遙感圖像獲取與統(tǒng)計描述PPT課件

1、第二章 遙感圖像的獲取 與統(tǒng)計描述l 遙感圖像的獲取l 單波段圖像的統(tǒng)計特征l 多波段圖像的統(tǒng)計特征l 窗口、鄰域和卷積第1頁/共58頁一、遙感系統(tǒng) 遙感是遙感信息的獲取、傳輸、處理以及分析判斷和應(yīng)用的過程。2.1 遙感圖像的獲取遙感系統(tǒng)主要由以下四大部分組成： 信息源 信息獲取 信息處理 信息應(yīng)用 第2頁/共58頁1. 信息源 信息源是遙感需要對其進行探測的目標物。任何目標物都具有反射、吸收、透射及輻射電磁波的特性，當目標物與電磁波發(fā)生相互作用時會形成目標物的電磁波特性，這就為遙感探測提供了獲取信息的依據(jù)。 第3頁/共58頁2. 信息獲取 信息獲取是指運用遙感技術(shù)裝備接受、記錄目標物電磁波特

2、性的探測過程。 信息獲取所采用的遙感技術(shù)裝備主要包括遙感平臺和傳感器。l 遙感平臺是用來搭載傳感器的運載工具，常用的有氣球、飛機和人造衛(wèi)星等;l 傳感器是用來探測目標物電磁波特性的儀器設(shè)備，常用的有照相機、掃描儀和成像雷達等。 第4頁/共58頁第5頁/共58頁3. 信息處理 指運用光學儀器和計算機設(shè)備對所獲取的遙感信息進行校正、分析和解譯處理的技術(shù)過程。 通過對遙感信息的校正、分析和解譯處理，掌握或清除遙感原始信息的誤差，梳理、歸納出被探測目標物的影像特征，然后依據(jù)特征從遙感信息中識別并提取所需的有用信息。 第6頁/共58頁4. 信息應(yīng)用 專業(yè)人員按不同的目的將遙感信息應(yīng)用于各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的使用過

3、程。 遙感的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，最主要的應(yīng)用有: 軍事、地質(zhì)礦產(chǎn)勘探、自然資源調(diào)查、地圖測繪、環(huán)境監(jiān)測以及城市建設(shè)和管理等。第7頁/共58頁遙感系統(tǒng)示意圖接收預(yù)處理用戶應(yīng)用處理分析結(jié)果、圖表輸出第8頁/共58頁1. 傳感器的組成收集器：收集來自地物目標輻射的電磁波能 量，如透鏡組、天線。探測器：將收集的輻射能轉(zhuǎn)變成化學能或電 能，如感光膠片、光電管等。處理器：將探測后的化學能或電能等信號進 行處理。輸出： 將獲取的數(shù)據(jù)輸出。二、傳感器收集、探測、記錄電磁波輻射能量的裝置。第9頁/共58頁2.傳感器的分類 a. 按工作方式 被動遙感:不利用人工輻射源，而是直接接收與記錄目標物反射的太陽輻射或者目標

4、物本身發(fā)射的熱輻射和微波 主動遙感：也稱有源遙感，即遙感系統(tǒng)本身帶有輻射源。利用人工輻射源從平臺上先向目上標發(fā)射電磁輻射，然后接收和記錄目標物反射或散射回來的電磁波第10頁/共58頁b. 按數(shù)據(jù)的記錄方式 非成像傳感器：記錄目標物發(fā)射或反射的電磁輻射的各種物理參數(shù)，最后資料為數(shù)據(jù)或曲線圖。如激光測距儀、微波輻射計等 成像傳感器：將接收的目標電磁輻射信號轉(zhuǎn)換成圖像，是目前最常見的傳感器類型。第11頁/共58頁c.按成像原理l 攝影成像 攝影方式的傳感器主要是攝影機。l 掃描成像 掃描成像的傳感器逐點逐行的收集信息。按掃描方式又可分為：目標面掃描傳感器和影像面掃描傳感器。第12頁/共58頁1）目標

5、面掃描傳感器 包括光學-機械掃描儀、成像雷達等，其收集系統(tǒng)直接對目標面（一般是地面）掃描，一點一行順序收集目標面上各單位的信息，拼接一幅圖像。光學-機械掃描第13頁/共58頁雷達成像是由發(fā)射機向側(cè)面發(fā)射一束窄脈沖，地物反射的微波脈沖（又稱回波），由無線收集后被接收機接收。成像雷達第14頁/共58頁2）影像面掃描傳感器 包括電視攝像機和固體掃描儀等。 這類傳感器的收集系統(tǒng)不直接對地面掃描，而是先用光學系統(tǒng)將目標的輻射信息在靶面上聚集形成一幅影像，然后利用攝像管中的電子束對靶面掃描收集數(shù)，或依靠CCD組成的陣列進行電子掃描來獲取數(shù)據(jù)。第15頁/共58頁l空間分辨率 遙感圖像上能夠詳細區(qū)分的最小單元

6、的尺寸或大小。通常用像素大小、解像力或視場角、地面分辨率來表示。像素：空間分辨率越高，像素越小。解像力：用單位距離內(nèi)能分辨的線寬或間隔相等的平行線的條線來表示，單位為線/毫米或線對/毫米3.傳感器的分辨率傳感器的分辨率指傳感器區(qū)分自然特征相似或光譜特征相似的相鄰地物的能力。第16頁/共58頁l 光譜分辨率傳感器在接收目標輻射的光譜時能分辨的最小波長間隔。波長間隔越窄，光譜分辨率越高；波段數(shù)越多，光譜分辨率越高瞬時視場角（IFOV）：又稱為傳感器的角分辨率，它和遙感平臺高度共同決定了地面的分辨單元，即地面分辨率：像素所代表的地面實際尺寸的大小。IFOVHPtan2第17頁/共58頁第18頁/共5

7、8頁l 輻射分辨率指傳感器區(qū)分反射或發(fā)射的電磁波輻射強度差異的能力。在遙感圖像中，圖像的量化位數(shù)可以看作是輻射分辨率的近似表述。第19頁/共58頁l時間分辨率對同一地點進行遙感采樣的時間間隔，即采樣的時間頻率，也稱重訪周期。時間分辨率對于動態(tài)監(jiān)測與預(yù)報尤為重要。應(yīng)根據(jù)不同的目的，選擇不同的時間分辨率。 第20頁/共58頁用數(shù)學方式表示圖像的基本方法有兩類：l 確定的表示法：寫出圖像函數(shù)表達式 對于數(shù)字圖像，則表示成矩陣或向量l 統(tǒng)計的表示法：用一種平均特征來表示圖像一、遙感圖像的數(shù)字表示2.2 單波段圖像的統(tǒng)計特征第21頁/共58頁 在圖像處理中，普遍將圖像的灰度級看作隨機變量。l 用密度函數(shù)

8、或分布函數(shù)來表示l 用統(tǒng)計特征參數(shù)來表示，如期望、方差、協(xié)方差等。圖像的統(tǒng)計性表示第22頁/共58頁二、單波段圖像的統(tǒng)計特征大小jif,設(shè)數(shù)字圖像1, 2 , 1 , 0, 1, 1 , 0NjMiNMl 基本統(tǒng)計特征l 直方圖第23頁/共58頁1. 反映像素值平均信息的統(tǒng)計參數(shù)均值-像素值的算術(shù)平均值。 反映圖像中地物的平均反射強度一、基本統(tǒng)計特征1010,1MiNjjifNMf第24頁/共58頁中值-圖像所有灰度級中處于中間的值。 當圖像的灰度級為偶數(shù)時，則取中 間兩灰度級的平均值。眾數(shù)-圖像中出現(xiàn)次數(shù)最多的灰度級。 反映了圖像中分布較廣的地物的反 射能量第25頁/共58頁2. 反映像素值

9、變化信息的統(tǒng)計參數(shù)方差-像素值與平均值差異的平方和， 反映像素值的離散程度。101022,1MiNjfjifNM方差是衡量圖像信息量大小的重要度量。第26頁/共58頁變差-像素最大值與最小值的差。反映圖 像灰度值的變化程度反差-又稱為對比度，反映圖像的顯示效 果和可分辨率，表示方法多種。 如最大值/最小值，最大值-最小值，方差等 第27頁/共58頁兩幅圖像的反差第28頁/共58頁第29頁/共58頁1. 定義 灰度直方圖（histogram）是灰度級的函數(shù)，描述的是圖像中每種灰度級像素頻率或個數(shù)。橫坐標是灰度級，縱坐標是每一灰度級具有的像元素或灰度級出現(xiàn)的頻率。二、直方圖第30頁/共58頁數(shù)字影

10、像最小值最大值直方圖直方圖的繪制第31頁/共58頁 對于數(shù)字圖像而言，實際就是圖像灰度值概率密度函數(shù)的離散化圖形。第32頁/共58頁灰度圖像的直方圖第33頁/共58頁彩色圖像的分波段直方圖第34頁/共58頁2. 性質(zhì)p 只能反映圖像的灰度分布規(guī)律，而不能反映 圖像像素的位置,即丟失了像素的位置信息p 任何一幅特定的圖像都有唯一的直方圖與之 對應(yīng)，但不同圖像可以有相同的直方圖。不同圖像具有相同的直方圖第35頁/共58頁p直方圖的可相加性：如果一幅圖像由若干個不相交的區(qū)域構(gòu)成，則整幅圖像的直方圖是這若干個區(qū)域直方圖之和。p如果將圖像看作具有正態(tài)分布的隨機向量，則圖像直方圖的形態(tài)與數(shù)學上的正態(tài)分布的

11、曲線形態(tài)類似。第36頁/共58頁3.應(yīng)用 用于判斷圖像量化是否恰當?shù)?7頁/共58頁 用于確定圖像二值化的閾值第38頁/共58頁第39頁/共58頁 一般來說，一幅包含大量像元的影像，其像元亮度值應(yīng)符合統(tǒng)計分布規(guī)律，即假定像元亮度隨機分布時，直方圖應(yīng)是正態(tài)分布的。 實際工作中，若影像的直方圖接近正態(tài)分布，則說明影像中像元的亮度接近隨機分布，是一幅適合用統(tǒng)計方法分析的影像。當觀察直方圖形態(tài)時，發(fā)現(xiàn)直方圖的峰值偏向亮度坐標軸左側(cè)，則說明影像偏暗。峰值偏向坐標軸右側(cè)，則說明影像偏亮，峰值提升過陡、過窄，說明影像的高密度值過于集中，以上情況均是影像對比度較小，影像質(zhì)量較差的反映。 根據(jù)直方圖形態(tài)可以大致

12、推斷圖像質(zhì)量第40頁/共58頁從直方圖形態(tài)判斷影像質(zhì)量第41頁/共58頁曝光過度第42頁/共58頁反差過于強烈，損失細節(jié)第43頁/共58頁局部曝光溢出第44頁/共58頁4. 累積直方圖p 以橫軸表示灰度級，縱軸表示每一個灰度級及其以下灰度級所具有的像素數(shù)或此像素占總像素的比值，做出的直方圖。p 累積直方圖可以看作是累積離散概率分布I（i)是概率密度分布1, 1 , 0)(0LinniIijj第45頁/共58頁5. 基于直方圖的統(tǒng)計參數(shù) 令Z代表灰度級的隨機變量，H（zi)為對應(yīng)的直方圖，取值區(qū)間為0，1。 定義Z均值的第N階矩： iLininzHmzz10 iLiizHzm10m為z的均值第4

13、6頁/共58頁 iLiizHmzzz10222 zR2111在使用該指標前，應(yīng)將方差歸化到0，1區(qū)間可以用來表示灰度級的對比度，可以作為紋理描述的指標。利用二階矩可進一步定義平滑度指標R第47頁/共58頁 iLiizHmzz1033 iLiizHmzz1044 表示直方圖的偏斜度，反映圖像直方圖分布形狀偏離平均值周圍對稱形狀的程度 正態(tài)分布的偏斜度為零。l 三階矩 表示直方圖的峰度，峰度也是反映隨機變量分布形狀的量。 正態(tài)分布的峰度為零第48頁/共58頁 2izHU iLiizHzHe210log熵反映了圖像信息豐富程度。一幅灰度級均勻分布的圖像，其灰度范圍在0,255，計算該圖像的熵。 第4

14、9頁/共58頁 多波段圖像間的統(tǒng)計特征反映的是波段之間的關(guān)系，它是圖像分析的重要參數(shù)，也是圖像合成方案的主要依據(jù)。 利用圖像或波段間的相關(guān)性，可以實現(xiàn)對圖像的壓縮處理，或?qū)D像信息進行復(fù)原。2.3 多波段圖像的統(tǒng)計特征第50頁/共58頁12211pikijkjkijppikijkjkkxxxxrxxxxPkjjkiikijxxxx12 協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)是兩個基本的統(tǒng)計量， 其值越高，兩個波段圖像間的相關(guān)性越強。第51頁/共58頁一、窗口 對于圖像中的任意一個像素，以其為中心，按上下左右對稱所設(shè)置的像素范圍，稱為窗口。2.4 窗口、鄰域和卷積 窗口多為矩形，行列數(shù)多為奇數(shù)，且按行數(shù)列數(shù)方式命名，如33窗口第52頁/共58頁中心像素周圍的行列稱為該像素的鄰域