遥感学习笔记（八）—

1、基本概念

①影像

影像，亦称图像（Image）

图像有多种含义，其中最常见的定义是指包括照片、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：image，picture, photo, painting, figure，通称为image

图形（Graph）

概念：

① 线划图：工程设计图、数学曲线图、地图；

② 明暗/着色图：艺术绘画

③ 基本组成要素：点、线、面符号和文字注记

计算机图形学（Computer Graphics）：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领域。

图像与图形的区别

图形生成基于模型、人的构思和想象，而蕴含于影像中的模型有

待识别

图像中存在着大量难以为模型表达的要素，或者不确定性

②模拟影像与数字影像

【模拟影像】

又称光学影像，以胶片、相纸等硬拷贝形式存储的影像。广义的模拟影像还包括绘画。

模拟影像的主要特点（连续性假设）：

① 空间位置的变化是连续的

② 每一空间位置上的亮度、色彩变化是连续的

③ 符合数学上微积分连续性的定义

模拟影像的类型

① 黑白影像

② 彩色影像

【数字影像】

相当于模拟影像的栅格化表达，用离散数值阵列量化表达影像空间明暗或色彩变化，便于计算机存储、处理和表达

数据记录的基本单元是像元（或称像素，pixel）

以二维或高维数值矩阵形式存储的影像，度量参数：行、列、灰阶、波段

特点：离散化（空间位置离散化；亮度、色彩离散化）

模拟影像和数字影像之间的转换

A/D转换（Analog-Digital）——影像数字化：采样、量化

D/A转换（Digital-Analog）——影像恢复（回放）

模拟影像属于可视影像，便于直观表达，但不便存储；数字影像

属于非可视影像，便于存储，但不直观。

③光学影像处理和数字影像处理

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操作，从而获得所需要信息的处理方法，通常包括影像变换、压缩与恢复、增强、校正、模式识别等几个方面。

遥感影像处理：影像校正、影像增强、影像融合、多光谱变换与分析

遥感影像分析：特征提取、傅立叶分析、小波分析

定量遥感分析：地表物理与生物物理、生物化学参数反演

遥感影像分类：多光谱、高光谱影像的模式识别、人工智能遥感信息提取

2、遥感数据的获取和数字化

①遥感系统

遥感系统是一个从地面、空中，到太空，从遥感信息收集、存储、传输、处理到分析、判读、应用的完整的技术体系，主要包括5个部分：

① 遥感地面观测/观测场

② 信息获取设备（遥感平台、传感器）

③ 信息传输

④ 信息处理

⑤ 信息应用

【传感器类型及工作波长范围】

【遥感影像数字化：采样与量化】

采样：将空间上连续的影像变换成为离散像元点的操作。决定地表单位距离或单位面积内采集的像元点数、点间距，相应确定了遥感影像数据的行、列数。采样控制参数：采样间隔：空间间隔/时间间隔采样孔径：光学采集器成像孔径（IFOV），决定了光通量列数和行数（row and path）

量化：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。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字位数相对应。

②影像数据的存储

【基本二进制形式】

BSQ、BIL、BIP

逐波段存储BSQ（Band SeQuential，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，便于各个波段数据记录的提取，但不利于波段之间的数值运算。

逐行存储BIL（Band Interleaved Line，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。

逐像元存储BIP（Band Interleaved by Pixel，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，便于波段之间的数值运算，但不利于各个波段数据记录的提取。

【标准图像格式】

BMP、TIFF与GeoTIFF、JPEG、GIF

【数据压缩】

变长编码、游程长度编码、LZW编码、有损压缩

【影像类型与灰度、颜色、波段之间的关系】

二值影像：一个波段，像元的量化值只有0、1两个量；

黑白影像（灰阶影像）：一个波段，一般量化为256个灰阶，即0~255，以单字节记录，亦即1 Byte；量化为10、11、12bit的高辐射分辨率影像通常以双字节加以存储（2 Byte）

彩色影像：三个波段，分别对应红、绿、蓝三个波段，每一波段有256个灰阶，最多可达到的色彩数为224=1.67×107种

编码彩色影像（indexed color image）：影像编码为256种彩色，即0~255，每一编码代表一种可辨别的颜色；需要引入颜色查找表（LUT），建立编码值与实际显示红、绿、蓝三色之间的对应关系

【影像数据量】

行数（M）×列数（N）×灰阶数（G）×波段数（D)

如：某SPOT-3/4 HRV多光谱影像 3000行×3000列×1Byte×3波段 = 27000000bytes = 25.74MB

【遥感数据产品等级】

0级产品：未经过任何校正的原始影像数据

1级产品：经过了初步辐射校正的影像数据

2级产品：根据卫星轨道和姿态等参数以及地面系统中的有关参数对原始数据进行了几何校正

3级产品：利用地面控制点对影像进行了几何精纠正，使之具备更高的空间位置精度。

③遥感数据的分辨率

空间分辨率（spatial resolution）

传感器能够有效区分的最小地物单元的尺寸或大小。

时间分辨率（temporal resolution

遥感影像重复覆盖同一目标区域的时间周期。

提高时间分辨率的途径：增加幅宽，并减小空间分辨率

光谱分辨率（spectral resolution）

传感器记录的电磁辐射的波长范围和波段数量，分别对应遥感影像的波段宽度和波段数。

单波段：黑白/全色影像

4～7波段：多光谱（multispctral），光谱分辨率10~102nm量级

数十～数千波段：高光谱（hyperspectral），光谱分辨率1～10nm量级

辐射（亮度）分辨率（radiometric resolution）

传感器区分反射或发射电磁辐射强度差异的能力，决定了地物对应辐射量的变化幅度及量化等级数

64灰阶（26）

128灰阶（27）

256灰阶（28）

1024灰阶（210）

4096灰阶（212）

温度分辨率：地表热辐射探测灵敏度

角度分辨率（angular resolution）

传感器对地观测所具备的多角度观测能力。

极化分辨率（polarized resolution）

不同粗糙度的地表类型对于不同波长的微波波段呈现不同的后向散射特性。当这种电磁波与地表相互作用时，会使电磁波的极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，可用不同极化的天线去接收，从而形成不同极化方式的雷达影像。

3、遥感数字影像处理系统

①硬件

输入设备：磁带机、扫描仪、CD/DVD-ROM 存储设备：磁盘/磁盘阵列、磁带/磁带库、光盘/光盘库数据存储单位：bit, Byte, KB, MB, GB, TB, PB 运算器、处理器：CPU 输出设备：显示屏、打印机、绘图机交互设备：键盘、鼠标、显示屏网络：局域网、互联网

②软件

操作系统（Windows，UNIX，Linux, MacOS）软件开发工具（Fortran，C/C++，Java, Matlab, Python）影像数据库管理系统 Oracle SQL Server 专业影像处理软件 ENVI/IDL ERDAS Imagine PCI Geomatica 增值软件(需根据系统需求进行系统的二次开发) 针对实际业务需求完善相应的功能用户界面增强系统集成（例如：办公自动化系统、环境灾害监控系统）

③数据

Landsat MSS/TM/ETM+/OLI 、SPOT HRS、RADARSAT 、IKONOS、Quickbirds、WorldView II Terra/Aqua MODIS、 ASTER、MISR ……

4、常用遥感影像处理软件

①ERDAS Imagine

ERDAS Imagine是Leica Geospatial Imaging（简称ERDAS LLC，前身为独立的ERDAS公司，几年前为Leica公司所收购）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。影像处理技术先进、用户界面和操作方式友好、灵活，产品模块应用领广阔域，模型开发工具服务于不同层次，以及高度的遥感—地理信息系统集成功能，为遥感技术应用领域的用户提供了内容丰富而功能强大的影像处理工具。跨平台运行软件：UNIX、Windows NT 4/Windows 2000/XP/7 拥有近半数的遥感用户市场（46%）。

【核心模块】

IMAGINE Essentials：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。

IMAGINE Advantage：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。

IMAGINE Professional：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。

IMAGINE Vector扩展矢量处理：ARC/INFO Coverage矢量数据无需转换，即可直接操作。

IMAGINE VirtualGIS三维可视化分析：三维可视化、贯穿飞行，3D模型分析支持。

IMAGINE Virtual Explorer（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。

IMAGINE AutoSync（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

IMAGINE Radar Mapping System（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，StereoSAR DEM和IFSAR DEM。

IMAGINE Subpixel Classifier：子像元分类器模块。

IMAGINE LPS Core（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、SPOT 5和IRS-1C、IKONOS、Quickbird、OrbView、ASTER等处理模式。

LPS ATE+TE+Stereo：基于立体像对的DEM自动提取模块：是LPS Core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

Stereo Analyst （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3D shapefile。

IMAGINE C Developers’ Toolkit：基于VC/C++函数库的ERDAS IMAGINE二次开发、功能扩展模块。

IMAGINE ATCOR 2&3：大气辐射校正和雾霁去除模块。

IMAGINE NITF：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。

②ENVI/IDL

软件开发商现为Exelis Visual Information Solution, Inc。其前身为ITT Visual Information Solutions公司、RSI公司（Research Systems Inc.）。2007年，ESRI公司与ITT Visual Information solutions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。

【产品优势】

强大的底层IDL支持系统的二次开发。IDL是进行二维或多维数据可视化、分析和应用开发的理想软件工具，广泛应用于天文学、医学、遥感科学研究。ENVI是由遥感领域的科学家采用IDL开发的一套功能强大的遥感影像处理软件。

ENVI具有灵活、友好的界面，简单易学，便于操作

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

一整套的高光谱数据处理工具：混合像元分类、匹配滤波、线性波谱分离、光谱角分类、波谱特征匹配、决策树分类和人工神经元分类

③PCI Geomatica