遥感数字图像处理课件2016dipa

遥感数字图像/影像处理

DigitalImageProcessingofRemotelySensedImagery刘勇2021年3月21日E-mail：MP:课程简介重要性《遥感导论》的后继课程，涵盖了影像处理、影像分析和影像理解在内的多方面的计算机技术目前在遥感技术的实际应用中仍然主要以人工目视解译为基本手段，存在着工作周期长、效率低下、影响因素复杂，和分析质量不稳定的固有缺陷。面对日益增长的海量遥感数据信息提取的需求，迫切需要发展计算机自动化处理、分析和理解的理论与方法发展计算机技术支持下的自动化方法以标准化、定量化的分析流程提供一致性分析产品能够有效地应对从日益增长的海量遥感数据中快速提取地理信息的任务提高遥感影像分析智能化的水平，使遥感信息产品能够更好地满足应用需求专业基本功本课程承上启下，将遥感理论基础与学科前沿衔接起来。相关学科领域课程基础：高等数学：线性代数、概率论与数理统计、微积分、傅立叶变换、小波变换、离散数学、模糊数学物理学：电磁波理论、光学、光电子学地理学：自然地理学、人文地理学专业基础：地图学、遥感导论、地理信息系统涉及到计算机科学前沿领域：数据结构与数据库数据挖掘与知识发现计算机视觉/机器视觉人工智能与模式识别2023年3月21日遥感数字影像处理课程简介教学方式：课堂讲授+上机实习考核方式：笔试与实习报告分别占总成绩的70%和30%与其他课程的差异：综合运用多学科知识，转换思维方式，培养问题理解能力属于工科课程，强调动手能力的培养难度明显，要求注重平时的积累，临阵磨刀往往效果不佳。课程教学上的难题DigitalImageProcessingofRemotelySensedImagery“asafieldisanintellectualfrontier.Likeanyfrontier,itisexcitinganddisorganized,andthereisoftennoreliableauthoritytoappealto.Manyusefulideashavenotheoreticalgrounding,andsometheoriesareuselessinpractice;developedareasarewidelyscattered,andoftenonelookscompletelyinaccessiblefromtheother.”2023年3月21日6教材与参考文献韦玉春、汤国安、汪闽、杨昕等编著：遥感数字图像处理教程（第二版）。科学出版社，2015.全国高校地理信息科学教学丛书JohnA.Richards著，张钧萍、谷延锋、陈雨时译：RemoteSensingDigitalImageAnalysis:AnIntroduction,FifthEdition，遥感数字图像分析导论（第五版）。中国工信出版集团电子工业出版社，2015年。JohnR.Jensen著，陈晓玲等译：遥感数字影像处理导论（原文第三版）。机械工业出版社，2007。邓书斌，ENVI遥感图像处理方法，科学出版社，20102012、2013级期末考试成绩统计章节安排绪论遥感影像基本操作遥感影像校正遥感影像变换与增强遥感影像分类变化检测2023年3月21日第一章绪论基本概念数字影像处理应用概览遥感数据获取与存储网上免费的遥感数据资源常用遥感影像处理软件2023年3月21日遥感数字影像处理91.1.基本概念1.图形和影像图形（Graph）概念：图形是以点、线、面符号组成的规则或者不规则几何图形来表达客观事物或人类的空间思想。是人类表达对客观世界认知的最基本、最普遍的工具。计算机图形学（ComputerGraphics）：研究如何利用计算机生成、处理和显示图形的学科，是计算机科学的一个重要组成部分。类型：线划图：工程设计图、数学曲线图、地图明暗/着色图：艺术绘画影像，亦称图像（Image）影像是指包括照片、绘画、图表、示意图等多种形式图形和影像的总称，对应的英文单词包括：picture,photo,painting,figure，通称为image。影像依据其存储与表达的介质不同可分为模拟影像与数字影像（analog/digitalimage）。数字影像的基本组成单元是像素，或称像元（pixel）。一景影像通常就是由特定行、列数的像素组成的矩阵。2023年3月21日遥感数字影像处理1.1.基本概念影像处理/图像处理（imageprocessing）概念：用于改善影像视觉效果、提高影像信息表达能力，进而提取影像信息的各种方法、技术手段光学影像处理：利用光学、电子学方法和照相技术对影像进行处理，通过改变成像所需的曝光时间、曝光量等参数而制作出不同亮度、色彩特征的影像的处理方法数字影像处理：利用计算机对影像进行一系列的变换、压缩、恢复、增强、校正、模式识别等处理步骤，从而获得所需要信息的处理方法，2023年3月21日遥感数字影像处理1.1.基本概念遥感数字影像处理属于计算机影像处理与地理信息科学之间的交叉学科领域，需要根据遥感影像自身的特点和应用需求而发展一些独特的处理方法和手段遥感影像处理：影像校正、影像增强、傅立叶变换、小波变换、影像融合、多光谱变换遥感影像分析：特征提取与分析遥感影像分类与模式识别：目标识别、计算机视觉；土地利用/土地覆被制图1.2.数字影像处理应用概览2023年3月21日遥感数字影像处理医学应用医学成像药物试验数字影像处理应用概览工业方面：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公路路面破损识别金属疲劳检测：机翼、船体网裂龟裂数字影像处理应用概览公共安全交通道路、车辆监控静态图像视频图像车站、机场安全检查事故分析案件侦破指纹识别人脸鉴别、识别2023年3月21日遥感数字影像处理数字影像处理应用概览网络通讯图片传真，可视电话，视频点播Internet影像搜索引擎影视业、娱乐、公众服务数字电视动画制作，电子游戏遥感数字影像处理16数字影像处理应用概览宇宙探索2023年3月21日专业介绍18军事情报目标分类与识别TCR自动目标识别系统ATR用途精确制导武器防御海情监控1.3.遥感数据获取与存储模拟/数字式框幅式摄像机多光谱扫描仪推扫式线阵成像仪掸扫式线阵成像仪高光谱面阵成像仪数字框幅式面阵摄像机2023年3月21日遥感数字影像处理20遥感影像数字化：采样与量化采样（Sampling）：将空间上连续的（模拟）影像变换成为离散像元点的操作。决定遥感影像数据单元采样的位置和间距。采样控制参数：采样孔径：多光谱扫描仪光学扫描器成像孔径（IFOV），决定光通量采样间隔：空间间隔/时间间隔，像元大小/空间分辨率列数和行数（rowandpath）量化（Quantifications）：将采样单元内辐射亮度转换成整数灰度级的过程。决定遥感影像数据记录单元的灰阶数。量化值又通称为DN值（DigitalNumber）。若量化至0～255，0代表纯黑，255代表纯白，0～255之间的数值就代表介于纯黑和纯白的灰级。在计算机数据存储过程当中，每一灰阶可以记录为一个8位二进制数（或一个字节），以与计算机数据存储位数相对应。采样与量化2023年3月21日遥感数字影像处理22影像数据存储以数值矩阵的形式存储影像数据。这里，M为像元行数N为像元列数K表示波段编号L表示K波段影像的最大灰阶值，一般为28，29，210等ji影像数据存储存储格式基本二进制形式

BSQBILBIP行业标准影像格式BMPTIFF与GeoTIFFJPEGGIF数据压缩有损压缩与无损压缩游程长度编码（RLC）LZW编码变长编码2023年3月21日遥感数字影像处理24遥感影像记录格式影像数据记录组成矩阵的顺序记录形式，自左而右，自上而下每一数据记录单元为8~12bits二进制数多光谱影像数据的记录格式（磁带）BSQ（BandSeQuential，波段顺序记录）：按照波段顺序依次记录各波段的影像，影像数据按照波段依次分块存储。优点：便于各个波段数据记录的提取。缺点：不利于波段之间的数值运算BIL（BandInterleavedLine，行顺序波段交叉排列）：逐行按波段次序排列，影像数据以行为单位依次存储各个波段的数据，各存储单位内按照波段依次存储各个像元的灰度值。BIP（BandInterleavedbyPixel，像元顺序波段交叉排列）：每个像元按波段次序交叉排序，以像元为单位存储各个波段的数据。优点：便于波段之间的数值运算。缺点：不利于各个波段数据记录的提取。ENVI的数据格式1格式

BSQ2复合文件 一个文件中包括多个波段ENVI中有关的部分数据格式转换2023年3月21日遥感数字影像处理28通用影像数据格式BMP（BitMaPfile）：是Microsoft公司基于IBMPC系列计算机图形图像显示系统而定义的影像记录格式，在Windows环境下运行的所有影像处理软件都支持这种影像存储格式。BMP文件包括位图文件头（BitmapFileHeader），包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息位图信息头（BitmapInformationHeader），包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息彩色表（ColorTable）或称调色板，用于建立图像数值与颜色之间的对应关系，可选设置位图数据阵列（BitmapData），位图深度可选l

bit、4

bit、8

bit及24

bit。2023年3月21日遥感数字影像处理29通用影像数据格式TIFF（TaggedImageFileFormat）：是使用扫描仪输入影像的工业标准存储格式，可以支持从单色到24位真彩色的任何影像，提供了存储各种照片和艺术图在内的图像的完备手段。最初由Aldus公司与微软公司一起为PostScript打印输出而开发。TIFF文件由三个数据结构组成，分别为文件头，位于文件的开始部分，包含了正确解释TIFF文件的其他部分所需的必要信息。一个或多个称为IFD的包含标记指针的目录，是一个名为标记(tag)的用于区分一个或多个可变长度数据块的表，包含了有关图像的所有信息。IFD提供了一系列的指针（索引），这些指针告诉我们各种有关的数据字段在文件中的开始位置，并给出每个字段的数据类型及长度。TIFF的特点是可扩展性好移植方便，可以在IBMPC、AppleMacintosh，和UNIX环境中进行操作。可改性强，可以在不违反旧有格式的前提下支持新的影像类型；可以不影响老的应用程序读取影像数据的能力并支持新的信息域可设置数据访问密码，提供影像数据加密功能通用影像数据格式GeoTIFF（GeographicallyRegisteredTaggedImageFileFormat）：利用TIFF的可扩展性，在其基础上添加了一系列标志地理坐标的标签（tag），来描述成像特征、地理信息等。数据组织结构继承TIFF6.0标准。常用于遥感影像数据分发。例如，Landsat5TM、Landsat8，Quickbird，WorldView2/3数据2023年3月21日遥感数字影像处理2023年3月21日遥感数字影像处理31通用影像数据格式JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）：由ISO和CCITT两大标准组织共同推动的位图文件交换格式。JPEG定义了影像通用的压缩编码方法，采用DCT（离散余弦变换）、霍夫曼（Huffman）编码、算术编码等多种压缩编码技术，提供有限失真编码、无失真编码、分层编码等多种编码形式。JPEG2000：在JPEG基础上发展起来的标准，压缩和还原效率得到提高，同时可支持含地理坐标的遥感影像数据的存储。例如，SRTM数据。2023年3月21日遥感数字影像处理32通用影像数据格式GIF（GraphicsInterchangeFormat）：以数据块（Block）为单位来存储影像的相关信息。文件要素影像数据块数据子块控制信息块特点LZW压缩算法来压缩影像数据，允许用户为影像设置背景的透明属性。可在一个文件中存放多幅彩色影像，并播放动画。通用影像数据格式HDF（HierarchyDataFormat）由美国伊利诺伊大学国家超级计算应用中心（NCSA）研制开发的一种通用数据格式可综合管理二维、三维、矢量、属性、文本等多种信息。能够存储多种科学数据，包括影像、多维数组、指针及文本数据适于多种计算机平台易于扩展HDF文件组成：文件头（fileheader），一个描述块（datadescriptorblock），一个或多个数据对象（dataobject）若干HDF–DOS：1993年美国NASA在HDF标准的基础上开发，专门用于处理EOS数据产品HDF-DOS支持的数据产品形式包括：MODIS，Landsat7ETM+、ASTER、MODIS、MISR等数据中加入了元数据。2023年3月21日遥感数字影像处理33Landsat8数据产品影像数据存储空间的计算行数（M）×列数（N）×灰阶数（G）×波段数（B)1.4.网上免费的遥感数据资源2023年3月21日USGSGlobalVisualizationViewer:使用须知：使用InternetExplorer浏览器，并下载相应版本的Java控件注册个人账号安装大型文件下载工具软件（例如InternetDownloadManager）USGSEarthExplorerE中国卫星遥感数据2023年3月21日

中国高分辨率对地观测系统

甘肃数据与应用中心

2023年3月21日遥感数字影像处理GoogleEarth392023年3月21日1.5常用遥感影像处理软件ERDASImagineENVI/IDLERMapperPCIGeomaticaeCognitionIDRISIGRASS2023年3月21日ERDASImagineERDASImagine最早是由ERDAS公司（EarthResourcesDataAnalysisSystem,Inc.）开发的遥感影像处理系统，是目前遥感影像信息处理领域延续时间最长的知名品牌。近年前先后为Leica、Intergraph等公司所收购，成为其旗下的一个事业部拥有近半数的遥感用户市场（46%）。跨平台运行软件：UNIX、Windows2023年3月21日ERDASImagine核心模块IMAGINEEssentials：基本地图生产系统，提供了众多的工具生产以影像可视化与分析（增强、非监督分类、专题制图、三维景观显示等）、信息集成（影像与矢量的编辑、影像库管理、矢量数据查询检索等）和几何纠正为主的高质量专题地图制作，还拥有易于使用的应用界面扩展工具EML宏语言。IMAGINEAdvantage：在Essentials的基础上增加了易于使用而且是集成的环境，使用户能够通过影像镶嵌、DEM插值、高级影像解译（增强、滤波、高光谱图形处理、富立叶变换、融合）和对航空照片进行正射影像纠正来完成对影像数据的综合分析，同时支持GIS分析。IMAGINEProfessional：在Advantage基础上提供了快速影像检测与分类、多种监督分类方法所需的分类采样、特征选择、分类优化以及精度评价等完整的工具。特别功能包括无需编程就能扩展应用功能的图形空间数据建模工具、雷达影像基本分析工具和完整而专业易用的分类工具。一个用于地学分析的专家分类器，知识库系统，高光谱库和高光谱影像分析与信息提取的完整工具。2023年3月21日ERDASImagine扩展模块IMAGINEVector扩展矢量处理：ARC/INFOCoverage矢量数据无需转换，即可直接操作。IMAGINEVirtualGIS三维可视化分析：三维可视化、贯穿飞行，3D模型分析支持。IMAGINEVirtualExplorer（创建数字地球与网上三维空间信息共享）：新出现在９.0以来的版本当中，可将地球转换成为清晰且在地理空间上精确的、非并行的三维数字真实世界。TB级空间数据的无缝集成、融合。使用太空星球观察视角的浏览环境。用户可以用以创建自己的三维数字地球。IMAGINEAutoSync（影像智能配准模块）：在几乎无需选择控制点的情况下，利用灰度匹配和边缘配准的算法，完成多时相不同分辨率影像的配准、严丝合缝，提高效率，降低劳动强度，并提高精度。IMAGINE

Easytrace（智能矢量化模块）：自动或半自动地提取矢量数据，并赋属性值，可快速、高效、低强度地获取矢量数据IMAGINERadarMappingSystem（雷达影像处理功能模块）：包括雷达影像基本处理功能、正射纠正功能，StereoSARDEM和IFSARDEM。2023年3月21日ERDASIMAGINE附加模块IMAGINESubpixelClassifier：子像元分类器模块。IMAGINELPSCore（区域网正射纠正模块）：基于Windows的数字摄影测量系统，通过增加自动化和区域网来减少正射影像的时间和费用。其内置传感器模型提供了标准航摄相机、35mm和数码相机、摄像机、SPOT5和IRS-1C、IKONOS、Quickbird、OrbView、ASTER等处理模式。LPSATE+TE+Stereo：基于立体像对的DEM自动提取模块：是LPSCore的扩展，重点增加了数字地形模型DEM的自动提取功能，支持多种传感器模型StereoAnalyst（2D/3D要素提取模块）：微机版基于立体像对方法人工提取地形高程信息和三维要素，可从航片、摄像机、数码相机和35mm相机所摄影像上提取三维信息，并形成3Dshapefile。IMAGINECDevelopers’Toolkit：基于VC/C++函数库的ERDASIMAGINE二次开发、功能扩展模块。IMAGINEATCOR2&3：大气辐射校正和雾霁去除模块。IMAGINENITF：美国国家影像传输格式模块：影像与注及集成模块。NITF是美国国家影像传输标准格式。ERDASImagine2014的模块构成2023年3月21日遥感数字影像处理2023/3/21遥感数字影像处理46462023年3月21日ENVI/IDL软件开发商现为ExelisVisualInformationSolution,Inc。其前身为ITTVisualInformationSolutions公司、RSI公司（ResearchSystemsInc.）。2007年，ESRI公司与ITTVisualInformationsolutions公司宣布商务合作计划，使ArcGIS与ENVI在数据格式上完全互相支持和互操作。即ENVI完全支持Geodatabase，ArcGIS完全支持ENVI格式。ENVI/IDL的优势IDL（Interactive

Data

Language的缩写形式）是广泛应用于天文学、医学、遥感科学研究的二维、三维、多维数据分析和可视化表达、影像处理和应用开发的通用软件工具。作为面向矩阵、语法简单的第四代可视化语言,IDL致力于科学数据的可视化和分析，集成了VC、VB、JAVA、FORTRAN、MATLAB、OPEN

GL等语言的优势。ENVI是采用IDL开发的遥感影像处理软件，底层IDL支持ENVI遥感影像处理系统的二次开发。ENVI具有灵活、友好的界面，简单易学，便于操作。提供多源遥感数据格式支持，包括全色、多光谱、雷达、热红外、激光雷达等，超过80种数据格式，包括HDF、GeoTIFF和NITF等。GIS矢量数据输入、输出和分析一整套的高光谱