度的等 高线集合表示地形的方法。高线集合表示地形的方法。 网格点表示法：通过在水平面上布置的格网格点表示法：通过在水平面上布置的格 点点( (网格点网格点) )的标高数据表示地形形状的方法。的标高数据表示地形形状的方法。 格点以外地点的标高由周围格点的标高数据格点以外地点的标高由周围格点的标高数据 内插求出。内插求出。 随机点表示法：通过在水平面上随机布置的点的随机点表示法：通过在水平面上随机布置的点的 水平位置坐标和标高数据表示地形形状的方法。近水平位置坐标和标高数据表示地形形状的方法。近 似地表示地表面形状的方法叫似地表示地表面形状的方法叫TIN(triangulated TIN

16、(triangulated irregular networkirregular network：不规则三角形网络不规则三角形网络) )。该方法。该方法 只有按地形起伏自由变更标高点密度的优点，对高只有按地形起伏自由变更标高点密度的优点，对高 速检索周围的随机点必须加以特别的考虑。速检索周围的随机点必须加以特别的考虑。 函数表示法：通过曲线函数等用曲面表示函数表示法：通过曲线函数等用曲面表示 地表面的方法。地表面的方法。 返回返回 返回返回 （一）遥感影像的波谱信息 （二）遥感影像的空间信息 （三）遥感影像的时间信息 返回返回 返回返回 是指不同时相遥感影像的光谱信息与 空间信息的差异。是研究

17、对象所处的时 态，所以要充分利用多时相影像，不能 以一个瞬时信息来包罗它的整个发展过 程。 返回返回 返回返回 （一）单波段统计特征 （二） （三）卷积 （四）纹理 （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 算术平均值，它反映的是影像中地物的平均算术平均值，它反映的是影像中地物的平均 反射强度，大小由一级波谱信息决定。反射强度，大小由一级波谱信息决定。 （2 2）影像灰度中值）影像灰度中值 指影像所有灰度级中处于中间的值。当灰指影像所有灰度级中处于中间的值。当灰 度级数为偶数时，则取中间两灰度值的平均度级数为偶数时，则取中间

18、两灰度值的平均 值。由于一般遥感影像的灰度级都是连续变值。由于一般遥感影像的灰度级都是连续变 化的，因而中间值可通过最大灰度值和最小化的，因而中间值可通过最大灰度值和最小 灰度值获得。灰度值获得。 （3 3）影像灰度众数）影像灰度众数 众数是影像中出现最多次数的灰度值。它众数是影像中出现最多次数的灰度值。它 是一幅影像中分布较广的地物类型反射能量是一幅影像中分布较广的地物类型反射能量 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与影像平均灰度值方差反映各像元灰度值与影像平均灰度值 的总的离散程度。它是衡量一幅影像信息量的总的离散程度。它是衡量一幅影像信息量 大小

19、的重要度量，是影像统计分析中的最重大小的重要度量，是影像统计分析中的最重 要的统计量。要的统计量。 （5 5）影像灰度数值域）影像灰度数值域( (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变化程度，从而间，它反映了影像灰度值的变化程度，从而间 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显示效果和可分辨性。反差可以反映影像的显示效果和可分辨性。 上述三种形式的反差定义中，上述三种形式的反差定义中，C C3 3最合理，其最合理，其 它两种定义受极端情况的影

20、响较大。它两种定义受极端情况的影响较大。 返回返回 （7 7）影像的直方图）影像的直方图 直方图是指影像中所有灰度值的概率分布直方图是指影像中所有灰度值的概率分布 。横坐标表示影像的灰度级变化，纵坐标表。横坐标表示影像的灰度级变化，纵坐标表 示影像中各个灰度级像元数占整幅影像像元示影像中各个灰度级像元数占整幅影像像元 数的百分比。遥感影像数据常常服从或接近数的百分比。遥感影像数据常常服从或接近 于正态分布。于正态分布。 （7 7）影像的直方图）影像的直方图 （7 7）影像的直方图）影像的直方图 （8 8）直方图的描述量）直方图的描述量 事实上，遥感影像数据并不能完全服从正态事实上，遥感影像数据

21、并不能完全服从正态 分布，往往存在直方图的偏斜。其具体表现分布，往往存在直方图的偏斜。其具体表现 为影像灰度均值与众数和中值的明显不一致为影像灰度均值与众数和中值的明显不一致 。偏斜程度可用下面的量来表示：。偏斜程度可用下面的量来表示： S ff S e k mod S ff S med k )(3 返回返回 （1 1）协方差）协方差 设设f f（i i，j j）和和g g（i i，j j）是大小为是大小为MMN N的两的两 幅影像，则它们之间的协方差计算公式为：幅影像，则它们之间的协方差计算公式为： gjigfjif MN SS M i N j fggf ),(),( 1 1 0 1 0 2

22、2 （1 1）协方差）协方差 将将N N个波段相互间的协方差排列在一起所组成个波段相互间的协方差排列在一起所组成 的矩阵称为协方差矩阵的矩阵称为协方差矩阵 22 2 2 1 2 2 2 22 2 21 2 1 2 12 2 11 . . . . NNNN N N SSS SSS SSS （2 2）相关系数）相关系数 相关系数是描述波段影像间的相关程度的相关系数是描述波段影像间的相关程度的 统计量，反映了两个波段影像所包含信息的统计量，反映了两个波段影像所包含信息的 重叠程度。即重叠程度。即 ggff fg fg SS S r 2 （2 2）相关系数）相关系数 将将N N个波段相互间的相关系数排

23、列在一起所组个波段相互间的相关系数排列在一起所组 成的矩阵称为相关矩阵成的矩阵称为相关矩阵 1. . .1 .1 21 221 112 NN N N rr rr rr R 返回返回 （1 1）窗口和邻域）窗口和邻域 对于图像中的任一像素对于图像中的任一像素( (x,yx,y), ),以此为中心，按上下左右对以此为中心，按上下左右对 称所设定的范围成为窗口。如称所设定的范围成为窗口。如 3 33 3窗口、窗口、5 55 5窗口。窗口。 中心像素周围的行列称为该像素的邻域，4 邻域与8邻域如下： （2 2）卷积运算）卷积运算 卷积运算是空间域上针对特定窗口进行的运算。设窗口大 小为mn，（i，j）

24、是中心像素，f(x,y)是图像像素值，h（ x，y）是窗口模板（或卷积核），g(x,y)是运算结果，那么 卷积的运算公式定义为： m y n x yxhyxfjig 11 ),(),(),( （2 2）卷积运算）卷积运算 直观印象直观印象 结构方法结构方法 统计方法统计方法 灰度级游程长灰度级游程长 滤波模板滤波模板 随机模型随机模型 分形模型分形模型 定性描述定性描述 定量描述定量描述 ：由自然背景上的符号（点、线条、字：由自然背景上的符号（点、线条、字 母或母或 数字等）排列组成数字等）排列组成 具有重复排列现象的自然景物（森林、具有重复排列现象的自然景物（森林、 草地等）草地等） 人工纹理 自然纹理 （1 1）空间自相关函数）空间自相关函数 对物体的粗糙程度进行描述，其定义如下： 粗纹理的自相关函数随距离变化较为缓慢，而细纹 理则变化比较快。如果距离固定，那个粗纹理具有较高的 自相关函数 （1 1）空间自相关函数）空间自相关函数 The Use of Variograms in Remote Sensing，Woodcock，1988 （1 1）空间自相关函数）空间自相关函数 空间变异函数的对比空间变异函数的对比 （1 1）空间自相关函数）空间自相关函数 在二阶平稳情况下，空间变异