《遥感数字图像处理》教案.docx
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《遥感数字图像处理》教案
遥感数字图像处理
教
案
主讲：
（讲师）
授课学期：
地理信息系统教研室
第1讲
课题：
遥感数字图像处理概述
目的要求：
了解数字图像处理的概念、遥感数字图像处理系统的构成、数字图像处理的应用
教学重点：
遥感数字图像处理的应用
教学难点：
遥感数字图像处理系统的构成
教学课时：
2课时
教学方法：
授课为主、鼓励课堂交流
本次课涉及的学术前沿：
数字图像处理的发展方向
第1章概论
1.1图像和遥感数字图像
1.1.1图像和数字图像
图像是对客观存在的物体的一种相似性的、生动的写真或描述。
图像的类别：
可见图像和不可见图像（根据人眼的视觉可视性）
图像的类别：
模拟图像和数字图像（根据图像的明暗程度和空间坐标的连续性）
1）模拟图像
模拟图像可用连续函数来描述。
其特点：
光照位置和光照强度均为连续变化的。
2）数字图像
可用矩阵或数组来描述
像素或像元的属性：
具有特定的空间位置和灰度。
1.1.2遥感数字图像
遥感数字图像是数字形式的遥感图像。
不同的地物能够反射或辐射不同波长的电磁波，利用这种特性遥感系统可以产生不同的遥感数字图像。
1.2遥感数字图像处理
图像处理、模拟图像处理、数字图像处理
1.2.1遥感数字图像处理的内容
它是研究图像的获取、传输、存储，变换、显示、理解与综合利用的一门崭新学科。
根据抽象程度不同可分为三个层次：
狭义图像处理、图像分析和图像理解。
具体而言，遥感数字图像处理的内容包括：
图像的数字化
如何由一幅模拟图像获取一幅满足需求的数字图像，使图像便于计算机处理、分析。
图像变换
图像变换目的在于：
处理问题简化、有利于特征提取、加强对图像信息的理解。
图像变换算法很多，重点学习傅立叶变换的算法、性质和应用。
图像增强
介绍各种增强方法及其应用。
增强图像的有用信息，消弱噪声的干扰。
图像的恢复与重建
把退化、模糊了的图像复原.包括图像辐射校正和几何校正等内容。
图像编码
简化图像的表示，压缩图像的数据，便于存储和传输。
图像分割
图像分割是指将一幅图像划分为互不重叠的区域的处理。
重点介绍图像分割的方法及其应用。
二值图像处理与形状分析
介绍二值图像的几何概念、二值图像连接成分的各种变形算法和二值图像特征提取与分析的各种方法。
纹理分析
主要介绍影像纹理的概念、特征提取与分析的一些方法与应用。
图像识别
对图像中的不同对象进行分类、描述和解译。
1.2.2遥感数字图像处理系统概述
遥感数字图像处理系统由硬件和软件组成。
具体分为以下几个模块：
采集、显示、存储、通信、主机、图像处理软件
1.3数字图像处理的发展和两个观点
最早应用于报纸业（20世纪20年代）
20世纪60年代美国利用计算机技术改善了空间探测器发回的图像效果
20世纪60年代末70年代初，图像处理技术开始应用于医学影像、地球遥感监测和天文学等领域。
20世纪90年代遥感数字图像处理得到了迅速普及和发展
数字图像处理的两种观点：
（1）离散方法
在空间域内进行处理，以图像平面本身作为参考，直接对图像中的像素进行处理，其算法易于实现。
（2）连续方法
在频率域内进行处理，即对傅里叶变换后产生的反映频率信息的图像进行处理，完成频率域图像处理后往往要变换至空间域进行图像的显示和对比。
1.4基础理论和基本知识要求
遥感数字图像处理是多学科相互渗透的产物，它与模式识别、计算机图形学、计算机视觉等学科既相互联系又相互区别。
1.5数字图像处理的特点及其应用
1.5.1数字图像处理的特点
精度高
对于一幅图像而言，数字化时不管是用4比特、8比特还是其它比特表示，只需改变计算机中程序的参数，处理方法不变。
所以从原理上讲不管对多高精度的数字图像进行处理都是可能的。
而在模拟图像处理中，要想使精度提高一个数量级，就必须对装置进行大幅度改进。
再现性好
不管是什么数字图像，均用数组或数组集合表示。
在传送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。
而在模拟图像处理过程中，就会因为各种干扰因素而无法保持图像的再现性。
通用性、灵活性强
对可见图像和不可见光图像（如X光图像、热红外图像和超声波图像等），尽管这些图像生成体系中的设备规模和精度各不相同，但当把这些图像数字化后，对于计算机来说，都可同样进行处理，这就是数字处理图像的通用性。
另外，改变处理图像的计算机程序，可对图像进行各种各样的处理，如上下滚动、漫游、拼接、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运算等，所以灵活性很高。
1.5.2数字图像处理的应用
数字处理图像在生物医学、遥感、工业、军事、通信、公安等领域有着广泛的应用。
作业：
1、什么是图像？
什么是数字图像？
2、遥感数字图像处理系统的主要构成有哪些？
3、试论述信息理论、计算机技术和地理信息系统与遥感数字图像处理之间的关系？
教学总结：
本次课程旨在让学生了解数字图像处理的概念、遥感数字图像处理系统的构成、数字图像处理的应用。
第2讲
课题：
遥感数字图像的获取和存储
目的要求：
了解遥感图像的获取过程、遥感的应用及其发展趋势、遥感的物理基础
教学重点：
遥感图像的获取过程
教学难点：
遥感的物理基础
教学课时：
2课时
教学方法：
授课为主、鼓励课堂交流
本次课涉及的学术前沿：
遥感技术的发展方向
一什么是遥感（REMOTESENSING）
遥感即遥远感知，是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术
1．遥感系统：
是一个从地面到空中乃至整个空间，从信息收集、存储、传输、处理到分析、判读、应用的技术体系，主要包括遥感试验、信息获取（传感器、遥感平台）、信息传输、信息处理、信息应用等5个部分。
２．遥感的过程
二、遥感的发展
1、发展过程
1962年密执安大学第一届遥感讨论会
1971年第一届国际遥感讨论会
1972年ERTS-1（Landsat-1）发射成功
20世纪80年代第二代遥感卫星上天
Landsat-4/5
SPOT1
20世纪90年代至今第三代
Landsat-7
SPOT2-5
RadarSat
CBERS
IRS-1B/C/DIRS-P
2、20世纪60年代遥感技术迅速发展的原因
（1）传感器的发展
（2）空间技术的发展
（3）计算机技术的发展
（4）数学、物理及专业理论的发展
3、遥感技术的主要发展趋势
遥感技术从上世纪60年代提出至今，经历了40年的发展后，已成为一门集空间科学技术、通信技术、计算机技术等技术以及跨地球科学、电子科学、物理学等学科的新兴科学与技术。
（1）概念的发展
（2）平台与观测技术的发展
（3）定位技术的发展（where）
（4）处理技术的发展
（5）遥感应用领域的拓展
（6）遥感基础理论的发展
三、遥感的应用
测绘:
快速成图、地图修测、困难地区测图
农业:
作物长势监测（病虫害）、估产
林业:
森林火灾、森林调查、管理、森林病虫害
水:
水灾、水资源、水土流失
思考题:
1:
什么是遥感及主动遥感?
什么是遥感系统?
论述题：
2:
遥感的发展趋势.
四、电磁波
变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。
γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。
电磁波是一种横波
五、电磁波谱
按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱
γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波
高能量低
六、物体的发射辐射
（一）黑体辐射
（二）一般物体的发射辐射
七、地物的反射辐射
（一）地物的反射类别（三种形式）
1:
镜面反射
2:
漫反射
3:
方向反射
（二）光谱反射率以及地物的反射光谱特性
（三）影响地物光谱反射率变化的因素
太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物本身的变异、大气状况等
八、地物波谱特性的测定
（一）地物波谱特性：
指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）
（二）测定原理:
用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。
（三）测定地物反射波谱特性的仪器分为:
分光光度计、光谱仪、摄谱仪等
（四）测量的步骤
九、大气对辐射的影响
大气对太阳辐射的吸收、散射及反射作用
1大气吸收
2大气散射
3大气窗口：
通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利的电磁辐射波段通常称为“大气窗口”.
作业：
1、名词解释：
模拟图像、遥感、主动遥感、遥感系统、
2、大气对辐射的影响？
3、大气对遥感有何影响?
何为大气窗口?
教学总结：
本次课主要讲解遥感数字图像的获取，重点让学生理解遥感的一般过程及了解遥感的物理基础知识，其次让学生理解大气对遥感数据获取的影响。
第3讲
课题：
遥感平台及运行特点
目的要求：
了解遥感平台的种类、各类卫星轨道及运行特点
教学重点：
陆地卫星及其轨道特征
教学难点：
各类卫星轨道及运行特点
教学课时：
2课时
教学方法：
授课为主、鼓励课堂交流
本次课涉及的学术前沿：
遥感平台的最新发展
一、遥感平台的种类
遥感平台:
遥感中搭载遥感器的工具
1、地面平台
2、航空平台
3、航天平台
二、卫星轨道及运行特点
（一）轨道参数
1升交点赤经Ω
2近地点角距ω
3轨道倾角
4卫星轨道的长半轴a
5卫星轨道的偏心率（或称扁率）e=c/a
6卫星过近地点时刻T
（二）卫星坐标的测定和解算
1星历表法解算卫星坐标
2用全球定位系统（GPS）测定卫星坐标
（三）卫星姿态角
滚动------绕x轴旋转的姿态角
俯仰------绕y轴旋转的姿态角
航偏------绕z轴旋转的姿态角
1红外姿态测量仪测定姿态角的方法
2恒星摄影机测定姿态角的方法
3使用GPS的方法也能测定姿态
将三台GPS接收机装在摄影机组上，同时接收四颗以上GPS卫星的信号，反算出每台接收机上的三维坐标，进而解算出摄影机的三个姿态角。
为了提高解算精度，GPS接收机之间要有一定距离要求。
4陀螺仪测定姿态
一台这样的仪器只能测定一个姿态角
（四）其它一些常用参数
1、卫星速度
2、卫星运行周期T
3、卫星高度H
4、同一天相邻轨道间在赤道处的距离
5、每天卫星绕地圈数
6、重复周期
三、陆地卫星及轨道特征
按综合分类为:
陆地卫星（Landsat）
高分辨卫星
高光谱卫星
合成孔径雷达
1、卫星轨道及其运行特点（landsat1-3）
（1）近圆形轨道
实际轨道高度变化在905—918km之间，偏心率为0.0006。
因此为近圆形轨道。
目的：
A是使在不同地区获取的图像比例尺一致。
B近圆形轨道使得卫星的速度也近于匀速。
便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。
（2）近极地轨道
轨道倾角设计为99.125°，因此是近极地轨道
目的:
可以观测到南北纬81°之间的广大地区
（3）与太阳同步轨道
卫星轨道与太阳同步，是指卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角，不随地球绕太阳公转而改变。
目的：
A使卫星以同一地方时通过地面上空
B有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测
C使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度
（4）可重复轨道
目的：
轨道的重复性有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测
一天24小时绕地13.944圈,重复周期18天,偏移系数-1
2、高分辨率陆地卫星
特点－－－地面分辨率高，全色波段分辨率≤5m
3、高光谱类卫星
特点－－－采用高分辨率成像光谱仪
－－－波段数为36—256个
－－－光谱分辨率为5—10nm
－－－地面分辨率为30—1000m
目前这类卫星只有军方发射的，民用高光谱类卫星还没有，这类卫星主要用于大气、海洋和陆地探测。
4、SAR（合成孔径雷达）类卫星
（1）Radarsat系列卫星
（2）ERS系列
（3）日本JERS-1卫星
5、小卫星
（1）重量轻、体积小
（2）研制同期短，成本低
（3）发射灵活，启用速度快，抗毁性强
（4）技术性能高
作业:
1、名词解释:
光谱分辨率、时间分辨率、空间分辨率
2、什么是元数据？
遥感图像中元数据的参数有哪些？
教学总结：
本次课程主要是要引导学生了解遥感平台的种类、各类卫星轨道及运行特点，其中各类卫星轨道及其运行特点是重点需要掌握的内容，在重点内容中陆地卫星（Landsat）及其轨道特征是重中之重。
第4讲
课题：
1.图像数字化概念、数字化参数对图像质量的影响、数字化器性能
评价。
2.图像灰度直方图的基本概念、计算、性质及其应用。
3.数字图像处理算法形式与数据结构。
4.图像图像文件格式与特征。
目的要求：
1.熟悉本章基本概念和图像处理算法形式，了解图像的特征；2.重点掌握图像数字化图像灰度直方图的基本概念及应用、图像数据结构与特征。
重点：
图像数字化、图像灰度直方图和图像文件BMP格式
难点：
图像数字化、直方图应用、图像分层结构数据
教学课时：
2课时
教学方法：
授课为主、鼓励课堂交流
本次课涉及的学术前沿：
数字图像处理的原理及方法
1成象模型
3-D客观场景到2-D成像平面的中心投影。
物方点空间坐标与对应的像方点坐标满足几何透视变换关系（共线条件）。
f（x，y）---理想成像面坐标点（x，y）的亮度
i（x，y）---照度分量
r（x，y）---反射分量，则
f（x，y）＝i（x，y）×r（x，y）
其中：
02图像数字化
图像数字化是将一幅画面转化成计算机能处理的形式——数字图像的过程。
具体来说，就是把一幅图画分割成如图2.3.1所示的一个个小区域（像元或像素），并将各小区域灰度用整数来表示，形成一幅点阵式的数字图像。
它包括采样和量化两个过程。
像素的位置和灰度就是像素的属性。
2.1采样
将空间上连续的图像变换成离散点的操作称为采样。
采样间隔和采样孔径的大小是两个很重要的参数。
2.2量化
经采样图像被分割成空间上离散的像素，但其灰度是连续的，还不能用计算机进行处理。
将像素灰度转换成离散的整数值的过程叫量化。
数字图像根据灰度级数的差异可分为：
黑白图像、灰度图像和彩色图像。
2.3量化参数与数字化图像间的关系
数字化方式可分为均匀采样、量化和非均匀采样、量化。
所谓“均匀”，指的是采样、量化为等间隔方式。
图像数字化一般采用均匀采样和均匀量化方式。
图像的质量：
（1）平均亮度
（2）对比度
是指一幅图象中灰度反差的大小。
（3）清晰度
由图像边缘灰度变化的速度来描述。
（4）分解力或分辨率
2.4数字化器
数字化器必须能够将图像划分为若干像素并分别给它们地址，能够度量每一像素的灰度并量化为整数，能够将这些整数写入存储设备。
（1）数字化器组成
（2）扫描仪工作原理
扫描仪的类型有很多种，按扫描仪所扫描对象来划分，可分为反射式和透射式两种。
根据其组成结构，扫描仪可分为手持式、平板式和滚筒式等几种。
3图像灰度直方图
3.1概念
灰度直方图反映的是一幅图像中各灰度级像素出现的频率。
以灰度级为横坐标，纵坐标为灰度级的频率，绘制频率同灰度级的关系图就是灰度直方图。
它是图像的一个重要特征，反映了图像灰度分布的情况。
频率的计算式为：
3.2直方图的性质
①灰度直方图只能反映图像的灰度分布情况，而不能反映图像像素的位置,即丢失了像素的位置信息。
②一幅图像对应唯一的灰度直方图，反之不成立。
不同的图像可对应相同的直方图。
③一幅图像分成多个区域，多个区域的直方图之和即为原图像的直方图。
3.3直方图的应用
①用于判断图像量化是否恰当
②用于确定图像二值化的阈值
③当影像上目标的灰度值比其它部分灰度值大或者灰度区间已知时，可利用直方图统计图像中物体的面积。
④计算图像信息量H（熵）
4图像处理算法的形式
4.1图像处理基本功能的形式
按图像处理的输出形式，图像处理的基本功能可分为三种形式。
1）单幅图像→单幅图像
2）多幅图像→单幅图像
3）单（或多）幅图像→数字或符号等
4.2图像处理的几种具体算法
（1）局部处理
（2）迭代处理
（3）跟踪处理
（4）位置不变处理和位置可变处理
（5）窗口处理和模板处理
5图像的数据结构与特征
5.1图像的数据结构
（1）组合方式
组合方式是一个字长存放多个像素灰度值的方式。
它能起到节省内存的作用，但导致计算量增加，使处理程序复杂。
（2）比特面方式
按比特位存取像素，即将所有像素的相同比特位用一个二维数组表示，形成比特面。
n个比特位的灰度图像采用比特面方式存取就有n个比特面。
这种结构能充分利用内存空间，便于比特面之间的逻辑运算，但对灰度图像处理耗时多。
（3）分层结构
由原始图像开始依次构成像素数愈来愈少的一幅幅图像，就能使数据表示具有分层性，其代表有锥形（金字塔）结构。
（4）树结构
对于如图所示的一幅二值图像的行、列接连不断地二等分，如果图像被分割部分中的全体像素都变成具有相同的特征时，这一部分则不再分割。
（5）多重图像数据存储
以多谱图像为例，有下列三种存储方式：
①逐波段存储，分波段处理时采用；
②逐行存储，行扫描记录设备采用；
③逐像素存储，用于分类。
5.2图像文件格式
（1）RAW格式
（2）BMP格式
6图像的特征
（1）图像的特征
1）自然特征：
①光谱特征；②几何特征；③时相特征
2）人工特征：
①直方图特征；②灰度边缘特征；③线、角点、纹理特征
按提取特征的范围大小又可分为：
①点特征；②局部特征；③区域特征；④整体特征
（2）特征提取
获取图像特征信息的操作称作特征提取。
它作为模式识别、图像理解或信息量压缩的基础是很重要的。
通过特征提取，可以获得特征构成的图像（称作特征图像）和特征参数。
（3）特征空间
把从图像提取的m个特征量y1，y2，…，ym，用m维的向量Y＝[y1y2…ym]t表示称为特征向量。
另外，对应于各特征量的m维空间叫做特征空间。
作业:
1、图像数字化概念、数字化参数对图像质量的影响？
2、图像灰度直方图的概念、如何计算、性质及其应用。
教学总结：
本次课程的内容主要包括图像数字化概念、数字化参数对图像质量的影响、 数字化器性能评价；图像灰度直方图的基本概念、计算、性质及其应用；数字图像处理算法形式与数据结构；图像图像文件格式与特征。
其中重点要知道学生掌握图像数字化、图像灰度直方图和图像文件BMP格式。
第5讲
课题：
遥感图像的辐射处理
（1）
目的要求：
1.了解辐射传输过程；2.了解产生辐射误差的原因；3.了解辐射校正的原理
重点：
辐射校正的过程
难点：
辐射误差的来源
教学课时：
2课时
教学方法：
授课为主、鼓励课堂交流
本次课涉及的学术前沿：
图像的增强处理
1、遥感图像的辐射校正
概念：
辐射校正是指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。
遥感图像的辐射误差主要包括：
-----传感器本身的性能引起的辐射误差；
-----地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差；
-----大气的散射和吸收引起的辐射误差。
（1）传感器定标：
所谓传感器定标就是指建立传感器每个探测元所输出信号的数值量化值与该探测器对应象元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系
绝对定标是研究把传感器输出的数字值或遥感图像高精度地转换为物理量的技术。
1）传感器实验室定标
2）遥感器星上内定标
3）遥感器场地外定标
相对定标是为了校正传感器各个探测元件响应度差异而对卫星传感器测量到的原始数字计数值进行归一化的一种处理过程
1）直方图均衡化TM
2）均匀场景图像法SPOT
（2）太阳高度角和地形影响引起的辐射误差校正
太阳高度角和地形影响引起的辐射误差,在多光谱图像上可以通过两个波段的比值基本消除其影响。
（3）大气校正
1）基于地面场地数据或辅助数据进行辐射校正
2）大气模型
3）利用波段特性来校正
A:
回归分析法
B:
直方图法
2遥感图像辐射增强
遥感图像增强是为特定目的，突出遥感图像中的某些信息，削弱或除去某些不需要的信息，使图像更易判读。
图像增强的实质是增强感兴趣目标和周围背景图像间的反差。
它不能增加原始图像的信息，有时反而会损失一些信息。
它也是计算机自动分类一种预处理方法。
（1）直方图变换
（2）灰度变换
1）直方图均衡
2）直方图正态化
3）直方图匹配
4）亮度反转处理
5）线性变换
（3）彩色变换
1）彩色合成（多波段色彩变换）
2）伪彩色增强技术（单波段彩色变换）
3）IHS变换
I明度：
是人眼对光源或物体明亮程度的感觉。
物体反射率越高，明度就越高。
H色调：
是色彩彼此相互区分的特性。
S饱和度：
是色彩纯洁的程度，即光谱中波长段是否窄，频率是否单一的表示。
作业:
1、名词解释：
辐射校正、辐射误差、辐射畸变
2、试简述对单波段图像进行直方图均衡化的具体步骤。
3、伪彩色增强与假彩色增强有何异同点？
教学总结：
本次课程旨在让学生了解辐射传输过程、产生辐射误差的原因以及辐射校正的原理，重点让学生掌握遥感辐射校正的过程和过程中的处理方法。
第6讲
课题：
遥感图像的辐射处理
（2）
目的要求：
1.了解辐射传输过程；2.了解产生辐射误差的原因；3.了解辐射校正的原理
重点：
图像的平滑和锐化
难点：
图像融合
教学课时：
2课时
教学方法：
授课为主、鼓励课堂交流
本次课涉及的学术前沿：
图像的增强处理
1图像平滑
（1）平滑--图像中出现某些亮度值过大的区域，或出现不该有的亮点时，采用平滑方法可以减小变化，使亮度平缓或去掉不必要的亮点。
均值平滑：
将每个像元在以其为中心的区域内，取平均值来代替该像元值，以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目的。
中值滤波：
将每个像元在以其为中心的邻域内，取中间亮度值来代替该像元值，以达到去掉尖锐“噪声”和平滑图像的目的。
在消除噪音的同时，还能防止边缘模糊
空间滤波：
以突出图像上的某些特征为目的，通过像元与周围相邻像元的关系，采取空间域中的邻域处理方法进行图像增强方法。
图像卷积运算：
在图像的左上角开一个与模板同样大小的活动窗口，图像窗口与模板像元的亮度值相乘再相加，得到新像元的灰度值。
2图像锐化
锐化—突出图像的边缘、线性目标或某些亮度变化率大的部分。
罗伯特梯度：
找到了梯度较大的位置，也就找到了边缘，用不同的梯度值代替边缘处像元的值，也就突出了边缘。
（1）索伯尔梯度
（2）拉普拉斯算法
（3）定向检测
3多光谱图像四则运算
（1）减法运算
Bm
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