专题四：RS理论与应用研究

遥感理论与应用研究

一、遥感数字图像处理技术的发展

（一）遥感数字图像处理技术的简介

遥感图像处理是对遥感图像进行辐射校正和几何纠正、图像整饰、投影

变换、镶嵌、特征提取、分类以及各种专题处理的方法。常用的遥感图像处理方法有光学的和数字的两种。

（二）遥感数字图像处理技术的发展

遥感数字图像处理技术是20世纪70年代蓬勃发展起来的高兴技术，它的发展与遥感技术、计算机技术、GIS技术的发展密不可分。它经历了如下三个发展阶段：

1、发展时期

（1）20世纪60-70年代，遥感技术飞跃发展，人造地球卫星相继发射，开创航天遥感历史。传感器：普通摄影机-电视摄影-扫描仪；信息传输方法：回收感光胶片-无线电传输；图像处理方法：光学/光电/光化学处理-计算机数字图像处理。

（2）1963年，加拿大测量学家提出将常规地图变成数字地图成为数字图像处理的思想启蒙。 ?

（3）20世纪60年代，美国制定地球资源遥感计划。

（4）20世纪70年代，计算机硬软件技术的发展，促进遥感数字图像处理技术的发展。

（5）20世纪70年代末，数字化仪完善，尤其是扫描仪的出现为遥感图像的模/数转换奠定基础，使遥感数字图像处理进入新的时期。

2、成熟时期 (1)20世纪80年代，GIS的发展、推广和应用使遥感数字图像处理技术

日趋成熟。

(2)计算机网络的建立使遥感信息传输速率提高，遥感数字图像处理软

件发展，遥感数字图像处理方法增多，模拟与数字图像转换精度、速度提高，遥感数字图像的计算机解译理论、原理成熟。

(3)遥感数字图像处理方法取代光学、电子光学和光化学处理方法的趋

势，遥感数字图形处理技术的发展，推动遥感技术应用向纵向深入。

3、应用时期

20世纪90年代以来，微机的发展和数字化信息产品在全世界的普及，促进遥感数字图像处理技术深入到社会生活的方方面面。

（三）遥感影像数字图像处理的内容

1、图像恢复：即校正在成像、记录、传输或回放过程中引入的数据错误。

2、数据压缩：以改进传输、存储和处理数据效率；

3、影像增强：突出数据的某些特征。包括边缘增强、去模糊等；

4、信息提取：从经过增强处理的影像中提取有用的遥感信息。

(四)遥感数字图像处理实际利用案例

1.在青藏高原机场建设工程中的应用

工作区位于青藏高原西部,海拔大于4500m,交通不便。应用陆地卫星ETM图像和快鸟图像,通过遥感图像处理制作了该区的高精度正射影像地图和不同分辨率的遥感图像三维可视化与影像动态系列图以及地质解译图并综合场区的区域地质情况分析,完成了研究区四个拟建场区的工程地质解译及其综合条件评价。遥感图像信息提取结果,结合场区的工程地质条件、水文地质条件、交通位置和潜在威胁性等影响机场建设的自然和人文因素,对四个场址进行综合对比表明,最终确定索麦场址为某机场的理想场址。实践表明,在机场工程建设中引用遥感图像处理技术,为机场勘察及其工程建设提供了新的技术思路,为进一步机场规划设计提供准确的科学依据。

2、遥感图像处理在汶川地震中的应用分析

灾害发生后，由于地形、气象等客观因素的影响，很难获得灾区数据，

需要充分发挥多种传感器的优势，获取灾区的各种类型数据，主要包括光学与SAR卫星遥感影像、光学与SAR航空遥感影像两大类。在数据获取方面，无人机遥感系统具有机动、快速、经济等优势，相对常规数据获取方式，无人机遥感不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。极大地及时获取了灾区信息。为营救与随后的重建提供了必不可少保证。

(五)数字图像处理与遥感影像处理的区别与联系

随着科学技术的不断进步\对于图像处理的方式也逐渐先进\目前比较主流的图像处理方法有两种:数字图像处理和遥感影像处理。数字图像处理技术不断进步\其应用领域也在不断拓展。遥感影像处理是将遥感影像的模拟信号转变为数字形式的信息输入计算机中\按照一定的数学模型\进行变换&加工&产生可为专业人员判读的图像或资料。相对于数字图像处理\遥感影像处理不仅要提高视觉效果\还要恢复原有地形点的位置信息和辐射信息\这一点为图像处理技术在专业领域的应用提出了新的难题。

1、数学原理相同，数据特征不同 从记录形式的角度来说，数字图像与数字遥感影像是相同的，都是对连续信号投影后形成的离散二维数字矩阵。具体说来，图像处理是对二维数字矩阵进行某些数学运算以提高图像质量，它们在机理上是共通的，都涉及高等数学、离散数学、线性代数、概率论和随机过程等数学理论，其常用的图像处理方法也是通用的。而遥感影像与普通的数字影像在获取方式上又截然不同，普通的数字影像大多数来源于数字摄像机、扫描仪等设备，成像距离较短，图像空间分辨率高，成像参数随意性强，摄影成像遵循中心投影原理，记录的信息多为物体在可见光波段的反射量。遥感影像由航天、航空设备上的传感器获得，成像大多采用顶部成像的方式，也就是俯瞰地面，这种成像方式由于远离地面，所以空间分辨率低。常常是扫描成像，使用波段顾忌大气窗口，从紫外、可见光、红外、微波等波段都有涉及、两者的获取方式不同，同时，两者评价影像质量的参数也不尽相同，所以，两者的信息量也相差甚远。

2、处理机制相同，应用目标不同

从处理机制的角度来看\两者的核心技术大致相同。首先，数字图像处理的工具通常有三种类型：第一种是直接在空间域中进行数据运算来处理图像(第二种是进行图像变换(第三种是在积分几何和随机集合论的基础上进行运算、同时，这三种工具作为图像处理的核心技术在遥感影像的处理中也有大量的运用，尤其是在图像增强方面，无论是数字图像处理还是遥感影像处理，它们的目的都是改

变图像的灰度等级、提高图像对比度、消除边缘和噪声、平滑图像、突出边缘或线状地物&锐化图像、合成彩色图像、压缩图像数据量、突出主要信息。但是从应用目标的角度上说，两者就不相同了。对于数字图像处理的目标大致有以下三个主要方面：第一个目标是为了提高图像的视感质量(第二个目标是为了提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利(第三个目标是为了进行图像数据的变换&编码和压缩，以便于图像的存储和传输。而对于遥感影像处理来说，它是以恢复地形点的正确位置和辐射信息为主要目标，通常分为几何校正与辐射校正两点：其一，几何处理就是解决遥感图像的几何变形的问题，对遥感图像进行几何纠正。往往采用多项式或其他模型改变现有影像像元的几何位置，重新采样输出纠正影像。 其二，辐射校正是消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程，从遥感传感器成像机理出发，分析辐射误差的多种来源，采用适当的方法模型求取真实的辐射量矩阵，这些方法通常有回归分析法、直方图等。相较而言，遥感影像处理比数字图像处理更加趋向求本溯源，这样的处理过程更加具有真实的物理意义。

3、 图像运算相同，解译结果不同

在图像运算方面，数字图像处理和遥感影像处理有相同之处。通常，两者都是通过一系列数学运算使图像增强，从而达到提取某些信息或去掉某些不需要信息的目的。这些数学运算涉及面比较广泛，包括图像的代数运算、逻辑运算和数学形态学运算等。 经常使用的数学方法有、差值运算、比值运算和混合运算三种。 另外，加法运算在人像处理中可祛除面部斑点，减少遥感影像随机噪声。差值运算可去除图像背景，增强目标识别，遥感影像中有利于变化事件的动态监测。乘法运算可提取感兴趣的地物，比值运算可用于去除地形坡度和方向引起的辐射量变化等。数字图像处理的解译结果不同于遥感影像处理的结果，由于遥感影像处理以几何校正与辐射校正为目的，在图像运算中就带有了很强的目的性和针对性，采用遥感影像处理的方式，从图像中可以提取植被信息，统计绿量，估计作物产量等。

4、发展趋势相同，专业侧重不同 科学技术的迅速发展，给图像处理技术提供了广阔的发展空间，也预示着图像处理技术未来光明的发展前景。计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，也推动着数字图像处理向更高、更深层次发展。目前，相关的研究人员已经开始研究如何用计算机系统解释图像，以期实现类似人类视觉系统理解外部世界，这被称为图像理解或计算机视觉。对于这个研究方向而言，将是一个长期而艰巨的过程。这次期间一定会存在很多困难和阻碍，就当前而言，还侧重在图像分析方面。图像分析是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。 在图像分析的过程中，往往先区分不同对象，将图像分隔，进而进行特征提取，完成识别不同对象的目的或对图像进行分类，最后对不同对象进行描述，建立不同对象间的相互联系，从而找出有意义的相似结构。图像分析常用的方法有邻域分析、查找分析、指标分析、叠加分析、归纳分析等。

二、遥感应用的理论和技术进展 （一）遥感应用的主要模式发展

1、基于遥感目视解译或专题信息提取的单要素识别分析 80年代之前，遥感的主要内容就是进行目视解译和专题信息提取，例如，

在50年代，遥感的发展处于起步阶段，我国的一些部门开展了航空摄影和航空制图与判读研究。到了60年代，主要是技术和人才的准备。70年代，我国在腾冲、哈密、天津-渤海湾等地区开展了遥感实验研究，以及1976年，我国编成全国黑白卫星影像图，标志着我国遥感的发展进入实验阶段。

80年代以后，计算机自动分类方法大大提高了工作效率，但是目视解译和专题信息信息提取方法的的准确度仍然是计算机分类难以达到的。这一时期，遥感的应用主要在灾害地貌的判读、专题图制图、城市遥感、基本农田划定、遥感考古、地质等。

2、基于遥感分类的地表多要素识别分析 80年代，传统分类方法（监督、非监督）、90年代，基于新理论的分类方法，如神经网络分析、小波变换以及支持向量机等方法的发展，21世纪初，面向对象的发展方法出现，使得遥感图像的计算机自动分类方法发展起来。这一时期，遥感主要应用在土地利用、植被类型、土壤类型等方面。

3、地表参数的遥感定量反演

定量遥感是利用遥感传感器获取的地表地物的电磁波信息，在先验知识和计算机系统支持下，定量获取观测目标参量或特性的方法与技术。作为新兴的遥感信息获取与分析方法，定量遥感强调通过数学的或物理的模型将遥感信息与观测地表目标参量联系起来，定量地反演或推算出某些地学目标参量。定量遥感是当前遥感研究与应用的前沿领域，主要应用在地表蒸散发、地表温度反演、水土流失、水体监测等。

4、遥感数据与辅助信息结合的统计分析

单纯的遥感数据分析虽然可以从状态分布的角度定量反应地表现象、地表参数的静态属性和动态规律，但对于地学过程与相关背景因子的关联规则、地学过程的驱动机制与演变模式、地学现象与地学过程的影响因素等问题则无能无力。

（二）遥感技术发展简介 1、地面遥感阶段

1608年 第一架望远镜、1609年 首次观测月球、1794年 气球首次升空，为观测远距离开辟了先河，但不能用图像记录下来。1839年，图像记录在胶片上、1849年，制定摄影测量计划标志着有记录的地面遥感出现。

2、航空遥感阶段

1858年 气球拍摄法国像片、1903年 飞机的成功发明、1909年 第一张航空像片是空中摄影阶段的标志性事件。一战期间1914-1918：形成独立的航空摄影测量学体系。二战期间1931-1945出现了彩色、红外、雷达、多光谱、扫描摄影运载工具和判读成图设备。

3、航天遥感阶段

航天遥感的发展离不开遥感平台、传感器和遥感信息的处理，不同高度和用途的卫星对地球进行多角度和多周期观测，探测波段范围延伸（单波段→多波段）；空间分辨率提高；多种探测技术集成。大容量、高速的计算机与功能强大的图像处理技术相融合；引入相邻学科的信息处理方法；多源遥感与非遥感数据的融合。

4、现代遥感阶段

在数据的获取方面，从Landsat → Quick Bird，其空间分辨率不断地提高，分布式合成孔径雷达技术投入商业，航天遥感小卫星，其体积小、重量轻、

功能单一、研制周期短、成本低的卫星，对于信息处理技术，影像校正、增强、分类、融合、分析、传输和压缩等不断出现。

(三)我国遥感技术的发展

1、1995年GPS辅助空间三角测量技术研制成功，形成完整的技术体系 2、2002年引入高精度定位导航姿态测量系统，初步实现无地面控制航测成图

3、2002年研制成功遥感数据处理软件ImageInfo，提供遥感影像分析和可视化集成环境

4、2003年，研制成功低空无人机遥感监测系统，丰富了我国低空遥感数据获取手段

5、2004年研制成功高分辨率SAR系统，实现了全天候、全天时高分辨率成像和三维干涉成像

6、2005年移动道路测量系统研制成功，丰富了数据获取手段，提供可视化位置服务，支持普通用户按需量测

7、2007年我国首台数字航空摄影仪研制成功，填补了国内空白，在空间信息获取技术上取得重大突破

8、2010年我国首颗传输型立体测绘卫星发射成功，实现该测绘卫星的零突破

9、2012年高分辨率立体测绘卫星发射成功，开辟高分辨卫星的新时代 总之，我国的遥感实现了从航空摄影到卫星遥感、从单一遥感平台到多层次多平台、从胶片式相机到数码相机，从可见光波段到红外、微波多波段的转变。低空遥感、高分辨率SAR等技术系统取得众多研究成果，解析测图仪、全数字摄影测量系统等研制成功，标志着我国摄影测量完成了从模拟、解析到数字的技术跨越，进一步从数字摄影测量工作站的单人单机运行模式向数字摄影测量网格的网络化并行处理运行模式发展。

三、卫星、传感器进展

用卫星作为平台的遥感技术称为卫星遥感。通常，遥感卫星可 在轨道上运行数年。卫星轨道可根据需要来确定。遥感卫星能在规定的时间内覆盖整个地球或指定的任何区域，当沿地球同步轨道运行时，它能连续地对地球表面某指定地域进行遥感。所有的遥感卫星都需要有遥感卫星地面站，从遥感集市平台获得的卫星数据可监测到农业、林业、海洋、国土、环保、气象等情况。遥感卫星主要有“气象卫星”、“陆地卫星”和“海洋卫星”三种类型。

（一） 陆地卫星

1、美国陆地资源卫星 landset卫星：美国1961年发射了第一颗试验型极轨气象卫星,70年代,

在气象卫星的基础上研制发射了第一代试验型地球资源卫星（Landsat-1、2、3）。80年代,美国发射了第二代试验型地球资源卫星（Landsat-4）。90年代，美国又分别发射了第三代资源卫星（Landsat-6,7）。2013年2月11号，NASA 成功发射了 Landsat 8 卫星，为走过了四十年辉煌岁月的 Landsat 计划重新注入新鲜血液。Landsat- 8上携带有两个主要载荷：OLI和TIRS。其中OLI（全称：Operational Land Imager，陆地成像仪）由卡罗拉多州的鲍尔航天技术公司研制；TIRS（全称：Thermal Infrared Sensor，热红外传感器），由NASA的戈达德太空飞行中心研制。设计使用寿命为至少5年。