Pen遥感影像数字处理基础知识

1、遥感原理与应用（第二版）孙家抦 主编武汉大学出版社 2009年6月9/26/2022第 4 章 遥感影像数字处理基础影像表现形式遥感影像坐标系统地理坐标系投影坐标系数字遥感影像存储存储介质存储格式数字遥感影像处理系统硬件系统软件系统遥感影像处理系统与GIS、GPS集成21、 影像表现形式光学影像数字影像光学影像与数字影像的转换影像的频谱表示31.1、光学影像由摄影胶片成像所形成的遥感影像有正片、负片之分，其明暗变化可视为一个二维函数模拟影像明暗变化：连续曲面像点大小：感光颗粒0 f (x, y) 0 ft (x, y) 0 f (x, y) 数字影像明暗变化：离散化灰度值像点大小：采样间隔41

2、.2、数字影像影像的明暗变化可视作为一个离散的二维矩阵xk = x0 + kx yl = y0 + lyF(x,y) = f(x,y)KL51.2、数字影像优点可以以计算机文件形式长期保存，不会有任何影像品质退化便于计算机处理、存储、检索、影像显示形式多样化缺点就目前的计算机处理能力、存储能力而言，数字影像信息含量不如模拟影像影像显示必须借助一定设备的支持61.3.1、光学影像数字影像图像数字化：将连续的光密度函数转换为离散的光密度函数类似扫描仪的工作原理：反射扫描、透射扫描图像采样：空间坐标数字化（离散化）灰度级量化：光密度（光强度）数字化（离散化）模数变换：AD，Analog to Dig

3、ital，将感应到的、连续变化的模拟电信号转换成离散分布的数值71.3.1、光学影像数字影像 采样采样：按一定空间间隔（像元尺寸）进行电信号采样空间离散化81.3.1、光学影像数字影像 量化量化：离散化处理，将电信号强弱按一定规则转换成离散点值（二进制）灰度值光密度离散化：6 bit、8 bit、16 bit、91.3.1、光学影像数字影像 分辨率换算模数变换：AD， Analog to Digital模拟图像的数字化方式光机扫描数字化：用扫描仪将模拟影像转换成数字影像扫描像元12 m（感光颗粒的大小）1 inch = 2.54 cm = 2.54104 m扫描分辨率空间分辨率对于 16000

4、 的航空相片，若以 500 dpi 精度扫描，得扫描分辨率 50.8 m ，空间分辨率 0.3048 m101.3.2、数字影像光学影像数模变换（D/A）：D/A的逆过程，将数字图像以模拟图像的方式显示或打印出来硬拷贝图像显示：打印机、绘图仪、显影等视频图像显示：Temporary Video精度比原始的模拟图像要较低111.4.1、影像的频谱 灰度值曲线灰度值曲线：影像沿某方向的明暗变化就是沿距离而变化的曲线121.4.2、影像的频谱 曲线拟合曲线拟合：不同频率的正弦波、余弦波以不同比例叠加可以拟合成任意灰度值曲线131.4.3、影像的频谱 傅里叶变换傅里叶级数：模拟灰度值在空间上的变化对于

5、空间变化随机性，具有很强的模拟能力关键：求解各个频率的组成分量141.4.4、影像的频谱 欧拉公式151.4.5、影像的频谱 一维单个方向上，某一个频率 u 的组成分量计算式161.4.5、影像的频谱 二维整个平面内，x 轴向频率为 u，y 轴向频率为 v 的组成分量计算式171.4.6、影像的频谱 举例181.4.6、影像的频谱 举例192、遥感影像坐标系遥感影像的每一个成像点都应该具有确切的地理位置坐标值地理（球面）坐标系：Geographic coordinate system投影坐标系：Projection coordinate system202.1、地理（球面）坐标系参考椭球体：大

6、地体的拟合椭球体Krasovsky1940:a = 7,378,245.000 000 000 000 00 mb = 7,356,863.018 773 047 300 00 me = 298.300 000 000 000 01大地基准（Datum）：参考椭球体对大地水准面的局部拟合调整北京54（坐标系）：Krasovsky1940 + 黄海高程系1956西安80（坐标系）：IAG1975 + 国家高程基准1985WGS84（坐标系）：三维直角地心坐标系2000国家大地坐标系： CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000），三维直角地心（含

7、海洋、大气层的地球质心）坐标系212.2、投影坐标系投影：二维坐标系表达球面坐标值等角投影：角度关系、方位角等不变等积投影：面积不变任意投影：没有特定要求投影方式平面投影（椭）圆锥投影（椭）圆柱投影投影坐标系：参考椭球体 + 大地基准 + 投影方式坐标转换：参考椭球体 + 参数（3、7）222.2、投影坐标系 高斯克吕格投影232.2、投影坐标系 高斯投影带243、遥感影像存储 基本概念数据（Data）：人工采集的任何数字、文字、符号等信息（Information）：具有属性意义的数据字位（BitBinary Digit）：二进制数的位数字节（Byte）：一般为连续的 8 BitsKB、MB、

8、GB记录（Record）：数据单位CCT 记录为扫描线长度TM 数据有 6,967 个记录文件（File）：计算机管理的最小数据集程序文件、数据文件、影像文件 253、遥感影像存储 质量指标空间分辨率：空间表达详细程度，多指像元对应的地面尺寸像元小：影像清晰、信息量大、好用。但价格贵、文件大、处理慢像元大：需要更多的辅助处理。但价格低、处理快波谱分辨率：波段表达的详细程度，与波段间隔、波段数相关波段数多：目标的物质属性易于识别、但文件大。处理侧重在波段选择、波段压缩上，如目标波谱特征分析、相关统计分析、多方案彩色合成分析、主成份分析波段数少：多需要影像增强处理时间分辨率：重复观测（赤道）的最短

9、时间间隔，能够反映地表的动态变化、季相变化、辐射分辨率：影像明暗变化表达的详细程度，与影像清晰度、对比度拉伸、密切相关温度分辨率：温度表达的详细程度，受噪声的制约明显263.1、存取介质订购影像数据时，可选择数据存取介质磁带：Computer Compatible TapeCCT 9-track tape4 mm tape8 mm tape1/4” cartridge tape磁盘：Hard 、Floppy (3.5” 、 5.25”)光盘：CD-ROM / DVD-ROM其他媒介胶卷胶片、纸张录像带273.1、存取介质 计算机文件大小文件大小y = 行数x = 列数b = 灰度值所用字节数n

10、 = 波段数1.2：文件系数10% 用于金字塔图层10% 用于多项影像调整，如直方图、灰度查找表（LUT）等283.2、遥感数据格式世界标准格式： LTWG，Landsat Technical Working GroupBSQ：Band SeQuentialBIL： Band Interleaved by LineBIP： Band Interleaved by PixelHDF：Hierachical Data Format，层次数据格式GeoTIFF: Geographically Tagged Image File Format293.2.1、BSQ 格式以波段为单位顺序记录影像数据，是

11、常用数据格式单个波段易于读取与显示多波段数据易于以任何顺序加载目前，多用 CDROM 提供 TIFF 影像文件及相关说明文件303.2.1、BSQ 格式文件提要文件名记录名磁带目录文件给出CCT组合的内容，记录范围、格式图像属性文件头文件给出识别以后数据的内容、格式辅助记录模拟数据记录给出正确的图像阵列和卫星特征投影相关数据记录给出 SOM/PS/UTM 的投影校正注释记录给出所有印在标准胶片产品底部的字母数字资料以及图像周围的信号资料图像数据文件给出图像数据集相关校准数据、质量数据尾部数据文件提供对图像数据进行数字增强所需数据313.2.1、BSQ 格式Fast format：a type

12、of BSQ format used by EOSAT to store Landsat TM dataEOSAT：Earth Observation Satellite CorporationFiles are not split between tapes. If a band starts on the first tape, it ends on the first tape.An end-of-file (EOF) marker follows each bandAn end-of-volume marker marks the end of each volume (tape)An

13、 end-of-volume marker consists of three end-of-file markersThere is one header file per tapeThere are no header records preceding the image dataRegular products (not geocoded) are normally unblocked. Geocoded products are normally blocked (EOSAT)323.2.2、BIL 格式以扫描行为单位，波段顺序记录所有波段数据必须同时读写市场上少见头文件、尾文件不一

14、定存在333.2.3、BIP 格式以像元为单位，像元行列顺序及波段顺序记录便于波段间的代数运算所有波段必须同时读写市场上少见343.2.4、HDF 格式跨计算机平台的新型数据格式，由美国 NCSA 研制，应用于 MODIS、MISR 等卫星数据中NCSA：National Center for Supercomputing Application包含 6 种主要数据类型栅格图像数据调色板：图像色谱科学数据集：Multi-dimensional ArrayHDF注释：信息说明数据Vdata：数据表Vgroup：相关数据组合分层：总体目录结构353.2.4、HDF格式文件1个头文件1个（n个）数据

15、对象文件数据描述符：数据元素的类型、位置、尺度等数据元素：实际数据资料（灰度值）363.2.5、GeoTIFF 格式TIFF 6.0 格式：Adobe 公司制定的一种通用图像格式，支持多种色彩系统、压缩算法栅格空间：Raster Space设备空间：Device SpaceGeoTIFF：TIFF 基础上增加了坐标信息、投影信息记录功能模型空间：Model Space，描述地理位置地理坐标系地心坐标系投影坐标系垂直坐标系373.2.5、GeoTIFF 格式 M矩阵模型空间栅格空间的映射关系：缩放、平移、旋转383.2.5、GeoTIFF 格式 M矩阵模型空间栅格空间的映射关系：缩放393.2.

16、5、GeoTIFF 格式 6 个地理标签6GeoTagModelTransformationTag：M 矩阵各个元素，16 个双精度字段ModelTiepointTag：控制点的栅格坐标模型坐标，6n 个双精度字段格式：ModelTiepointTag = （, I0, J0, K0, X0, Y0, Z0, ）ModelPixelScaleTag：栅格空间某点在模型空间的缩放比例，3 个双精度字段GeoDoubleParamsTag：GeoTIFF 数据类型定义，双精度地理键GeoAsciiParamsTag：字符型地理键403.2.5、GeoTIFF 格式 6 个地理标签6GeoTagGe

17、oKeyDirectoryTag：最重要、最复杂头：Header = |目录版本号，修订版本号，副版本号，地理键个数|记录：KeyEntry = |地理键 ID，存放位置，元素个数，值，索引|3 个最基本的地理键设置模型空间坐标系统：GTModelTypeGeoKey栅格空间坐标系统：GTRasterTypeGeoKey说明信息：GTCitationGeoKey413.2.5、GeoTIFF 格式 结构图424.1、数字遥感影像处理系统 硬件硬件系统：用于遥感影像处理的各种设备，价格比重越来越低输入设备输出设备电子计算机其他设备434.1.1、输入设备输入设备：遥感数据的计算机输入磁带机、磁盘

18、机（光盘）数字化器胶片扫描仪析像器数字化仪444.1.1、输入设备 数字化器平台式：PDSG，可处理 50.8 cm50.8 cm 影像，几何精度高、辐射分辨率高、速度慢平面精度 5 m， 5 m5 m 及以上窗口可用 32 bit 编码，04 密度值范围辐射分辨率达 0.01，扫描速度 200 mm/s滚动式图像：JoyceLoebl Scanning（Colour Film Scanner），速度快，但精度相对较低8 bit 编码，采样数据率达 500200,000 P/s固态阵列式：CCD 线阵列、面阵列，速度快，几何精度高，但是编码一致性相对较低飞点扫描器、摄像管：用于小尺寸影像地图：

19、坐标数字化 + 手扶跟踪454.1.2、输出设备输出设备：遥感数据的存储、表达磁带机、磁盘机（光盘）彩色显示器绘图仪打印机464.1.3、电子计算机遥感影像处理工作主要由计算机完成20 世纪 60s70s 上半期：大、中型计算机 + I/O + 专用软件20 世纪 70s 上半期80s 初：主机 + 专用图像处理机，算法固化以加速20 世纪 80s 初90s 初：多采用 32 bit 超小型机20 世纪 90s 初现在大型化：气象、石油、小型化：微型计算机 + 专用遥感影像处理软件计算机工作站：介于大型机、微机之间474.1.4、其他设备其他设备：一般指大、中型计算机的辅助设备，工作站、微机中

20、随着计算机一体化而消失存储设备：磁盘、RAID操作台：终端显示器、键盘、鼠标、OS484.2、遥感影像处理系统 软件软件系统：遥感影像处理计算机算法的集成软件，价格比重大IDRISIPCIENVIERDAS Imagine494.2、遥感影像处理系统 软件GIS D, September 2001504.2、遥感影像处理系统 软件Technology Assessment Project， POEC 6381 Fall 2001 bySonia MongaJohn BaccellieriRS Project OrientedApplication of RS and GISPrimary Fo

21、cus on GIS514.2、遥感影像处理系统 软件IDRISI ：in the name of a Muslin scholar (cartographer + geographer, 11001166) in the Mediterranean world of the medieval ageAbu Abd Allah Mohammed al-IdrisiPCI ：A Canada company, just the 3 alphabetsPerceptron Computing Inc. （only in 1982 for several months）Lost the right

22、to use “Perceptron” in a fight with a US companyENVI ：The ENvironment for Visualizing ImagesRSI：Research Systems, Inc. ECognition：Germany Definiens Imaging ERDAS IMAGINE ：Earth Resource Data Acquisition Systems524.2.1、IDRISI系统开发实验室研制：美国克拉克大学地理学研究生院克拉克制图技术与地学分析实验室最新版：IDRISI Andes 15.0目标：完整的、专业的地学分析工具

23、综合地理信息系统（地理信息系统 + 图像处理系统）基础：格网数据功能：地学分析、遥感图像处理、空间数据管理、统计分析应用：自然资源管理、环境动态监测与影响评价、区域与城市规划、生态学研究、节534.2.2、PCI Geomatics加拿大 PCI 公司研制：http:/地理信息系统 + 图像处理系统：最新版 PCI Geomatics 10.1.2可处理各类图像数据：遥感图像、地球物理图像、医学图像、雷达图像、光学图像应用十分广泛：石油天然气勘探、矿产资源勘探、农、林、土地资源调查与管理、自然灾害动态监测、城市规划、沙漠治理、工程建设、气象预报、波谱分析、雷达数据分析功能专业遥感图象处理遥感数

24、据校正雷达数据处理全系列数字摄影测量GIS功能制图功能、三维可视化54A、专业遥感图像处理常规光学遥感数据：航片、TM、SPOT、IRS特殊光学遥感数据：AVHRR、高光谱数据常规SAR数据：单波段单极化、多波段多极化新概念SAR数据：全极化、干涉SAR数据55B、遥感数据校正MTF：Modulation Transfer Function（调制传输函数）图象复原大气校正：气象条件正射校正：航片、卫片56C、雷达数据处理几何校正辐射校正、定标滤波、纹理分析变化检测图像质量评价Radarsat 立体像对 DEM 提取全极化数据库：定量遥感生物量、土壤水分、表面粗糙度、冰雪厚度干涉SAR：相位信息

25、提高 DEM 精度检测地表变化：cm 级57D、全系列数字摄影测量提取DEM航片SPOT 、IRSRadarsat正射校正SPOT、TM、IRSRadarsat、ERS、JERS58E、GIS功能一体化：栅格数据、矢量数据、属性数据查询：自动生成统计图表分析功能OverlayBuffer网络分析点分析功能TIN、地形分析功能59F、制图与三维可视化采用最新科技成果神经网络分类模块：小波分类器空间信息与波谱信息融合可视化二次开发：EASI（Expert Analysis System Interface）与C、FORTRAN （FORmula TRANslation） 等相似节604.2.3、E

26、NVI美国 RSI （Research System Inc.）公司制作受到美国 NASA 嘉奖1994 年发布第一版遥感处理系统 ENVI2000 年 9 月被 Eastman Kodak Company 收购2004 年 3 月被 ITT Space Systems 收购最新版：ENVI 4.8 + IDL 7.2 （Interactive Data Language）614.2.3、ENVIENVI：The Environment for Visualizing Images，USA ITT影像显示、处理、分析多波谱影像处理栅格矢量数据集成处理雷达数据分析地形分析IDL：Interact

27、ive Data Language624.2.3、ENVI 功能非常全面数字处理数据输入输出常规影像处理几何校正大气校正、定标全色数据分析多波段数据分析高光谱数据分析雷达数据分析地形地貌分析矢量分析神经网络分析区域分析GPS连接正射影像图制作三维景观生成、制图IDL 交互式底层二次开发634.2.3、ENVI 多波段、高光谱数据分类常规方法ISODATAKmean平行六面体最小距离最大似然马氏距离引进最新科技成果混合像元匹配滤波线性波谱分离波谱特征匹配决策树神经网络644.2.3、ENVI 几何校正、GISGIS地形分析雷达分析栅矢数据分析几何校正正射校正地理信息查询表特定传感器模型SPOTS

28、eaWIFSAVHRRENVISATMODIS 1 B654.2.3、ENVI 数据格式EOS：MODIS、ASTER、MISRENVISAT：ASAR、MERIS、AATSR热红外数据雷达数据二进制数据文件DEMUSGS矢量数据输入数据格式TMSPOT5IKONOSQuickBirdIRS Orbview3AVHRRSeaWIPSEROS664.2.3、ENVI 融合、辐射校正MODTRAN 辐射传输校正模型SPOTAVHRRASTERMODISMERISAATSRIRS融合HIS 变换Brovey 变换主成份变换GramSchmidt 算法：极大地保存了个波段数据的波谱特征大气校正ASTE

29、RAVHRRLandSat：TM、MSSQuickBird热红外影像大气校正模型节674.2.4、ECognition主要功能多源数据融合工具多尺度影像分割工具基于样本的监督分类工具：一点就分基于知识的分类工具：知识库（继承机制、模糊逻辑、语义模型）面向对象的分类方法对象信息：色调、形状、大小、纹理、层次类间信息：临近对象、子对象、父对象面向对象分类步骤分割：影像对象原型的多尺度分割分类：多尺度分割影像对象层次网络同时表征影像分类信息节684.2.5、ERDAS ImagineEarth Resource Data Acquisition Systems地球资源数据获取系统http:/1978

30、 年创建 ERDAS 公司，总部设在美国佐治亚州的亚特兰大市2001 年与 瑞士 的 LEICA GEOSYSTEMS 公司合并，成为该公司旗下的分公司：GIS & Mapping全球用户遍布 100 多个国家，软件套数超过 17,000 套2001 年遥感软件市场份额达 46%，高居榜首最新版本： ERDAS Imagine 10.0节694.2.4、ERDAS ImagineERDAS Imagine：Earth Resource Data Acquisition System, USA，模块化设计（配置灵活）Essential：显示、输入/出、影像库、几何校正、制图、简单分析扩充模块：V

31、ector、Virtual GIS、Developers ToolkitAdvantage：高级栅格分析、正射校正、地形分析、影像镶嵌扩充模块：Radar、OrthoBase、OrthoBase Pro、Professional：空间建模、高级分类器、精度评价、高光谱扩充模块：Subpixel、DLL图像格式地形模型字体704.2.4、ERDAS IMAGINE 主要功能NITF: National Image Transformation Format71启动 ERDAS Imagine 8.5命令路径：开始 | 程序 | ERDAS IMAGINE 8.5 | ERDAS IMAGINE

32、8.5或双击图标：一级菜单72一级菜单任务管理主菜单工具辅助工具帮助73任务管理 下拉菜单74任务管理 菜单选项一Preferences设置缺省选项Configuration外围设备设置Session Log操作历史纪录Active Process List显示或取消当前过程Commands输入命令Enter Log Message在历史纪录中插入文本内容Start Recording Batch Commands批处理文件记录器Open Batch Command File读取批处理文件：*.bcf75任务管理 菜单选项二View Offline Batch Queue批处理计划对话框Fli

33、p Icons按钮面板显示：水平/垂直Tile Viewers平铺数据显示窗口Close All Viewers关闭所有数据窗口Main模块菜单，与面板按钮相同Tools工具菜单Utilities辅助工具菜单Help帮助菜单Exit IMAGINE退出 ERDAS Imagine 8.576主菜单 下拉菜单77主菜单 菜单选项IMAGINE Credits软件开发信息Start IMAGINE Viewer打开一个数据编辑窗口Import/Export打开数据输入/输出对话框Data Preparation数据预处理菜单Map Composer数据制图菜单Image Interpreter影像

34、解译菜单Image Catalog打开影像库管理对话框Image Classification数据分类处理菜单Spatial Moleler空间建模菜单Vector矢量数据处理菜单Radar雷达数据处理菜单VirtualGISGIS可视化菜单OrthoBASE启动正射纠正对话框78工具 下拉菜单79工具 菜单选项Edit Text Files编辑或生成一个ASCII文本文件Edit Raster Atttibutes编辑栅格文件属性数据View Binary Data浏览二进制文件View IMAGINE HFA File Structure浏览ERDAS IMAGINE 层次文件结构Anno

35、tation Information浏览注释文件信息Image Information浏览栅格影像信息Vector Information浏览矢量文件信息Image Command Tool打开影像处理命令对话框Coordinate Calculator坐标计算工具Create/Display Movie Sequences快速浏览系列影像Create/Display Viewer Sequences快速浏览已打开的系列窗口中的数据Image Drape用DEM模型生成三维影像图Manage PostScript and TrueType Fonts向解译文件中增加新字体View EMLScr

36、iptFiles打开ERDAS宏语言编辑框80辅助工具 下拉菜单81辅助工具 菜单选项JPEG Compress ImagesJPEG技术压缩ERDAS Imagine格式存盘Decompress JPEG Images解压缩（用上面技术处理的）影像Covert Pixels to ASCII输出栅格数据文件为ASCII文件Convert ASCII to Pixels由ASCII文件生成影像Convert Images to Annotation转换栅格影像为多边形，以*.ovr格式存盘Convert Annotation to Raster转换解译文件为栅格影像文件Create/Updat

37、e Image Chips按影像文件或目录生成栅格数据分块方式Mount/Unmount CDROM安装或卸载CDROM驱动器Font to Symbol将一个字体库生成为符号库Create Font Tables选一字体作为栅格符号图Compare Images打开影像对比对话框，比较技术性特征等Reconfigure Raster Formats启动动态连接库重新配置栅格数据格式Reconfigure Vector Formats启动动态连接库重新配置矢量数据格式Reconfigure Resample Methods启动动态连接库重新配置数据重采样方式Reconfigure Geomet

38、ric Models启动动态连接库重新配置几何纠正模式82帮助 下拉菜单83帮助 菜单选项Help for Icon Panel按图标面板显示帮助文档IMAGINE Online Documentation打开帮助文件IMAGINE Version显示ERDAS IMAGINE 版本信息IMAGINE DLL Information显示与编辑需求加载库（Demand Loaded Libraries）类信息、实例信息84帮助文档85帮助文档86图标面版软件开发信息数据编辑窗口数据输入/输出对话框数据预处理数据制图影像解译影像库管理对话框数据分类处理空间建模矢量数据处理雷达数据处理可视化 GIS

39、启动正射纠正对话框87ERDAS IMAGINE主要功能由以下功能模块组成Viewer：图像显示视窗Import / Export：数据输入 / 输出Data Preparation：数据预处理Composer：成果图设计、输出Interpreter：图像解译（增强处理）Catalog：图像库（管理）Classifier：分类（信息提取）Modeler：可视化编程（二次开发）工具Vector：矢量数据处理Radar：雷达数据处理Virtual GIS：三维图像显示、分析、处理OrthoBASE：正射校正处理节881、Viewer 图像处理初步系统的缺省设置打开与显示图像文件图像信息查询空间量测图层数据顺序调整数据显示比例的放大与缩小数据显示窗口之间的地理链接感兴趣区域（AOI）色调增强89A、Preferences启动 ERDAS I